基于proE的机械通用件特征建模及参数化设计

诚信声明本人郑重声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下,由我本人独立完成。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。如在文中涉及到抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。毕业论文（设计）作者签名签名日期年月日摘要本文首先探讨了CAD特征建模和约束理论，分析了特征的层次性以及不同特征之间的映射。介绍了几种机械通用件的数学描述，针对机械通用件使用频繁，但结构复杂、造型困难的特点，通过PRO/E设计实例的介绍，实现了轴、齿轮、蜗轮、蜗杆、轴承等机械通用件的参数化设计，尤其是实现了基于精确的齿轮轮廓渐开线函数的齿轮和蜗轮的三维建模。采用这种造型与设计方法，减去了数字化建模过程中烦琐且重复性的工作，实现了设计自动化和高效化，其优化设计思想对其他行业同样有参考和借鉴价值。关键词PRO/E；约束理论；参数化设计；机械通用件ABSTRACTTHISPAPERFIRSTLYDISCUSSESTHECADCHARACTERISTICMODELINGANDTHETHEORYOFCONSTRAINTS,ANDANALYSESTHEHIERARCHYOFCHARACTERISTICSANDTHEMAPPINGBETWEENDIFFERENTCHARACTERISTICSITINTRODUCESTHEMECHANICALDESCRIPTIONOFSEVERALMACHINERYGENERALPARTSAIMINGATTHEIRFREQUENTUSES,HOWEVER,COMPLEXSTRUCTURES,ANDMODELINGDIFFICULTIES,ITREALIZESTHEPARAMETRICDESIGNOFSHAFT,GEAR,WORMGEAR,WORM,BEARINGANDOTHERMACHINERYGENERALPARTSBYINTRODUCINGTHEDESIGNEXAMPLESOFPRO/EESPECIALLY，ITREALIZESTHREEDIMENSIONALMODELINGOFGEARANDWORMGEARBASEDONACCURATEINVOLUTEFUNCTIONOFGEARPROFILETHISUSEOFMODELINGANDDESIGNMETHODREDUCESTHETROUBLESOMEANDREPETITIVEWORKINDIGITALMODELINGPROCESS,ANDITALSOACHIEVESTHEDESIGNAUTOMATIONANDHIGHEFFICIENCYTHEOPTIMIZEDDESIGNIDEAALSOHASREFERENCEVALUETOOTHERINDUSTRIESKEYWORDSPRO/E；THEORYOFCONSTRAINTS；PARAMETRICDESIGN；MACHINERYGENERALPARTS目录第一章绪论1第二章PRO/E221PRO/E的简介222PRO/E的特点和优势2221参数化2222基于特征建模2223单一数据库2224全相关性3第三章CAD建模中的特征与约束理论4第四章参数化零件设计641参数化设计642机械通用件的参数化设计643参数化设计在CAD中的应用7第五章轴的参数化设计851轴的结构特征852轴的参数化造型基本思路853基本步骤8531创建新的零件文件9532创建轴的实体特征9533创建轴的参数化程序10第六章齿轮的参数化设计1461齿轮的结构特征1462齿轮的参数化造型基本思路1463基本步骤16631创建新的零件文件16632输入齿轮设计参数及计算关系式16633绘制齿廓曲线17634创建轮齿特征及其它特征19635实现智能参数化设计20第七章蜗杆与蜗轮的参数化设计2371蜗杆与蜗轮的结构特征2372蜗杆蜗轮传动几何尺寸2473蜗杆参数化造型基本思路2574基本步骤25741创建新的零件文件26742参数输入26743生成螺旋体26744导程参数化28745实现多头蜗杆29746处理左右旋30747创建蜗杆轴实体32748蜗杆变参3275蜗轮参数化造型基本思路3476基本步骤35761创建新的零件文件35762参数输入35763创建蜗轮轮坯38764创建单个轮齿38765形成所有轮齿39766处理左右旋40767蜗轮变参41第八章轴承的参数化设计4381轴承的结构特征4382轴承的参数化造型基本思路4383基本步骤44831创建轴承内环零件44832创建轴承外环零件46833创建滚珠48834创建轴承组件49835各种参数的轴承52结语53致谢54参考文献55附录A56附录B59第一章绪论在现代产品的无纸开发方式中，通常要建立产品的数字化模型，采用各种虚拟技术进行产品分析、虚拟装配、虚拟制造，直至完成产品的实际制造。离开了产品的数字化模型，一切分析将无从谈起。在产品的数字模型建立过程中，经常要用到一些机械通用件（如轴、齿轮、蜗轮蜗杆、轴承等），同类通用件的结构类似，只是个别属性有差异。快速、准确地建立机械通用件的数字模型，能够加速产品开发、缩短产品设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力。本文主要探讨CAD建模中的特征和约束理论，分析特征的层次性以及不同特征之间的映射，参数化设计的原理与方法，利用PRO/E实现了轴类零件、渐开线直齿圆柱齿轮、蜗轮、蜗杆、轴承等机械通用件的精确三维建模和参数化设计。采用这种方法可快速、准确地建立通用件的数字模型，它改变了设计的概念，并将设计的便捷性推进了一大步。第二章PRO/E21PRO/E的简介PRO/E是美国PTC公司旗下的产品PRO/ENGINEER软件的简称。PRO/E（PRO/ENGINEER操作软件）是美国参数技术公司（PARAMETRICTECHNOLOGYCORPORATION，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，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，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。PRO/ENGINEER作为目前国际市场上最有影响的高级三维CAD/CAM工程软件之一，在业界享有极高的声誉并具有很高的市场占有率。PRO/E的最大特点和最强优势可归纳为全参数化、全相关、基于特征的实体建模。该软件所提供的极其丰富的、符合工程师设计思维方式的造型方法，以及强大的变参功能，使工程设计人员的设计理念得以直观化，设计构思得以可视化、形象化。22PRO/E的特点和优势PRO/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。PRO/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，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。PRO/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。221参数化相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。222基于特征建模PRO/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。223单一数据库PRO/E是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。224全相关性PRO/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。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其作用。将PRO/E的上述功能与机械工程实际相结合，可构成十分便捷、功能强大的设计及分析工作平台，解决大量原本看来可能比较棘手和繁琐的工程问题。本文正是从这一角度出发，选择最为常用的机械零件与传动装置作为示例，利用PRO/E的参数化功能，实现复杂零件的精确造型，优化设计。第三章CAD建模中的特征与约束理论PRO/E是一个参数化、基于特征的实体造型系统。关于特征的概念，许多专家学者从不同角度进行了定义。PRATT和WILISON定义特征是一个零件上有意义的区域，并基于形状不同将特征分为六大类通道（PASSAGE）、凹陷（DEPRESSION）、凸起（PROTRUSION）、过渡（TRANSITION）、域（AREAFEATURE）、变形（DEFORMATION）；SHAH定义特征为产品信息传递的载体，能帮助设计、制造和其它工程任务之间的通信与交流，共分形状特征、技术特征、精度特征、装配特征等。由此可见，特征集不但与产品类型相关，还与观察角度和应用领域相关。对于给定的产品类型或应用领域，可以建立足够的特征集为产品设计服务。这样的特征集合称为特征空间。要创建集成的基于特征的产品设计系统，必须充分实现特征的扩充以及特征空间与功能空间、约束空间的映射（MAPPING）。CAD建模中的特征可划分为底层特征、高层组合特征及边界表示法单元/体素特征三个层次。底层特征是一些点、线、面等简单的几何要素，高层组合特征是指由底层特征组合而成的截面形状特征或特征体素（单元），或可直接用于特征造型的参数化曲线、曲面，边界表示法单元/体素特征是具有特定工程意义的CAD，系统的特征，它是高层特征按照特定的特征形成的规则（拉伸规则、形变规则、组合规则与复合规则等）设计而成，或高层特征向边界表示法单元/体素特征空间的简单映射。图31为特征的层次性及不同特征之间的映射关系。机械零件产品通常按一定特征设计制造，特征之间具有确定的几何约束关系（包含结构约束和尺寸约束两种类型）。忽略几何约束，得到的产品模型是没有意义或是不准确的。结构约束是指特征元素之间的拓扑结构关系（如平行、垂直、对称、相切等）图31特征的层次性及不同特征之间的映射关系，描述了特征元素的空间相对位置和连接方式。尺寸约束是特征元素间的距离、角度等。图32、图33是常见的特征元素之间的约束。图34是基于二维参数化草图经拉伸、旋转生成的齿轮三维模型，建模时首先绘制特征曲线（底层特征），然后对这些特征曲线进行调整使其满足几何约束，组成二维截面形状特征（高层组合特征），最后按照特定特征形成规则（拉伸、旋转规则）生成边界表示法单元/体素特征，完成齿轮特征建模。图32截面特征曲线之间的约束图33二次曲面之间的约束图34齿轮三维模型第四章参数化零件设计41参数化设计所谓参数化设计，就是在工程设计中，用可变参数而不是固定尺寸表达零件形状或部件装配关系，通过设置参数就可以表达零件形状或部件装配关系，通过改变参数就可以完成零件的形状或装配关系的修改，这样，工程设计人员可任意建立形体尺寸和功能之间的关系。任何一个参数改变，其相关的特征也会自动修正，以保持设计者的意图。当特征之间存在参考关系时，特征之间即产生所谓的父/子（PARENT/CHILD）关系。同时，模型参数不仅表达模型的形状，而且具有实际的物理意义，通过引用系统参数或设置用户定义参数，可以方便地得出模型的体积、面积、质心、重量等。采用参数化设计，还可以加入关系式增加特征之间的参数关系。关系式是数学方程，用于驱动模型，并提高捕捉设计意图层次的关联尺寸或其它参数，通过关系式可以减少模型的独立驱动尺寸，这样在修改模型时可以减少逐一修改尺寸的工作，并可减少错误的发生。参数化设计是REVITBUILDING的一个重要思想，它分为两个部分参数化图元和参数化修改引擎。REVITBUILDING中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。42机械通用件的参数化设计机械通用件应用广泛，同类通用件的形状相似且造型步骤大体相同，如果逐个按规格逐个画，会浪费不少宝贵的时间。采用PRO/E的参数化建模方法，输入相应的关系式，当一个零件完整地设计好之后，只要修改相应的参数，就可得到一个所期望的新零件，减去了数字化建模过程中烦琐且重复性的工作。下面以轴、齿轮以及涡轮蜗杆的参数化设计为例，介绍如何在PRO/E中采用特征造型和参数化设计方法快速创建机械通用件的三维模型。43参数化设计在CAD中的应用用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。第五章轴的参数化设计51轴的结构特征轴SHAFT是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。轴作为一种通用回转体零件，其基本几何形状为圆柱体，在此基础上根据产品需要，可将轴设计成具有各种不同回转体几何形状及工程特征的组合形式。所以轴的形状从几何和工程的意义上说，可包括圆柱体、圆锥体、花键、键槽、退刀槽、螺纹等，如图51所示。52轴的参数化造型基本思路由于轴是通用件，不但特征尺寸变化，而且结构也不固定，各种特征的有无，以及组合方式是随机的。为了便于参数驱动，在轴的参数化设计时，采用控制特征显示的设计方式，建立不同结构的轴零件，利用PROGRAM进行参数驱动，已达到在某种产图51轴的结构特征品上实现轴的参数化设计。为了便于分析，这里用典型的阶梯轴作为示例。53基本步骤（1）确定轴的基本结构，即可能包含哪些特征，进而确定一根典型轴。（2）创建典型轴的结构，包含若干特征。（3）获得特征尺寸参数符号。（4）在PRO/E【程序】编辑器中，设定输入参数，并与尺寸参数符号相关联。（5）利用判断语句控制特征的生成与否。531创建新的零件文件点击文件/新建，创建新文件，输入文件名SHAFT，取消使用缺省模板，如图52。选择公制单位MMNS_PART_SOLID后确认，如图53。基准坐标系PRT_CSYS_DEF及基准面RIGHT、TOP、FRONT显示在画面上。图52新建文件对话框532创建轴的实体特征由于轴是一种回转体零件，可以利用PRO/E的旋转功能完成实体创建。进入草绘界面绘制如图54所示的截面，进行尺寸标注及约束的确定，生成回转体如图55所示。创建以FRONT面分别偏移75个单位（伸出端截面半径）和15个单位（安装齿轮段截面半径）的基准面，用上述同样的方法绘制两个键槽的特征截面，以键1为例，如图56所示。设定伸出段倒角参数，使用倒角功能完成倒角实体特征。从而完成阶梯轴的所有实体特征，如图57所示。图53选择公制单位对话框图55阶梯轴的回转体图54阶梯轴的回转截面533创建轴的参数化程序获得上述所有特征的尺寸参数符号，利用PRO/E中的程序编辑功能，创建阶梯轴的参数化程序，将参数和图形联系起来，实现参数驱动实体特征。进入程序编辑设计，打开记事本，输入如下代码INPUTSHAFT_DIA1NUMBER；轴颈1直径SHAFT_DIA2NUMBER；轴颈2直径SHAFT_DIA2_WIDENUMBER；轴颈2长度SHAFT_DIA1_WIDENUMBER；轴颈1长度OUTPUT_SHAFT_LENNUMBER；伸出端长度GEAR_WIDENUMBER；安装齿轮段长度SHAFT_LENNUMBER；轴颈1到轴颈2（不包含）总长KEY1_WIDENUMBER；键1宽度KEY1_HEIGHNUMBER；键1高度KEY2_WIDENUMBER；键2宽度KEY2_HEIGHNUMBER；键2高度ENDINPUTRELATIONSD2OUTPUT_SHAFT_LEND6SHAFT_DIA2_WIDED5GEAR_WIDED4SHAFT_DIA1_WIDE图56键槽特征截面图57阶梯轴各特征完成D3D410D7SHAFT_LENIFD7B1BB1ENDIFPA1MPI；蜗杆轴面齿距LLZ1PA1；蜗杆导程HA1HAM；蜗杆齿顶高HF1125M；蜗杆齿根高IFZ11WLWJDA22M；确定蜗轮外圆直径ENDIFIFZ14WLWJDA2MENDIFGAMAASINB/DA105M；包角R1DA1/2025M；齿根圆弧面半径R2DF1/2025M；齿顶圆弧面半径DBMZ2COS20；基圆直径ALFAAACOSDB/DA2；齿顶圆压力角ALFAFACOSDB/DF2；齿根圆压力角INVATAN2020/180PI；分度圆渐开线函数INVAATANALFAAALFAA/180PI；齿顶圆渐开线函数INVAFTANALFAFALFAF/180PI；齿根圆渐开线函数SMPI/2；分度圆齿厚FAIBS2/DIA22INVA/PI180；基圆齿厚角FAIAS/DIA2DA22INVAAINVA；顶圆齿厚角IFDF2DB；如果根圆直径大于基圆直径FAIFS/DIA2DF22INVAFINVA；根圆齿厚角ENDIFIFDF2DB；否则FAIFFAIB；根圆齿厚角等于基圆齿厚角ENDIFENDRELATIONS信息串口出现，选择“是”，输入参数值如下M25Z11Z230DIA128LEFTNOB24至此，各参数的建立及赋值结束。763创建蜗轮轮坯通过创建回转体，生成蜗轮轮坯实体，如图719所示。注意如下关系式SD12WLWJ/2SD14BSD10ASD15R2SD23GAMA764创建单个轮齿（1）创建参考面创建以FRONT为参考面，偏移距离D9A的参考面，生成参考面DTM1。（2）创建蜗杆坐标系创建坐标系，按住CTRL键，点击基准面TOP、RIGHT、DTM1，生成坐标系CS0。（3）创建蜗轮坐标系创建蜗轮轮坯时所用坐标系带有随意性，为使蜗轮齿形位置正确，有必要建立蜗轮轮齿坐标系。点击创建坐标系，按住CTRL键，点击基准面TOP、RIGHT、FRONT，并设置各选项，生成坐标系。（4）绘制图718中线段AD进入【曲线绘制】编辑器，输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器。图719蜗轮轮坯实体RDF2/2T（DA2A/2DF2/2）ALFAIACOS（DB/2/R）THATA（TAN（ALFAI）180/PIALFAI）Z0点击确定，第一段曲线完成，其中ALFAI的表达式表示压力角随R从齿根变化到齿顶。（5）绘制图718中线段BC进入【曲线绘制】编辑器，输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器。RDF2/2T（DA2A/2DF2/2）ALFAIACOS（DB/2/R）THATA（TAN（ALFAI）180/PIALFAI）（360/Z2FAIF）Z0点击确定，第二段曲线完成。（6）绘制图718中线段AB、CD进入【草绘】界面，绘制两端圆弧，注意必须通过已有曲线端点（7）绘制图718中螺旋线段FA进入【曲线绘制】编辑器，输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器。YTZ1PIM/4ZR1COS90TXR1SIN90T点击确定，螺旋线AE完成。（8）绘制图718中螺旋线段AE进入【曲线绘制】编辑器，输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器。YTZ1PIM/4ZR1COS90TXR1SIN90T点击确定，螺旋线AE完成。（9）切出第一段半齿槽点击【变截面扫描】，创建实体，去除材料，截面设置为恒定，利用已有线段建立截面，点击确定，形成半齿槽。（10）切出另一半齿槽重复上述步骤，只是扫描轨迹选择另一段螺旋线，可得另一段半齿槽，如图720所示。至此，单个齿槽切制完成。765形成所有轮齿（1）创建回转轴线创建回转轴线，将模型特征树中对应项移至所有特征之前。（2）两段半齿槽合并成组按住CTRL键点，选模型特征树中两段齿槽的对应项，使其高亮显示。右键点击选中项，合并成组。包含两个齿槽的特征组形成。（3）阵列形成多齿选择刚合并的特征组，点击【阵列】，选择回转轴线，确认形成多齿。（4）实施参数化显示上一步骤生成的各参数符号，可以看到符号P55对应阵列数，D52对应角度，进入【关系】编辑器，输入D52360/Z2，P55Z2，确定，系统自动再生实体模型，形成蜗轮，如图721所示。766处理左右旋由上述过程可知，蜗轮齿槽的左右旋取决于切制齿槽时的螺旋线方向，取决于利用方程曲线生成两段螺旋线的过程，Y坐标的变化方向，可采取如下步骤解决。图720完成单个全齿槽图721完成蜗轮打开PRO/E【程序】编辑器，在RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。RELATIONSFUHAO1；设立一个变量符号并令其等于1IFLEFTYES；如果是左旋FUHAO1；变量符号为1ENDIFENDRELATIONS右键点击模型特征树中第一条螺旋线对应项，使其高亮显示，点击编辑定义，进入方程编辑器。将第一条语句改为YTZ1PIM/4FUHAO，存盘退出。第二条螺旋线同样处理，方程编辑器中修改第一条语句如下YTZ1PIM/4FUHAO。保存后检验处理效果。至此，蜗轮参数化造型过程全部结束。767蜗轮变参为综合检验造型结果，可分别输入各种参数进行检查。输入各族参数后的蜗轮造型，如图722、图723、图724、如725所示。需要说明的是，蜗轮的上述造型方法是一种近似处理，只可用于广告宣传、动画演示、课件教学等对几何形状要求不太高的场合。从理论上讲，上述蜗轮只有中间剖面，即蜗杆轴线所在的对称面上其轮廓形是完全正确的，即标准渐开线齿轮廓线。其他剖面严格讲并非渐开线齿廓。若要获得全部正确的齿廓，需要根据共轭原理，按照蜗轮成型过程，分段绘制各线段后再形成面、体，构成蜗轮，过程比较繁琐，本文不再讨论。蜗轮1模数315蜗杆头数2图722蜗轮1蜗轮齿数35蜗杆分度圆直径45左右旋右蜗轮宽40蜗轮2模数315蜗杆头数3蜗轮齿数50蜗杆分度圆直径45左右旋右蜗轮宽40蜗轮3模数4蜗杆头数4蜗轮齿数40蜗杆分度圆直径40左右旋左蜗轮宽40蜗轮4模数4蜗杆头数1图723蜗轮2图724蜗轮3图725蜗轮4蜗轮齿数40蜗杆分度圆直径40左右旋左蜗轮宽40第八章轴承的参数化设计81轴承的结构特征轴承（BEARING）是机械中的固定机件。当其他机件在轴上彼此产生相对运动时，用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件。它是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它的主要功能是支撑旋转轴或其它运动体，引导转动或移动运动并承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。轴承是工程上常用的标准件，为系列化产品。在进行三维产品设计时可根据标准进行选用。因而特别适合于参数化设计。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。本文以比较常见的深沟球轴承（如图81）为例，进行参数化设计，其设计方法和思想可用于其它种类的轴承的参数化设计。82轴承的参数化造型基本思路深沟球轴承，每个套圈均具有横截面大约为球的周长三分之一的连续沟型滚道的向心球轴承，适用于精密仪表、低噪音电机、汽车、摩托车及一般机械等，是机械工业中使用最为广泛的一类轴承。结构简易，使用维护方便。主要用来承受径向负荷、也可承受一定的轴向负荷，当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的性能，可承受较大的轴向负荷。该类轴承摩擦系数小，极限转速高，尺寸范围与形式变化多样。坚实耐用，通用性强及低噪音运行，可在高速下运转和易于安装。深沟球轴承的规定画法如图82所示。83基本步骤（1）创建零件。（2）利用PRO/E的【程序】设计零件参数化程序。（3）创建轴承组件。（4）利用PRO/E的【程序】设计组件参数化程序。831创建轴承内环零件（1）创建新文件新建文件名为T276_1_N的文件，具体步骤如531中所述。（2）编辑程序输入已知条件轴承内径、外径及宽度，建立计算关系式。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。INPUTN_DIANUMBER；轴承内径W_DIANUMBER；轴承外径WIDE_BNUMBER；轴承宽度ENDINPUTRELATIONSA（W_DIAN_DIA）/2图81常见的深沟球轴承图82深沟球轴承的规定画法ENDRELATIONS确定将修改后的程序应用，输入轴承设计的已知条件轴承内径（20），轴承外径（32），轴承宽度（7）。（3）创建内环点击【旋转】按钮，创建轴承内环实体特征。在弹出的工具面板上点击位置/定义，进入草绘画面，绘制如图83所示的截面，点击确认。设定旋转角度，接受默认的360，确认，完成旋转实体特征，如图84所示。使用基准创建命令创建基准面，作为组件装配时的基准。选择基准面RIGHT作为创建基准，设定约束为便宜。在弹出的对话框中给出偏移值，如图85所示，点击确认，完成的基准面如图86所示。图83T276轴承内环二维截面图图84T276轴承内环实体模型图85“基准面”对话框图86基准面编辑程序，控制实体特征的尺寸。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。RELATIONSD1WIDE_B；轴承的宽度D2N_DIA/2；轴承内径D3N_DIA/2A/2；球的分布圆半径D4A/2；球的直径D560；60角的辅助线D6WIDE_B/2；标准面位置尺寸ENDRELATIONS832创建轴承外环零件（1）创建新文件新建文件名为T276_1_W的文件，具体步骤如531中所述。（2）编辑程序输入已知条件轴承内径、外径及宽度，建立计算关系式。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。INPUTN_DIANUMBER；轴承内径W_DIANUMBER；轴承外径WIDE_BNUMBER；轴承宽度ENDINPUTRELATIONSA（W_DIAN_DIA）/2ENDRELATIONS确定将修改后的程序应用，输入轴承设计的已知条件轴承内径（20），轴承外径（32），轴承宽度（7）。（3）创建外环点击【旋转】按钮，创建轴承外环实体特征。在弹出的工具面板上点击位置/定义，进入草绘画面，绘制如图87所示的截面，点击确认。设定旋转角度，接受默认的360，确认，完成旋转实体特征，如图88所示。使用基准创建命令创建基准面，作为组件装配时的基准。选择基准面RIGHT作为创建基准，设定约束为便宜。在弹出的对话框中给出偏移值，如图89所示，点击确认，完成的基准面如图810所示。编辑程序，控制实体特征的尺寸。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。图87T276轴承外环二维截面图图88T276轴承外环实体图89“基准面”对话框图810基准面RELATIONSD1WIDE_B；轴承的宽度D2N_DIA/2；轴承内径D3N_DIA/2A/2；球的分布圆半径D4A/2；球的直径D560；60角的辅助线D6WIDE_B/2；标准面位置尺寸ENDRELATIONS833创建滚珠（1）创建新文件新建文件名为T276_1_Q的文件，具体步骤如531中所述。（2）编辑程序输入已知条件轴承内径、外径及宽度，建立计算关系式。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。INPUTN_DIANUMBER；轴承内径W_DIANUMBER；轴承外径WIDE_BNUMBER；轴承宽度ENDINPUTRELATIONSA（W_DIAN_DIA）/2ENDRELATIONS确定将修改后的程序应用，输入轴承设计的已知条件轴承内径（20），轴承外径（32），轴承宽度（7）。（3）创建滚珠点击【旋转】按钮，创建轴承滚珠实体特征。在弹出的工具面板上点击位置/定义，进入草绘画面，绘制如图811所示的截面，点击确认。设定旋转角度，接受默认的360，确认，完成旋转实体特征，如图812所示。编辑程序，控制实体特征的尺寸。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。RELATIONSD14N_DIA/2A/2；球的分布圆半径D13A/2；球的直径ENDRELATIONS选择上一步生成的滚珠，利用【阵列】命令，生成滚珠数为Z_TH的所有滚珠。在弹出的工具面板上选择阵列方式绕轴线阵列，设置阵列数和阵列的角度参数，接受默认值，结果如图813所示。编辑程序，控制滚珠数。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATIONS和ENDRELATIONS之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本。RELATIONSZ_THFLOORPI2D14/A；在半径为D14的圆周上均布得滚珠数D38360/Z_TH；阵列时的角度增量尺寸P41Z_TH；阵列总数ENDRELATIONS采用模型中现有的参数值，生成零件如图814所示。图8111滚珠二维截面图812滚珠实体834创建轴承组件依照规定画法，轴承组件中含三个零件，即轴承内环、外环及滚珠。建立轴承组件是采用零件组装的方式，在PRO/E的ASSEMBLY模块下完成，具体步骤如下。（1）创建新文件点击文件/新建，创建新文件，在弹出的对话框中选择ASSEMBLY，输入组件名称T276_1，取消使用缺省模板。选择公制单位MMNS_ASM_DESIGN后确认。基准坐标系ASM_CSYS_DEF及基准面ASM_RIGHT、ASM_TOP、ASM_FRONT显示在画面。（2）调入第一个零件点击按钮【装配】，调入第一个零件T276_1_N。在弹出的对话框中，选择默认状态，点击确认，完成结果如图815所示。（3）调入第二个零件点击按钮【装配】，调入第二个零件T276_1_Q。设置第一个约束为ALIGN（对齐），选择T276_1_N零件的中心线A_8，再选择T276_1_Q零件的中心线A_3。设置第二个约束为ALIGN（对齐），选择T276_1_N零件的基准面DTM1，再选择T276_1_Q零件的基准面FRONT。点击确认，完成的结果如图816所示。（4）调入第三个零件点击按钮【装配】，调入第三个零件T276_1_W。设置第一个约束为ALIGN（对齐），选择T276_1_N零件的中心线A_8，再选择T276_1_W零件的中心线A_5。设置第二个约束为ALIGN（对齐），选择T276_1_N零件的基准面RIGHT，再选择图813阵列4个滚珠实体图814滚珠实体模型T276_1_W零件的基准面RUGHT。点击确认，完成的结果如图817所示。（5）编辑装配程序输入已知条件轴承内径、外径及宽度，利用EXECUTE语句将装配配件中的输入参数与零件中的输入参数联系起来，形成装配程序。打开PRO/E【程序】编辑器，在INPUT和ENDINPUT之间添加输入参数如下。INPUTINN_DIANUMBER；轴承内径OUT_DIANUMBER；轴承外径WIDE_BNUMBER；轴承宽度ENDINPUT然后在打开记事本中，最后一个ADDPART和ENDADD之后添加如下语句。EXECUTEPARTT276_1_NN_DIAINN_DIAW_DIAOUT_DIAWIDE_BWIDE_BENDEXECUTEEXECUTEPARTT276_1_QN_DIAINN_DIAW_DIAOUT_DIAWIDE_BWIDE_B图815调入第一个零件图图816调入第二个零件图图817调入第三个零件图ENDEXECUTEEXECUTEPARTT276_1_WN_DIAINN_DIAW_DIAOUT_DIAWIDE_BWIDE_BENDEXECUTE存盘并退出记事本，确定修改程序，输入参数值如INN_DIA30,OUT_DIA42,WIDE_B7，零件如图818所示，图819是将外环零件透明处理后的效果。835各种参数的轴承此时，T276深沟球轴承的参数化设计已经完成，运行程序，改变各项参数系统会自动再生得到不同形状和尺寸的轴承，如图820、图821、图822所示。轴承1轴承2轴承3轴承内径40轴承内径25轴承内径20轴承外径52轴承外径47轴承外径32轴承宽度7轴承宽度12轴承宽度7图818程序控制的装配模型图819外环透明后的效果图结语本文探讨了CAD建模中特征和约束理论，分析了特征的层次性以及不同特征之间的映射，通过实例介绍了PRO/E中特征造型和参数化设计方法的具体应用。实践证明，对于机械通用件，采用这种造型与设计方法，减去了数字化建模过程中烦琐且重复性的工作，实现了设计自动化和高效化。另外本文实现了基于精确的齿轮轮廓方程的渐开线齿轮三维建模和蜗轮蜗杆的三维建模，因此，模型精度高，为后续齿轮机构的动态仿真、干涉检查、有限元分析等提供了良好的基础。参数化设计将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。其优化设计思想对其他行业同样有参考和借鉴价值。图820轴承1图821轴承2图822轴承3致谢参考文献1李钒，武殿梁，洪军等基于工业设计和先进制造技术的产品快速开发J机械制造业自动化，2002,24425292SHAHJJASSESSMENTOFFEATURETECHNOLOGYJCOMPUTETAIDEDDESIGN，1991,2353313433孙家广计算机辅助设计技术基础M北京清华大学出版社，20004柯映林等著反求工程CAD建模理论、方法和系统M北京机械工业出版社，20055THOMPSONWB，OWENJC,JAMESH,，ETCFEATUREBASEDREVERSEENGINEERINGOFMECHANICALPARTSCIEEETRANSACTIONONROBOTICSANDAUTOMATION，1999,15（1）57666唐俊PRO/ENGINEER中文野火版应用教程M北京清华大学出版社，20047钟毅芳，杨家军，程德云等机械设计原理与方法M武汉华中科技大学出版社，20028黄恺，李雷，刘杰等编著PRO/E参数化设计高级应用教程M北京化学工业出版社，2008附录APRO/E齿轮参数中英文对照英文齿轮参数中文齿轮参数NUMBEROFTEETH齿数NORMALMODULE法向模数TRANSVERSEMODULE端面模数ADDENDUMMODIFICATIONFACTOR变位系数REFERENCEDIAMETER分度圆直径TIPDIAMETER齿顶圆直径ROOTDIAMETER齿根圆直径BASEDIAMETER基圆直径LEAD导程NORMALPRESSUREANGLE法向压力角TRANSVERSEPRESSUREANGLE端面压力角HELIXANGLE分度圆螺旋角BASEHELIXANGLE基圆螺旋角HANDOFHELIX旋向CIRCULARTHICKNESSONDP分度圆上弧齿厚CHORDALADDENDUM弦齿高BACKLASH总侧系CENTERDISTANCE中心距TOOTHTIPFILLETANGLEREFEREDTOAXIS齿顶倒角NUMBEROFTEETHOFMATINGGEAR配对齿轮齿数TOOTHEDGEAR；GEAR齿轮GEARPAIR齿轮副TRAINOFGEARS齿轮系PLANETARYGEARTRAIN行星齿轮系GEARDRIVE；GEARTRANSMISSION齿轮传动MATINGGEARS配对齿轮PINION小齿轮WHEEL；GEAR大齿轮DRIVINGGEAR主动齿轮DRIVENGEAR从动齿轮RINGGEAR；ANNULUSGEAR内齿圈EXTERNALGEAR外齿轮INTERNALGEAR内齿轮CENTREDISTANCE中心距LINEOFCENTRES连心线SPEEDREDUCINGGEARPAIR减速齿轮副SPEEDINCREASINGGEARPAIR增速齿轮副GEARRATIO齿数比TRANSMISSIONRATIO传动比AXIALPLANE轴平面DATUMPLANE基准平面PITCHPLANE节平面TRANSVERSEPLANE端平面NORMALPLANE法平面REFERENCESURFACE分度曲面PITCHSURFACE节曲面TIPSURFACE齿顶曲面ROOTSURFACE齿根曲面BASICTOOTHPROFILE基本齿廓BASICRACK基本齿条TOOTHSPACE齿槽RIGHTHANDTEETH右旋齿LEFTHANDTEETH左旋齿GEARSWITHADDENDUMMODIFICATION；变位齿轮ADDENDUMMODIFICATIONFACTOR变位系数MODIFICATIONCOEFFICIENT变位系数CYLINDRICALGEAR圆柱齿轮TIPCIRCLE顶圆ROOTCIRCLE根圆PITCH齿距ANGULARPITCH齿距角BASETANGENTLENGTH公法线长度REFERENCEDIAMETER分度圆直径PITCHDIAMETER节圆直径FILLETRADIUS齿根圆角半径TOOTHDEPTH齿高WORKINGDEPTH工作高度ADDENDUM齿顶高DEDENDUM齿根高CHORDALHEIGHT弦齿高FACEWIDTH齿宽NOMINALPRESSUREANGLE齿形角INVOLUTE；渐开线PROFILEMODIFICATION；齿廓修型TIPRELIEF修缘ROOTRELIEF修根TRANSVERSEPATHOFCONTACT端面啮合线SURFACEOFACTION啮合曲面PLANEOFACTION啮合平面STANDARDGEARS标准齿轮REFERENCRCENTREDISTANCE标准中心距BASICCYLINDER基圆柱面TIPCYLINDER齿顶圆柱面ROOTCYLINDER齿根圆柱面PITCHPOINT节点PITCHLINE节线REFERENCECIRCLE分度圆PITCHCIRCLE节圆BASICCIRCLE基圆OFFSET偏置距ADDENDUMANGEL齿顶角DEDENDUMANGLE齿根角PRESSUREANGLEATAPOINT任意点压力角SPIRALANGLEATAPOINT任意点螺旋角WORM蜗杆WORMWHEEL蜗轮WORMGEARPAIR蜗杆副CYLINDRICALWORM圆柱蜗杆CYLINDRICALWORMPAIR圆柱蜗杆副STRAIGHTSIDEDAXIALWORM；ZAWORM阿基米德蜗杆INVOLUTEHELICOIDWORM；ZIWORM渐开线蜗杆附录B介绍压缩机单螺杆专用加工机床的更新时间本文从四个方面介绍了国内现有单螺杆加工机床的布局和结构，并把优缺点一一列举出来，由于压缩机生产厂的单螺杆加工机床和机床资料对外保密，以上介绍难免有片面、不妥之处，因此仅供单螺杆压缩机生产厂参考。一、介绍机床的布局压缩机排气量的大小决定了星轮、螺杆直径的大小和啮合中心距的大小，因此螺杆直径的不同，机床的主轴与刀具的回转中心也不同。为满足加工不同直径的螺杆，目前国内单螺杆加工机床的布局大致有以下几种方案。第一种机床的主轴与刀具回转中心的中心距为固定式机床的主轴与刀具回转中心的中心距为固定式，中心距不可调整。加工几种直径的螺杆就需要几种中心距规格不同的机床。优点机床的结构简单。缺点每种机床只能加工一种规格的螺杆，当市场上某种规格的压缩机螺杆需要量大时，造成一台机床加工，其他机床闲置。第二种机床的主轴箱为可回转式机床可根据加工螺杆直径的大小在加工前把主轴箱旋转一个角度。这种主轴箱能够回转的机床是对上述第一种机床在使用方法上的改进，与第一种机床的结构基本相同。优点机床的结构简单，能适应多种规格螺杆的加工。缺点1主轴箱旋转后主轴回转中心线与刀具回转中心线间的距离不易精确测量。缺点2主轴箱旋转后主轴前端面与刀具的回转中心线间的距离减少，因此加工较大直径的螺杆受到限制。第三种机床的主轴箱为横向移动式主轴箱底部与底座之间布置有矩形滑动导轨，主轴箱移动的方向垂直于主轴回转中心线并垂直于刀具回转中心线。主轴箱的动力通过花键轴传给底座内的刀具进给机构。根据加工螺杆直径的大小，在加工前用手轮丝杠进给机构把主轴箱移动到适当位置，然后用螺钉将主轴箱固定在底座上。主轴箱的移动距离可用光栅尺检测，位置误差0005MM。采用主轴箱可横向移动的一个机床就可以加工直径95385MM之间任何一种规格的螺杆。由于加工95385MM直径的螺杆，造成主轴前端面与刀具回转中心线间的距离差值过大，因此在实际应用时设计成两种规格的机床，一个机床加工95205MM直径的螺杆，另一个机床加工180385MM直径的螺杆。优点机床能适应多种规格螺杆的加工，每种规格的螺杆不需要配备相应的加工机床。缺点机床的结构和机床的装配较前二种机床复杂，机床的造价也较前二种机床高。二、介绍机床的主轴结构机床主轴箱的水平主轴和底座上的立式的主轴精度的高低决定了被加工螺杆的精度，同时螺杆在压缩机中以几千转的速度高速旋转时，精度较差的螺杆会使压缩机产生发热、振动、效率低、磨损快等现象。国内目前现有的单螺杆加工机床主轴结构大致有以下两种方案。第一种轴承径向游隙不可调的主轴结构主轴前轴承采用1个双列圆柱滚子轴承和两个推力球轴承组合，该主轴使用双列圆柱滚子轴承承受径向切削力，使用两个推力球轴承承受轴向切削力。主轴后轴承一般采用1个双列圆