基于PROE齿轮类零件参数化设计毕业论文

基于 Pro/E 的齿轮类零件参数化设计摘 要：基于 Pro/E 开发平台，应用 Pro/TOOLKIT 工具包以及 VC+6.0 编程语言开发了齿轮参数化设计系统，通过在 VC+6.0 中创建的对话框 修改齿轮参数，例如模数、齿数、齿宽、压力角、变位系数等，可以得到相应的渐开线齿轮，从而满足设计要求。实际应用表明该系统可以大幅度提高工作效率。该系统的建立方法亦可应用于其他零件的参数化设计。关键词：Pro/E；齿轮；参数化设计；建模Abstract: based on Pro/E platform，a gear parametric design system is developed applying Pro/TOOLKIT application development kit and VC+6.0. Through changing the gear parameters in the application interface, such as modulus, number of teeth, tooth width, pressure angle, variable coefficient, etc, the corresponding involute gear to meet the design requirements can be gotten. The application shows that the system can greatly improve efficiency. The establishment of the system method can be applied to other parts， is not confined to the parameters of gear design.Keywords：Pro/E；Gear；Parametric Design；Modeling前 言随着 CAD 技术的发展，三维造型技术的应用越来越广泛。渐开线齿轮由于能保证特定传动比、受力方向不变等优点，而广泛应用于各种通用机械中，但因其齿廓形状和轮体结构复杂多变而成为三维造型技术的难点。Pro/E 为解决这一难题提供了方便，它是美国参数技术公司( Parametric Technology Corporation, 简称 PTC) 推出的用于产品三维模型设计、加工、分析及绘图等的 CAD/CAE/CAM 软件系统，并以参数化驱动、单一全关联的数据库、功能齐全的模块等强大优势而占据重要地位, 目前已在我国的机械、汽车、电子、塑料模具、航空航天和船舶等众多领域广泛应用。Pro/ E 是当前世界上最先进的、面向制造行业的 CAD/CAM/CAE 高端软件。作为一个集成的全面产品解决方案，Pro/E 软件使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。参数化造型就是通过参数化建模来构造产品的几何模型, 通过参数化造型设计不仅可以缩短产品开发周期,并且可以进行现有产品的系列化设计。齿轮是应用最为广泛的通用机械零件，广泛用在各种传动中，如减速器、传动装置和汽车的变速箱等。直齿圆柱齿轮是制造其它齿轮的基础, 也是最通用的齿轮。对于这些需要经常使用的通用机械零件, 如果每次都要设计计算，工作量大而且繁琐，属于重复无效劳动。因此, 正确的方法应该是建立参数化的通用模型，设计新的齿轮时，根据需要输入齿轮的参数，如齿数、模数、齿轮宽度等数据，就可以自动生成新的齿轮。齿轮类零件是组成机器的重要部分，是最常用的机械零件，也是机械产品中运动部件设计的核心。但是齿轮类零件的设计与绘图是十分繁琐且重复性很大的工作，传统的人工设计方法费时费力，且容易出错，设计人员将大量的时间和精力花费在一些重复性的工作上，缺乏更多的时间去进行创造性设计，导致产品开发周期长、产品质量差、市场竞争力弱等后果，然而，CAD 技术推动了几乎一切领域的设计革命，对加速工程建设和缩短产品开发周期、提高产品质量、增强企业的市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。在实际应用中，由于用户的设计要求及生产条件的多样性，这些 CAD 软件往往难以完全适应，因此，在具体 CAD 应用中还需要进行二次开发，以满足用户的需求，使其更符合企业的生产设计需要。本文采用二次开发工具 Pro/TOOLKIT，在 VC 环境下，基于机械 CAD 软件 Pro/ E 开发了齿轮参数化造型设计系统，来解决齿轮三维实体参数化造型设计这一类问题。1 绪 论1.1 机械 CAD 技术的发展与应用计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)技术，是综合地利用计算机的工程计算、逻辑判断、数据处理功能和人的经验与判断能力结合，形成一个专门系统，用来进行各种图形设计和图形绘制，对所设计的部件、构件或系统进行综合分析与模拟仿真实验。它是近十几年来形成的一个重要的计算机应用领域。在汽车、飞机、船舶、集成电路、大型自动控制系统的设计中，CAD 技术有愈来愈重要的地位，在有关设计计算模块与绘图模块的参数接口及程序化绘图研究也具有重要的价值。在 CAD 软件发展初期，CAD 的含义仅仅是图板的替代品，即 Computer Aided Drawing(or Drafting)，而非现在我们经常讨论的 CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到 70 年代末期，以后作为CAD 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛的是 CAD/CAM 软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk 公司的 AutoCAD 软件。在今天中国的 CAD 用户特别是初期 CAD 用户中，二维绘图技术逐渐再向三维方向发展。三维CAD 技术在几十年的发展过程中，大致经历了四次飞跃：曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术、变量化技术。1）曲面造型技术进入 70 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题，随着贝赛尔算法的提出，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，开发出了以表面模型为特点的自由曲面造型技术，推出了三维曲面造型系统 CATIA。曲面造型系统的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得 CAM 技术的开发有了现实的基础，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式，使产品开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新产品开发速度大幅度提高。2）实体造型技术随着技术的进步，计算机辅助工程分析(CAE)的需求日益高涨，CAE 要求能获得形体的完整信息，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，而线框和曲面造型对形体的表述都不完整，则难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等。基于对CAD/CAE/CAM 一体化技术发展的研究，提出了实体造型技术。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一 CAD、CAE、CAM 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。3）参数化技术20 世纪 80 年代中期，CAD 技术的研究又有了重大进展，此时提出了参数化实体造型技术。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化技术彻底克服了自由缄默的无约束状态，由尺寸决定实体造型的几何形状。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。如果想修改零件形状的话，只需修改一下尺寸的数值就可以实现形状上的改变。这种新构想最先在 PTC 公司(Parametric Technology Corp)的软件 Pro/E 中成为现实。由于参数化技术的成功应用，使得它很快成为 CAD 业界的标准，许多软件厂商纷纷追赶。由于计算机技术的迅猛发展，硬件成本大幅度下降，参数化技术充分体现出其在通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。4）变量化技术针对参数化系统的局限，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术。变量化造型技术保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但是在约束定义方面做了一定的改变。变量化造型技术将所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不仅仅是用尺寸来约束全部几何。通常在新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现在某些几何形状之中。但是这些几何形状严格的尺寸定位关系并不能在设计的初始阶段完全确定，所以希望在初始阶段能够允许欠尺寸约束的存在。 变量化技术为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。随着世界经济的迅猛发展和科学技术的腾飞，市场不断国际化全球化，各行各业的竞争日益激烈。企业要想在残酷的竞争中生存下来谋求发展，就要想方设法提高竞争力。缩短新产品的研发和开发时间，提高产品的设计质量，降低研发成本，进行创新性设计，只有这样，才能满足市场不断变化的需求。在这样的形势下，企业为了自身的生存和发展，增强市场竞争力，越来越多地采用CAD技术。Pro/ E(以下称Pro/E)软件是当前广泛使用的三维CAD软件中的典型代表，同其他CAD/CAM软件一样，针对具体企业或不同产品，Pro/E软件在使用过程中也存在着通用性有余，专用性不足的问题，特别是国外CAD/CAM软件在产品设计标准、规范及标准件库等方面和国内存在着差异，因而难以最大效益地发挥软件的功能。事实上，参数化技术和变量化技术已经成为了当今主流 CAD 软件的两大流派。两种造型理论相互依存，共同发展。我国 CAD 技术的引进是从 60 年代开始的，最早起步于航空工业，最近几年发展很快，现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。CAD 技术最早起步于航空工业，最近几年发展很快，现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。其中，以机床、汽车、飞机、船舶等应用最为广泛。一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个阶段。概念设计主要解决产品的造型外观，在满足功能的前提条件下，使产品外观精致美观。详细设计是要确定产品的结构，各个零部件的结构设计，所以又称为部件设计，包括各零件的尺寸、形状和结构。结构分析主要包括有限限元分析，将对各部件及产品整体的结构进行力学性能、热学性能的分析。仿真模拟则主要是对产品进行装配模拟，运动机构模拟，进行干涉、碰撞分析等等。CAD 技术可以说贯穿于整个设计过程，从产品方案的选择到整机的可生产性、可维持性和可循环利用性等进行全面设计，因此在机械制造中广泛应用。1.2 本课题的研究目的与意义齿轮是多参数驱动的标准机械零件, 在Pro/E中由于没有机械零件的标准库 , 齿轮的设计步骤多、工作量大。传统的CAD系统所构造的产品模型都是几何图素（如点、线、圆等）的简单堆叠，仅仅描述了设计产品的可视化形状，而不包含设计者的设计思想，因此难以对产品模型进行改动，并生成新的产品实例。目前很多企业为缩短产品开发周期，大部分产品的设计都是改进型设计，大约70%的新产品的设计都要重新利用原来的产品模型，于是参数化设计的概念在这样的背景下应运而生。近年来随着三维设计软件的应用越来越普遍，齿轮的三维建模成为设计中经常要进行的工作。齿轮的三维实体精确建模对于齿轮的有限元分析、动力学分析、数字样机和系统仿真来说是必不可少的。齿轮的三维建模较为复杂, 涉及到很多公式和建模技巧,，特别是对于锥齿轮、斜齿轮以及涡轮蜗杆来说, 建模过程十分繁琐, 提高齿轮的设计效率具有重要的实际工程意义； 另一方面, 三维CAD软件Pro/E 功能十分强大, 采用了较为先进的技术, 如全参数化实体建模技术，数据全相关等， 现在已广泛应用于机械和电子领域, 有着广泛的用户群。Pro/ E是采用参数化设计的、基于特征的三维实体造型系统，其参数化特征造型在保证几何、拓扑关系不变的情况下，以单一全关联的数据库实现模型的快速再生；它的二次开发接口使用户可以在自己开发的程序中对零件进行各种操作和控制，从而实现程序化设计。本课题使用的研究方法是参数化设计。参数化设计也叫尺寸驱动，是 CAD 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使 CAD 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。所谓参数化设计即是在设计中产品的结构形式是确定的，它需要根据某些具体的条件和具体的参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同规格的产品。其本质是对统一结构的产品通过修改尺寸来生成新规格的产品，利用计算机来进行参数化 CAD 设计，只需在计算机上输入机械零件的几个关键参数，就会准确地、自动地生成工程样图。在参数化设计中，一般用一组参数来定义几何图形的尺寸数值并约定尺寸关系，提供给设计者进行几何造型使用。参数化设计一般用于设计对象的结构形状比较固定，可以有一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。以Pro/E为开发平台，开发齿轮三维参数化设计系统 , 只需改变齿轮的相关参数,如齿数、模数、压力角、齿宽等, 系统即可自动实现齿轮的设计变更, 提高了设计效率。在Pro/E环境下可以根据齿轮传动的基本规律和渐开线齿形的生成原理来进行渐开线齿轮的精确造型，同时还能实现齿轮的参数化建模，从而实现了齿轮系列化设计，使设计人员从繁重的绘图工作中解脱出来。使用Pro/E 进行的齿轮参数化造型具有如下意义：（1）利用方程创建出精确的渐开线曲线，提高渐开线齿轮的精确性。（2）通过改变相关参数及关系式，能够快速建立产品的参数化模型，确定主要参数和修改定型，避免了手工造型的复杂繁琐过程，为后续机构运动学、动力学仿真分析及零件数控加工提供基础数据支持。（3）给齿轮在机械设计、制造及CAE中带来很大方便。1.3 本课题研究内容与开发思想1.3.1 零件结构参数化设计步骤1)零件结构拆分及特征尺寸确定零件特征造型过程中，应按其本身的功能和建模的特点，将零件拆分为相应各个结构，并分别找出建立其实体模型的基本特征。为使所建立的模型尽量反映零件的基本特征,一些不重要的或不具有普遍性的细节，如倒角等可省略，以免加大参数化的工作量。2)创建实体模型零件上的特征主要通过参数和几何约束关系来相互关联, 尺寸之间的关系分为2 种: 一种是自定义的各种外部参数和零件的被约束尺寸的关系; 另一种是模型内部特征之间的内部约束关系, 它是指零件的几何元素之间约束关系, 例如: 平行、垂直、相切、同心等。在创建模型时, 这些几何约束关系同时被创建, 当模型被修改时, 这些关系可以自动保持设计者的意图不变。一个特征往往有多种创建方法, 在设计时必须考虑好如何表达该特征与其它特征的关系。3)定义 特征参数建立模型后, 所定义的所有零件尺寸由系统自动按照建立的先后顺序命名为相应的内部标识尺寸。在复杂模型上, 则需要找出尺寸间的2 种对应关系: 即内部标识尺寸和外部模型上各个数值之间的对应关系;内部标识尺寸和将要命名的外部参数之间的关系。这2 种关系综合在一起就体现了外部参数和零件上被约束尺寸的关系。命名参数时, 参数名称要力求简单易懂, 必要时可再加入简单注释。4)输入 特征参数将已定义好的参数输入零件设计列表的“输入部分”, 并在关系定义部分定义出与零件各部分尺寸之间的对应关系, 同时还可在关系定义部分定义同一零件不同尺寸的相互约束关系。同一零件的各部分需要协同变化的, 也需要在这里列出。5)修改 特征参数可用2 种方法来修改参数: 一是根据所附提示, 选择每项参数的名称 , 并逐项修改; 二是将所有需要修改的参数生成数据文件, 通过读入文件的方式一次性全部修改。第一种方法速度较慢, 可以在调试程序、输入变量的时候使用; 第二种方法效率较高, 当程序编制完1.3.2 开发平台与工具简介系统是以 Pro/ E 3.0 中文野火版为软件平台，以 Visual C+6.0 为编程语言，采用动态链接库的方式(DLL 模式 )开发基于 Pro/TOOLKIT 二次开发的箱体零件三维参数化造型系统。1) Pro/E Pro/E 软件是美国 PTC 公司 (Parametric Technology Corporation)的产品，是一种单一数据库结构、标准的基于特征的建模技术以及独特的全相关技术的机械设计自动化软件。Pro/E 是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结构的基础上，因此开发过程中某一处所发生的变化能够很快传遍整个设计制造过程，以确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。Pro/E 作为三维造型设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件，其功能强大，用途广泛，是新一代 CAD/CAM 系统软件。它以尺寸驱动、特征建模、全参数设计、单一全关联的数据库、虚拟现实及多数据接口等优点改变了传统的设计观念，使设计工作直观化、高效化、精确化和系统化，成为目前机械 CAD 领域的新标准。与传统的 CAD 系统仅提供绘图工具不同，Pro/E 提供了一套完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据库管理，甚至包括了产品生命周期，是多项技术的集成产品。Pro/E 的主要特征有：（1）3D 实体模型；（2）单一数据库；（3）基于特征的参数化实体建模；（4）行为建模技术；（5）机构设计技术；（6）强大的装配功能；（7）NC 加工；（8）二次开发技术。2) Visual C+ 6.0Visual C+是新一代面向对象的、可视化的程序设计工具。本系统用户界面模块的设计选择 Visual C+ 6.0(简称 VC+)作为开发平台。VC+是运行于 Windows 上的交互式可视化集成开发环境，是美国 Microsoft Visual Studio 的一部分。像其它的可视化开发环境( 如 Visual Basic, C+ Builder)一样，VC+ 集程序的代码编辑、编译、连接、调试等于一体，给编程人员提供了一个完整而又方便的开发界面和许多有效的辅助开发工具。VC+ 的 AppWizard 可以为很大一部分类型的程序提供框架代码，用户不需要书写代码，只需要几个按钮就可以生成一个完整的可以运行的程序。利用 VC+开发基于Pro/E 的程序编制一般需要两个步骤：一是可视化设计阶段；二是代码编写阶段。在可视化设计阶段，编程者使用 VC+工具箱来定制所需的用户界面。在代码编写阶段，编程者通过调用消息和事件函数实现所需的功能。由于在 VC+中可以方便使用对话框 (Dialog)、位图(Bitmap)、菜单(Menu) 等工具箱，编程人员只需编写少量的代码就可以设计出界面友好、方便用户使用的程序，因而可以大大提高系统开发的效率。通常Pro/E二次开发使用的编程语言有Visual C+6.0环境下的C语言、VC+语言，Visual Basic语言。根据课题要求，选择了采用VC+高级程序语言作为使用语言。Visual C+6.0 是面向对象的、可视化的开发工具，支持 MFC 类库编程，有强大的AppWizard 类向导，可以方便的编写菜单和对话框等资源文件。这对要求基于 Pro/E 开发出可视化界面二次开发工作来说是一个很好的开发环境。本课题将选用Pro/E 3.0作为开发平台，选用编程调试工具 Visual C+6.0。利用Pro/E自带的开发工具Pro/TOOLKIT，并且选用动态链接库(DLL)的同步模式，进行Pro/E软件的二次开发。2 Pro/TOOLKIT 程序设计方法2.1 Pro/TOOLKIT简介Pro/TOOLKIT 是 PTC 公司为 Pro/E 软件提供的开发工具包，即应用程序接口。其主要目的是让用户或第三方通过 C 程序代码扩充 Pro/E 系统的功能，开发基于 Pro/E 系统的应用程序模块，从而满足用户的特殊要求。它提供了大量的 C 语言库函数，能够使外部应用程序（客户应用程序）安全有效地访问 Pro/E 的数据库和应用程序，通过第三方在 Pro/E 系统中添加所需要的功能。不仅如此，还可以利用 Pro/TOOLKIT 提供的用户界面对话框、菜单以及 VC+6.0 的可视化界面技术，设计出方便实用的人机界面，从而大大提高系统的使用效率。Pro/TOOLKIT 工具包提供了开发 Pro/E 所需的函数库文件和头文件，使用户编写的应用程序能够完全地控制和访问 Pro/E，并可以实现应用程序模块与 Pro/E 系统的无缝集成。Pro/TOOLKIT 支持在 Windows2000/NT/X_NP 操作系统中使用 C 和 C+语言设计程序，采用 VC+6.0 作为编译器和连接器，并可以在 VC+6.0 的集成环境下完成程序的设计、调试和编译。Pro/TOOLKIT 有同步(Synchronous Mode)和异步(Asynchronous Mode)两种工作模式。1）同步模式同步模式包括两种模式，动态连接库(Dynamic Link Library，DLL)模式和多线程模式(Multi Process Mode)。Pro/TOOLKIT 应用程序集成到 Pro/E 中的标准方法是使用动态连接库。当编译 C 源代码并将其与 Pro/TOOLKIT 库连接时，就会创建一个在 Pro/E 启动时连接到 Pro/E 中的目标库文件，就象是 Pro/E 本身的程序一样，这种方法称为“DLL模式”。而在多线程模式下，应用程序代码被编写并连接为一个单独的可执行文件（EX_NE 文件） ，该文件由 Pro/E 派生，并作为 Pro/E 进程的子线程。在 DLL 模式，Pro/TOOLKIT 应用程序和 Pro/E 的信息交换是通过直接的函数调用实现；在多线程模式，是通过进程内信息系统在两个线程间模拟函数调用，在两个进程间传递函数的识别信息及其参数。由于多线程模式中的交换过程比 DLL 模式多，相比较而言，多线程模式通信负担比 DLL 模式重，尤其是 Pro/TOOLKIT 应用程序频繁调用 Pro/TOOLKIT 库函数时，通信更复杂。多线程模式的优点在于，能够用源代码调试器运行程序，无需将整个Pro/E 执行程序加载到调试器中，易于调试和发现错误。尽管多线程模式同时有多个线程在并行运行，其实这些线程并没有真的并行处理，每个进程都需要等待其它进程操作完成才能进行自己的操作。控制总在两个线程之间转换，总是有