CAD機械設計畢業(yè)論文.docx

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基于Proe的齒輪建模研究 1 緒論 1.1 計算機輔助設計(CAD)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.1.1 CAD技術簡介 CAD技術是隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的，它具有工程及產(chǎn)品的分析計算、幾何建模、仿真與試驗、繪制圖形、工程數(shù)據(jù)庫管理和生成設計文件等功能。進二十年來，由于計算機硬件性能的不斷提高，CAD技術有了大規(guī)模的發(fā)展。目前CAD計算已經(jīng)應用于許多行業(yè)，如機械、汽車、飛機、船舶、電子、輕工、建筑、化工、紡織及服裝等。CAD技術應用于機械類產(chǎn)品設計的比例最大，機械CAD在整個工程CAD中占有比較重要的位置。 1.1.2 CAD軟件現(xiàn)狀、主要分類，及各自的主要特色 CAD是工程技術人員以計算機為工具，對產(chǎn)品和工程進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱。根據(jù)模型的不同，CAD系統(tǒng)一般可分為二維CAD系統(tǒng)和三維CAD系統(tǒng)： 二維CAD系統(tǒng)一般將產(chǎn)品和工程設計圖紙看成是“點、線、圓、弧、文本……”等幾何元素的集合，所依賴的數(shù)學模型是幾何模型[1]。目前使用最多的是Autodesk 公司的AutoCAD軟件。 三維CAD系統(tǒng)的核心是產(chǎn)品的三維模型，這種三維模型包含了更多的實際結構特征，使用戶在采用三維CAD造型工具進行產(chǎn)品結構設計時，更能反映時間產(chǎn)品的構造或加工制造過程。目前使用最多的有PTC公司的Pro∕Engineer軟件；EDS公司的UGH軟件；Solidworks公司的Solidworks軟件；UG公司的SolidEdge軟件。 根據(jù)產(chǎn)品結構，生產(chǎn)方式和組織管理形式不同，企業(yè)對CAD軟件的功能又有四方面不同需求： 一、計算機二維繪圖功能：“甩掉圖板”把科技人員從繁瑣的手工繪圖中解放出來，其是CAD應用的主要目標，也是CAD技術的最主要功能。 二、計算機輔助工藝設計(CAPP)功能：進行工藝設計，工藝設計任務管理，材料定額管量等功能，實現(xiàn)工藝過程標化，保證獲得高質量的工藝規(guī)程，提高企業(yè)工藝編制的效率和標準化。 三、三維設計，裝配設計，曲面設計，鈑金設計，有限元設計，機構運動仿真，注塑分析，數(shù)控加工等三維CAD，CAM功能，可以解決企業(yè)的三維設計，虛擬設計與裝配，機構運動分析，應力應變分析，鈑金件的展開和排樣等困難，使企業(yè)走向真正的CAD設計。 四、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM。復雜產(chǎn)品的設計和開發(fā)，不僅要考慮產(chǎn)品設計開發(fā)結果。而且必須考慮產(chǎn)品設計開發(fā)過程的管量與控制．管量產(chǎn)品生命周期的所有數(shù)據(jù)(包括圖紙技術文檔)以及產(chǎn)品開發(fā)的工藝過程，使CAD、CAPP、CAM等系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享，使產(chǎn)品設計工作規(guī)范化保持一致性，保證圖紙，工藝卡，加工代碼，技術資料等的安全性。 1.1.3 CAD發(fā)展方向 當前工業(yè)企業(yè)正面臨著市場全球化、制造國際化和品種需求多樣化的新挑戰(zhàn)，各企業(yè)間圍繞著時間、質量和成本的競爭越來越激烈。由此出現(xiàn)了一系列先進制造技術、系統(tǒng)和新的生產(chǎn)管理方法。如并行工程、及時生產(chǎn)、精良生產(chǎn)、敏捷制造和虛擬現(xiàn)實技術等，所有這些先進制造技術和系統(tǒng)都與CAD系統(tǒng)的發(fā)展與應用密切相關。目前CAD系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾方面[2]： CAD系統(tǒng)應用面向產(chǎn)品的全過程：在產(chǎn)品的全過程中，要求產(chǎn)品的信息能在產(chǎn)品生命周期的不同環(huán)節(jié)方便地轉換．有助于產(chǎn)品開發(fā)人員在設計階段能全方 位地考慮產(chǎn)品的成本、質量、進度及甩戶需求。 CAD系統(tǒng)應充分考慮產(chǎn)品的繼承性：在產(chǎn)品的更新?lián)Q代過程中，要求能方便地獲得產(chǎn)品的全部歷史數(shù)據(jù)．以便充分利用已經(jīng)經(jīng)過生產(chǎn)實踐的產(chǎn)品信息。1)在用CAD系統(tǒng)進行新產(chǎn)品成品的開發(fā)設計時，只需對其中極少部分零部件進行重新設計和制造．即可得到全新的產(chǎn)品。2)對于類似零件，當采用特征建模法完成新零件設計后，并當類似的零件變型不斷出現(xiàn)時，應自動將零件功能特征模型轉為典型零件模型。這不僅大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約了研制成本，還提高了產(chǎn)品的標準化程度。保證了產(chǎn)品的一次成熟性和一次成功性。 CAD系統(tǒng)應滿足并行設計的要求：并行工程的關鍵是用并行設計方法代替串行設計方法。產(chǎn)品在設計過程中可以容易地被分解為不同的模塊，分別由不同設計人員分工進行設計．然后通過計算機網(wǎng)絡進行組裝和集成。在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，使開發(fā)組成員易于實現(xiàn)半結構化通信．同時不同的設計層具有不同的管理使用權限。對產(chǎn)品建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型后進行動態(tài)管理。 CAD系統(tǒng)應滿足靈活的虛擬現(xiàn)實技術：設計人員可在虛擬現(xiàn)實中創(chuàng)造新的產(chǎn)品模型。并檢查設計效果，可以及早看到新產(chǎn)品的外形，以便從多方面觀察和評審所設計的產(chǎn)品：可以運用虛擬工具任意改變產(chǎn)品的外形而無需耗費材料及占用加工設備。這種方法可盡早地發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品研制過程的最初階段出現(xiàn)的設計缺陷如結構空間的干涉等問題，以保證設計的準確性。CAD系統(tǒng)要具有很好的可移植性和自組織性：在CAD系統(tǒng)中．用戶可以根據(jù)自己的需要隨時加入運行文件和模塊．還可重新裝配各個模塊中的子模塊?；蛘甙凑兆约旱囊笮薷南到y(tǒng)中的不足之處。而這種修改不會影響這個CAD系統(tǒng)。 CAD系統(tǒng)要具有很好的集成性：CAD與CAPP、CAM的集成已成為工程領域中急需解決的問題。一般可以通過兩個途徑來解決：一是通過接口，將現(xiàn)有的各自獨立的CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)連接起來；二是開發(fā)集成的CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)。 智能CAD系統(tǒng)：智能CAD是一種新型的高層次計算機輔助設計方法和技術。它將人工智能的理論和技術與CAD相結合，使計算機具有支持人類專家的設計思維、推理決策及模擬人的思維方法與智能行為的能力，從而把設計自動化推向更好的層次。這種智能性具體表現(xiàn)為：（1）智能地支持設計人員，而且是人機接口也是智能的。系統(tǒng)必須懂得設計人員的意圖，能夠檢測失誤，回答問題，提出建議方案等。（2）具有推理能力，使不熟悉的設計人員也能做出好的設計來。 在未來的幾十年里，CAD技術將在建模技術、軟件組件技集成智能化等方面進一步發(fā)展，因而也必將在機械工程設計的各個領域發(fā)揮越來越重要的作用。 Pro/E軟件簡介 1.2.1 軟件概述 Pro/ENGINEER軟件是美國PTC公司開發(fā)的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)解決方案。在目前的三維造型軟件領域中占有十分重要的地位，其強大的三維處理功能、先進的設計理念和簡單實用的操作受到許多設計者推崇，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。 Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有的模塊。Pro/E的基于特征方式能夠將設計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用在單機上。 Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用[3]。 參數(shù)化設計和特征功能 Pro/ENGINEER是采用參數(shù)化設計的、基于特征的石頭模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，你可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 單一數(shù)據(jù)庫 Pro/ENGINEER是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上的，它不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，而不管他是哪個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何改動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 1.2.2 Pro/ENGINEER軟件包簡介 Pro/ENGINEER是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型、三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可以移動、放大或縮小和旋轉）。Pro/ENGINEER是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現(xiàn)的，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這些手段來建立形體，對于工程師來說是更自然、更直觀的，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)化功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不像其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數(shù)改變，其他相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可以傳送到繪圖機上或一些支持Postscript格式的彩色打印機。Pro/ENGINEER還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)的。用戶更可以配上Pro/ENGINEER軟件的其他模塊或自行利用C語言編程，以增加軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設計能力，組裝能力（人工）和工程制圖能力（不包括ANSI,ISO,DIN或JIS標準），并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀（HP,HPGL）和黑白機彩色打印機的二維和三維圖形輸出。Pro/ENGINEER軟件包的主要功能如下[4]： 1、特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼）。 2、參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）。 3、通過零件的特征值之間、載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計。 4、支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件、交替排列、Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。 5、貫穿所有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方改動），其它輔助模塊將進一步提高擴展Pro/ENGINEER的基本功能。 1.3 齒輪建模的研究現(xiàn)狀 在現(xiàn)代工業(yè)中，齒輪傳動是應用最為廣泛的一種傳動方式。為了保證齒輪傳動的精確性，在齒輪傳動設計中，對齒輪的精確建模顯得尤為重要，如何提高和保證齒輪傳動的精確性是目前齒輪建模研究領域的重點研究方向。目前，齒輪建模方法有很多，如描點法，參數(shù)法，利用插件法等各種方法[5]。 （1）描點法 描點法是構建齒輪參數(shù)化模型通用的方法，其建模過程一般為：首先建立齒廓曲線的數(shù)學模型，求取曲線上點的坐標，然后根據(jù)坐標值描繪出齒廓曲線草圖，最后通過各種三維建模軟件的三維建模功能建立齒輪的三維模型。它可以推廣至各種不同齒廓曲線齒輪的建模，只要建立相應的齒廓曲線的數(shù)學模型，利用計算軟件求得一系列離散點的坐標值，在三維造型軟件中描點繪出齒廓曲線草圖后，進行拉伸或者切除等命令即可得到齒輪的三維模型。其建模過程比較繁瑣，但只要建立精確的數(shù)學模型，多取些型值點就可以獲得較高的曲線精度，從而提高三維建模的精度。 （2）參數(shù)法 參數(shù)法是利用描點法中論述的相應的齒廓曲線算法編寫程序，建立一個通用的齒輪模板文件。在進行齒輪建模時只需調用相應的模板文件，通過修改相應參數(shù)，自動生成所需的齒輪模型。此種建模方法因模板文件已將描點法中的分析曲線，建立數(shù)學模型，計算型值點坐標等過程編寫成程序內置，故其界面比較簡單。對于常用的標準齒輪建模，只要精度要求不是很高，采用這種方面很方便，用戶只需輸入?yún)?shù)，就可方便迅速地建立所需的齒輪模型。 （3）利用插件法 利用插件法是一種非常便捷的齒輪建模方法?，F(xiàn)在的三維建模軟件，大多提供了豐富的數(shù)據(jù)接口，目前市場上有很多發(fā)展成熟的第三方插件可供選用，以GearTrax為例，其功能強大且易學易用，用戶只需打開其界面，在GearTrax中選定齒輪參數(shù)后，點擊“繪制”，即可完成齒廓曲線的繪制。然后在各種不同的三維建模軟件中通過拉伸、切除特征等一系列操作，即可得到相應齒輪的三維模型。 這三種齒輪建模方法都有很強的實用性，用戶可根據(jù)自身設計需要選擇適合自己的齒輪建模方法，以達到最佳的設計結果。 1.4 本文研究內容簡介 齒輪傳動是機械設備中應用最廣泛的動力和運動傳遞裝置,廣泛應用于航空、汽車、機床和自動化生產(chǎn)線等各種通用機械中。齒輪嚙合的力學行為和工作性能對整個機器有重要影響。隨著機械行業(yè)的不斷發(fā)展，各種精密機床不斷被研發(fā)，對齒輪的成形精度有了越來越高的要求。為了精確模擬齒輪的實際成形過程，就要求對齒輪進行精確的三維建模。本文基于Pro/E3.0平臺上進行齒輪的三維建模研究。本文主要講述了漸開線斜齒圓柱齒輪、漸開線直齒圓柱齒輪以及直齒圓錐齒輪這三種常用齒輪的參數(shù)化建模方法。通過對這三種不同齒輪的參數(shù)化建模方法的研究，可以非常明確的了解其建模方法的異同之處，對進一步進行齒輪有限元分析、齒輪嚙合運動學和動力學分析等有著十分重要的意義。 2 漸開線斜齒圓柱齒輪參數(shù)化建模 齒輪是一種通用的傳動機構，有特殊的設計和加工技術，其加工精度對傳動精度、機床穩(wěn)定性等有重要影響，因此實現(xiàn)齒輪的精確建模是后續(xù)研究的重要保證。參數(shù)化建模是指用參數(shù)表達式來表示零件的尺寸關聯(lián)和屬性，工程技術人員可以通過修改零件的特定參數(shù)和屬性，然后根據(jù)相關聯(lián)的尺寸表達式的作用而引起整個模型的變化，從而可得到所需的零件[6]。本章主要論述了齒輪漸開線的形成原理和在Pro/Engineer（Pro/E）中實現(xiàn)漸開線斜齒圓柱齒輪實體建模的詳細方法。在Pro/E 中，通過參數(shù)化建模的方法，生成齒輪的完整漸開線齒廓，采用特征操作方法生成了漸開線斜齒圓柱齒輪的三維實體模型。此種建模方法對其它類似零件的實體建模有重要的借鑒意義。 2.1 齒輪漸開線的生成原理 標準漸開線齒輪的齒廓部分形狀如圖2.1所示，由機械原理知識可知，當一直線BK沿一圓周作純滾動時，直線上任意點K的軌跡AK就是該圓的漸開線，這個圓稱為漸開線的基圓，半徑為rb ，直線BK叫做漸開線的發(fā)生線；角θk 叫做漸開線AK段的展角，如圖2.2所示。從而得到漸開線的極坐標方程為[7]： （2-1） rk=rb/cosα θk=tanαk-αk 根據(jù)漸開線的生成原理，得到漸開線曲線的數(shù)學分析，得到如下的數(shù)學關系方程[8]： （2-2） x=rbsinu-rbucosu y=rbcosu+rbusinu 式中，rb 為漸開線的基圓半徑；u=tan(αk )為漸開線上任一點K的滾動角；αk 為漸開線上K點的壓力角。 圖2.1 齒輪單齒端面輪廓 圖2.2 漸開線生成原理 2.2 漸開線斜齒圓柱齒輪的參數(shù)化建模步驟 本文以無錫開源機床廠提供的XK2425-600型龍門鏜銑床傳動箱中的主動齒輪為例，介紹基于Pro/E的漸開線斜齒圓柱齒輪的參數(shù)化建模過程，齒輪的參數(shù)如表2.1所示，具體步驟如下： 表2.1 漸開線斜齒圓柱齒輪自變參數(shù) 自變參數(shù) 名 稱 端面模數(shù) 齒數(shù) 壓力角 螺旋角 齒寬 齒頂高系數(shù) 頂隙系數(shù) 變位系數(shù) 代號 mn z α β b ha c x 斜齒輪 4 25 20 15 60 1 0.25 0 (1) 創(chuàng)建新的零件文件。打開Pro/E，單擊工具欄新建文件的按鈕，選擇零件模塊，輸入零件名稱：helical_gear,點擊OK。將坐標系PRT_CSYS_DEF及基準平面RIGHT、TOP、FRONT顯示在畫面上； (2） 設置參數(shù)。點擊“工具”下拉菜單中的“參數(shù)”，出現(xiàn)如圖2.3所示的對話框，根據(jù)齒輪的參數(shù)進行設置； 圖2.3 參數(shù)設置 (3） 作圓曲線。點擊特征工具欄“草繪”按鈕，選取FRONT面作為基準面，畫四個圓，點擊“工具”下拉菜單中的關系，輸入如圖2.4關系式，系統(tǒng)自動將關系式添入驅動，生成齒輪的基圓、齒根圓、分度圓和齒頂圓，如圖2.5； 圖2.4 齒輪各圓曲線關系式 圖2.5 關系驅動生成的齒輪基圓、齒根圓、分度圓和齒頂圓 (4） 作齒廓線（漸開線）。點擊特征工具欄“基準曲線”按鈕，選取“從程”-“完成”-“選取坐標系”（選取系統(tǒng)坐標系PRT_CSYS_DEF）-“笛卡爾”，彈出如圖2.6所示的文本編輯框，輸入如圖所示的關系式，點擊文本編輯框的“文件”-“保存”，然后關閉，生成如圖7所示的漸開線； 圖2.6 漸開線方程式 （5） 作基準軸、基準點、基準面。點擊“基準軸”按鈕，按住“Control”鍵選取TOP和RIGHT基準面即可生成齒輪基準軸A_1。點擊“基準點”按鈕，按住“Control”鍵選取步驟4）生成的漸開線和齒輪分度圓，即可生成基準點PNT0。點擊“基準面”按鈕，按住“Control”選取基準軸A_1和基準點PNT0，即可生成基準面DTM1,如圖2.7所示； 圖2.7 漸開線 圖2.8 創(chuàng)建基準軸、基準點和基準面 （6） 作齒廓的鏡像基準面。點擊“基準面”按鈕，選取上步生成的基準面DTM1和基準軸A_1，在“旋轉”選項中輸入關系“360/（4*z）”，即生成基準面DTM2，如圖2.8所示； （7） 鏡像生成單齒另一邊的齒形線。先選取步驟4）生成的漸開線，再點擊“鏡像”按鈕，選擇基準面DTM2為鏡像參考即可，如圖2.9所示； 圖2.9 鏡像齒廓線 （8） 拉伸生成齒根圓柱坯體。點擊“拉伸”按鈕，依次點取“放置”-“定義”，選擇FRONT面作為草繪面，拾取“從邊創(chuàng)建圖元”按鈕，選擇“環(huán)”，選取步驟3）生成的齒根圓，點擊“確定√”，修改其長度尺寸為LONGTH,在關系文本框中添加關系：LONGTH=B; （9） 草繪端面齒廓。點擊“草繪”按鈕，選取FRONT面作為基準面，拾取“從邊創(chuàng)建圖元”按鈕，選擇“環(huán)”，選取齒根圓曲線、兩條漸開線及齒頂圓曲線，點擊“圓角”按鈕，繪制齒根過渡曲線，點擊“草繪器約束”按鈕，使兩圓角半徑相等，點擊“修剪”按鈕，將多余的線刪除，點擊“確定√”，修改半徑尺寸為r，添加關系：r=0.38*mn，生成的齒廓如圖2.10所示； 圖2.10 齒輪端面齒廓 （10）進行特征操作生成另一端齒廓。選擇菜單欄“編輯”-“特征操作”-“復制”-“移動”“獨立”-選擇上一步驟生成的齒廓-“平移”“平面”-選擇FRONT基準面-“正向”，輸入平移距離：B(即齒寬)，再選擇“旋轉”“坐標系”-選擇系統(tǒng)坐標系-“z軸”-“反向”（該齒輪為左旋，若為右旋，則選“正向”，根據(jù)右手定則判定）-“正向”（即確定），旋轉角度先不管，點擊確定，修改旋轉角度為theta，添加關系：theta=2*b*tan（beta）*180/（pi*d），結果如圖2.11所示,旋轉角度的原理圖[9]如圖2.12； 圖2.11 齒廓的特征操作結果 圖2.12 斜齒輪展開圖 （11)作掃描軌跡。若將斜齒輪的分度圓柱面水平展開，則其螺旋線成為斜直線，斜直線與軸線之間的夾角即為分度圓柱上螺旋角β 。先“拉伸”操作生成分度圓柱面，修改拉伸尺寸，添加關系：longth1=b+10。再點擊“草繪”按鈕，選取RIGHT面為草繪平面，作一斜直線（注意齒輪旋向），點擊“確定√”，修改角度尺寸，添加關系：angle=beta。最后點擊菜單欄“編輯”-“投影”，將所作直線投影到分度圓柱面上； (12）混合掃描生成單個輪齒。先選中上步驟生成的投影線，點擊菜單欄“插入”-“混合掃描”，點選實體按鈕，點擊“剖面”，在剖面選項中選取“所選截面”，先選取掃描路徑上箭頭所在的一端齒廓，點擊“插入”，選取另一端齒廓，點擊“確定√”，生成如圖2.13所示的輪齒； 圖2.13 混合掃描生成一個輪齒 (13）陣列生成所有輪齒。先選中上步生成的輪齒，點擊“陣列”按鈕，陣列方式選“軸”，輸入陣列個數(shù)和角度，點擊“確定√”； （14）生成軸孔。點擊“拉伸”按鈕，選取FRONGT為草繪面，繪制如圖2.14所示草圖，點擊確定，最后生成完整的斜齒輪模型如圖2.15所示。 圖2.14 軸孔截面圖 圖2.15 完整的齒輪實體模型 2.3 小結 基于Pro/E的參數(shù)化建模，用戶可以定義各參數(shù)之間的相互關系，使得特征之間存在依存關系。當修改某一單獨特征的參數(shù)值時，會同時牽動其它與之存在依存關系的特征進行變更，以保持整體的設計意圖。因此在同類零件的設計中，使用參數(shù)化造型方法，通過修改零件的特定參數(shù)和屬性,然后根據(jù)相關聯(lián)的尺寸表達式的作用而引起整個模型的變化,即可得到所需零件，從而為工程人員節(jié)省大量時間。 3 漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模 本章通過對漸開線的生成方式及數(shù)學原理的分析，提出了一種使用Pro/Engeer軟件對漸開線圓柱齒輪進行參數(shù)化設計的具體方法，并通過實例對其加以論證，證明了該設計方法的可行性。 3.1 漸開線直齒圓柱齒輪的參數(shù) 漸開線有以下特性[10]： 1.發(fā)生線沿基圓滾過的長度等于基圓上被滾過的圓弧長度。 2.漸開線上任意點的法線恒與基圓相切。 3.漸開線愈接近于基圓的部分，其曲率半徑愈小；離基圓愈遠，曲率半徑就愈大。 4.漸開線的形狀取決于基圓的大小。在展角相同的情況下，基圓的大小不同，漸開線的曲率也不同?；鶊A半徑愈小，其漸開線的曲率半徑愈小；基圓半徑愈大，其漸開線的曲率半徑愈大；當基圓半徑為無窮大時，其漸開線變成一條直線。 5.基圓內無漸開線。 如圖3.1所示，齒廓在點K所受正壓的方向（即齒廓曲線在該點的法線）與點K速度方向線之間所夾的銳角，為漸開線在點K的壓力角，用αk表示，αk=∠KOB， cosαk=rb/rk。由ΔOBK，有 tanαk=BK/rb=rb(αk+θk)/rb=αk+θk(3-1) 則有 θk=tanαk-αk (3-2) 其中，BK為線段BK的長度，展角θk為壓力角αk的漸開線函數(shù)，工程上常用invαk表示θk，即 θk=invαk=tanαk-αk (3-3) 漸開線的極坐標參數(shù)方程式為： （3-4） r=rb/cosαk invαk=tanαk-αk 用直角坐標來表示漸開線時，其方程式為： （3-5） x=rbsinαk-rbαkcosαk y=rbcosαk-rbαksinαk 圖3.1 漸開線 漸開線直齒圓柱齒輪最基本的參數(shù)有模數(shù)m和齒數(shù)z，節(jié)圓的直徑就等于模數(shù)m和齒數(shù)z的乘積。所以，一旦模數(shù)m和齒數(shù)z確定以后，整個齒輪的大小就已經(jīng)確定下來了。 3.2 漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模 對漸開線直齒圓柱齒輪進行參數(shù)化建模的目的是使設計者在設計過程中方便地使用該模型，只要輸入模數(shù)、齒數(shù)、厚度、齒根圓角半徑以及變位系數(shù)，就能自動生成設計者所需要的齒輪模型，所以要在這個前提下對漸開線直齒圓柱齒輪進行建模。 設計流程 建模的具體過程如下[11]： （1）新建一個.prt文件（在ProE中，.prt文件代表零件）。在建立該文件的時候，不同的行業(yè)最好使用各自不同的模板，因為在模板中定義了不同的單位、參數(shù)和出圖格式等，所以在建模之前應先選擇合適的模板，以便于后續(xù)工作的進行，如同3.1、3.2所示。 圖3.1 新建.prt文件 圖3.2 模板的選定 （2）進行參數(shù)設置，如同3.3所示。參數(shù)不用設置太多，只需設置影響齒輪外形的6個參數(shù)就可以了。它們分別是齒輪厚度、模數(shù)、壓力角、齒數(shù)、齒根圓角半徑以及變位系數(shù)。為了方便起見，需要把這些參數(shù)設為實數(shù)型。此外，還要為這些參數(shù)設定一個初始值，如同3.4所示，其中變位系數(shù)的初始值最好設為0，因為使用不變位齒輪的機會比較多，對其他參數(shù)的初始值并沒有具體的要求。具體步驟是：在菜單中選擇Set Up(設置)→Parameters（參數(shù)）→Creat（創(chuàng)建）。參數(shù)關系設置好后，得到如同3.5的新參數(shù)。 （3）建模。為了確定漸開線直齒圓柱齒輪的外形尺寸，最好先畫出基圓、齒根圓、節(jié)圓和齒頂圓。在畫這些圓的時候，可以隨意定尺寸，只要記下它們的尺寸參數(shù)，等到寫程序的時候再把它們的尺寸和最初設定的外部參數(shù)聯(lián)系起來就可以，建議把基圓的直徑設為模數(shù)、齒數(shù)和壓力角初始值的乘積，以免在以后的建模過程中出現(xiàn)不必要的錯誤。具體建模過程分別如同3.6 3.7所示。 （4）畫出漸開線。在ProE中畫漸開線的唯一方法就是通過方程畫曲線。具體步驟是：在菜單中選擇CRV OPTIONS（曲線選項）→From Equation（從方程），然后選擇基準平面（與基圓在同一平面），接著選擇坐標系，然后再設置坐標系類型為Cylindrical（柱坐標），最后在彈出的窗口中輸入曲線方程如下，如圖3.8所示： r=modulenum_teethcos(pressure_ang)/[2cos(45t)] theta=tan(45t)180/pi-(45t) z=0 插入一個基準平面DTM1，如圖3.9所示，通過坐標系原點以及漸開線與節(jié)圓交點，并垂直于漸開線所在的平面，然后再插入一個基準軸A-1；通過坐標原點并垂直于漸開線所在的平面，接著再插入一個基準平面DTM2，如圖3.10所示，通過基準軸A-1，與基準平面DTM1形成一個夾角（該夾角的尺寸通過程序來確定），使用基準平面DTM2對剛才所畫的漸開線進行鏡像操作，這樣齒槽的形狀就確定下來了。 圖3.3 參數(shù)設置 圖3.4 關系設置 圖3.5 新參數(shù)的生成 圖3.6 尺寸切換 圖3.7 關系再置 圖3.8 曲線方程的輸入 （5）通過拉伸方式生成齒坯，然后以兩條漸開線以及齒頂圓和齒根圓為基準，剪切出齒槽形狀，其他齒槽通過陣列的方式產(chǎn)生。由于第一個齒槽生成方式的關系，無法直接進行陣列，所以可先用旋轉方式復制一個齒槽，然后再對該齒槽進行陣列（由于剛開始時尺寸不一定準確，所以陣列個數(shù)最好盡可能少些）。陣列完以后，這個齒輪就已基本成型了。 在輸入程序之前，必須檢查每個尺寸的參數(shù)。查看尺寸參數(shù)的具體步驟是：在菜單中選擇Relations（關系）→Show Dim(顯示尺寸)，然后再選擇你想要檢查的尺寸。 （6）輸入程序。在菜單中選擇Program（程序）→Edit Design（編輯設計），在彈出的窗口中輸入程序，如圖3.12所示。輸完以后，漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模的工作就全部完成了。使用者點擊菜單中的Regenerate選項，系統(tǒng)會讓使用者選擇是否要輸入?yún)?shù)，輸完參數(shù)以后，系統(tǒng)就會自動生成使用者想要的漸開線直齒圓柱齒輪，如圖3.13所示。 圖3.9 插入基準平面DTM1 圖3.10 插入基準平面DTM2 圖3.11 通過拉升方式生成齒坯 圖3.12 程序的輸入 圖3.13 齒輪模型的生成 3.2.2 源程序 以下為ProE的Program模塊環(huán)境下的源程序： VERSION REVNUM 5948 零件GEAR_CYLINDER_VAR的列表： INPUT THICK NUMBER “請輸入齒輪厚度” MODULE NUMBER “請輸入模數(shù)” PRESSURE_ANG NUMBER “請輸入壓力角” NUM_TEETH NUMBER “請輸入齒數(shù)” ROOT_ROUND_RAD NUMBER “請輸入齒根圓角半徑” VAR_COEF NUMBER “請輸入變位系數(shù)” END INPUT RELATIONS IF MODULE＜1確定齒根圓直徑 DEDENDUM_DIA=MODULE(NUM_TEETH-3.5+2VAR_COEF) ELSE DEDENDUM_DIA=MODULE(NUM_TEETH-2.5+2VAR_COEF) ENDIF BASE_DIA=MODULENUM_TEETHCOS(PRESSURE_ANG)確定基圓直徑 PITCH_DIA=MODULENUM_TEETH確定節(jié)圓直徑 ADDENDUM_DIA=MODULE(NUM_TEETH+2+2VAR_COEF)確定頂圓直徑 D8=360/(NUM_TEETH4)對各個內部參數(shù)進行賦值 D11=THICK P1=NUM_TEETH-1 D94=360/(P1+1) D104=D94 D174=ROOT_ROUND_RAD END RELATIONS 3.3 設計實例也論證 某機械廠在其新開發(fā)的KDF2E機組上使用了一對使用上述方法設計的漸開線直線圓柱齒輪（如圖3.2所示）。其設計要求是它們能夠完全嚙合，而且壓力角必須為20。 圖3.2 漸開線直齒圓柱齒輪模型實例 其中左邊齒輪的參數(shù)設置為： THICK=16 MODULE=2 PRESSURE_ANG=20 NUM_TEETH=32 ROOT_ROUND_RAD=0.3 VAR_COEF=0 右邊齒輪的參數(shù)設置為： THICK=16 MODULE=2 PRESSURE_ANG=20 NUM_TEETH=48 ROOT_ROUND_RAD=0.3 VAR_COEF=0 然后在ProE環(huán)境中建立一個.asm文件，對這兩個齒輪進行裝配。先在裝配模型中畫兩條互相平行的中心線，把它們之間的距離設為兩個齒輪的節(jié)圓半徑之和，然后再放置第一個齒輪，在放置過程中只使用中心線重合一個約束，接著再放置第二個齒輪，在放置過程中可使用兩個約束，一是中心線重合，另一個是兩條漸開線相切。 裝配完成后，使用ProE自帶的分析功能對其進行分析，結果發(fā)現(xiàn)兩個齒輪能夠完全嚙合，而且在兩個齒輪嚙合處的壓力角也正好為20，這與設計要求完全吻合，同時也證明了上述方法在實際應用中是可行的。 3.4 小結 漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模的方法有許多，例如建立標準齒輪和變位齒輪兩種，然后再把它們裝配在一起，通過裝配中的編程來選擇其中一種。這種方法看起來考慮得非常全面，但是由于它混淆了零件和結合件的概念，所以不利于在PDM系統(tǒng)中的應用，而且人為地把齒輪分成標準齒輪和變位齒輪也沒有多大必要。本章介紹的這種漸開線直線圓柱齒輪參數(shù)化建模的方法操作起來比較簡單，制造的齒輪模型使用起來也非常方便，大大減少了設計者的工作量。該方法在某些機械制造廠已經(jīng)得到了廣泛的應用，實踐證明這種方法是可行的。 4 直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模 本章主要介紹了一種在Pro/E環(huán)境下精確的生成參數(shù)化控制的直齒圓錐齒輪模型及其模型庫的方法。 4.1 參數(shù)化建模原理分析 參數(shù)化設計方法使設計者構造模型時可以集中于概念設計和整體設計，充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高設計效率。其主要思路如圖4.1所示，通過對產(chǎn)品建模特征的解析，從特征中抽象出特征參數(shù)，再對特征參數(shù)進行分析，得到參數(shù)模型。根據(jù)模型信息建立參數(shù)間關聯(lián)與約束，并確定某些參數(shù)為設計變量，進而建立由設計變量驅動的零件族。 圖4.1 參數(shù)化建模思路 通過參數(shù)化的方法建立零件，可以方便零件族的實現(xiàn)及其管理操作，可以實現(xiàn)設計中大量重復、改進型設計效率的提高。參數(shù)化設計對于形狀大致相似的一系列零部件，只需修改相關參數(shù)，便可生成新的零部件，從而大大提高設計效率。 零件族由一個模板和用來驅動模板的表格組成，模板含有生成零件族成員的全部特征，族表反映模板設計變量值、表達式關系及零件屬性等的更改。零件族成員是一系列結構相似的零件，對模板的修改將自動更新零件族的所有成員。在Pro/ENGINEER中建立的零件族實現(xiàn)方法主要有兩種[12]： (1)族表。先建立一個通用零件為父零件，然后在其基礎上對各參數(shù)（如尺寸，特征參數(shù)，組件等）加以控制，生成派生零件； (2)程序建模。Pro/ENGINEER具有開放的體系結構和優(yōu)秀的二次開發(fā)工具，允許開發(fā)者根據(jù)客戶的特殊需要來進行擴充和修改。利用Pro/ENGINEER建模時，Pro/Program會產(chǎn)生特征程序，它記錄著模型樹(model tree)中包括各個特征的建立方法、參數(shù)設置、尺寸以及關系式約束等在內的每個特征的詳細信息，可以通過修改和添加特征的program來生成基本參數(shù)相同的模型庫。 4.2 直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模 直齒圓錐齒輪是機械工業(yè)中廣泛使用傳遞兩相交軸之間運動和動力的重要基礎零部件，它的繪圖工作繁雜費時。而這類零件大部分具有相似的結構和形狀，在新產(chǎn)品的設計和圖紙繪制過程中，不可避免要反復修改，進行零件形狀、尺寸的綜合協(xié)調和優(yōu)化。因此，應用參數(shù)化建模技術有非常重要的經(jīng)濟效用和現(xiàn)實作用，對于提高設計效率和保證設計質量也具有重要意義。 4.2.1 零件解析 首先進行直齒圓錐齒輪的建模特征解析。直齒圓錐齒輪相交兩軸間定傳動比的傳動，在理論上由兩圓錐的摩擦傳動來實現(xiàn)。圓錐齒輪除了有節(jié)圓錐之外，還有齒頂錐、齒根錐以及產(chǎn)生齒廓球面漸開線的基圓錐等。圓錐齒輪的齒廓曲線為球面漸開線，但是由于球面無法展開成為平面，以致在設計甚至在制造及齒形的檢查方面均存在很多困難，本文采用背錐作為輔助圓錐（背錐與球面相切于圓錐齒輪大端的分度圓上，并且與分度圓錐相接成直角，球面漸開線齒廓與其在背錐上的投影相差很?。??；诒冲F可以展成平面，本章相關參量的計算均建立在背錐展成平面的當量齒輪上進行。 基于以上的分析和簡化確定建立該模型所需的參數(shù)： （1）分度圓錐角δ：分度圓錐的錐角的1/2即為分度圓錐角； （2）外錐距R：圓錐齒輪節(jié)錐的大端至錐頂?shù)拈L度； （3）大端端面模數(shù)m； （4）分度圓直徑d：在圓錐齒輪大端背錐上的這個圓周上，齒間的圓弧長與齒厚的弧長正好相等，這一特點在后面建模過程中得到利用； （5）齒高系數(shù)h*、徑向間隙系數(shù)c*、齒高h； （6）壓力角：圓錐齒輪的壓力角是指圓錐齒輪的分度圓位置上，球面漸開線尺廓面上的受力方向與運動方向所夾的角，按照我國的標準一般取該值為20。 4.2.2建模策略 根據(jù)零件解析中所得到的基本模型參數(shù)抽象建模特征所需的特征參數(shù)。在直齒圓錐齒輪中抽象得到的特征參數(shù)有，alpha（壓力角，根據(jù)國家標準，設定值為20）、delta（分度圓錐角）、m（錐齒輪模數(shù)）等，如圖4.2所示。