基于PROE复杂曲面模型的逆向工程及制造.doc

基于 PRO/E 复杂曲面模型的逆向工程与制造 ee （ee） 指导教师：ee 摘要本文研究了逆向工程的关键技术，并应用于复杂曲面的模型重建。逆向工程的关键技术包括：数据获 取、数据处理和模型重建。通过对数据处理方法进行研究，得到数据处理的一般流程。根据复杂曲面的特点，采用 逆向工程方法完成模型重建工作。采用 serein 激光扫描仪高效率、高精度地完成复杂曲面的数据获取工作。应用 imageware 和 Pro/E 软件完成曲面的数据处理工作，获得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。运用 Pro/E 软件中小平面特征和重新造型的方法，重复利用软件优势，完成曲面模型的重构工作。 研究表明，采用逆向工程的方法完成曲面模型，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法， 具有重要的实际意义和较高的应用价值。 关键词逆向工程；小平面特征；重新造型；imageware；Pro/E Reverse Engineering and Manufacture of Complex Surface Models Based on Pro/E ee （ee） tutor: ee Abstract: In this thesis, the key techniques of reverse engineering are researched and applied to model reconstruction of sculptured surface. The key techniques of reverse engineering include：data acquisition, data processing and model reconstruction. By researching flow of data processing is explored. In light of the characteristics of sculptured surface, the model is completed with reverse engineering. The data is collected with laser scanner efficiently and accurately. The data processing of sculptured surface is done with imageware and Pro/E, which result in an integrated and accurate data convenient for model reconstruction. Using the method of facet and restyle feature of Pro/E, the model of sculptured surface is conducted. The research indicates that the model of sculptured surface, completed with reverse engineering, is an effective technique, which can bring about high quality model and efficiency and have great actual and practical value. Key words: Reverse Engineering, Facet Feature, Restyle, imageware, Pro/E 目 录 1. 绪论 1 1.1. 引言 .1 1.2. 逆向工程特点和过程 .1 1.3. 快速成型的技术原理、早期发展和特点功能 .3 1.3.1. 快速成型原理.3 1.3.2. 快速成型工艺方法.4 1.3.3. 快速成型技术的早期发展.6 1.3.4. 快速成型技术的特点功能.8 1.4. 软件介绍 .9 1.4.1. Imageware 软件简介.9 1.4.2. Pro/Engineer 软件逆向工程模块简介10 2. 逆向工程一般步骤 12 2.1 实体三维数据的获得扫描 .12 2.2 点云处理 .14 2.3 曲面重构 .14 2.4 实体建模 .16 3. 建立米老鼠头像曲面具体步骤 17 3.1. 米老鼠头像曲面逆向开发的流程 .17 3.2. 数据获取和处理 .17 3.2.1. 扫描.17 3.2.2. 点云数据清理.18 3.2.3. 数据转化导出通用格式.19 3.3. 小平面特征 .19 3.3.1. 造型前准备.20 3.3.2. 输入点云数据.20 3.3.3. 点云数据处理.21 3.3.4. 包络处理.22 3.3.5. 小平面处理.23 3.4. 重新造型 .27 3.5. 曲面实体化 .28 3.6. 快速成型制造 .30 4. 总结 31 致 谢 32 参考文献 33 1.绪论 1.1.1.1.引言引言 逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是相对正向设计而定义的一种设 计方法，是从实物模型到电子模型或理论概念的一个反向推理、挖掘、优化的系统过 程，在国内外各个领域被广泛应用。它的意义不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先 进技术，更体现在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论 和思想上的创新，这对于我国科技进步和制造业的发展具有十分重要的意义。 Pro/ENGINEER 是美国 PTC 公司于 1988 年开发出的参数化建模软件系统，它广泛 应用于机械、电子航天、模具、工业设计、汽车和玩具等行业。其所提供的独立几何、 小平面特征和重新造型等模块都可完成逆向反求工作。 1.2.1.2.逆向工程逆向工程特点和过程特点和过程 在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成 败的关键。由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸 或 CAD 数据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的 尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大 的障碍。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。 随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及 工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段 及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数 字模型，在 CAD 领域，这就是所谓的逆向工程。 传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的 模具，再进行量产。这种方法属于类比式（Analog type）复制，无法建立工件尺寸图 档，也无法做任何的外形修改。这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。 传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。 逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一 体化的解决方案：样品数据产品。 逆向工程通常是以专案方式执行模型的仿制工作。往往制作的产品没有原始设计 图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳 结构等，由制作单位复制（Copy）出来。因为有长期专门从事逆行工作的专业技术人 员，所以工作效率很高。 逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描， 得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分 析、评价构造效果，最终生成 IGES 或 STL 数据，据此就能进行快速成型或 CNC 数控加 工。逆向工程应用领域相当广泛，有军工、模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、 鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。 逆向工程建模的一般流程图 图 1. 1 逆向建模一般流程 模型曲面分析确定扫描方案进行实体点云扫描进行点云数据处理 建立需要的曲线建立曲面实体建模(如图 1. 1所示)。 1.3.1.3.快速成型的技术快速成型的技术原理、早期发展和特点功能原理、早期发展和特点功能 1.3.1.1.3.1. 快速成型原理快速成型原理 企业的发展战略已经从 60 年代“如何做的更多” 、70 年代“如何做的更便宜” 、80 年代“如何做的更好”发展到 90 年代的“如何做的更快” 。快速成型（也称快速原型） 制造技术(Rapid Prototyping 表面质量好;原材料利 用率接近 100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。缺点是需要 设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵。 该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。 2)2) 选择性激光烧结法选择性激光烧结法( (SLS, Selective Laser Sintering) ) 选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100-200)的作金属(或 金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使 粉末固化成截面形状。完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结 的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这 个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘 干等处理后便获得需要的零件。用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究 阶段，它可以直接制造工程材料的零件。 SLS 工艺的优点是原型件机械性能好，强度高，无须设计和构建支撑，可选材料 种类多且利用率高(100%)。缺点是制件表面粗糙，疏松多孔，需要进行后处理，制造 成本高。 采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功能测试 零件;也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小 型零件的熔模铸造生产。 3)3) 熔融沉积成型法熔融沉积成型法( (FDM, Fused Deposition Modeling) ) 这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出， 按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降 一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM 工艺的关 键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高 1左右)。其每一层片的厚 度由挤出丝的直径决定，通常是 0.250.50mm。 FDM 的优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，工艺简洁。缺点是 精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差。该工艺适合于产品的概念建 模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。 4)4) 分层实体制造法（分层实体制造法（LOM, Laminated Object Manufacture） LOM 工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激 光切割器按照 CAD 分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然 后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次 切割，如此反复逐层切割、粘合、切割；直至整个模型制作完成。 LOM 工艺优点是无需设计和构建支撑;只需切割轮廓，无需填充扫描;制件的内应 力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低，种类有限;表面质量差;内部废料 不易去除，后处理难度大。该工艺适合于制作大中型、形状简单的实体类原型件，特 别适用于直接制作砂型铸造模。 5)5) 三维印刷法三维印刷法( (3DP,Three Dimensional Printing ) ) 三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。 3DP 的成型过程与 SLS 相似，只是将 SLS 中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。 该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金属 陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等）方面具有较大的优越性。 1.3.3.1.3.3. 快速成型技术的早期发展快速成型技术的早期发展 1892 年，JEBLanther 在他的美国专利(#473901)中，曾建议用分层制造法构成 地形图。这种方法的原理是将地形图的轮廓线压印在一系列蜡片上，然后按轮廓线切 割蜡片，并将其粘结在一起，熨平表面，从而得到三维地形图。 1902 年，Carlo Baese 在他的美国专利(# 774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑 料件的原理，这是现代第一种快速成形技术“立体平板印刷术”(Stereo Lithography)的初始设想。 1940 年，Perera 提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形 图的方法。50 年代之后，出现了几百个有关快速成形技术的专利。许多学者又提出了 用一系列轮廓片形成三维地形模型的新方法(图 1. 4)。 图 1. 4 三维地形模型的制作 1976 年，Paul L Dimatteo 在他的美国专利(#3932923)中，进一步明确地提出先用 轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割这些薄片(图 1. 5） ， 这些设想与现代另一种快速成形技术“物体分层制造”(Laminated Object Manufacturing)的原理极为相似。 图 1. 5 层与层之间的连接 1986 年，Charles W Hull 在他的美国专利(#4575330)中，提出了一个用激光照射液 态光敏树脂，从而分层制作三维物体的现代快速成形机的方案。随后，美国的 3D systems 公司据此专利，于 1988 年生产出了第一台现代快速成形机 SLA250(液态光 敏树脂选择性固化成形机)，开创了快速成形技术发展的新纪元。在此后的 10 年内， 涌现了 10 多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄形材料选择性切割 （LOM） 、丝状材料选择性熔融(FDM)和粉末材料选样性烧结(SLS)等，并且在工业、 医疗及其它领域得到了普遍的应用。到 1998 年为止，全世界已拥有快速成形机 4259 台，快速成形机制造公司约 27 个，用快速成形机进行对外服务的机构 331 个。不仅如 此还派生出一个全新的领域快速模具制造(Rapid Tooling)，从而使快速成形成为 现代制造业必不可少的支柱技术。 我国从上世纪 90 年代初开始进行有关快速成形技术的研究及开发，现己取得令人 瞩目的进展。其中，华中科技大学（原华中理工大学）较早的开发了系列 LOM 快速成 形机；清华大学进行了多种快速成形技术的研究，并推出了类似 LOM、FDM 等快速 成形机的产品；华中科技大学和北京隆源自动成型系统有限公司也推出了 SLS 快速成 形机的产品；西安交通大学、上海联泰科技等推出了 SLA 快速成形机。此外，香港大 学、香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学、南京航空航天大学、浙江大学、 中北大学等也开展了有关设备、材料和工艺的研究；香港快速原型科技中心、深圳生 产力促进中心、天津生产力促进中心等为普及和推广快速成形技术进行了卓有成效的 工作。可喜的是，一些汽车、摩托车、家用电器和模型制造行业已装备快速成形机， 面向社会的快速成形服务中心和政府支持的快速成形中心正在建立和扩大愈来愈多 的工业界对快速成形技术重要性的认识日益加深。 1.3.4.1.3.4. 快速成型技术的特点功能快速成型技术的特点功能 采用快速成形技术之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品， 在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速 地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品。这将给设计者创造一个优 良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即 可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。制造者在产品设计的 最初阶段，也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的工模具及少量产品，这使得他们 能及早地对产品设计提出意见，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成 本和提高产品质量。在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至少量产品， 这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需 求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或图纸、样本来推销。所以，快速成形技术的应 用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争 能力。用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品、甚至少量产品，这使得他们 能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短 约时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。 快速制造技术周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某 种特定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的制造技术，特别 适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。 快速成型技术与数控机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中 心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同 的零件需要不同的装夹，用不同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有 几十件、甚至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用，需要先将材料 制成毛坯。而 RP 技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任 何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度，快速成型 具有数控机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。零件的模型或原型虽然只反 映出最终零件的几何特性，不能反映出全部的机械性能。但已经使 RP 技术受到极大的 欢迎。德国奔驰公司的 Werner Pullman 博士在 IMS 快速产品开发国际会议上讲：“购 买一辆车，首先考虑的是它的客观印象，然后是它的技术特性，如马力、安全设备等。 像噪音、操作性能和款式等特性是作出购买决定的重要因素。但这些特性只有通过物 理原型来评价。因此高质量的功能原型在产品开发中是重要的方面，不能被数字模型 和分析所取代。 ”在美国福特汽车公司，RP90 . 0 1 HN K 。95 . 0 2 HN K （10）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计第八版式（10-12）得 MPaMPa S KHN H 5406009 . 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 . 52255095. 0 2lim2 2 （11）许用接触应力 MPa HH H 25.531 2 21 3.2.2 计算计算 （1）试算小齿轮分度圆直径d t 1 =4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 . 0 1046.16 34 1046.167396 . 0 10738.121 3 9.56mm （2）计算圆周速度v0 sm ndt /78 . 3 100060 56.491460 100060 11 （3）计算齿宽及模数 1 1 cos 49.56 t nt mm d m z =2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56.49 24 97 . 0 56.49 h=2.252.25 2=4.5mm nt m 49.56/4.5=11.01 h b （4）计算纵向重合度 0.318 1 24 tan=20.73 tan318 . 0 1z d 14 （5）计算载荷系数 K。 已知使用系数根据 v= 7.6 m/s,7 级精度，由机械设计第八版图 10-8 , 1 KA 查得动载系数 ;11 . 1 Kv 由机械设计第八版表 10-4 查得的值与齿轮的相同，故 KH ;42 . 1 KH 由机械设计第八版图 10-13 查得 35 . 1 f K 由机械设计第八版表 10-3 查得.故载荷系数4 . 1 HH KK 1 1.11 1.4 1.42=2.2 HHVA KKKKK （6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得 3 11 K dd t t K mm11.55375 . 1 56.49 6 . 1 2 . 2 56.49 3 3 （7）计算模数 z d mn 1 1cos mm22 . 2 24 11.5597. 0 24 14cos11.55 3.3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由式（10-17） 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3.3.1 确定计算参确定计算参数数 （1）计算载荷系数。 =2.09 ffVA KKKKK35 . 1 4 . 111 . 1 （2）根据纵向重合度 ，从机械设计第八版图 10-28 查得螺旋 903. 1 角影响系数 88 . 0 Y （3）计算当量齿数。 37.26 91 . 0 2424 14 24 97 . 0 coscos 333 1 1 z zV 59.106 91 . 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv （4）查齿形系数。 由表 10-5 查得 18 . 2 ;57 . 2 21 YYFaFa （5）查取应力校正系数。 由机械设计第八版表 10-5 查得 79. 1; 6 . 1 21 YYSaSa （6）由机械设计第八版图 10-24c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ； MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 （7）由机械设计第八版图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 ， 85 . 0 1 KFN ； 88 . 0 2 KFN （8）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得 MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86.238 4 . 1 38088. 0 57.303 4 . 1 85500. 0 22 2 11 1 （9）计算大、小齿轮的 并加以比较。 F YYSaFa 13630 57.303 596 . 1 592. 2 1 11 F YYSaFa = F YYSaFa 2 22 01642 . 0 86.238 774 . 1 211 . 2 由此可知大齿轮的数值大。 3.3.2 设计计算设计计算 mmmmmm mn 59 . 1 085 . 4 342 . 4 01642 . 0 65 . 1 * 88 . 0 8 . 610 . 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 . 0 24 )14(cos 10 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲 mn 劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强 mn 度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径 100.677mm 来计算应有的齿数。于是由 73.26 2 14cos11.55 cos 1 1 m d z n 取 ，则 取 27 1 z 81.10803 . 4 27 2 z ;109 2 z 3.4 几何尺寸计算几何尺寸计算 3.4.1 计算中心距计算中心距 a= mm mzz n 2 . 140 97 . 0 136 14cos2 2)10927( cos2 21 将中以距圆整为 141mm. 3.4.2 按圆整后的中心距修正螺旋角按圆整后的中心距修正螺旋角 06.1497 . 0 arccos 2 .1402 2)10927( arccos 2 )( arccos 21 a mzz n 因值改变不多，故参数、等不必修正。 k ZH 3.4.3 计算大、小齿轮的分度圆直径计算大、小齿轮的分度圆直径 mm mm mz d mz d n n 224 97. 0 218 14cos 2109 cos 55 97 . 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 . 139 2 22455 2 21 3.4.4 计算齿轮宽度计算齿轮宽度 mmb d d 5567.551 1 圆整后取.mmmm BB 61;56 12 低速级 取 m=3;30 3 z 由88 . 2 3 4 12 z z i 取 4 2.88 3086.4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 . 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圆整后取mmmm BB 95,90 34 表表 1高速级齿轮： 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m22 压力角 2020 分度圆 直径 d =2 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齿顶高 ha 221 21 m hhh aaa 齿根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a )2( * 21 齿顶圆 直径 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 表表 2低速级齿轮： 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m33 压力角 2020 分度圆 直径 d =3 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齿顶高 ha 12 1 22 aaamhhh 齿根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a )2( * 21 齿顶圆 直径 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 4. 轴的设计轴的设计 4.1 低速轴低速轴 4.1.1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p3 n3T3 若取每级齿轮的传动的效率,则 mN r kW n p T i n n ppp 842.7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 . 362 69 . 9 97.990 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 4.1.2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97 . 0 3639 . 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 1000 8 . 7352 2 4 3 圆周力 ,径向力 及轴向力 的 FtFrFa 4.1.3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为 45 钢,调质处理.根据机械设计 第八版表 15-3,取 ,于是得 112 0 A mm n p Ad 64.47077 . 0 112 76.125 69 . 9 112 3 33 3 3 0min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号. 联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则: TKTAca3 3 . 1 KA mmNmmN TKTAca 6 . 9565947358423 . 1 3 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准 GB/T 5014-2003 或手册, Tca 选用 LX4 型弹性柱销联轴器,其公称转矩为 2500000 .半联轴器的孔径 mmN ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔 mm d 55 1 mm d 50 21 长度. mm L 84 1 4.1.4 轴的结构设计轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 图 4-1 （2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2 轴 ;84,50 1212 mmmml d 段右端需制出一轴肩,故取 2-3 段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取 mm d 62 32 挡圈直径 D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在 mm L 84 1 半联轴器上而不压在轴的端面上,故 1-2 段的长度应比 略短一些,现取. L1 mm l 82 21 2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚 子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙 mm d 62 32 组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30313。其尺寸为 d D T=65mm 140mm 36mm， 故 ；而。 mm dd 65 7643 mmmm dl 82, 5 . 54 6565 3）取安装齿轮处的轴段 4-5 段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间 mm d 70 54 采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为 90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴 段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 mm l 85 54 ，故取 h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ， dh07 . 0 mm d 82 65 hb4 . 1 取。 mm l 5 . 60 65 4）轴承端盖的总宽度为 20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定） 。根据轴承 端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距 离 l=30mm，故取 mm l 57.40 32 低速轴的相关参数： 表 4-1 功率 p3 kW69 . 9 转速 n3 min/76.125r 转矩 T3 mN 842.735 1-2 段轴长 l 21 84mm 1-2 段直径 d 21 50mm 2-3 段轴长 l 32 40.57mm 2-3 段直径 d 32 62mm 3-4 段轴长 l 43 49.5mm 3-4 段直径 d 43 65mm 4-5 段轴长 l 54 85mm 4-5 段直径 d 54 70mm 5-6 段轴长 l 65 60.5mm 5-6 段直径 d 65 82mm 6-7 段轴长 l 76 54.5mm 6-7 段直径 d 76 65mm （3）轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面 d 54 b*h=20mm 12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为 L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接， 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向 6 7 k H 定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为 m6。 4.2 中间轴中间轴 4.2.1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p2 n2T2 mN rr kW n p T i n n ppp 6 . 263 2 . 362 10.10 95509550 min/ 2 . 362min/ 03 . 4 1460 10.1097. 099 . 0 52.10 2 2 2 01 1 2 3200112 4.2.2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 （1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为： mmmz d 140354 33 N N N FF FF d T F ta n tr t 35214tan1412tan 1412 97 . 0 3639. 0 3765 14cos 20tan 3765 cos tan 3765 140 1000 6 . 2632 2 3 2 （2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为： mmmz d 3991333 22 N N N FF FF d T F ta n tr t 12314tan495tan 495 97 . 0 3639. 0 1321 14cos 20tan 1321 cos tan 1321 399 1000 6 . 2632 2 2 2 4.2.3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为 45 钢,调质处理.根据表 15-3,取 ,于是得：112 0 A mm n p Ad 6 . 33027. 0112 2 . 362 10.10 112 3 33 2 2 0min 轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径。 d12 图 4-2 4.2.4 初步选择滚动轴承初步选择滚动轴承. （1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作 要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级mm d 35 21 的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为 d D*T=35mm 72mm 18.25mm，故 ，；mm dd 35 6521 mm l 8 . 31 65 （2）取安装低速级小齿轮处的轴段 2-3 段的直径 ；齿mm d 45 32 mm l 8 . 29 21 轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为 95mm，为了使套筒端 面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的右端采用mm l 90 32 轴肩定位，轴肩高度，故取 h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度，dh07 . 0 hb4 . 1 取。mm l 12 43 （3）取安装高速级大齿轮的轴段 4-5 段的直径齿轮的右端与右端轴;45 54 mm d 承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为 56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿 轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。mm l 51 54 4.2.5 轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面 d 54 b*h=22mm 14mm。键槽用键槽铣刀加工，长为 63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有 良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用 平键为 14mm 9mm 70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是 由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为 m6。 中间轴的参数： 表 4-2 功率 p2 10.10kw 转速 n2 362.2r/min 转矩 T2 263.6mN 1-2 段轴长 l 21 29.3mm 1-2 段直径 d 21 25mm 2-3 段轴长 l 32 90mm 2-3 段直径 d 32 45mm 3-4 段轴长 l 43 12mm 3-4 段直径 d 43 57mm 4-5 段轴长 l 54 51mm 4-5 段直径 d 54 45mm 4.3 高速轴高速轴 4.3.1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p1 n1T1 若取每级齿轮的传动的效率,则 mN r kW n p T nn pp m d 09.68 1460 41.10 95509550 min/1460 41.10 1 1 1 1 41 4.3.2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 72243 11 N N N FF FF d T F ta n tr t 95.470249 . 0 38.189114tan38.1891tan 55.709 97 . 0 3639 . 0 38.1891 14cos 20tan 38.1891 cos tan 38.1891 72 100009.682 2 1 1 4.3.3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为 45 钢,调质处理.根据表 15-3,取 ,于是得：112 0 A mm n p Ad 54.211 . 0924 . 1 112*13. 7112 1460 41.10 112 3 3 33 1 1 0min10 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号. 联轴器的计算转矩 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取 ,则: TKTAca1 3 . 1 KA mmNmmN TKTAca 88517680903 . 1 1 按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件,查标准 GB/T 5014-2003 或 Tca 手册,选用 LX2 型弹性柱销联轴器,其公称转矩为 560000 .半联轴器的孔径mmN ,故取 ,半联轴器长度 L=82mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度mm d 30 1 mm d 30 21 .mm L 82 1 4.4 轴的结构设计轴的结构设计 4.4.1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案 图 4-3 4.4.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1)为了满足半联 轴器的轴向定位要示求,1-2 轴段右端需制出一轴肩,故取 2-3 段 的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径 D=45mm .半联轴器与mm d 42 32 轴配合的毂孔长度 ,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端mm L 82 1 面上,故 段的长度应比 略短一些,现取.mm l 80 21 2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子 轴承.参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 mm d 42 32 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为 d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故 ；而 ，mm。mm dd 45 7643 mm l 75.26 87 75.31 43 l 3）取安装齿轮处的轴段 4-5 段,做成齿轮轴；已知齿轮轴轮毂的宽度为 61mm，齿 轮轴的直径为 62.29mm。 4）轴承端盖的总宽度为 20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定） 。根据轴 承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的 距离 l=30mm，故取。 mm l 81.45 32 5）轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按 查表查得平键截面 d 54 b*h=14mm*9mm ，键槽用键槽铣刀加工，长为 L=45mm,同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接， 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周 6 7 k H 向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为 m6。 高速轴的参数： 表 4-3 功率 p1 10.41kw 转速 n1 1460r/min 转矩 T1 mN 09.68 1-2 段轴长 l 21 80mm 1-2 段直径 d 21 30mm 2-3 段轴长 l 32 45.81mm 2-3 段直径 d 32 42mm 3-4 段轴长 l 43 45mm 3-4 段直径 d 43 31.75mm 4-5 段轴长 l 54 99.5mm 4-5 段直径 d 54 48.86mm 5-6 段轴长 l 65 61mm 5-6 段直径 d 65 62.29mm 6-7 段轴长 l 76 26.75mm 6-7 段直径 d 76 45mm 5.5.齿轮的参数化建模齿轮的参数化建模 5.1 齿轮的建模齿轮的建模 （1）在上工具箱中单击按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件” 选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入“dachilun_gear”， 如图5-1所示。 图5-1“新建”对话框 2取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框， 选中其中“mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击”确定“按钮，进入三维实体 建模环境。 图5-2“新文件选项”对话框 （2）设置齿轮参数 1在主菜单中依次选择“工具”“关系”选项，系统将自动弹出“关系”对话框。 2在对话框中单击按钮，然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中，具体 内容如图5-4所示，完成齿轮参数添加后，单击“确定”按钮，关闭对话框。 图5-3输入齿轮参数 （3）绘制齿轮基本圆 在右工具箱单击，弹出“草绘”对话框。选择 FRONT 基准平面作为草绘平面， 绘制如图 5-4 所示的任意尺寸的四个圆。 （4）设置齿轮关系式，确定其尺寸参数 1按照如图 5-5 所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基 圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。 2双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为、修改的结d a d b d f d 果如图 5-6 所示。 图