毕业设计（论文）-基于ProE的减速箱参数化设计系统的研究.doc

本科毕业设计（论文）题目：基于pro/e的减速箱参数化设计系统的研究院 （系）： 光电工程学院 专 业： 光电信息工程学 生： 学 号： 指导教师： 2010年6月西安工业大学毕业设计（论文）任务书院（系） 光电工程 专业 光电信息 班 060104 姓名 黄超 学号 060104107 1.毕业设计（论文）题目： 基于pro/e的减速箱参数化设计系统的研究 2.题目背景和意义： 减速器作为机械传动装置应用日益广泛，但其相似而复杂的结构给设计工作带来了重复性和繁琐性。本课题是基于参数特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动的pro/e三维设计系统，避免了相似零件的重复造型，大大提高产品的设计效率和设计质量，具有实用价值和可扩展性。同时用可视化手段来模拟装配体的实际装配过程，从而能够大大缩短新产品的研发周期，提高设计质量，降低设计成本。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： （1）从研究减速器类型入手，选取最具特征的齿轮参数，作为设计时的特征参数； （2）利用pro/engineer wildfire 进行建模，在pro/program程序中编辑程序，实现参数化驱动，完成对齿轮等相关零件的三维造型； （3）完成对齿轮轴系的虚拟装配。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 设计工作从3月1日开始到6月25日结束。整个设计在校内完成。具体工作进度如下： 2010.3.12010.3.15 查阅资料，学习相关软件，完成开题报告； 2010.3.162010.4.5 系统设计、典型参数的选取； 2010.4.62010.5.15 编制程序实现齿轮和相关零件设计的参数化驱动； 2010.5.162010.6.4 对设计的齿轮及相关零件进行虚拟装配： 2010.6.52010.6.25 完善程序，撰写毕业论文，准备答辩。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 不少于1.5万字的毕业论文 实验（时数）*或实习（天数）： 不少于50机时的上机 图纸（幅面和张数）*： 其他要求： 完成不少于3000汉字的英文翻译 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。毕i-22 带*项可根据学科特点选填。基于pro/e的减速箱参数化设计系统的研究摘 要减速箱作为普遍使用的传动装置，已经是几乎所有工业领域里不可缺少的部件之一。其中最为重要的零件齿轮的设计便成为研究的重点，所以，如何快速的设计各种符合需要的齿轮已经成为各个生产者所重视的一个环节。本文基于pro/engineer软件，利用其实体化参数造型的特点实现了单级圆柱齿轮减速箱主要零件的参数化过程，文中以直齿圆柱齿轮的绘制过程为例，详细介绍了整个设计步骤。并以相似步骤完成斜齿圆柱齿轮和人字齿轮的参数化设计。这样的设计过程一是软件的易用性缩短了设计周期，二是节约了人力物力，可以在不生成实物的情况下提前测试零件的可用性，提高了设计的整体质量，降低了设计成本。本文使用了参数化设计的齿轮及其他部件，进行虚拟装配，干涉检查，并生成仿真动画，实现了单级圆柱减速箱主要零件的参数化设计研究。关键词: pro/engineer；参数化设计；齿轮；虚拟装配；机构仿真research of gear reducer parametric design system based on pro / e abstractas commonly used gearbox transmission, has been an indispensable part in almost all industrial sectors. the most important part - the design of gear will become a research focus, therefore, how to quickly meet the needs of the design of a variety of different producers gear has become a key priority. based on pro / engineer software and use its features like parametric design to achieve a process of spur gear, the text in order to spur gear drawing process, for example, described in detail the design steps. and with similar steps to complete helical gears and herringbone gear design parameters. first, the software design process such as ease of use to shorten the design cycle, the second is to save human and material resources, when the system cant generate real test cases in advance of the availability of parts, improve the overall quality of design and reduce design costs.this design uses a parametric design of gear and other components of virtual assembly ，interference checking, and generate simulation animation, to achieve main part of single-level design of cylindrical parameterization.keywords: pro / engineer; parametric design; gear; virtual assembly; body simulation目 录摘 要（i）英文摘要（ii）1 绪论（5）1.1概述（5）1.2研究的背景、意义及国内外研究情况（5）1.2.1研究的背景、意义（5）1.2.2国内外研究状况（6）1.3研究的主要内容及方案（7）1.3.1研究的主要内容（7）1.3.2研究的方案及方法（8）1.4 本章小结（8）2 总体方案设计（9）2.1 概述（9）2.2 系统可行性分析（9）2.3 系统开发关键技术及应用（10）2.3.1 参数化设计技术（10）2.3.2 虚拟装配技术（11）2.3.3 机构仿真技术（11）2.4 本章小结（11）3 齿轮的参数化建模（12）3.1 概述（12）3.2 齿轮的参数化建模（12）3.2.1 特征参数的选择（12）3.2.2 齿廓曲线（13）3.2.3 设计步骤（14）3.2.4 最大齿数及最小齿数的讨论（16）3.2.5 再生功能（17）3.3 斜齿圆柱、人字形的参数化设计（18）3.4 本章小结（19）4 虚拟装配及动画仿真（20）4.1 概述（20）4.2 虚拟装配设计（20）4.2.2 干涉检查（22）4.2.3 装配动画生成（23）4.3 机构仿真设计（24）4.4本章小结（24）5 总结与展望（25）5.1 总结（25）5.2 展望（25）参考文献（26）致 谢（28）毕业设计（论文）知识产权声明（29）毕业设计（论文）独创性声明（30）iv1绪论1 绪论1.1概述随着cad/cam技术的飞速发展，其应用领域在日益广泛，已使工程设计业和制造业发生了深刻的变化，这一点在产品的结构设计方面表现的尤为显著。三维造型技术、参数设计技术和虚拟现实技术等新概念、新办法已渗透到传统的结构设计中，并发挥出前所未有的作用，推动工程设计技术的发展。1参数化设计模型是以约束来表达产品模型的形状特征,以一组参数来控制设计结果,从而能通过变换一组参数值方便地创建一系列形状相似的零件。21.2研究的背景、意义及国内外研究情况1.2.1研究的背景、意义减速箱是传动机械中最重要的基础零件,广泛用于工业生产的各作业点。国内减速箱的设计、生产早已制订标准,形成系列,并且还在不断丰富完善。3现阶段国内减速箱的参数化程度还不够，不少小企业还没有参数化的设计能力，在市场的激烈竞争中难以适应。在进行机械设计时，都希望得到一个最优方案，这个方案既能满足强度、刚度、稳定性及工艺性等方面的要求，又使机械重量最轻，成本最低和传动性能最好。然而由于传统的常规设计方案是凭借设计人员的经验直观判断，靠人工进行有限次计算做出的，往往很难得到最优结果。应用参数化设计，使优化设计成为可能。圆柱齿轮减速箱是一种使用非常广泛的机械传动装置，它具有结构紧凑、传动平稳和在变位系数不变的情况下可凑配中心距等优点。我国目前生产的减速箱还存在着体积大，重量重，承载能力低、成本高和使用寿命短等问题，对减速箱进行参数化设计，选择最佳参数，是提高承载能力、减轻重量和降低成本等完善各项指标的一种重要途径。cad/cam技术的迅速发展使得它无论在机械、电子、航空、建筑等领域都获得了成功的应用。这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。企业成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短产品的上市周期。因此产品的设计要有充分的柔性，并且设计过程模型要能准确地反应设计的实际活动，同时又能够迅速的重构，使产品的设计信息能够重用。几乎所有产品的设计都是改进型产品设计，而且大约70%的原来产品的设计信息在新产品的设计时被重新利用，参数化设计技术就在这样的背景下应运而生。设计师- 1 -西安工业大学毕业设计（论文）可以根据自己的意图很方便的勾出设计草图，系统同时自动建立设计对象内部各种元素之间的约束关系，以便设计者更新草图尺寸时，系统通过推理机能自动更新校正草图的几何形状并获得几何特征点的正确位置分布。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段,使用户可以利用以前的模型方便地重建模型,并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型,生成系列产品,从而提高了生产效率。参数化概念的引入代表了设计思想上的一次变革,即从避免改动设计到鼓励使用参数化修改设计,特别是产品参数化设计的引入,使得设计人员不需考虑细节就能保证零件之间的相互关联性和依赖性,为产品的设计和制造的整个生命周期提供了支持。4参数化设计为一些制造工序繁琐的零件设计提供了一种捷径，具有广阔的应用前景。多年来，众多学者为参数化技术的发展做了不懈的努力，并取得了丰富的成果1.2.2国内外研究状况cad技术起步于50年代后期的美国。60年代出现极为简单的线框式三维cad系统。80年代中期，美国cv公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。进入90年代，参数化技术变得成熟起来5。参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。这是由于产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程。参数化研究工作最早可追溯到60年代早期，sutherland在他开发的sketehpad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light、gossard进一步发展了这一思想，并使其实用化。在应用此方法（数值迭代法）的过程中，人们也发现了该方法的诸多弊端如迭代收敛性问题等等。由此人们又提出了符号法用以克服这些问题，但符号法的计算量很大，在实用中受到了很大的限制。另外，人们也提出了一种应用人工智能思想的方法集合推理法（或称规则法）。这种方法把约束集及所约束的集合元素用图论的方法表示出来，然后对约束图进行几何推理以确定各几何元素的参数值。这种方法由于简洁，计算量小，因而在实际应用系统中得到了广泛的应用国内cad技术发展较晚，80年代才逐步得到了开展。我国逐步认识到开展cad应用工程的必要性和可靠性，并在全国各个行业大力推广cad技术，同时展开cad技术的开发和研制工作，但是就目前来讲，大部分企业还没有真正意义上的综合性能物理仿真试验环境，计算机辅助设计的应用大都体现在参数化造型阶段，对性能评价和仿真研究不够。另一方面，企业对几何仿真系统的理论和整体性研究很少，使造型功能和物理模型的处理脱节，很难产生较实用的仿真系统。因此，合理、高效地利用、开发减速箱虚拟装配技术这一先进理念及相关技术，使之更好的辅助设计，对国内企业的发展有着巨大的意义6。把虚拟装配技术应用在减速箱和齿轮的设计中，具有提高设计质量，缩短设计周期，节省设计时间，降低设计成本，减轻减速箱的重量，减小减速箱的体积等作用。如今虚拟设计制造在一些较发达国家，如美国、德国、日本等己得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里，针对各种产品，虚拟设计制造都为用户节省了开支，节约了时间并提供了满意的设计方案。美国波音飞机公司波音777飞机，是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟设计制造。这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火星探测器“探路号”和caterpiller公司大型设备虚拟仿真是虚拟设计制造应用的另外两个典型例子7。国外对虚拟装配技术的研究起步较早，在理论上的研究涉及面广，且已经有较为广泛的应用。美国华盛顿州立大学的jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”（vade）的虚拟装配设计系统，利用这个系统设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题，从而避免了装配设计方面的缺陷。在这个系统中，设计人员首先将在cad系统建立的零件模型导入虚拟装配系统，然后再虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配，有关产品的可装配性得到检验，同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。dewar等提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法，该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟不见得装配动作，还能辅助操作人员自动进行装配，并且询问操作人员装配时的装配方法，同时生成装配规划。国内虚拟设计制造的应用研究刚刚开始，一些大学和科研院所正在进行这一方面的工作，主要是对虚拟装配概念和结构的研究，对虚拟装配要求的相关技术如数据库技术、网络技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。如将虚拟设计制造应用于航空发动机、武装装备、机械系统等方面的研究。但整体上与国外相比还有很大差距8。清华大学国家cims工程技术研究中心基于cad软件平台pro/enginneer开发实现了虚拟装配直齿系统vass（virtual assembly support system）,利用该系统可在铲平设计阶段进行基于三位实体模型的试拆卸方针，生动直观的分析、验证与改善产品的可装配性，进行产品及其部件的装配工艺规范，生成对实际装配操作具有指导作用的装配工艺文件。91.3研究的主要内容及方案1.3.1研究的主要内容本设计以齿轮的参数化设计为核心基础，深入研究参数化设计，同时研究了基于pro/engineer的单级齿轮减速箱主要部件的虚拟装配和机构运动仿真系统的开发步骤，主要内容有：从齿轮有关的数据中选取几个重要参数作为特征参数，利用pro/engineer进行建模，并且引入特征参数，通过调整参数再生出适合装配需要的齿轮为单级减速箱的其他零部件（底座，轴，轴套，轴承，键等）进行建模，完成整体装配并使用机构仿真生成演示动画。1.3.2研究的方案及方法1.软件的选择:用于机械三维设计的主流软件主要有：ug，soildworks, pro/e等，其中pro/e操作相对简单，工具设置明了，曲面造型能力强，装配和后期修改方便，本设计拟采用pro/e。2.选取齿轮特征参数：本设计选取的特征参数有：齿数z，模数m，压力角，齿顶高系数ha和顶隙系数c，根据实际情况赋值。根据上述特征参数可计算出：基圆，齿根圆，分度圆，齿顶圆等尺寸3.齿轮的参数化建模：参数化造型可以用于结构比较固定的简单零件，可以使用一组参数来控制零件外形特征。4.虚拟装配:完成底座,齿轮,轴和其他附件的装配，并进行干涉检查。5.机构仿真：装配完成后设置齿轮副连接，并且在主动轴上定义伺服电机，利用机构分析产生运动分析结果，是否产生碰撞或干涉，如通过分析，则生成分析结果文件并通过动画组件捕捉动画1.4 本章小结本章主要讲述了设计选题的背景，意义和国内外研究现状，对设计实现的主要方案和方法做了概述。- 28 -2 总体方案设计2 总体方案设计2.1 概述齿轮传动作为人们工业生产过程中最为常见的传动方式，已经成为了一种广泛应用的专门部件，对各种齿轮的需求也是逐步增多，由于使用环境和情况的不同形成了一个个的系列产品，现在国家制定了一系列标准，并由专门工厂大量生产制造。在这样的情况下如果整个系列都需要一一设计的话工作量相当惊人，并且浪费了人力物力，延长了设计周期。本设计以圆柱齿轮减速箱为例，利用pro/e 4.0作为绘图软件，使用其参数化，虚拟装配，机构仿真等功能，进行系统的参数化设计，由于pro/e是实体化参数造型，这一特点在虚拟装配时可以更加直观明了，使整体设计高效、优质，避免了相似零件的重复造型，提高了设计效率和设计质量，具有一定实用性和延伸性。在国内现有的研发条件下，不少小厂商技术力量薄弱，需要先进的技术和软件，pro/e易用，应用全面，本设计可以为他们提供一些设计的理论依据，拓宽一些设计思路。2.2 系统可行性分析pro/engineer软件系统是美国参数化技术公司ptc的优秀产品,提供了集成产品的三维模型设计、加工、分析及绘图等功能的完整的cad/cae/cam解决方案。pro/engineer软件在国内的机械、电子、家电、塑料模具等行业取得了广泛的应用,并且在这些行业里应用的时间也较长。企业在自身发展和使用pro/engineer的过程之中积累了许多有用的宝贵的数据、企业自身的标准以及特殊图形等参数资料,如果能把这些参数资料整理出来,然后再把这些参数资料挂靠在pro/engineer软件系统的主菜单和弹出式菜单上,即编译生成应用程序与pro/engineer软件系统进行无缝连接,这样一来,不但能提高设计人员的设计速度,对市场需求做出快速反应,设计出满足市场需求的产品,及时赢得市场份额,而且还能够提高企业的生产能力和经济效益其次,由于pro/engineer软件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,再加上国外观念、设计标准、规范、及标准件库等方面和国内的设计、使用等方面存在较大的差异,在使用该软件进行具体特定的产品设计时可能会感到困难和不方便,因此,为了使pro/engineer软件能够在特定的企业和特定产品设计中最大限度的发挥起潜力和创造效益,需要对pro/engineer软件进行二次开发,因此, pro/engineer二次开发目的就是把pro/engineer软件进一步充实、完善、改进成为用户实用的三维cad应用软件,也是众多使用西安工业大学毕业设计（论文）pro/engineer企业的一项非常迫切和重要的工作。10渐开线圆柱齿轮设计的理论己经比较成熟，计算公式、设计步骤及判别标准都较为清楚，数据资料充分，经标准化工作，产品设计已经基本实现“系列化、标准化、通用化”11而且，pro/e的所有模块数据都是相关的。这说明在绘制的过程中，对某一数据的修改可以体现到整体的设计当中。这使得工作人员可以相对方便的通过修改某一点达到修改整个模型的效果，现在已经有很多使用者通过已经设置特征参数，修改其赋值再生生成相似的产品，实现了产品的快速开发。2.3 系统开发关键技术及应用2.3.1 参数化设计技术目前，参数化设计已经成为cad中最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计便成为评价cad系统优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代cad中概念设计以及并行设计思想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的约束，最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的整个开发周期，设计参数可能来自于其他系统。除此之外，参数化设计是变量化设计的前提，借助变量化设计思想可实现动态设计、机构设计的运动仿真模拟等。除此之外，参数化设计还能够使设计人员在设计的同时实现参数化建库工具的研究对进一步提高设计和绘图效率以及柔性化设计具有十分重要的意义。12参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确的定位和定形，只需勾画出大致轮廓然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或者只需将零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。参数化设计极大的改善了图形的修改手段，改良了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真，优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值。13参数化设计是现代工业设计的一个重要思想，绘制的整体可以看做一个图元，每个图元由各个构件构成，通过选取和修改各个构件的特征参数，可以在其他的相关联部分反映出来，无需对所有构件逐一修改，从而提高了工作效率和质量。在整个系统中，设计人员根据工程和几何关系，要设置一些特征参数的初值，其分为可变参数和不变参数，同时设置各特征参数之间的相互关系，在每次对可变参数做出修改的时候，也要相应的对参数相关的关系式作出一定的修改，这样一来，参数化设计使模型的生成和修改速度大大提高，在系列产品和相似产品开发过程当中有非常大的应用价值。参数化设计的基本手段有程序驱动与尺寸驱动。程序驱动法是通过分析图形几何模型的特点,确定模型的主参数以及各尺寸间的数学关系,将这种关系输入程序中,进而在零件设计时只要输入几个参数就可生成所要求的模型。尺寸驱动是对程序驱动的扩展,它的基本思想是由应用程序生成所涉及的基图,该图的尺寸有一系列的标识,这些尺寸由用户在编程时输入或交互式输入,从而生成用户的模型。22.3.2 虚拟装配技术虚拟装配是虚拟制造的重要部分，这是一种基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术，主要应用于新产品开发和产品的操作培训方面。可以验证整个装配设计的正确性，可视化实现装配过程，以便及早发现装配中的问题，对模型进行修改。虚拟装配技术是虚拟制造技术的一个关键部分，但同时也是相对于其他部分最薄弱的环节，它的发展相对滞后，应用性不尽如人意，因此，虚拟装配技术也成为了业内研究的主要对象，如果这一环节被解决将让整个虚拟制造系统更加完善，真正的使整个系统变得高效，快速，低成本，高质量的完成生产设计任务。虚拟装配将从根本上改变传统的产品设计和制造模式，在实际生成之前，首先在虚拟制造环境中完成虚拟产品原型代替实际产品进行试验，对其性能和可装配性等进行评价，从而达到整个产品全局最优，缩短产品设计与制造周期，降低产品开发成本，提高产品快速响应市场变化能力。142.3.3 机构仿真技术仿真技术是通过计算机技术来模拟真实世界，借助系统建模技术和可视化技术来实现仿真过程。pro/engineer提供了完善的仿真功能，使用三维实体建模创建模型后，即可模拟模型的运动过程、分析机构的运动轨迹、位移以及干涉的问题。它是以相似原理、信息系统、系统技术及其相关领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合性技术.12利用计算机实现仿真不仅方便灵活，而且也非常经济，所以它在工业设计领域中有着非常重要的地位，可以将整体的可装配性用视觉的直观方式展现在大家眼前，并可将结果输出为多种可播放文件。2.4 本章小结本章对整体系统做了可行性分析，大致介绍了系统中用到的关键技术：参数化设计，虚拟装配和机构仿真技术。3 齿轮的参数化建模3 齿轮的参数化建模3.1 概述使用pro/engineer进行产品设计时，最重要且最复杂的工作就是创建三维实体模型。本章主要讲解了渐开线齿轮中的直齿，斜齿，人字形圆柱齿轮的生成原理，详细说明了其实体造型的参数化设计步骤。3.2 齿轮的参数化建模3.2.1 特征参数的选择利用pro/engineer绘制齿轮时，首先要进行初步设计，即选取基本的特征参数。渐开线齿轮进行设计的时候可先将重要关联量进行参数化，当需要不同的渐开线齿轮齿廓的时候，只要改变这些参数化的量，即可再生，无需重新建模。现以直齿圆柱齿轮的参数化设计为例，做详细讲解。本设计选取的直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数z、模数m、压力角、齿顶高系数ha和顶隙系数c。齿数z：齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分称为轮齿，它的数量即为齿数z，传动过程中的两齿轮传动比i即为齿数比（z1/z2）。模数m：它是决定齿轮尺寸的一个基本参数。齿数相同的齿轮模数大，则其尺寸也大。为了便于制造，检验和互换使用，齿轮的模数值在国内已经标准化了。压力角(程序不允许出现拉丁文，用a代替)：过端面齿廓与分度圆的交点的径向线与过该点的齿廓切线所夹的锐角就是压力角，标准齿轮压力角为20度。齿顶高系数ha和顶隙系数c标准齿轮的齿顶高系数ha和顶隙系数c都是标准值，圆柱齿轮为ha=1，c=0.25。除此以外分度圆直径d,齿顶圆直径da，齿根圆直径df，基圆直径db，也是齿轮的重要特征值，不过由于可以通过前面五个特征参数值推导出，所以对这些值不再做参数化设定，改由关系式确定其值。d=m*zda=d+2m*hadf=d-2m*(ha+c)西安工业大学毕业设计（论文）db=d*cos(a)b=10*m3.2.2 齿廓曲线齿轮的轮廓曲线即为标准的渐开线。齿轮轮廓的渐开线方程是pro/e中精确建模的重中之重。当直线bm沿半径为rb的圆周做纯滚动时，直线上任意点k的轨迹弧线am就是该圆的渐开线，此圆为渐开线的基圆，渐开线上点k的展角为压力角，如图3.1 图3.1 渐开线形成示意图rb=db/2fi=t*90（t为系统变量，从0到1）s=pi*r*t/2x=rb*cos(fi)+s*sin(fi)y=rb*sin(fi)-s*cos(fi)z=0rb为基圆半径，fi为渐开线展开角，s为渐开线长度。渐开线有以下的特性：（1）发生线沿着基圆滚过的长度，等于基圆上被滚过的弧长。（2）渐开线上各点的压力角不等，渐开线在基圆上的压力角为零，离基圆越远，压力角越大。（3）渐开线上任一点的法线必与基圆相切。（4）基圆内无渐开线。（5）渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆越大，渐开线越平直；当基圆半径趋于无穷大时，渐开线将成为一条直线。3.2.3 设计步骤1.设置齿轮参数（1）启动pro/e野火版4.0后，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”，在“子类型”中选择“实体”,将“使用缺省模板”前面的勾取消掉，点“确定”，在新弹出的对话框中“模板”选项中选择“mmns_solid_pa rt”（公制模板）再单击“确定”。（2）点击主菜单“工具/程序”，在子菜单中选择“编辑设计”，在弹出的文本文件中将齿轮的各参数及关系式按下添加：图3.2 添加参数文本文件设置输入完成后保存关闭对话框，在信息栏出现的询问“要将所作的修改体现到模型中？”选“是”，子菜单中选择“当前值”，然后点击“完成/返回”。2.绘制齿轮基本圆（1）点击右侧“草绘”图标或选择主菜单“插入/模型基准/草绘”选择front平面作为草绘平面，其他设置使用系统默认设置，单击“草绘”按钮，进入二维草绘界面。（2）绘制任意大小的4个同心圆，点击右侧的“确定并退出草绘模式”，然后在主菜单中选择“工具/关系”，在弹出的“关系”对话框中输入基本圆关系式：图3.3 齿轮关系式上式中：d0,d1,d2和d3为pro/engineer中草绘的四个圆的直径尺寸符号，系统会根据上述的关系式，自动计算各圆尺寸，然后选择主菜单中的“编辑/再生”，完成齿轮基本圆尺寸的设置。3. 创建齿廓曲线（1）点击界面右侧“插入基准曲线”图标或单击主菜单“插入/模型基准/曲线”，然后在子菜单中选择“从方程/完成”，选中基准坐标系，在子菜单中选择“笛卡儿”，在打开的记事本中输入渐开线方程式如下图：图3.4 渐开线方程保存并关闭文件。（2）点击界面右侧“插入基准轴”图标或选择主菜单“插入/模型基准/轴”， 按住ctrl同时选中top和right平面，点击确定，生成基准轴线“a_1”， 点击界面右侧“插入基准点”图标或选择主菜单“插入/模型基准/点” 按住ctrl同时选中分度圆和渐开线，生成基准点“pnt0”， 点击界面右侧“插入基准面”图标或选择主菜单“插入/模型基准/面”， 按住ctrl同时选中a_1和pnt0，生成基准面“dtm1”。选择dtm1,按ctrl+c复制，点击，主菜单上的选择性粘贴，在“对副本应用移动/旋转变换”前面打钩，选取“旋转特征”并选择a_1轴为参考，点击“应用并退出”，在主菜单“工具/关系”中添加刚刚复制特征的旋转角度为90/z。点击主菜单“编辑/再生”。形成dtm2。点击右侧“镜像”按钮，以dtm2为基准，镜像渐开线。（3）点击右侧“草绘”图标，选择front平面作为草绘平面，其他为系统默认设置，进入草绘模式，单击主菜单中“草绘/边/使用”，选中两条渐开线、齿顶圆及齿根圆（被选中的曲线成黄色），形成齿形，将多余的部分删除，点击右侧“确定并退出”。4. 创建轮齿（1）选择齿廓曲线并点击界面右侧“拉伸” 图标或选择主菜单“插入/拉伸”，在选项中选择方式为“两端拉伸”，输入拉伸深度为“”。（2）单击“拉伸工具”，以front为草绘平面，right为参考平面，方向为默认方向。点击右侧“草绘/边/使用”，选择齿根圆，点右侧的“确定并退出”输入拉伸深度为“”，创建齿根圆实体模型。（3）右键单击模型树中新生成的拉伸，点击“组”，产生一个新组，然后点击“圆角”工具，选择齿根圆与轮齿交界的轴，点“应用并退出”，另一侧也做同样操作，在主菜单选择“工具/关系”，输入如下关系式，确定两圆角弧度：图3.5 添加相切圆弧控制语句图（4）单击生成的轮齿，点击界面右侧“阵列”图标或选择主菜单“编辑/阵列”,在选项中选择“轴”，点击a_1，输入阵列数量为54，角度为。点击“勾”，生成下图所示阵列轮齿：5. 创建齿轮其它结构（1）单击“拉伸工具”，选定“切割”选项，以front为草绘平面，right为参考平面，方向为默认方向。草绘中心孔形状，尺寸根据设计所给出的轴和键设定，在子菜单选项中勾选“两侧穿透”，输入切割深度为“”。（2）单击左侧“显示/层树/新建层”，选择需要隐藏的各平面、曲线、基准点、基准轴等，隐藏并保存状态，这样，一个完整的齿轮参数化设计过程就完成了。最终生成的齿轮如下图所示：图3.6 轮齿生成图 图3.7 直齿圆柱齿轮最终形态3.2.4 最大齿数及最小齿数的讨论在原来的设计方法中，如果首先创建的是齿数小于41的齿轮，在修改齿数大于41后发生再生失败，原因是当大于一定数值后齿根圆将大于基圆，即df=d-2m*(ha-c)db=d*cos(a)。可以看出齿根圆直径和基圆直径的大小，只和齿数有关。于是作者得到z2*(ha+c)/1-cos(a)41，临界齿数即最大齿数为41。当z41时，齿廓有一段不是渐开线了。这样在建立齿轮的模型的时候，势必要建立两个模型，一种是齿数不大于41的情况，另一种齿数大于41的情况？其实没有必要，只需建立齿数大于41的模型就可以了，通常将设置大一点，比如60。上文中d24和d25是齿廓圆角的控制参数，齿数过大，则齿轮尺寸也大，不但费材料，而且传动时容易导致小齿轮齿裂。当要获得更大传动比时可采取轮系。展成法生成齿轮时，如果齿轮齿数小于17将发生根切现象，这是由于当刀具的齿顶线或齿顶圆与啮合线的交点超过被切齿轮的根极限啮合点时，刀具的齿顶将把被切齿轮齿跟的渐开线齿廓切去一部分。如果要得到更少齿数，可采取变位齿轮。即增加一个参数，变位系数x，此时齿顶圆和齿根圆关系式为：da=d+2*m*(ha+x)df=d-2*m*(ha+c-x)取x0即正变位3.2.5 再生功能 齿轮参数化设计的一个优点就是可以再生，即只需画一个母体齿轮，对齿轮上各种特征加以约束形式,各个特征的几何形状与尺寸大小用变量来表示,如果定义某个特征的变量发生了改变,则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变。利用再生模型指令，通过勾选需要改变的参数，可实现齿轮的再生。在主菜单中选择“编辑/再生”，选择需要更改的参数（如图3.8），输入参数新值完毕后，系统自动按新的参数值驱动模型再生，生成相应的齿轮模型 图3.8 参数更改子菜单在pro/engineer中，可以说所有的再生失败都是因为参考的缺失或错误导致的。因此如何使用适当的参考就是解决和避免再生失败的关键。（1）根据设计意图选择参考（2）选择不会消失的图元作为参考（3）尽可能少的选择参考（4）重要参考用基准来代替（5）使用公共参考建立相互间隙或干涉关系3.3 斜齿圆柱、人字形的参数化设计斜齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮端面齿廓曲线为精确的渐开线。其几何尺寸计算按端面参数进行，但切齿刀具的选择及轮齿的切制却以法面为准， 法面参数取标准值。法面齿形比较复杂，不易精确计算，可采取当量齿轮的形式，就某一法面轮齿而言，其法面分度圆、 齿顶圆、 齿根圆的圆心就是当量齿轮的圆心，其工作齿廓就是斜齿轮端面齿廓的投影。斜齿圆柱齿轮的参数化设计需在直齿圆柱齿轮的基础上再增加一个参数：螺旋角。其大体步骤和直齿圆柱齿轮步骤一样，现将不同之处叙述如下：按照直齿圆柱齿轮的设计方法第4步绘制好齿廓形状曲线后，选择主菜单“编辑/特种操作”，将齿廓曲线旋转复制一个，旋转角度=720*b*sin()/m/z。选择主菜单“插入/混合/伸出项”，进入草绘模式，选择齿轮的一个端面作为创建平面，单击主菜单“草绘/边/使用”，在弹出的子菜单中选择“环”，单击齿廓曲线的任意一条边，此时整个齿廓曲线变黄；单击主菜单“草绘/特征工具/切换剖面”，单击主菜单“草绘/边/使用”，在弹出的子菜单中选择“环”，单击齿廓曲线的任意一条边，点击“勾”确定，输入拉伸宽度为“”，生成一个轮齿，其余步骤均和直齿圆柱齿轮一样，不再赘述。最终生成结果如下图所示：图3.9 斜齿圆柱齿轮最终成品人字形齿轮 人字形齿轮的设计步骤和斜齿圆柱齿轮大同小异，旋转角度=360*b*sin()/m/z，拉伸宽度为“b/2”，以front平面为基础镜像轮齿，生成一个人字形轮齿。如图3.10：图3.10 人字形齿轮最终形态3.4 本章小结本章重点介绍了pro/e进行渐开线齿轮的绘制。在实际工作中，设计人员可以用上述方法建立零件库，自动生成基本参数相同的系列零件，节约了设计时间。该建模方法解决了以往的建模的局限性，可以输入参数完成零件设计，具有较大的灵活性和实用性。在此过程中，可以根据设计意图选择是否创建某一特征。程序会自动判断某些条件是否成立，自动决定是否创建特征，极大的减少了设计工作量，提高了效率，也给各种复杂零件的自动化设计提供一定的参考依据。4 虚拟装配及动画仿真4 虚拟装配及动画仿真4.1 概述在工业产品的开发过程中，有关产品的结构、功能、操作性能、生产工艺、装配性能甚至维护性能等等许许多多的问题都需要在开发过程的前期得到解决。通常，人们是借助理论分析、cad系统和各种比例的实物模型，以及参考先前产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种问题。但是，由于有关装配操作和维修的问题往往只会在产品开发的后期或在最终产品试车过程中，甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，尤其是有关维修的问题往往只会在产品已经售出很长时间以后才能被发现。为了解决这些问题，有时产品就不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更，这样的产品开发过程不仅效率低，耗时长，而且费用又高14虚拟装配设计技术为上述问题提供了解决的方案和方法，在设计的最初阶段也可以把东西放进整体虚拟环境进行试验，或者直接在虚拟环境下创建模型，这样不仅使产品模型更符合实际，而且可以尽早的发现问题，避免产品缺陷。4.2 虚拟装配设计装配体模型的建立遵循自顶向下的设计原则。本文以一个箱体式单级圆柱齿轮减速箱为例，设计分三个阶段进行。（1）总体设计阶段。根据减速箱总体设计要求以及基本的总体设计参数，建立齿轮和轴以及轴承的主模型空间，并进行初步的总体布局。在此阶段，主要包括以下基本步骤：根据已有图样建立粗糙模型；布置部分初始模型；对系统构件进行初步布置、建立初始模型。（2）装配设计阶段。这是减速箱模型具体建立阶段。本阶段主要包括以下基本步骤：建立各部件的实体模型；定义具体结构装配的分解线路（建立装配层次、装配区域）；建立模型间的具体装配约束（constraints）关系；从共享数据库中提取相应的结构模型；进行计算机装配以及进行检查。（3）详细设计阶段。本阶段完成减速箱所有零件的设计工作，保证箱体内所有零件运动自由15 4.2.1 虚拟装配过程直齿、斜齿及人字形齿轮的装配过程大体一样，现以直齿圆柱齿轮为例，其装配步骤如下：(1) 首先装配大齿轮，新建一个装配文件，首先导入轴，设置位置为缺省，点确定。依次导入键（使其三面匹配键槽），齿轮（中心轴与轮轴对齐，并西安工业大学毕业设计（论文）插入对应位置固定），轴套（轴对齐轮轴，并贴合齿轮），轴承（轴对齐轮轴，内侧面贴合轴套），按下图装配成型。图4.1 大齿轮装配(2)接着装配小齿轮，同样新建装配文件，由于要实现的齿轮比要求，出于强度和易用性综合考虑小齿轮和轴画成了一个整体，导入小齿轮并设置位置为“缺省”，再依次导入轴套和轴承，并如下图装配成型图4.2 小齿轮装配(3)在绘制减速箱底座时，已经按照设计选择参数设置了两轴的轴心距，所以在整体装配的时候无需再另建两个轴。新建一个装配文件，导入底座，设置位置为“缺省”，导入小齿轮，设置为“销钉”连接，并与底座上原先绘制的轴设置为对齐，面对齐设置为小齿轮的中截面与底座上齿槽的中截面对齐。(4)导入大齿轮装配，设置为“销钉”连接，并使其轴与之前绘制的大齿轮轴对齐，面对齐同样设置为中截面与底座齿槽中截面对齐。最后效果如下图。图4.3 直齿装配最终效果此处考虑到在实际运行过程中大齿轮由于是用键固定，可能会发生轴向滑动，所以将大齿轮的齿宽设置的比小齿轮小一些，可以一定程度上的稳定其运行过程，减少齿轮失效的几率。下图为斜齿圆柱齿轮最终装配图图4.4 斜齿装配最终效果4.2.2 干涉检查干涉是指装配过程中两个或两个以上装配件之间发生重叠的现象。干涉检查的目的是判断模型零件之间有无干涉，干涉计算的精度由零件精度决定。可以利用pro/engineer中的“分析模型分析”，在弹出的“模型分析”菜单中的“类型”选项卡中选择“全局干涉”选项，在“结果”选项卡中单击“计算”便可自动分析是否发生干涉，当发生干涉时会在中间空白地方显示，这样在零部件的设