proe齿轮参数化设计 　.docx

基于Pro /E的齿轮参数化设计摘 要摘要 Pro /E乃是当今世界上比较流行的三维模型设计软件，使用软件中的渐开线方程启动生成渐开线。Pro /E有更好的图形界面，和设计环境更加生动，快速的渲染功能，反映了更大的灵活性。而且可以利用计算机预先举行动态剖析及装配干预检查工作，从而最大幅度地提升工作效率。本设计即利用该软件进行齿轮的参数化设计。关键词Pro /E；齿轮；参数化设计目 录摘要 1绪论11.1研究背景11.2国内外研究现状与趋势 12.PRO/E软件简介23.渐开线直齿轮的参数化造型 23.1参数化技术23.2参数化模型24渐开线齿轮数学模型34.1齿轮的参数赋值 34.2渐开线成型原理 35 Pro/E齿轮的参数化设计4结论 20参考文献 201. 绪论1.1研究背景 20 世纪80年代以来，以计算机辅助设计技巧为代表的新技术席卷全世界，该技术不仅促进了计算机本身性能的提高和推陈出新，而且深刻影响到全部的工业技术领域。CAD技术经历了曲面造型，实体建模技术和参数化技术的跨越式发展，给工业技术领域带来极大的进步与发展。渐开线齿轮作为各类机械传动配置中的紧要装配，具有传动比大、效率高、寿命长等优点，普遍应用于机器、船舶、航空、电力范畴。随着三维 CAD 软件纷繁涌现，一般机器零件的三维计划对平凡工程师来讲不再是艰苦的事情。但对于渐开线齿形而言，由于确定其准确的模型非常困难，在传统圆柱齿轮设计中,对于齿轮的强度校核过程和设计过程主要是通过人工设计完成,计算繁琐,容易出现设计误差和错误,设计周期长且难以实现优化设计，进而粗糙的模型会影响到下面的齿轮加工操作。对这个问题的解决过程中出现了CAD参数化设计的概念，。参数化设计的出现大大提高了模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用 CAD 系统开发反面都具有较大的应用价值。此次设计即是针对圆柱齿轮的参数化设计而进行的,可极大地提高设计的精度和效率并实现其优化设计1.2国内外研究现状与趋势 AutoCAD是一个由美国Autodesk欧特克公司，于二十世纪八十年代初为微机上操作CAD技术而研发的画图软件包，随着该软件不断的完善与推陈出新，它已成为国际上广泛使用的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种基于Pro/E齿轮参数化造型设计操作。而它的多文档谋划环境，让许众多非计算机专业人员也可以很快地学会使用。在不断实践的过程更好地掌握它的各种应用和开发能力，从而提高设计工作效率。目前国内CAD应用很好的企业，只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。但是CAD是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。如果真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽然传统的制图方法是通过二维视图来描述三维实体，但这种描述做不到进一步的结构分析、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，因此国内对辅助设计的理解尚不深刻，在之后的应用中必须使系统软件和CAD软件的使用更简单更容易，只有这样CAD才能真正得到普及，促使辅助绘图向辅助设计方面转变，使辅助设计真正在我国制造业得到普遍应用。目前,随着CAD/CAE/CAM技术的逢勃发展,计算机越来越成为人们从事机械设计与制造的重要手段。计算机辅助产品造型是所有上述工作的基础。因为只有精确的产品造型,才能对产品的装配与干涉进行检验。基于上述可以总结出我国CAD/CAE/CAM的发展趋势 1. 新产品使用基于特征建模的三维造型来进行设计； 2. 在计算机上完成产品整机的总装配，进行干涉检查和动力学分析； 3. 重要零件在计算机上进行有限元刚度、强度分析、模态分析、产品的形状优化设计； 4. 建立各单位自己的三维常用零件库，尽量避免重复劳动，提高设计效率； 5. 对于有数控加工工序的零部件自动生成加工代码。2.PRO/E软件简介1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。其开发的Pro/ENGINEER系列软件已经成为三维建模软件的领头羊。PRO/E软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理，提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。PRO/E的特点和优势月有全相关性Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。3.渐开线直齿轮的参数化造型 3.1参数化技术 齿轮是一种常使用的传动机构，有相对于其他工件较为特别的设计和加工技术，加工精度对传动精度、机床稳定性等工件特性有特大影响。基于以上考虑，达成齿轮的准确建模是后续考虑的重要保障。参数化建模是用参数表达的尺寸关系和对不同属性部分的使用。工程技术人员通过具体的参数来修改零件性能，根据相关尺寸，然后改变整个模型。在本设计中通过论述齿轮渐开线的形成原理和在Pro/E中达成渐开线斜齿圆柱齿轮实体建模的具体步骤。在Pro/E中，经过参数化建模的办法，在生成齿轮渐开线齿廓的基础上，采用拉伸实体等操作方式生成了渐开线直齿圆柱齿轮的三维实体模型。此类建模方式对其它相似零件的实体建模有借鉴释义。 3.2参数化模型 参数模型有很多种，本设计采取的是其中的几何参数模型。几何模型描述的是一个几何特征的实体，它包括两个主要概念几何与拓扑信息。几何信息是指一个物体在三维欧氏空间中的位置信息。它们反映物体的大小和位置，例如顶点的坐标值、曲面数学表达式中的具体系数等。通常用空间直角坐标系表示各种几何数据。但是只有几何信息难以准确地表示物体，常会出现物体表示上的二义性，可能产生多个不同的理解。为了保证描述物体的完整性和数学的严密性，必须同时给出几何信息和拓扑信息。而拓扑信息是指物体的拓扑元素顶点Vertex、边Edge和表面Face的个数、类型以及它们之间的相互关系信息。拓扑是研究在形变状态下图形空间性质保持不变的一个数学分支，着重研究图形内的相对位置关系。例如，某一面与哪些面相邻、某一面由哪些点组成等都属于拓扑信息。表示拓扑信息常用数据结构来实现，采用体、面、环、边和顶点表示，根据这些信息可以确定物体表面的邻接关系。一般，多面体的拓扑元素有9种拓扑关系。 在计算机处理中常采用链表的数据结构记录几何信息和拓扑信息，即建立顶点表、棱线表、面表和体表。其中顶点表仅仅记录顶点的序号及其坐标值，顶点表的数据反映了结构体的大小和空间位置，并在指针域存放该顶点的前一顶点的指针和后一顶点的指针。棱线表反映了结构体的棱线与顶点、棱线与面之间的邻接关系，它存放有构成该棱线的顶点序号、相交生成该棱线的面的序号以及指向前后棱线的指针。面表反映了结构体的面与棱线、面与顶点之间的邻接关系，它存放定义每个面的顶点序号，因此面表确定了面与定义该面的诸顶点之间的关系。体表中存放各个面在面表中的首地址以及某些属性。几何关系是指具有几何意义的点、线、面，具有确定的位置和度量值。拓扑关系反映的是和关系的本体特征。设计的计算机辅助设计系统，不同类型的产品往往是相似的，这是相同的大小和结构，映射的几何模型，几何信息和拓扑信息是不一样的。因此，对三维图形驱动的参数化模型，在相同或类似结构的前提下，大小和随机变量或是在要求的范围内变化。该模型用于表示实际的或抽象的现象。采用几何模型时，在Pro/E设计者给出了处理对象的结构和方向之后就可以生成对应的图形。形成具体模型之后，可以借助Pro/E软件对其进行计算和结构仿真研究。4. 渐开线齿轮数学模型 4.1渐开线成型原理 依照动瞬心线法可以形成共轭齿廓的这样理念，当直线齿廓的齿条与动瞬心线直线相在一起凝集并沿齿轮作出纯转动时，可以包络出渐开线齿廓来。这种方法可以被视为齿轮与齿条或齿轮啮合啮合，每个包络原理加工齿轮的齿形，齿的加工方法称为范成法，如图1所示。 图1渐开线齿轮图示4.2齿轮的参数赋值因为齿轮己经达成了标准化，关于渐开线准则直齿圆柱齿轮，描绘齿轮根本的几何尺为齿宽B30、齿顶高系数h1、顶隙系数c0.25、模数 m3、齿数 z30 和压力角20，变位系数X0。图2部分参数取值5.Pro/E齿轮的参数化设计1、初步确定参数、关系本设计从事的是齿轮参数化设计，因此在本设计刚刚开始的时候我们就要定义参数，为接下来在设计中引入参数提供便利。点击工具、参数按钮，出现如下界面。此时我们需要结合机械设计、机械原理中对齿轮的相关描述引入参数。常见的参数有模数、齿数、压力角、变位系数等等。对参数进行定义,在本设计中相关数据如下模数m3，齿数z30。这俩个数据其实是一般的参数设计中最重要的数据，也是在从事齿轮设计时最为重要的并应当首先考虑的俩个数据,具体参数如下图3。确定完参数之后紧接着要对参数进行定义，英文中为relation，在汉化的Pro/E中就是关系，点击工具、关系按钮之后，按照机械原理知识输入各参数之间的关系，结果如下图4所示2、做出齿顶圆、分度圆、齿根圆、基圆接下来点击草绘的按钮，选取front平面画圆，画四个任意长度的圆，长度不管的原因是接下来我们要用参数之间的关系直接对圆的周长进行约束。如下图5所示任意长度的四个圆画好之后，点击工具，关系，在弹出来的窗口中输入关系式将参数与图形上的尺寸相关联。在图形上单击选择尺寸代号，将其添加到窗口中，再编辑关系式。如下图6所示编辑好之后确定，并重生（regenerate）该模型，得到如下图7的输出，这说明我们对这四个圆的关系定义成功。3、生成渐开线接下来就要生成齿轮轮齿的渐开线了，借助于Pro/E中提供的笛卡尔坐标系来完成。在右工具箱中单击基准曲线按钮打开曲线菜单，在该菜单中选择从方程选项，然后选取完成选项。接着系统提示选取坐标系，在绘图窗口中选择我们正在用的坐标系，然后在弹出来的菜单中选择笛卡尔选项，输入关系式后可得到渐开线图案。如下图8所示4、创建一系列的基准轴、面接下来的工作是创建诸多基准轴、面，较为繁琐。创建基准点PNTO。点击基准点按钮，选择分度圆曲线和渐近线作为基准点的放置参照选择时按住 CTRL键，创建的基准点最终如下图9所示。 接着创建基准轴A-l。点击基准轴按钮打开对话框，选取TOP和RIGHT基准平面作为放置参照选择时按住CTRL键，如下图10所示。 再创建基准平面DTMl。单击基准平面按钮打开基准平面对话框，选取前面已经创建的基准点PNT0和基准轴A-1作为参照选择时按住CTRL键。创建如下的基准平面。如下图11所示 最后创建基准平面DTM2。单击基准平面按钮打开基准平面对话框，在参照中选择基准平面DTMl和基准轴A_1作为参照选择时按住CTRL键，然后底部的输入栏中间输入“-3604*z”，如下图12所示，确定之后得到这样的图面 在点击工具、关系按钮，在左边的模型树单击上一步创建的“DTM2”基准平面，此时将显示如图所示的角度参数，单击该尺寸将其添加到关系对话框，并完成关系式“d63604*z”，如下图13所示。 5、镜像渐开线接下来对渐开线进行镜像工作，鼠标选取已创建的渐开线齿廓曲线，然后单击右工具箱中的“镜像”按钮，选择基准平面DTM2作为镜像平面，镜像渐开线后的结果如下图14点击草绘按钮，选择基准平面“FRONT”作为草绘平面，其他设置接受系统默认参数，最后单击“草绘”钮进入二维草绘模式。如下图15所示6.生成齿轮实体接下来这一步较为关键，在autocad、solidworks软件种，我们绘制图形时经常会用到实体转换功能，也就是将已经绘制好的图形复制引用到接下来的工作中，保证尺寸的绝对一致性。在Pro/E软件中这个功能也有，连续单击菜单中的草绘、边、使用按钮，我们就可以进入到引用功能中。本图中引用齿顶圆部分，可以看见齿顶圆部分变色，意为选中。如下图16所示17.jpg 22.5 KB2008-12-12 2120在图标板中设置拉伸深度为b，系统弹出如下图所示询问对话框，单击是按钮确认引入关系式。单击完成按钮完成齿顶圆实体的创建，并在关系的问话框中将拉伸深度参数编辑入关系式“d7b”。如图17所示18.jpg 8.32 KB2008-12-12 212019.jpg 6.9 KB2008-12-12 212020.jpg 15.21 KB2008-12-12 21207、创建齿廓曲线单击草绘按钮，选取基准平面FRONT作为草绘平面，确保草绘视图方向指向实体特征，接受其他系统缺省参照后进入二维草绘模式。仍然使用上一步中的边功能，进行实体转化。点选镜像的俩条渐开线加上基圆，将这三条线转化到当前的工作环境来。如下图18所示使用圆角，剪切等功能，做出齿廓的形状来。点击草绘、constrain、equal，为俩个圆角做出彼此相等的约束。完成之后，点击工具、关系，点击圆角，在关系中添加圆角的参数定义式，在本案例中，设计圆角d90.38*m. 如下图19所示8、齿廓线拉伸切除点击作图界面的左边拉伸按钮，在弹出来的工作框中点击放置、定义，这样子会弹出来一个草绘界面，我们进入这个界面选择刚刚做好的齿廓曲线。如下图20所示接下来进行拉伸，拉伸时选择界面上的拉伸到底的选择按钮，会得到下图所示的界面。要注意的是Pro/E软件在拉伸操作中界面曲线重叠或者有开口，相比solidworks，这样的安排不算友好，特别是有重叠线的禁令，不易掌握。这也对我们平时软件作图时的作图习惯提出了高要求，务必要保持干净、整洁的作图习惯，不乱画线。如下图21所示9、阵列拉伸特征右键点击模型树下拉伸1，会弹出来一个小窗口，其中有阵列选项。接下来我们就对拉伸特征进行阵列，这一次操作只做四个齿廓槽拉伸切除的圆周阵列，目的是为挖出z个齿廓槽做准备。如下图22所示接下来点击工具、关系，将图形阵列的个数与角度分别定义为p24z,d21360/z。点击regenerate按钮，也就是对该模型进行重新生成，这样子我们就得到了参数化定义的齿轮。如下图23,24所示将参数进行变化，令m5， b20，z18，得到如下图25 令m4，b10，z25，则得到齿轮如下图26所示 当然齿轮一般而言还需要有键槽，那么我在最后一个情况下对齿轮添加了键槽，得到的齿轮如下图所示。另外的齿轮结构型式有多种，本例中默认齿轮采用实心式齿轮为样本进行设计，具体操作中可能还会有腹板式、轮辐式多种情况，在设计中根据实际情况再行参数定义即可。如下图27所示类似于solidworks中的渲染功能，我们还可以在Pro/E中对齿轮进行渲染，渲染的这个大红也是非常好看。如下图28所示6.结论直齿圆柱齿轮的参数化设计的主要内容进行了研究，使用软件Pro/E实现了对圆柱直尺齿轮的三维参数化造型，可以通过改动齿轮的参数，生出相对的形状不同的齿轮，达到设计要求。本设计主要是通过程序模块实现齿轮的参数化建模，所做的齿轮参数化设计模型有非常好的实用价值，可以方便相应使用者对齿轮设计和制造的便捷建模，提升设计效率。7.参考文献基于Pro /E齿轮参数化造型设计1渐开线齿轮行星传动的设计与制造编委会著，渐开线齿轮行星传动的设计与制造【M】.北京机械工业出版社，2002 2周岭.基于Pro/E精确建模的渐开线直齿轮应力有限元分析【D】.硕士学位论文，兰州交通大学，2009 3吴利霞，基于UG的齿轮参数化设计及运动仿真分析研究【D】，硕士学位论文，北京邮电大学，2009 4周宇峰，基于UG的三维参数化标准件库开发方法的研究【D】，硕士论文，新疆大学，2005 5秦荣荣，崔可维，机械原理M.吉林科学技术出版社，2000 6孙恒，陈作模，葛文杰，机械原理【M】,北京高等教育出版社，2006 7孙江宏，黄小龙，罗砷，Pro/ENGIEER虚拟设计与装配【M】，北京，中国铁道出版社，2004 8谭雪松，朱金波，岳友贵，Pro/ENGIEER机械设计实战训练【M】,北京人民邮电出版社，2004 9温间民，任倩，于广滨，Pro/E Wildfire3.0 三维设计基础与工程范例M.北京清华大学出版社2008 10黄恺，李雷，刘杰等，pro/E参数化设计高级应用教程M.北京化学工业出版社，200811 哈尔滨工业大学理论力学教研组编 理论力学第五版 北京 教育出版社 1997.7； 12 美Louis gary la mit 著，李世国、蒋晓等译，pro/engineer200i实用教程。 北京机械工业出版社，2001。11。 13 赖朝安等，pro/e二次开发的关键技术，机械设计与制造工程，2001，1. 14 夸克工作室，精通pro/engineer200i教学范例篇。北京中国青年出版社，2000 15 黄圣杰、张益三、龚力群。pro/engineer200i高级开发实例。北京电子工业 出版社。2002