（机械设计及理论专业论文）基于cadcam的双圆弧弧齿锥齿轮传动的参数化建模与设计.pdf

天津工业大学硕士学位论文 摘要 作为一种新型齿轮传动方式，双圆弧弧齿锥齿轮传动具有承载能力高、使用 寿命长、加工简单等优点，所以对它的研究已日益受到人们的重视。 本文首先基于格利森弧齿锥齿轮加工原理及切齿啮合过程中的啮合方程、产 形轮齿面方程以及双圆弧弧齿锥齿轮的齿面方程，选用g b 厂r 1 2 7 5 9 1 9 9 1 型双圆 弧齿轮的基本齿廓为基准齿形，使用p r o p r o g r a m 进行双圆弧弧齿锥齿轮的三维 参数化实体建模研究，建立了通过提示性语句逐步输入参数的手段得到双圆弧弧 齿锥齿轮三维实体模型的方法。 其次，进一步运用p r o t o o l k i t 与v c + + 6 0 编程环境，开发出参数化的双圆 弧弧齿锥齿轮实体建模系统。该系统具有直观、友好的人机互动界面，使用时只 需要输入基本的齿轮参数就可以生成相应的三维模型。该系统给双圆弧弧齿锥齿 轮的三维建模工作带来了极大的便利，减少了齿轮传动设计中繁琐且重复性的工 作。 最后，在进一步研究p r o e 软件和l o m 快速原型机系统之间数据接口的基 础上，将p r o ，e 软件中创建的双圆弧弧齿锥齿轮实体模型转换成快速原型机识别 的s t l 格式，导入快速原型机系统，可进行双圆弧弧齿锥齿轮的快速原型制造。 关键词：双圆弧弧齿锥齿轮传动三维参数化实体建模二次开发 快速原型制造 天律工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fg e a r i n g , t h ed o u b l ec i r c u l a ra r cs p i r a lb e v e lg e a r n gh a s a d v a n t a g eo fh i g hl o a de a p a 6 t y ，l o n g e rs e i v i e ol i f e a n dm a n u f a c t u r e de a s i l ye t c t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r e ：a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oi t sa p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hi n r e c e n ty e a r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , b a s e do nt h et h e o r yo fc u t t i n gt o o t ha b o u tt h eg l e a s o n s p i r a lb e v e lg e a r s ，t h ee q u a t i o no f m e s h i n gi nt h ep r o c e s so f c u t t i n gt o o t h , t h es u r f a c e e q u a t i o no fg e n e r a t i n gg e a ra sw e l la st h eg e n e r a lt o o t hs u r f a c ee q u a t i o no ft h ed o u b l e c i r c u l a ra r cs p i r a lb e v e lg e a r , u s i n gg b f 1 2 7 5 9 - 1 9 9 1t y p eo fd o u b l ec i r c u l a ra r cg e a r 硒ab a s i cg e a rp r o f i l e ，ar e s e a r c ha b o u tt h r e e - d i m e n s i o np a r a m e t e rs o l i dm o d e l i n go f t h ed o u b l ec i r c u l a ra r cs p i r a lb e v e lg e a rh a sb e e nd o n eb yu s e do fp r o p r o g r a m s o f t w a r e ，a n dam e t h o da b o u tt h r e e d i m e n s i o ns o l i dm o d e lb u i l d i n go ft h eg e a r i n g w a ss e tu p b ym e a n so f i n t e r a c t i v ei n p u t t i n gp a r a m e t e r t h e n a ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lb u i l d i n gs y s t e ma b o u td o u s ec i r c u l a r 盯cs p i r a l b e v e lg e a rw a se x p i o i t u r e db yu s i n go ft h ep r o t o o l k i ta n dv c + + 6 0p r o g r a m m e d e n v i r o n m e n t ，t h es y s t e mc a nb u i l d c o r r e s p o n d i n gt h r e e d i m e n s i o n m o d e lb y i n p u t t i n gb a s i cg e a rp a r a m e t e r ，w h i c hc a l lr e d u c eal a r g ea m o u n to fm i s c e l l a n e o u s w o r k si nt h eg e a r i n gd e s i g n 。 h n a l l y , t h r o u g ht h ef u r t h e rr e s e a r c ha b o u td a t ai n t e r f a c eb e t w e e np r o es o f t w a r e a n dl o mr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) s y s t e m ，t h es o l i dm o d e lo fd o u b l ec i r c u l a ra r cs p i r a l b e v e lg e a r i n ge s t a b l i s h e da b o v ep r o es o f t w a r ew a st r a n s f o r m e d m t 0r pm a c h i n e d i s c r i m i n a t i n gs t lf o r m a t , a n dt h ef i l ew a si m p o r t e di n t or pm a c h i n es y s t e m ，w h i c h c a nb r i n go u tt h ep r o c e s s i n go ft h ed o u b l ec i r c u l a ra r cs p i r a lb e v e lg e a rb yu s e do f r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：d o u b l ec i r c u l a ra r cs p i r a tb e v e lg e a r i n g ；t h r e e - d i m e n s i o np a r a m e t e r s o l i dm o d e lb u i l d i n g ；s e c o n d a r ye x p l o i t a t i o n ；r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g 天津工业火学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名诼磅、 签字日期：a 司年月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞望王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者签名琢狲 签字日期：茹刁年f 月j 同 签字日期：矽年f 月j 同 j ， 导师签名：贲豸竹 签字日期：一千年月【广日 天津工业大学硕士学位论文 学位论文的主要创新点 一、基于微分几何与齿轮啮合理论和等高齿弧齿锥齿轮简单双面法的 切削方法，应用p r o e 软件及其二次开发工具p r o t o o l k i t ，建立了双 圆弧弧齿锥齿轮的三维实体模型，并进行了双圆弧弧齿锥齿轮参数化 设计系统的研究。 二、基于快速原型制造技术一分层实体制造( l o g o 技术，将双圆弧弧 齿锥齿轮p r o e 三维实体模型导入l o m 快速原型机，实现了双圆弧 弧齿锥齿轮的快速原型制造。 第一章绪论 第一章绪论 1 1c a d 技术和参数化技术的研究现状 1 1 1c a d 技术的发展现状 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 是指工程技术人员以计 算机为工具进行设计活动的全过程。包括资料检索、方案构思、分析计算、工程 绘图和编制技术文件等，是随着计算机、外围设备及软件的发展而形成的一门综 合性很高的新技术l 。c a d 技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程， 涉及许多学科领域，如计算机科学和工程、计算数学，几何造型、计算机图形显 示、数据结构和数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术以及与产品 设计和制造有关的专业知识等。 c a d 概念是5 0 年代末由麻省理工学院首次明确提出的，并于6 0 年代研制 成功试验c a d 系统。7 0 年代，c a d 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。8 0 年代，由于解决了三维几何造型、仿真等问 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c a d 系统和性能优良的工作站c a d 系统。9 0 年代后随着c a d 技术的发展，其系统 性能提高、价格降低，c a d 开始在设计领域全面普及，成为必不可少的设计工 具1 2 l 。c a d 之所以在短短的3 0 年内发展如此迅速，是因为它是人类在2 0 世纪 取得的重大科技成就之一，它几乎推动了一切领域的设计革命，彻底改变了传统 的手工设计绘图方式，极大的提高了产品开发的速度和精度，使得科技人员的智 慧和能力得到了延伸。应用c a d 技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修 工作快速而高效地进行，所带来的经济效益是十分明显的。c a d 技术的发展与 应用水平己成为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志。 我国c a d 技术的研究和开发工作起步相对较晚，自8 0 年代开始，c a d 技 术应用工作才逐步得到了开展。国家逐步认识到开展c a d 应用工程的必要性和 可靠性，并在全国各个行业大力推广c a d 技术，同时展开c a d 技术的开发和 研制工作。毋庸霞疑，当前我国在c a d 技术方面与欧美主要国家的差距还很大， 大多数的核心c a d 技术仍掌握在西方发达国家手中。主要原因是c a d 技术是 于2 0 世纪6 0 年代首先出现在西方工业发达国家，从出现起就倍受重视，相继投 入巨资进行基础理论研究和软件开发。而我国是在7 0 年代中期才开始c a d 技 术的研究，由于资金投入不足及软件商业化程度低，导致c a d 基础理论相对落 第一章绪论 后。在参数化技术方面我国仍处在不断完善二维图形参数化技术阶段，而欧美已 出现较为成熟的三维参数化c a d 软件系统，如p r o e 、u g 、c a t i a 等，这些高 档的c a d 软件利用其强大的技术优势基本占领了国际市场，并占领了一部分国 内市场。国内有自主版权的c a d 软件如高华c a d 、电子图板c a x a 、开目c a d 等软件，技术含量相对较低，它们主要面向国内市场，提供操作简便的二维工程 图设计平台，在设计的参数化及软件的可靠性方面都需要进一步提高。值得注意 的是，经过多年的投入和推广，我国c a d 技术己经广泛应用在机械、电子、航 空、建筑等行业，应用c a d 技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、 减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计标准化的作用i “。现在由于 计算机功能不断增强，很多设计已经转移到计算机上完成，而在计算机平台上开 发c a d c a m 软件是一个全新的领域，我国与国外起点差不多，只要认清自己 的优势，如我们更了解国内市场，提供技术支持方便，软件价格便宜等，并跟踪 国际先进c a d 技术，遵循各种国际规范。立足国内，就可开发出有自己特色、 符合中国人习惯的c a d 软件。 c a d 技术在机械工业中的主要应用有以下几方面： ( 1 ) 二维绘图：这是最普遍最广泛的一种应用，用来代替传统的手工绘图。 ( 2 ) 图形及符号库：将复杂图形分解成许多简单图形及符号，先存入库中， 需要时调出，经编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加方便。 ( 3 ) 参数化设计：标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改 变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数就能 生成一个新的图形。 ( 4 ) 三维造型：采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示 物体的真实形状，还可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉等。 ( 5 ) 工程分析：常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。 此外针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析问题，如注塑模设计中要进 行塑流分析、冷却分析、变形分析等。 ( 6 ) 设计文档或生成报表：许多技术属性需要制成文档说明或输出报表，有 些设计参数需要用直方图、饼图或曲线图等来表示。 1 1 2 参数化技术的研究现状 自从p t c 公司于1 9 8 5 年推出参数化c a d 系统p r o e 以来，参数化设计技 术才真正得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c a d 系统或在原有系统上增加参数化功能，展开激烈的竞争。目前，我 国c a d 市场上有两大类参数化c a d 系统：国外开发的大型全参数化c a d 系统； 2 第一章绪论 国内的二维参数化c a d 系统i ”。 1 1 2 1 国外开发的具备参数化功能的c a d 系统 ( 1 ) p r o e 是美国参数技术公司的机械设计自动化软件产品。它是第一个具 有参数化功能的c a d 系统。它通过记录设计历史来捕捉设计意图，设计历史的 操作顺序可以修改，同时引入全局设计参数来实现整体的设计修改。 p r o e 具有在系统中作动态修改的能力，是一个以功能为主的参数化实体造 型系统，它提供双向数据关联，设计的修改能自动更新到出图、分析、制造以及 其它c a d c a m 领域，并具有强大的装配功能。但其中的几何体都必须是完全 约束，进行设计要求预先考虑好整个产品的控制参数以及操作顺序，对一个没参 加创建的设计者来说，不太容易搞清如何对该项设计进行修改1 4 1 。 ( 2 ) c a d s sc v 公司的c a d s s 通过一个草图生成工具d e s i g nv i e w 来实现 参数化绘图d e s i g nv i e w 提供了广泛的基于约束的造型功能，包括支持零件之 间的约束、曲面参数约束、代数约束的逻辑分支以及欠约束模型。采用变量几何 技术，约束的顺序不会影响到它的求解结果。界面友好，采用一个灵巧光标动态 捕捉图中约束能够很方便地显示、增加和删除约束用户可直观的控制图形当 前状态。工程约束与几何约束融合起来联立求解，是一个优秀的参数化绘图工具。 ( 3 ) d p d ( d e s i g np o s td r a f t i n g ) 是美国c v 公司采用p y l o r u s 平台技术开发的 最新产品，运行于w i n d o w s 环境中，具有强大的参数化设计及绘图功能。其参 数化功能的主要特点是：参数化设计与绘图功能：设计变量的方程式管理； 同时支持参数化与非参数化的混合建模能力；较强的草图设计能力阁。 ( 4 ) s i g r a p h d e s i g 是德国s i m e n sn i x d o r i f 公司的一个智能2 d c a d 系统。它与其它的c a d 系统的主要区别在于数据结构。它不仅可以定义和处理 数据元素，而且可以定义和处理数据元素之间的关系，支持从最初的概念设计到 详细工程图绘制的全过程，真正实现变量设计。 1 1 2 2 国内开发的具备参数化功能的c a d 系统 ( 1 ) g h i n t e c a d 是高华计算机公司的集成智能化微机机械c a d 系统，基本 上代表了目前国内微机版具有自主版权的c a d 系统的最高水平。其参数化功能 主要体现在自动参数化设计和参数化图素拼装上。它采用基于人工智能的几何推 理参数化设计方法。系统具有草图规整功能，并可识别多视图联动，对于标准件、 常用件可通过参数化图库中的图素进行拼装1 8 j 。 ( 2 ) p i c a d - 2 d 是中科院北京软件工程研制中心开发的微机参数化集成工程 设计系统。其参数化功能的主要特点是提供了交互式参量图符设计功能，能进行 固定图符和可变图符的嵌套。 3 第一章绪论 ( 3 ) 开目c a d 是华中理工大学开发的。它采用局部求解的参数化设计方法 实现参数化设计，在用户绘图过程中自动记录约束关系，可以通过约束管理器显 示、增加和删除约束，支持达2 0 余种约束。其驱动过程明了，速度快，能驱动 较为复杂的图形，同时可以方便地指示出过约束、欠约束情形，给用户明确的指 示，且在此情况下仍能正确驱动。另外还有西湖电子信息工程公司的z d d s ，浙 江大学的基于结构化变分几何的h v c a d 变参设计系统等。这些国内的参数化 c a d 系统硬件要求低，适合我国国情，但其参数化功能尚有不足，主要表现在： 参数化速度慢、效率低，复杂图形难以有效处理；参数化系统的柔性和灵活 性有待提高：无法利用现有的非参数化系统的图形：无参数化建库和参数化 图形管理功能。 1 2p r o e 二次开发的现状 由于p m e 在。吲c a m 领域的优秀表现，它在各个大中型企业中使用率越 来越高。但是这同时也带来了另外一个问题，那就是怎样对通用软件进行本地化 的问题。因为通用的c a d 软件在设计的时候不可能考虑到每个企业的特殊情况， 要想充分发挥c a d 软件的功能，为企业怠u 造更大的效益，企业必须根据自身的 特点，对软件进行本地化的工作，即二次开发，这也是所有c a d 软件都留有开 发接口的原因。p r o e 的开发从实现方法上大致可以分为两类：一类主要是对 p r o e 中使用的标准( 如：公差符号、尺寸标注样式等) 进行符合企业标准的改造。 这类开发只需要根据p r o ，e 的开发工具p r o t o o l k i t 文档进行相应配置的设置就可 以了；另一类是需要开发出入性化的界面以方便用户的使用，以及进行数据库的 连接。这一类一般是在比较大型的系统中出现，因为操作复杂且必须要有友好地 界面。由于p r o t o o l k i t 开发界面的功能很弱，而且根本没有连接数据库的功能， 所以必须借助于其它的开发工具来实现。而这就涉及了开发工具和p r o t o o l k i t 的兼容性问题。这个问题长期以来一直困扰着开发人员，没有得到很好的解决。 这也是使得人们认为p r o e 难于开发的原因之- - 1 1 1 , 1 3 l 。 1 3 快速原型的发展历史 快速原型( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 制造技术2 0 世纪8 0 年代起源于日本，很快 发展到美国和西欧，是近2 0 年来制造技术领域的一次重大突破。快速原型技术 是c a d 、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成，它可以自动、 快速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或真接制造零部件，实现对 产品设计进行快速评价、修改，以适应市场需求，提高企业的竞争能力的目的。 4 第一章绪论 快速原型制造技术的出现，反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场 竞争对制造技术发展的重大影响。 快速原型制造技术是一种借助计算机辅助设计，或用实体反求方法采集得到 有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息，并以此建立数字化描述模 型，之后将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面进 行材料的。三维堆砌”成型，再经过必要的处理。使其在外观、强度和性能等方 面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。 快速原型制造技术的一般步骤是： 建立三维数据模型： 寻找可加工、应用的材料，如流体、粉末、丝线、板材或块体； 使用不同物理原理的高度集成化设备； 原型或零件的堆砌制造； 原型或零件的后处理。 1 3 1 快速原型技术在国外的发展 快速原型技术的雏形分层制造三维物体的思想，最早出现在制造技术并 不发达的1 9 世纪。早在1 8 9 2 年，j f b l a t h e r s 主张用分层方法制作三维地图模型。 1 9 7 9 年东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注 塑模。光刻技术的发展对现代快速原型技术的出现起到了催化作用。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 年1 、日本的小玉秀 男( 1 9 8 0 年) 、美国u v p 公司的c w h u l l ( 1 9 8 2 年) 和日本的丸谷洋- ( 1 9 8 3 年) ，在 不同的地点各自独立地提出了r p 的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实 体的新思想。c w h u u 在u v p 的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称 之为s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ( s l a ) 的完整系统s l a 一1 。1 9 8 6 年该系统获 得专利，这是r p 发展的一个里程碑。同年，c w h h u l l 和u v p 的股东们一起建 立了3 ds y s t e m 公司，随后许多关于快速原型的概念和技术在3 ds y s t e m 公司中 发展成熟。与此同时，其它的成型原理及成型机也相继开发成功。1 9 8 4 年m i c h a e l f e y g i n 提出了分层实体制造( l a m m a t c do b j e c tm a n u f a c t u r i n g , l o m ) 的方法，并于 1 9 8 5 年组建h e l i s y s 公司，1 9 9 0 年前后开发了第一台商业机型l o m 一1 0 1 5 。自 从8 0 年代中期s l a 成型技术发展以来，到9 0 年代后期，出现了十几种不同的 快速原型技术，除前述几种外，典型的还有3 d p 、s d m 、s g c 等。但是，s l a 、 l o m 、s i s 和f d m 四种技术，目前仍然是快速原型技术的主流。 5 第一章绪论 1 3 2 快速原型技术在国内的发展 我国r p 技术的研究始于1 9 9 1 年，清华大学、西安交通大学、华中科技大 学、南京航空航天大学等高等院校和北京隆源公司、广州中望商业机器有限公司 等都在r p 技术的研究与应用方面取得了显著成果。这些成果包括r p 理论、c a d 数据处理软件、r p 工艺原理、方法及控制技术、成型设备、成型材料以及成型 精度等方面。几年来，我国r p 技术飞速发展，已研制出与国外s l a ( 立体光固 化) 、l o m ( f f f 层实体制造) 、s l s ( 选择性激光烧结) 、f d m ( 熔积成型) 等工艺方 法相似的设备，并逐步实现了商品化，其性能达到了国际水平。清华大学最先引 进了美国3 ds y s t e m 公司的s l a - - 2 5 0 设备与技术，并进行研究与开发，现已开 发出“m r p m s h ”型多功能快速原型制造系统。该系统具有分层实体制造 s s m ( l o m ) 和熔积成型m e m ( f i ) l v 0 两种功能。这是具有我国自主知识产权的世 界难一摺有两种快速原型工艺的系统。它具有较好的性能价格比，基于“模块化 技术集成”概念设计制造的，只需在基础件上增加或更换某一功能模块，即可完 成相对应的特定工艺。此外，清华大学还开发出基于f d m 法的熔丝沉积制造系 统m e m - - 2 5 0 和基于l o m 法的分层实体制造系统s s m - - 5 0 0 等。华中科技大 学研制出以纸为成型材料的基于分层实体制造法( l o m ) 的h r p 系统：西安交通 大学开发了基于立体印刷法( s l a ) 的l p s 和c p s 系统：南京航空航天大学开发了 基于选择性激光烧结法岱l s ) 的r a p 系统；北京隆源公司推出了基于选择性激光 烧结法( s l s ) 的a f s 系统。在基于快速原型技术的快速制造模具方面，上海交通 大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车 行业制造了多种模具。隆源公司的r p 服务中心也为企业制作了多种精密铸模。 华中科技大学研究出了一种腹膜技术快速制造铸模，制作出了铝合金模具和铸铁 模块。在模具制造业，可以利用快速原型技术制得的快速原型，结合硅胶模、金 属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具。快速原型技术制得的快 速原型也可以直接作为模具，但总的说来，与工业化国家相比我国r p 技术的研 究和应用尚存在一定的差距。 1 4 本课题研究的提出及意义和主要研究内容 1 4 1 课题的提出及意义 传统的二维设计，设计师必须将产品的空间结构通过各种投影关系转化为平 面的图形。这种设计方式工作量大，缺乏直观性。采用二维图形难以表达出双圆 弧弧齿锥齿轮的复杂曲面和结构，无法进行诸如产品的重量、受力、体积等物性 6 第一章绪论 分析及干涉检查等，设计结构也无法提供给后续的设计模块如有限元分析、运动 动力学分析、数控加工与仿真、快速原型制造等有效的设计数据。因此，二维 。蛐系统难以提供进行c ad c a e7 c a m 的集成设计数据。 本课题选择三维参数化软件p r o e 并在其上作二次开发，建立双圆弧弧齿锥 齿轮三维参数化模型，通过以模数、齿数、螺旋角、齿厚等参数为输入条件，利 用v c + + 编程计算，并调用二次开发工具p r o t o o l k i t ，直接在该绘图环境中生成 三维模型图，参数的改变可自动生成三维模型，达到三维建模的设计自动化，这 样可减少电子文档的存储量，提高设计资源的利用率，同时可加快设计速度，以 便装配的干涉检查、运动学分析、有限元分析、加工仿真、快速原型制造等。 1 4 2 课题的主要研究内容 本论文的主要研究内容是利用l r o e 建立双圆弧弧齿锥齿轮的三维实体模 型，并利用v c + + 6 0 开发工具建立方便快捷的设计界面，开发出基于p r o t o o l k i t 平台的双圆弧弧齿锥齿轮参数化设计系统，最后选择快速原型技术对双圆弧弧齿 锥齿轮进行快速原型制造。所以本课题的主要工作是： ( 1 ) 建立双圆弧弧齿锥齿轮的三维实体模型 利用p r o e 软件的参数化建模功能，根据双圆弧弧齿锥齿轮的齿形特点、啮 合方法以及齿面方程表达式，结合双圆弧弧齿锥齿轮的加工原理，绘制齿坯与刀 具之间的共轭运动所形成的双圆弧孤齿锥齿轮的实际加工曲面，进而得到齿轮的 三维实体模型。 ( 2 ) 利用p r o t o o l k i t 开发双圆弧弧齿锥齿轮的参数化设计系统 通过以模数、齿数、螺旋角、齿厚、轴径等参数为输入条件，利用v c + + 编 程语言，结合p r o f r o o l k i t 二次开发工具，建立双圆弧弧齿锥齿轮的参数化设计界 面，将编制的二次开发程序导入到p r o f e 软件中，完成双圆弧弧齿锥齿轮的参数 化设计系统。 ( 3 ) 双圆弧弧齿锥齿轮的快速原型制造 在p r o e 中建立的双圆弧弧齿锥齿轮三维实体模型自动保存为快速原型机识 别的s t l 格式，将文件导入到快速原型机设计系统，以实现双圆弧弧齿锥齿轮 的快速原型制造。 7 第二章系统设计平台及采用的关键技术 第二章系统设计平台及采用的关键技术 2 1 系统设计平台 2 1 1p r o e 简介 2 0 世纪8 0 年代以来，国际上推出了一大批通用o 集成软件，如u g 、 a u t o c a d 、p r o e 、s o l i d w o r k 等。相比之下，p f o e 软件在曲面造型、数控加工 及实现参数的全相关性方面有着很大的优势并且提供了齐全的二次开发工具。因 此，课题拟采用p r 0 e 作为设计平台。 p r o e 软件是美国参数化技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 的 优秀产品，提供了集成产品的三维造型设计、加工、分析及绘图等功能的完整的 c a d c a e c a m 解决方案。该软件以使用方便、参数化造型和系统的全相关性 而著称。目前p r o e 软件在我国的机械，电子，家电、塑料模具，工业设计、汽 车、自行车、航天、家电、玩具等行业取得了广泛的应用，该软件在国内的应用 数量大大超过了同类型的其它国外产品。p r o e 可谓是个全方位的3 d 产品开发 软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、n c 加工、钣金件设计，铸造件 设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据管理于 一体，其模块众多。主要由以下六大主模块组成：工业设计( l a i d ) 模块、机械设 计( c a d ) 模块、功能仿真( c a e ) 模块、制造( c a m ) 模块、数据管理( p d m ) 模块和 数据交换( p d t ) 模块。其主要特性如下。 ( 1 ) 全相关性( f u l la s s o e i a b i l i t n 全相关性是指所有的p r o e 的功能都相互关联。这就意味着在产品开发过程 中。用户任何时候所作的变更，都会扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工 程文档，如部件、加工以及产品信息管理等。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 功能提前发挥作用。 p r o e 系统开发环境最突出的特点就在于它能够支持并行工程，通过一系列 足以表现外形、装配性能的全相关性解决方案，可以让用户同时在几个技术领域 处理一个产品模型。这些能力包括造型设计、机械设计、功能设计、加工以及产 品信息管理等1 1 4 i 。 p r o e 提供的参数化设计的最大特点就是单一数据幸( s i n g l ed a t a b a s e ) 。p r o e 配合单一数据库，所有设计过程所使用的尺寸( 参数) 都存在数据库中，修改c a d 8 第二章系统设计平台及采用的关键技术 模型及工程图不再是一件难事，设计者只需更改3 d 零件的尺寸，则2 d 工程图 就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，同样修改2 d 工程图的尺寸其相关的3 d 实体模型也会自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保 数据的正确性，达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且 减少许多人为改图的时间和精力的消耗。也正因为有参数式设计，用户才可以运 用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式使得模型可自动计算出应有 的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐费时，并减少错误发生。 ( 2 ) 基于特征的参数化建模( f e a t u r e b a s e dp a r a m e t r i cm o d e l i n g ) 参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改 参数的数值来更改零件的外形。参数化设计的思想在工业界传播了许多年，1 9 8 8 年，p r o e 以参数式设计的思想问世以后，业内人士即对参数式设计c a d ，c a m 的思想翘首以待。p r o e 对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因 为p r o e 中参数不只是代表设计对象的外观相关尺寸，并且具有实质上的物理意 义1 培l 。例如我们可以运用系统参数侣y s t e mp a r a m e t e r s ，如体积、表面积、重心、 三维坐标等) ，或用户依据设计流程所定义的用户定义参数( u s e rd e f i n e d p a r a m e t e r s ，如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符串、加入设计构思中来 表达设计思想。这项参数化设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便 捷性推进了一大步。 ( 3 ) 数据管理( d a t am a n a g e m e n t ) 为了在最短的时间内完成最多的开发工作，必须允许多个学科的工程师同时 对同一产品进行开发。p r o e 数据管理功能可以管理并行工程所要求的并行作业 程序，并通过全相关性达到并行工程的目的。 ( 装配管理_ ( a s s e m b l ym a n a g e m e n t ) p r o e 能够让用户使用贴合( m a t e ) 、插入( i n s e r t ) 、对齐( a l i g n ) 等直觉式指令， 轻松装配零部件，保持设计意图，达到设计目的。而高级的功能则支持大型复杂 装配体的创建与管理，并且零件数目不受限制。 ( 5 ) 工程数据库重用( e n g i n e e r i n gd a t er e u s e ，e d r ) 工程数据库重用就是为了达到大幅提高生产力、降低成本的目的，而以标准、 公认的设计作为新产品设计的基础，它能够让用户快速开发整个产品系列。p r o e 的基本结构使e d r 易于实现。随着将来几代产品的创建，会发现从p r o e 中获 得的益处将大大超过最初的投资。 ( 6 ) 易用性( e a s eo fu s e ) p r o e 独有的自动导引菜单为用户提供了使用方便的选项，也可以预先选定 最常用的功能。此外，系统还提供了简短的功能菜单浇明和完整的在线帮助。这 9 第二章系统设计平台及采用的关键技术 些都使得p r o e 具有非常好的易用性。 ( 7 ) 硬件独立性( h a r d w a r ei n d e p e n d e n c e ：) p r o e 可以在u n i x 和w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 n t x p 平台下运行，并在每个系统中 都维持相同的界面，使用的感觉也一样。用户可以根据自己的需求，选购最经济 的硬件配置，再混用或搭配任何一种平台组合。由于p m e 可以运行在不同环境 中，具有独特的数据结构模式，因此可以方便地让信息在不同平台的机器之问相 互转换i ”j 。 2 1 2 应用程序及数据库开发工具 系统程序模块的设计选择v i s u a lc + + 6 0 作为开发平台。v c + + 6 0 是运行于 w i n d o w s 上的交互式可视化集成开发软件，是美国m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 软件 的一部分。像其它的可视化开发软件( 如v i s u a lb a s i c , d e l p h i ，c + + b u i l d e r ) - - 样， v c + + 6 0 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。v c + + 6 0 的应用程序向导 f a p pw i z a r d ) 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l l r l 。 2 2 采用的关键技术 2 2 1 参数化设计 2 2 1 1 参数化设计的概念 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。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圉形几何模型的 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始值就可生成所要求的模型【墉l 。尺寸驱动是对 程序驱动的扩展，其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。 传统的c a d 绘图技术都用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都 有确定的位置，要想修改图面内容，只有删除原有的线条后重画。而新产品的开 发设计需要多次反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调和优化。对于定型产 品的设计，需要形成系列化，以便针对用户的生产特点提供不同功率、规格的产 品型号，参数化设计可使产品的设计随着某些结构尺寸修改和使用环境的变化而 1 0 第二章系统设计平台及采用的关键技术 自动修改图形【1 9 1 。 参数化的实现大致如下：利用草图技术生成二维轮廓( p r o f i l e ) ，这个轮廓的 准确位置和尺寸都不必在草图输入时给出，可以在以后的参数设计过程中得到。 再利用系统的拉伸和旋转等手段来生成三维特征。有了这个基础，再加上一个记 录造型过程的c s g 树，就可以完成模型的参数设计需要强调的是这里的参数 并不是最后模型的设计参数，而是完成造型过程的造型参数。 2 2 1 2 参数化设计的优点 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。参数化技术具有以下三方面的优点： ( 1 ) 设计人员的初始设计要求低。无须精确绘图，只须勾绘草图即可，然后 可通过适当的约束得到所需精确图形。 ( 2 ) 便于系列化设计。一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格零 件的不同尺寸系列。 ( 3 ) 便于编辑、修改，能满足反复设计需要。当在设计中发现有不适当的部 分时，设计者可通过修改约束而方便地得到新的设计。 这些优点使得参数化技术非常适合于对整个设计过程的支持。因为设计的目 的是为了满足一定的功能需求，而这些功能需求往往可以转化为适当的设计约 束。设计者通过对一设计约束的控制可以方便灵活地实现产品的功能。 2 _ 2 1 3p r o e 在参数化方面的优势 p r o l 系统最典型的特点是参数化。体现参数化除使用尺寸参数控制模型外， 还在尺寸之间建立数学关系式，使它们始终保持相对的大小、位置或约束条件。 在零件模式下，系统允许建立特征之间的关系式，使得零件中的不同特征产生关 联，此时创建的参数关系式成为零件关系式。同时在零件与装配模式中，系统还 允许在阵列特征或阵列元件间建立参数关系式。 2 2 2p 姗f e 二次开发工具的评析和选择 任何通用的c a d 软件、甚至面向某一类对象的专用的、商品化的c a d 软 件，都难于满足形形色色具体产品设计的需要。所以，欲全面开展c a d ，并取 得积极效果，就应以引入的c a d 系统为基础，根据设计实情，进行不同程度的 第二章系统设计平台及采用的关键技术 用户化、本地化的二次开发，建立应用绘图系统和数据库，形成具有特色的产品 设计c a d 系统。 p r o e 本身带有程序( p r o g r a m ) 模块，利用它可以在一定程度上实现自动建模 的功能。更重要的是p r o e 还为高级用户提供了两个二次开发接口，一个是基于 c 语言的p r o t o o l k i t 开发工具包，另一个则是最近发布的基于j a v a 语言的j - l i n k 接口。通过所提供的二次开发接口，用户能够根据自己的需要或具体情况改进软 件的某些功能，也能给软件添加一些附加功能。下面分别介绍三者的异同点及优 缺点。 2 2 2 1p r o g r a m 的评析 p r o e 中的每一个模型都对应有一张模型设计列表，该列表记录了一个零件 的绘制过程及该零件包含的所有特征信息，其中有主要设计步骤和编辑后可用于 编程的参数。p r o g r a m 是p r o e 自带的一个编程模块，设计人员可以利用它来编 辑模型设计列表，创建一个包含最近设计指令的文件，并用该文件来生成新的模 型。用户只需要利用p r o g r a m 语法，在模型设计列表中