基于UG的齿轮参数化结构设计.pdf

第 23卷 第 2期2007年 4月 机 械 设 计 与 研 究Machine Design and Research Vol. 23 No. 2Ap r. , 2007收 稿 日 期 : 2006 - 02 - 27文 章 编 号 : 100622343 (2007) 022060203基 于 UG的 齿 轮 参 数 化 结 构 设 计林 莉 1 , 毛 炳 秋 2(1. 南 京 工 程 学 院 材 料 工 程 系 ;2. 南 京 工 程 学 院 机 械 工 程 系 ,南 京 210013, E2mail: maobq hotmail. com)摘 要 :介 绍 了 在 UG环 境 下 进 行 齿 轮 参 数 化 结 构 设 计 的 方 法 ,分 析 了 不 同 类 型 齿 轮 的 结 构 特 点 及 设 计要 求 ,解 决 了 设 计 过 程 中 出 现 的 一 些 技 术 问 题 。关 键 词 : 齿 轮 ;参 数 化 ;草 图 ;结 构 设 计 ;三 维 模 型中 图 分 类 号 : TP391. 72 文 献 标 识 码 : AThe Param eter iza tion Structura l D esign of Gear Ba sed on UGL IN L i1 , MAO B ing2qiu2(1. Department ofMaterial Engineering;2. Department ofMechanical Engineering , Nanjing Institute of Technology, Nanjing 210013, China)Abstract: This article introduces the methods about parameteriz2ed gear design based on UG and analyses thestructure charadenstics and design reqairements of different kinds of gears. It, thus, solves the technical p roblem2s dur2ing the design p rocess.Key words: gear; parameterization; sketch; structural design; 3D Model齿 轮 传 动 是 使 用 最 广 的 机 械 传 动 类 型 ,机 械 设 计 过 程 中经 常 涉 及 到 齿 轮 。 它 众 多 的 类 型 、 结 构 、 尺 寸 等 给 设 计 人 员带 来 繁 重 的 重 复 性 工 作 ,从 而 占 据 了 大 量 的 设 计 资 源 。 因此 ,如 何 提 高 设 计 效 率 是 CAD用 户 普 遍 面 临 的 问 题 。UG软 件 作 为 应 用 最 广 的 大 型 工 程 软 件 之 一 ,除 了 具 有强 大 的 三 维 造 型 、 受 力 与 运 动 分 析 、 加 工 等 功 能 外 ,还 提 供 了功 能 极 强 的 参 数 化 设 计 平 台 。 采 用 参 数 化 特 征 造 型 设 计 使实 体 的 每 一 个 尺 寸 都 可 以 用 一 个 参 数 加 以 控 制 。 如 果 利 用UG软 件 建 立 一 个 齿 轮 的 模 板 ,并 通 过 其 电 子 表 单 功 能 得 到一 系 列 同 类 零 件 的 三 维 模 型 ,进 而 生 成 二 维 零 件 图 。 当 齿 轮参 数 改 变 时 更 新 模 型 非 常 方 便 、 快 捷 。1 草 图 平 面 的 建 立在 建 模 工 作 平 面 上 直 接 生 成 的 平 面 图 形 或 通 过 拉 伸 旋转 形 成 的 实 体 ,不 能 完 全 利 用 参 数 驱 动 其 形 状 、 尺 寸 和 位 置 ,而 在 草 图 平 面 中 建 立 的 每 一 个 对 象 都 可 以 通 过 施 加 约 束 ,建立 其 形 状 、 尺 寸 和 位 置 参 数 ,实 现 参 数 化 设 计 。齿 轮 类 型 包 括 :按 齿 的 方 向 分 为 直 齿 齿 轮 ( Z型 ,齿 向 与轴 线 平 行 )、 斜 齿 齿 轮 (X型 ,根 据 齿 的 倾 斜 方 向 又 分 为 :左 旋斜 齿 轮 ZX型 、 右 旋 斜 齿 轮 YX型 ) ;按 轮 体 结 构 形 式 分 为 实心 齿 轮 ( S型 ) ,腹 板 式 齿 轮 ( P型 ) ,孔 板 式 齿 轮 (H型 ) ,轮 辐式 齿 轮 ( E型 ) ;按 照 轮 缘 与 轮 毂 在 轴 线 方 向 上 的 相 对 位 置 可分 为 :左 平 右 凸 型 ( 型 )、 左 凸 右 凹 型 ( 型 )、 对 称 型 (型 )、 左 平 右 凹 型 ( IV型 )。 以 上 几 种 分 类 方 式 相 互 搭 配 ,共有 数 十 种 类 型 ,加 上 齿 轮 模 数 的 变 化 和 结 构 尺 寸 的 变 化 ,实际 拥 有 的 种 类 更 多 。为 了 使 如 此 众 多 的 齿 轮 类 型 在 同 一 个 齿 轮 模 板 中 得 到体 现 ,设 计 中 建 立 了 四 幅 草 图 。(1) 轮 体 主 干 结 构 草 图 :如 图 1所 示 ,该 草 图 主 要 包 括轮 缘 、 轮 毂 及 腹 板 的 母 线 ,通 过 各 种 定 形 尺 寸 、 定 位 尺 寸 等 约束 形 成 一 系 列 参 数 。 图 1 轮 体 主 干 结 构 草 图(2) 齿 轮 齿 槽 结 构 草 图 :如 图 2a所 示 ,该 草 图 反 映 了 齿轮 齿 槽 的 端 面 形 状 ,通 过 定 形 尺 寸 约 束 控 制 所 用 齿 轮 的模 数 。(3) 腹 板 切 除 结 构 草 图 :对 于 轮 辐 式 结 构 ,需 要 将 草 图1形 成 的 腹 板 切 除 ,采 用 图 2b所 示 的 矩 形 草 图 形 成 的 回 转 体进 行 切 除 。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ( a) 齿 槽 结 构 草 图( b) 辐 板 切 除 结 构 草 图 ( c) 轮 辐 断 面 草 图 图 2 轮 体 辅 助 结 构 草 图(4) 轮 辐 结 构 草 图 :通 常 轮 辐 断 面 采 用 椭 圆 形 ,如 图 2c所 示 。 该 图 通 过 椭 圆 长 、 短 轴 尺 寸 约 束 控 制 轮 辐 断 面 形 状 和大 小 ,并 由 定 位 尺 寸 等 约 束 来 控 制 其 相 对 于 轮 体 结 构 的位 置 。图 1、 图 2中 各 尺 寸 在 绘 制 草 图 时 标 注 ,其 表 达 式 是 根 据齿 轮 设 计 的 几 何 关 系 确 定 的 。 在 该 模 板 文 件 打 开 的 状 态 下 ,单 击 菜 单 工 具 / 表 达 式 ,可 在 表 达 式 编 辑 器 中 建 立 或 编辑 表 达 式 。 其 中 在 生 成 三 维 模 型 时 需 输 入 的 尺 寸 ,使 用 设 定的 尺 寸 名 称 ,如 图 1中 的 L、 LY、 B 等 ,在 生 成 三 维 模 型 时 无 需输 入 的 尺 寸 ,由 UG软 件 自 动 生 成 尺 寸 名 称 ,如 P1、 P2、 P3等 。 图 3 齿 轮 结 构 设 计 模 板2 结 构 设 计 方 法 及 齿 轮 类 型 控 制以 图 1的 图 形 为 截面 曲 线 回 转 形 成 齿 轮 的轮 体 主 干 结 构 ;以 图 2a的 图 形 为 截 面 曲 线 拉 伸并 与 轮 体 主 干 结 构 作 布尔 减 形 成 单 个 齿 槽 ,通过 阵 列 得 到 全 部 齿 槽 ,同 时 形 成 可 控 参 数 齿 数 z; 以 图 2b 的 图形 为截 面 曲 线 回 转 并 与 轮 体 主 干 结 构 作 布 尔 减 切 除 轮 辐 式 结 构 多 余的 腹 板 ;以 图 2c的 椭 圆 图 形 为 截 面 曲 线 拉 伸 形 成 一 根 轮 辐 ,并通 过 阵 列 得 到 多 根 轮 辐 ,同 时 形 成 可 控 参 数 轮 辐 根 数 n;设置 腹 板 孔 、 圆 角 、 倒 角 、 键 槽 等 结 构 ,图 3即 为 按 上 述 方 法 形 成 的齿 轮 三 维 模 型 的 模 板 。 齿 轮 类 型 可 用 以 下 方 法 控 制 :2. 1 轮 辐 式 结 构 与 腹 板 式 结 构 的 控 制(1) 轮 辐 式 结 构 :该 结 构 没 有 幅 板 ,取 轮 辐 开 关 参 数LK = 1,使 图 2b形 成 的 切 除 腹 板 的 两 个 扇 形 回 转 体 回 转 角 LK 180 = 180 ,从 而 完 全 切 除 腹 板 ,并 使 轮 辐 的 拉 伸 长 度 LK( P6 P8 t1 r)满 足 轮 缘 与 轮 毂 的 联 接 要 求 。(2) 腹 板 式 结 构 :取 轮 辐 开 关 参 数 LK = 0,图 2b形 成的 切 除 腹 板 的 两 个 扇 形 回 转 体 回 转 角 LK 180 = 0 ,从 而不 切 除 腹 板 ,而 轮 辐 拉 伸 长 度 LK ( P6 P8 t1 r) = 0,轮辐 自 动 消 失 。2. 2 腹 板 式 结 构 与 孔 板 式 结 构 的 控 制轮 缘 与 轮 毂 间 距 较 小 时 腹 板 上 无 需 打 孔 ,则 为 腹 板 式 结构 ;反 之 ,则 需 在 腹 板 上 打 孔 ,形 成 孔 板 式 结 构 。 本 设 计 在 模板 上 形 成 一 定 数 目 的 腹 板 孔 ,孔 的 数 目 n是 可 控 参 数 (该 参数 不 能 为 零 ) ,腹 板 孔 的 直 径 d0是 另 一 可 控 参 数 。 取 d0 = 0,则 为 腹 板 式 结 构 ;取 d0 0,即 为 孔 板 式 结 构 。2. 3 腹 板 式 结 构 与 实 心 式 结 构 的 控 制腹 板 厚 度 S与 轮 缘 宽 度 B 的 相 对 大 小 可 控 制 腹 板 式 结构 与 实 心 式 结 构 。 当 S B , LY = 0;II型 : L 0;III型 : LY = B L / 2;IV型 : L B , LY = 0。图 3所 示 的 三 维 模 型 的 模 板 中 ,取 腹 板 厚 度 S = 0. 3B ,腹 板 孔 径 d0 = 15 mm,轮 辐 开 关 参 数 LK = 0. 6,因 而 形 成 具有 各 种 结 构 雏 形 的 混 合 体 。三 维 模 型 的 模 板 建 成 之 后 ,采 用 UG软 件 的 电 子 表 单 功能 ,在 该 模 板 文 件 打 开 的 状 态 下 ,单 击 菜 单 工 具 / 部 件族 ,可 建 立 或 编 辑 Excel电 子 表 单 ,根 据 齿 轮 结 构 设 计 的 规范 ,输 入 一 组 相 关 参 数 即 可 得 到 一 个 齿 轮 的 三 维 模 型 ,进 而生 成 二 维 零 件 图 。 图 4是 由 三 维 模 型 的 模 板 形 成 的 Excel电子 表 单 ,其 中 第 1行 (标 题 行 )各 参 数 含 义 如 下 : NO为 部 件 图 4UG中 的 Excel电 子 表 单16第 2期 林 莉 等 :基 于 UG的 齿 轮 参 数 化 结 构 设 计 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ( a) S - I - Z型 ( b) P - II - Z型( c) H - IV - YX型 ( d) E - III - ZX型 图 5 齿 轮 三 维 模 型序 号 ; NAME为 部 件 名 称 (此 处 以 类 型 代 替 ) ; dz为 轴 孔 直 径 ;L为 轮 毂 长 度 ; LY为 轮 毂 相 对 于 轮 缘 伸 出 长 度 ; S 为 腹 板 厚度 ; do为 腹 板 孔 直 径 ; n为 腹 板 孔 数 目 ; b为 键 槽 宽 度 ; t1为 键槽 深 度 ; LK为 轮 辐 开 关 参 数 ; m n为 齿 轮 法 面 模 数 ; z为 齿 轮 齿数 ; 为 齿 轮 螺 旋 角 ; B 为 轮 缘 长 度 。图 4中 列 出 4种 常 见 的 齿 轮 类 型 的 参 数 。 通 过 单 击 表单 中 的 菜 单 【 部 件 族 】 【 生 成 部 件 】 命 令 (这 是 Excel在UG中 嵌 入 时 新 增 的 菜 单 项 ) ,可 创 建 图 5所 示 的 4种 齿 轮 的三 维 模 型 (为 便 于 观 察 ,图 中 已 剖 开 )。3 设 计 中 一 些 技 术 问 题 的 处 理由 于 设 计 中 包 含 的 齿 轮 种 类 众 多 ,在 类 型 控 制 时 取 一 些参 数 为 零 等 极 限 值 ,但 在 UG软 件 中 有 些 参 数 取 为 极 限 值 会使 造 型 出 错 ,因 此 在 设 计 中 需 作 相 应 的 技 术 处 理 ,例 如 :3. 1 腹 板 结 构 中 轮 辐 开 关 参 数LK = 0,轮 辐 拉 伸 长 度 = LK ( P6 P8 t1 r) = 0,造 型时 出 错 ,设 计 中 取 拉 伸 长 度 = LK ( P6 P8 t1 r) + 0. 001,形 成 长 度 为 0. 001 mm的 拉 伸 实 体 ,并 使 拉 伸 的 起 始 位 置 向轮 缘 实 体 内 退 0. 001 mm,则 该 拉 伸 实 体 完 全 重 叠 在 轮 缘 实体 中 。3. 2 轮 辐 结 构 中 需 切 除 图 1形 成 的 腹 板 结 构 。采 用 一 次 切 除 会 使 轮 缘 与 轮 毂 分 为 两 个 实 体 而 出 现 造 型错 误 。 设 计 中 采 用 两 次 切 除 ,第 一 次 切 除 一 半 腹 板 ,紧 接 着 拉伸 一 根 轮 辐 并 与 轮 缘 轮 毂 作 布 尔 加 ,然 后 再 切 除 另 一 半 腹 板 。4 结 论(1) 任 何 结 构 形 式 的 齿 轮 都 可 以 通 过 直 接 造 型 与 草 图造 型 相 结 合 来 约 束 其 每 一 个 反 映 形 状 、 大 小 和 位 置 的 尺 寸 参数 ,并 实 现 参 数 化 设 计 ;这 样 一 来 既 可 以 驱 动 零 件 上 标 准 结构 的 尺 寸 (如 齿 槽 、 键 槽 等 ) ,也 可 以 驱 动 零 件 上 非 标 准 结 构的 尺 寸 (如 腹 板 、 轮 辐 等 ) ;(2) 通 过 适 当 的 数 据 处 理 或 变 更 造 型 次 序 可 以 避 免 由于 某 些 参 数 为 零 或 实 体 被 分 割 成 多 块 而 产 生 程 序 运 行 错 误 ,从 而 使 设 计 顺 利 完 成 ;(3) 齿 轮 上 多 个 均 匀 分 布 的 相 同 结 构 ,如 齿 槽 、 轮 辐 、 腹板 孔 等 ,若 直 接 造 型 则 无 法 得 到 分 布 数 目 的 驱 动 参 数 ;形 成一 个 特 征 后 进 行 阵 列 可 获 得 该 参 数 ;(4) 在 设 计 过 程 中 ,模 板 中 设 置 适 当 的 开 关 参 数 (如 本设 计 中 轮 辐 开 关 参 数 LK等 ) ,可 使 模 板 适 用 于 更 多 的 类 型 ,产 生 一 模 多 用 的 效 果 ,从 而 极 大 地 提 高 设 计 效 率 。参 考 文 献 : 1 张 冶 ,洪 雪 ,张 泽 帮 . Unigraphics NX参 数 化 设 计 实 例 教 程M . 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 , 2003. 2 洪 如 瑾 . UG NX2 CAD快 速 入 门 指 导 M . 北 京 :机 械 工 业 出版 社 , 2004. 3 马 秋 成 ,肖 良 红 ,聂 松 辉 ,等 . UG建 模 方 法 的 探 讨 J . 机 械 设计 与 研 究 , 2002, 18 (1) : 40 41. 4 曾 向 阳 ,谢 国 明 ,王 学 平 . UG NX高 级 开 发 实 例 M . 北 京 :电子 工 业 出 版 社 , 2004. 5 何 辉 ,段 敏 ,石 晶 ,等 . 应 用 Pro /E软 件 实 现 零 部 件 的 参数 化 设 计 J . 机 床 与 液 压 , 2004, 11 (11) : 151 152. 6 陈 立 德 ,毛 炳 秋 . 机 械 设 计 基 础 M . 北 京 :高 等 教 育 出 版社 , 2004. 7 宋 晓 华 ,方 坤 礼 . 基 于 UG的 凸 轮 机 构 设 计 和 运 动 仿 真 J . 机械 研 究 与 应 用 , 2005, 18 (1) : 102 104. 8 李 燕 . 应 用 Pro /Program的 齿 轮 参 数 化 设 计 J . 机 械 设 计与 研 究 , 2003, 19 (4) : 50 51.作 者 简 介 :林 莉 (1962 - ) ,女 ,南 京 工 程 学 院 材 料 系 副 教 授 ,主要 从 事 机