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PROE齿轮论文(部分).docPROE齿轮论文(部分).doc -- 3 元

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基于Pro/ENGINEER的圆柱齿轮参数化虚拟设计摘要随着计算机技术的飞速发展,CAD已经广泛应用于零件设计和制造中,但一般的CAD软件都具有广而博的通用性,难以满足各类具体产品设计的需要,所以以通用CAD软件为基础,根据本单位的实际,进行不同程度的开发成为产品现代设计的重要内容。齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置,具有传动平稳,承载能力强等优点,有着非常广泛的应用前景。但其结构复杂,设计计算困难,为了提高设计效率,增加竞争优势,实现齿轮的三维参数化精确建模显得尤为重要。文运用三维实体造型软件Pro/E,实现了渐开线直齿轮的参数化精确建模。文中系统地研究了运用Pro/E软件方程输入的方式建立渐开线直齿轮的三维参数化模型的过程。由于参数化齿轮模型可按照驱动参数的变化发生相应改变,再生出新的齿轮模型,所以利用此模型进行齿轮建模的重复性工作,从而极大地提高了分析效率,降低了成本。关键词直齿轮参数化Pro/EVirtualDesignofCylindricalGearBasedontheParametricModelingbyPro/ENGINEERAbstractWiththerapiddevelopmentofcomputer,CADhaswidelyusedinPartdesignandmanufacturing,butbecauseofthecommonalityofCADsoftware,itisdifficulttomeetthespecificneedsofvariableproductdesign,soonthebasisofCADsoftware,accordingtotheactualsituationtocarryoutsecondarydevelopmenthasbecomeanimportantworkofmoderndesign.Asanimportantengineeringmechanicaltransmissionapparatus,gearshaveaverywideapplicationPotentialbecauseofitsadvantage,suchashighstabilityandbearingloads.However,thestructureofgearsareverysophisticated,anddesigndifficulties.Toimprovethedesignefficiencyandincreasethecompetitivecapacity,itisveryimportanttorealizethe3Dparametricmodelingofgears.ThisdissertationconstructedanaccurateparametricmodelofinvolutesspurgearusingthreedimensionalmodelingbasedonPro/Esoftware.Itsystematicallystudiedtheprocessofbuilding3DparametricmodelbyPro/Einthedissertation.ItcanregenerateanewmodelofgearduetoparametricmodelofgearchangescorrespondinglyaccordingtothechangeofdriveParameters.Thereforeitavoidstherepetitivetasksinmodeling,thusimprovestheefficiencyofanalysisgreatlyandreducethecosts.KeywordsSpurGearParametricPro/E1.引言1.1研究背景20世纪70年代以来,一个以计算机辅助设计技术为代表的新的技术改革浪潮席卷了全世界,它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代,而且几乎影响到全部技术领域,冲击着传统的工作模式。CAD技术经历了曲面造型技术、实体造型技术和参数化技术三代飞跃式发展,已经、并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。渐开线齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置,具有传动比大、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长等优点,广泛应用于机械、船舶、航空、电力领域1。随着大批优秀的三维CAD软件纷纷涌现,一般机械零件的三维设计对普通工程师来说已经不再是困难的工作。但是对于渐开线齿轮,由于其齿廓的复杂性,一般设计者在CAD中很难精确造型,继而影响到后续齿轮加工的操作。CAD参数化设计的理念正式解决这一问题的有效途径。计算机辅助设计的广泛应用以及计算机硬件和软件技术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。在课题前期调研中曾了解到,以某一大型制造业国企最具代表性,该企业主要生产制造各类齿轮,具有50多年的悠久历史,无论是从技术角度还是从设备角度在同行业都处于领先地位,市场份额占全国的20%左右,还有相当量的好粗口。但这样一个定性企业,在设计模式和设计流程上仍然和落后。调研中发现,该厂设计部门没有自己的齿轮开发设计界面,不同的设计小组之间沟通不畅,数据管理混乱,设计效率低,在CAD技术日益成熟的今天,势必要将这些问题逐一解决,才能使企业在市场竞争中立于不败之地。1.2国内外研究现状1.2.1三维CAD发展状况CAD概念是50年代末有麻省理工学院首次明确提出的,60年代研制成功试验CAD系统、70年代CAD开始实用化,从二维的电路设计发展到三维的飞机、造船、汽车等设计。80年代,由于解决了三维几何造型等问题,应用范围不断扩大,大中型系统向微型化发展,出现了应用极广的微机CAD系统和性能优良的工作站CAD系统。90年代后随着CAD技术的发展,其系统性能提高,价格降低,CAD开始在设计领域全面普及,成为必不可少的设计工具。目前采用CAD进行3D设计已达到了70%~89%,Pro/E、UG、Catia,IDeas等软件的应用很普通。应用这些软件可完成3D设计,还可以进行转配干涉的检查,保证设计和工艺的合理性。近几年来国内外先进工业国家对CAD/CAM技术的开发非常重视,在其开发上投入了很大的人力和物力。目前国际上流行的三维CAD软件如下Pro/E系统是美国PTC公司推出的三维CAD/CAM软件Catia系统是法国达索飞机公司与美国IBM公司合作开发的CAD系统UGNX是美国UGS公司的CAD产品,该软件首次突破传统CAD/CAM模式,为用户提供了一个全方面的产品建模系统,它优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表卖弄功能结合在仪器,几乎是CAD/CAM用户的首选软件。2我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢,直到进入21世纪以来,我国的计算机行业有了突飞猛进的发展,正是因为这样,我国的CAD技术才有了进一步发展的空间。在现代制造业舞台上,生产效率、成本、规划管理无不和生产技术相关,因此,CAD技术的开发直接关系到产品的设计、生产、维修等工作的速度和效率,显得尤为重要。在产品的设计和装配阶段,一般采用二维制图和三维造型。尤其是三维造型,以其直观、能直接转化成二维工程图和模拟装配等优势在现代工程设备的设计方面有着绝对的优势。1.2.2参数化设计概况参数化设计方法的研究工作最早可追溯到20世纪60年代早期,Sutherland在他开发的Sketchepad系统中,首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来Hillyard,Gossard进一步发展了这一思想,并使之实用化。自从FTC公司于1985年推出参数化CAD系统Pro/Engineer以来,参数化设计技术才真正受到工程技术界和学术界的重视,各大计算机软件公司相继推出自己的参数化CAD系统或在原有系统上增加参数化功能,展开激烈的竞争。3近几年来,以MIT较早期的研究成果为基础,以pro/Engineer的参数化造型系统为先驱,参数化设计技术得到了迅猛的发展。SDRC公司的VariationalDesign,MATRA公司推出的AdaptiveDesign都是参数化技术迅猛发展的产物。参数化技术正日益完善并逐步走向商品化阶段。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。目前二维参数化设计技术己发展的较为成熟,在参数化绘图方面己得到了广泛应用,而三维参数化造型能处理的问题还比较有限。虽然如此,因为三维参数化设计在进行设计时有着明显优于二维参数化设计的优势,所以提高三维参数化设计功能,成为当前设计软件开发的热点。参数化造型设计是指设计对象的结构形状比较定型,可以由一组参数来约束其几何形状和尺寸的关系。其中几何约束用于保证特征的几何形状及与已有特征的连接关系,如平行、垂直和共线等约束尺寸约束用于通过尺寸驱动来改变特征的大小,并保证其与已有特征的尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系,通过修改参数和进行尺寸驱动可得到不同形状和尺寸的设计模型。参数化设计是近几年发展起来的先进造型技术,它是CAD技术应用领域内的一个重要的、需要进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统,可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来,来对产品进行合理的设计,从而大大提高设计速度,并减少信息的存储量,而且有助于减轻设计人员的工作强度。参数化建模技术是CAD的核心技术,是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论,也是齿轮参数化造型的基础理论依据,对齿轮建模和系统设计起着指导性作用。另外,研究国内外齿轮CAD参数化设计的发展状况,可以借鉴前人的研究成果,对齿轮的参数化研究有一定的指导意义。1.3本文的意义和主要内容1.3.1本文研究意义目前,流行的CAD/CAM软件众多,软件功能上也各有千秋,Pro/ENGINEER、UG、CATIA、IDEAS等,都是比较通用的大型软件系统。但任何通用的CAD软件,由于其具有广而博的通用性,使它在具体应用时不能直接处理特定的产品,难以满足形形色色具体产品设计的需要。为了使其在特定的企业和特定产品设计中最大限度的发挥其潜力和创造效益,就有必要以通用CAD软件为基础,根据本单位的实际,进行不同程度的二次开发,以提高生产效率,真正发挥CAD软件的功能。这也是众多使用通用CAD软件的企业一项非常迫切和重要的工作。本课题基于调研时发现的问题,运用Pro/ENGINEER对渐开线齿轮进行了参数化设计,保证了造型的精确性,又可以使工作者方便的运用齿轮的各个参数对齿轮进行设计,达到提高设计效率的目的。本课题所用的三维CAD软件Pro/ENGINEER是美国参数技术公司ParametricTechnologyCorporation,简称PTC的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广,它有着广泛的用户群和应用基础,具有功能强、易学、易用的特点,在国际CAD市场中占有显著的地位4。Pro/E具有良好的用户介面,绝大多数功能都可通过图标实现进行对象操作时,具有自动推理功能同时,在每个操作步骤中,都有相应的提示信息,便于用户做出正确的选择。因此,设计人员能够自行开发满足自己特殊需要的产品。本文对齿轮的参数设计是CAD技术与齿轮设计相结合的产物,也是两者发展的趋势所在,既实现了设计过程自动化,完成了渐开线齿廓的精确造型,本课题的研究在现代制造工业中具有重要的现实意义1.3.2本文研究的内容本文利用大型软件Pro/EWildfire3.0来实现圆柱直齿轮的三维参数化造型,可通过改变齿轮的一些基本参数,生成相应的齿轮,达到设计要求。具体章节安排如下第一章绪论。主要阐述了本课题的背景、研究目的和意义等,概括了国内外三维CAD技术、参数化设计技术的研究现状,并对论文的研究内容做了概述。第二章渐开线齿轮数学模型。深入讨论了渐开线成型原理,主要包括渐开线方程及特性以及直齿圆柱齿轮的几何尺寸的计算。为下一步的Pro/E参数化建模打下了理论基础。第三章渐开线直齿轮的参数化造型。介绍了Pro/E参数化建模思想,利用方程输入对齿轮渐开线进行设计,并通过程序中的关系对参数进行限制,使得个参数之间相互联系,完成齿轮参数化建模设计。第四章总结与展望。对论文的主要研究工作及取得的成果进行了总结,分析了不太完善尚待进一步研究的问题。2.渐开线齿轮数学模型2.1渐开线成型原理2.1.1渐开线方程及特性要对渐开线齿轮进行三维参数化造型,除了要了解渐开线形成原理之外,还需要进一步知道轮齿渐开线齿形的各点坐标值,即渐开线方程5。如图21所示,图21渐开线齿廓的计算当直线BK沿半径为rb的圆周作纯滚动,直线上任意一点K的轨迹AK称为渐开线,直线BK称为渐开线的发生线6。θk称为渐开线上尤点的展角。其中,A为渐开线在基圆上的起点,K为渐开线上任意点,其矢径为rk。当渐开线作为齿轮的齿廓在K点啮合时,则此齿廓在点K所受的正压力方向即法线方向与速度方向沿aK方向所夹的锐角αk为渐开线在点K的压力角,由图可见,kBOK,coskbkrr,又因tanbkkkkkbrKBOBr公式21故得tankkk公式22由上式可知,展角θk是压力角αk的函数呈非线性变化称其为渐开线函数,工程上常用invαk来表示,即tankkkinv,综上所述,可得渐开线的极坐标方程为costanbkkkkrr公式232.1.2直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算由于齿轮己经实现了标准化,对于渐开线标准直齿圆柱齿轮,描述齿轮基本几何尺寸的参数为模数m、齿数z和压力角α,渐开线的其它参数可利用下列公式计算。图22直齿圆柱齿轮轮齿部分名称(1)齿轮的节圆半径rp11mz22pr齿数模数公式24(2)齿轮的基圆半径coscosbprr节圆半径压力角公式25(3)齿轮的周节pccpm模数公式26(4)节圆齿厚pt22cppt周节公式27(5)齿顶圆半径raaa22mzhr节圆半径齿顶高公式28(6)齿根圆半径rfa222fmzhcr节圆半径齿根高公式29(7)基圆齿厚tp与基圆齿厚角θ222tan2180bpbptinvtrr节圆齿厚基圆半径节圆半径公式210180180pbtr齿厚基圆半径公式211(8)基圆齿间角θw360360w齿数齿厚角z公式212齿轮的模数m己经实现了标准化,齿轮分度圆上的压力角a也规定了标准值。一旦确定了齿轮的模数m、齿数z和压力角a,则可根据机械原理的相关知识计算出齿轮的其它参数。计算出齿轮的所有几何尺寸参数后,就可以利用Pro/E系统提供的强大参数化三维实体造型功能来创建可以由参数驱动的齿轮三维实体模型。3渐开线直齿轮的参数化造型3.1参数化技术3.1.1参数化设计的理论方法所谓参数化设计,是通过改变图形某些部分的尺寸,自动完成对图形中相关部分的修改,从而实现对图形的驱动。随着计算机技术发展,参数化设计技术正在被日益广泛的应用于各个领域。参数及设计技术以约束为核心,以尺寸驱动为特征,允许设计者首先进行草图制图设计,绘制出三维实体图形,然后输入参数及其关系式来完成最终的设计。与无约束造型系统相比,参数化设计更符合世家工程设计需要,因为在实际设计的初期阶段,设计人员关心的往往是零部件的大致形状,对精确的尺寸并不是十分关心,特别是在系列化设计中,参数化造型技术的优点更加突出。7设计过程可视为用关系式约束对应尺寸的过程,设计过程本质上是通过提取零部件有效的约束来建立其约束模型。设计活动中的主要来自功能、结构和制三个方面。在产品设计过程中将这些约束综合成设计目标,并将他们映射成为特定地几何/拓扑结构,从而转化为几何约束。所谓几何约束就是要求几何尺寸与关系式之间必须满足某种特定的关系。将几何约束作为构成几何/拓扑结构的几何基准要素和表面轮廓要素,可以导出各种形状结构的位置和形状参数,从而形成参数化的产品几何模型。产品的几何约束主要包括拓扑约束和尺寸约束两方面。拓扑约束是对产品结构的定性描述,它表示几何元素之间的固定联系,如对称、平行、垂直、相切等,这些关系拟抽象为点、边、面等九类有向关系,每一类关系有相应的谓词,包括相同、平行、垂直、偏移等。尺寸约束则为特征/几何元素间相对位置的定量表示,如各种距离、两线夹角、圆的半径等。尺寸约束是参数化驱动的对象,其不仅可以变动,而且需要标注和显示。尺寸约束可表征为一组基本参数化且具有与产品结构层次相对应的层次性。产品特征模型中高层约束是形状特征之间的形位关系几何元素之间的约束,则是低层约束的封装高层约束需通过低层约束来实现。3.1.2参数化模型在参数化设计系统中,首先必须建立参数化模型。参数化模型有多种,文中主要创建几何参数化模型。模型用来表示实际的或抽象的物体和现象。它给出被处理对象的结构和向能,并产生其图形。建立模型是对被处理对象的结构进行计算、分析、模拟、研究的一个基础。几何模型描述的是具有几何特征的实体,它包括两个主要概念几何关系和拓扑关系。几何不关系是指具有几何意义的点、线、面,具有去定的位置(如坐标值)和度量值(如长度、面积)。所有的几何关系构成了几何信息,拓扑关系反映了形体的特征和关系。在计算机辅助设计系统的设计中,不同型号的产品往往都是结构同类,即只是尺寸不同而结构相同,映射到几何模型中,就是几何信息不用而拓扑信息相同。因此,参数化模型要求程序驱动三维图形,在结构相同或类似的前提下,尺寸随意变或是在要求范围内变化。参数化设计技术以其强有力的尺寸驱动,修改图形功能,为初始产品设计、产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段,能够充分满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要。参数化技术以约束为核心,是一种比约束自由造型技术更新颖、更好的造型技术。该技术将复杂的设计过程分解为三个子过程,即草图设计、对草图施加约束以及约束求解。本文运用三维实体造型软件Pro/E建立了渐开线直齿轮的从那时模型,有了此参数化齿轮模型后,只需输入一些关键的参数,它就可以根据这些参数自动生成新的齿轮模型。3.2Pro/E参数化建模思想3.2.1Pro/E概述Pro/E操作软件是美国参数技术公司parametricTechnologyCorporation,简称PTC的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。Pro/E第一个提出了参数化设计理念,井且采用了单一数据库来解决特征相关性问题。另外,它采用模块化方式,能够将从设计到生产的整个过程集成到一起,实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站,而且也可以应用到单机上,大大增强了它的竞争力8。在早期的CAD软件中,为了获得准确形状的几何图形,设计时必须依次定位组成图形的各个图元的大小和准确位置。系统根据输入信息生成图形后,如果要对图形进行形状改变则比较困难,因而设计灵活性差。Pro/E引入了参数化设计思想,大大提高了设计灵活性。根据参数化设计原理,绘图时设计者可以暂时舍弃大多数繁琐的设计限制,只需抓住某一个典型特点绘出图形,然后通过向图形添加适当的约束条件来规范其形状,然后修改尺寸数值,经过系统再生成后即可获得理想的图形,这就是重要的尺寸驱动理论。用Pro/E进行参数化设计,主要是用到Pro/E中的程序Program,这种程序不同于我们一般计算机程序如C语言程序、BASIC语言程序。它是一种相对非常简单的程序,它只是用一些简单的input、ifelse等少数语句,对在零件或组件设计过程中Pro/E系统自动产生的信息进行编辑。Program是自动化设计的一项重要工具,使用者可以通过非常简单的程序语言来控制特征的生成与否、尺寸的大小、零组件的生成与否、零组件的显示、零组件的个数等。可以利用问答式的方式输入参数等信息从而得到不同的几何尺寸或几何形状,以完成产品设计的要求。Pro/E软件是比较理想的参数化造型软件。3.2.2基于Pro/E三维模型的参数化设计原理在零件的三维设计中,由于三维模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实
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