論文__基于Proe_的齒輪建模研究.doc

基于Proe的齒輪建模研究11緒論1.1計算機輔助設計(CAD)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.1.1CAD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。1.1.2CAD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ProEngineer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)品設基于Proe的齒輪建模研究2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。1.1.3CAD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。或者按照自己的要求修改系統(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。這種智能性具體表基于Proe的齒輪建模研究3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。1.2Pro/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。一、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。二、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。1.2.2Pro/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）基于Proe的齒輪建模研究4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?；赑roe的齒輪建模研究5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。現(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?；赑roe的齒輪建模研究62.1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k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：rk=rb/cosk=tank-k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：x=rbsinu-rbucosuy=rbcosu+rbusinu式中，rb為漸開線的基圓半徑；u=tan(k)為漸開線上任一點K的滾動角；k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mnzbhacx斜齒輪42520156010.250(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，（2-1）（2-2）基于Proe的齒輪建模研究7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.