【正文】 基于Pro/E的齒輪類零件參數(shù)化設(shè)計摘 要：基于Pro/E開發(fā)平臺，應(yīng)用Pro/TOOLKIT工具包以及VC++，通過在VC++，例如模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、壓力角、變位系數(shù)等，可以得到相應(yīng)的漸開線齒輪，從而滿足設(shè)計要求。實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)可以大幅度提高工作效率。該系統(tǒng)的建立方法亦可應(yīng)用于其他零件的參數(shù)化設(shè)計。關(guān)鍵詞：Pro/E；齒輪；參數(shù)化設(shè)計；建模Abstract: based on Pro/E platform，a gear parametric design system is developed applying Pro/TOOLKIT application development kit and VC++. Through changing the gear parameters in the application interface, such as modulus, number of teeth, tooth width, pressure angle, variable coefficient, etc, the corresponding involute gear to meet the design requirements can be gotten. The application shows that the system can greatly improve efficiency. The establishment of the system method can be applied to other parts， is not confined to the parameters of gear design.Keywords：Pro/E；Gear；Parametric Design；Modeling前 言隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，三維造型技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。漸開線齒輪由于能保證特定傳動比、受力方向不變等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于各種通用機械中，但因其齒廓形狀和輪體結(jié)構(gòu)復雜多變而成為三維造型技術(shù)的難點。Pro/E為解決這一難題提供了方便，它是美國參數(shù)技術(shù)公司( Parametric Technology Corporation, 簡稱PTC) 推出的用于產(chǎn)品三維模型設(shè)計、加工、分析及繪圖等的CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)，并以參數(shù)化驅(qū)動、單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫、功能齊全的模塊等強大優(yōu)勢而占據(jù)重要地位, 目前已在我國的機械、汽車、電子、塑料模具、航空航天和船舶等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Pro/ E是當前世界上最先進的、面向制造行業(yè)的CAD/CAM/CAE高端軟件。作為一個集成的全面產(chǎn)品解決方案，Pro/E軟件使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。參數(shù)化造型就是通過參數(shù)化建模來構(gòu)造產(chǎn)品的幾何模型, 通過參數(shù)化造型設(shè)計不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,并且可以進行現(xiàn)有產(chǎn)品的系列化設(shè)計。齒輪是應(yīng)用最為廣泛的通用機械零件，廣泛用在各種傳動中，如減速器、傳動裝置和汽車的變速箱等。直齒圓柱齒輪是制造其它齒輪的基礎(chǔ), 也是最通用的齒輪。對于這些需要經(jīng)常使用的通用機械零件, 如果每次都要設(shè)計計算，工作量大而且繁瑣，屬于重復無效勞動。因此, 正確的方法應(yīng)該是建立參數(shù)化的通用模型，設(shè)計新的齒輪時，根據(jù)需要輸入齒輪的參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒輪寬度等數(shù)據(jù)，就可以自動生成新的齒輪。齒輪類零件是組成機器的重要部分，是最常用的機械零件，也是機械產(chǎn)品中運動部件設(shè)計的核心。但是齒輪類零件的設(shè)計與繪圖是十分繁瑣且重復性很大的工作，傳統(tǒng)的人工設(shè)計方法費時費力，且容易出錯，設(shè)計人員將大量的時間和精力花費在一些重復性的工作上，缺乏更多的時間去進行創(chuàng)造性設(shè)計，導致產(chǎn)品開發(fā)周期長、產(chǎn)品質(zhì)量差、市場競爭力弱等后果，然而，CAD技術(shù)推動了幾乎一切領(lǐng)域的設(shè)計革命，對加速工程建設(shè)和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強企業(yè)的市場競爭能力與創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。在實際應(yīng)用中，由于用戶的設(shè)計要求及生產(chǎn)條件的多樣性，這些CAD軟件往往難以完全適應(yīng)，因此，在具體CAD應(yīng)用中還需要進行二次開發(fā)，以滿足用戶的需求，使其更符合企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計需要。本文采用二次開發(fā)工具Pro/TOOLKIT，在VC 環(huán)境下，基于機械CAD 軟件Pro/ E 開發(fā)了齒輪參數(shù)化造型設(shè)計系統(tǒng)，來解決齒輪三維實體參數(shù)化造型設(shè)計這一類問題。1 緒 論 機械CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)技術(shù)，是綜合地利用計算機的工程計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理功能和人的經(jīng)驗與判斷能力結(jié)合，形成一個專門系統(tǒng)，用來進行各種圖形設(shè)計和圖形繪制，對所設(shè)計的部件、構(gòu)件或系統(tǒng)進行綜合分析與模擬仿真實驗。它是近十幾年來形成的一個重要的計算機應(yīng)用領(lǐng)域。在汽車、飛機、船舶、集成電路、大型自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，CAD技術(shù)有愈來愈重要的地位，在有關(guān)設(shè)計計算模塊與繪圖模塊的參數(shù)接口及程序化繪圖研究也具有重要的價值。在CAD軟件發(fā)展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即Computer Aided Drawing(or Drafting)，而非現(xiàn)在我們經(jīng)常討論的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內(nèi)容。CAD技術(shù)以二維繪圖為主要目標的算法一直持續(xù)到70年代末期，以后作為CAD技術(shù)的一個分支而相對單獨、平穩(wěn)地發(fā)展。早期應(yīng)用較為廣泛的是CAD/CAM軟件，近十年來占據(jù)繪圖市場主導地位的是Autodesk公司的AutoCAD軟件。在今天中國的CAD用戶特別是初期CAD用戶中，二維繪圖技術(shù)逐漸再向三維方向發(fā)展。三維CAD技術(shù)在幾十年的發(fā)展過程中，大致經(jīng)歷了四次飛躍：曲面造型技術(shù)、實體造型技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)、變量化技術(shù)。1）曲面造型技術(shù)進入70年代，正值飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展時期。飛機及汽車制造中遇到的大量自由曲面問題，隨著貝賽爾算法的提出，使得人們在用計算機處理曲線及曲面問題時變得可以操作，開發(fā)出了以表面模型為特點的自由曲面造型技術(shù)，推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA。曲面造型系統(tǒng)的出現(xiàn)，標志著計算機輔助設(shè)計技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實現(xiàn)以計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時也使得CAM技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎(chǔ)，改變了以往只能借助油泥模型來近似準確表達曲面的落后的工作方式，使產(chǎn)品開發(fā)手段比舊的模式有了質(zhì)的飛躍，新產(chǎn)品開發(fā)速度大幅度提高。2）實體造型技術(shù)隨著技術(shù)的進步，計算機輔助工程分析(CAE)的需求日益高漲，CAE要求能獲得形體的完整信息，由于表面模型技術(shù)只能表達形體的表面信息，而線框和曲面造型對形體的表述都不完整，則難以準確表達零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等。基于對CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)發(fā)展的研究，提出了實體造型技術(shù)。由于實體造型技術(shù)能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達，給設(shè)計帶來了驚人的方便性。3）參數(shù)化技術(shù)20世紀80年代中期，CAD技術(shù)的研究又有了重大進展，此時提出了參數(shù)化實體造型技術(shù)。它的主要特點是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。參數(shù)化技術(shù)徹底克服了自由緘默的無約束狀態(tài)，由尺寸決定實體造型的幾何形狀。尺寸驅(qū)動已經(jīng)成為當今造型系統(tǒng)的基本功能。如果想修改零件形狀的話，只需修改一下尺寸的數(shù)值就可以實現(xiàn)形狀上的改變。這種新構(gòu)想最先在PTC公司(Parametric Technology Corp)的軟件Pro/E中成為現(xiàn)實。由于參數(shù)化技術(shù)的成功應(yīng)用，使得它很快成為CAD業(yè)界的標準，許多軟件廠商紛紛追趕。由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度下降，參數(shù)化技術(shù)充分體現(xiàn)出其在通用件、零部件設(shè)計上存在的簡便易行的優(yōu)勢。4）變量化技術(shù)針對參數(shù)化系統(tǒng)的局限，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進的實體造型技術(shù)—變量化技術(shù)。變量化造型技術(shù)保留了參數(shù)化技術(shù)基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改的優(yōu)點，但是在約束定義方面做了一定的改變。變量化造型技術(shù)將所需定義的尺寸“參數(shù)”進一步區(qū)分為形狀約束和尺寸約束，而不僅僅是用尺寸來約束全部幾何。通常在新產(chǎn)品開發(fā)的概念設(shè)計階段，設(shè)計者首先考慮的是設(shè)計思想及概念，并將其體現(xiàn)在某些幾何形狀之中。但是這些幾何形狀嚴格的尺寸定位關(guān)系并不能在設(shè)計的初始階段完全確定，所以希望在初始階段能夠允許欠尺寸約束的存在。 變量化技術(shù)為CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機遇。隨著世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和科學技術(shù)的騰飛，市場不斷國際化全球化，各行各業(yè)的競爭日益激烈。企業(yè)要想在殘酷的競爭中生存下來謀求發(fā)展，就要想方設(shè)法提高競爭力。縮短新產(chǎn)品的研發(fā)和開發(fā)時間，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低研發(fā)成本，進行創(chuàng)新性設(shè)計，只有這樣，才能滿足市場不斷變化的需求。在這樣的形勢下，企業(yè)為了自身的生存和發(fā)展，增強市場競爭力，越來越多地采用CAD技術(shù)。Pro/ E(以下稱Pro/E)軟件是當前廣泛使用的三維CAD軟件中的典型代表，同其他CAD/CAM軟件一樣，針對具體企業(yè)或不同產(chǎn)品，Pro/E軟件在使用過程中也存在著通用性有余，專用性不足的問題，特別是國外CAD/CAM軟件在產(chǎn)品設(shè)計標準、規(guī)范及標準件庫等方面和國內(nèi)存在著差異，因而難以最大效益地發(fā)揮軟件的功能。事實上，參數(shù)化技術(shù)和變量化技術(shù)已經(jīng)成為了當今主流CAD軟件的兩大流派。兩種造型理論相互依存，共同發(fā)展。我國CAD技術(shù)的引進是從60年代開始的，最早起步于航空工業(yè)，最近幾年發(fā)展很快，現(xiàn)已在機械、電子、建筑、汽車、服裝等行業(yè)逐步進入實用階段。CAD技術(shù)最早起步于航空工業(yè)，最近幾年發(fā)展很快，現(xiàn)已在機械、電子、建筑、汽車、服裝等行業(yè)逐步進入實用階段。其中，以機床、汽車、飛機、船舶等應(yīng)用最為廣泛。一個產(chǎn)品的設(shè)計過程要經(jīng)過概念設(shè)計、詳細設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個階段。概念設(shè)計主要解決產(chǎn)品的造型外觀，在滿足功能的前提條件下，使產(chǎn)品外觀精致美觀。詳細設(shè)計是要確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，各個零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以又稱為部件設(shè)計，包括各零件的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析主要包括有限限元分析，將對各部件及產(chǎn)品整體的結(jié)構(gòu)進行力學性能、熱學性能的分析。仿真模擬則主要是對產(chǎn)品進行裝配模擬，運動機構(gòu)模擬，進行干涉、碰撞分析等等。CAD技術(shù)可以說貫穿于整個設(shè)計過程，從產(chǎn)品方案的選擇到整機的可生產(chǎn)性、可維持性和可循環(huán)利用性等進行全面設(shè)計，因此在機械制造中廣泛應(yīng)用。 本課題的研究目的與意義齒輪是多參數(shù)驅(qū)動的標準機械零件, 在Pro/E中由于沒有機械零件的標準庫, 齒輪的設(shè)計步驟多、工作量大。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)所構(gòu)造的產(chǎn)品模型都是幾何圖素（如點、線、圓等）的簡單堆疊，僅僅描述了設(shè)計產(chǎn)品的可視化形狀，而不包含設(shè)計者的設(shè)計思想，因此難以對產(chǎn)品模型進行改動，并生成新的產(chǎn)品實例。目前很多企業(yè)為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大部分產(chǎn)品的設(shè)計都是改進型設(shè)計，大約70%的新產(chǎn)品的設(shè)計都要重新利用原來的產(chǎn)品模型，于是參數(shù)化設(shè)計的概念在這樣的背景下應(yīng)運而生。近年來隨著三維設(shè)計軟件的應(yīng)用越來越普遍，齒輪的三維建模成為設(shè)計中經(jīng)常要進行的工作。齒輪的三維實體精確建模對于齒輪的有限元分析、動力學分析、數(shù)字樣機和系統(tǒng)仿真來說是必不可少的。齒輪的三維建模較為復雜, 涉及到很多公式和建模技巧,，特別是對于錐齒輪、斜齒輪以及渦輪蝸桿來說, 建模過程十分繁瑣, 提高齒輪的設(shè)計效率具有重要的實際工程意義； 另一方面, 三維CAD軟件Pro/E功能十分強大, 采用了較為先進的技術(shù), 如全參數(shù)化實體建模技術(shù)，數(shù)據(jù)全相關(guān)等， 現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于機械和電子領(lǐng)域, 有著廣泛的用戶群。Pro/ E是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的三維實體造型系統(tǒng)，其參數(shù)化特征造型在保證幾何、拓撲關(guān)系不變的情況下，以單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)模型的快速再生；它的二次開發(fā)接口使用戶可以在自己開發(fā)的程序中對零件進行各種操作和控制，從而實現(xiàn)程序化設(shè)計。本課題使用的研究方法是參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計也叫尺寸驅(qū)動，是CAD技術(shù)在實際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。所謂參數(shù)化設(shè)計即是在設(shè)計中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式是確定的，它需要根據(jù)某些具體的條件和具體的參數(shù)來決定產(chǎn)品某一結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計出不同規(guī)格的產(chǎn)品。其本質(zhì)是對統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品通過修改尺寸來生成新規(guī)格的產(chǎn)品，利用計算機來進行參數(shù)化CAD設(shè)計，只需在計算機上輸入機械零件的幾個關(guān)鍵參數(shù)，就會準確地、自動地生成工程樣圖。在參數(shù)化設(shè)計中，一般用一組參數(shù)來定義幾何圖形的尺寸數(shù)值并約定尺寸關(guān)系，提供給設(shè)計者進行幾何造型使用。參數(shù)化設(shè)計一般用于設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)形狀比較固定，可以有一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，參數(shù)的求解較簡單，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯式對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動。以Pro/E為開發(fā)平臺，開發(fā)齒輪三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng), 只需改變齒輪的相關(guān)參數(shù),如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒寬等, 系統(tǒng)即可自動實現(xiàn)齒輪的設(shè)計變更, 提高了設(shè)計效率。在Pro/E環(huán)境下可以根據(jù)齒輪傳動的基本規(guī)律和漸開線齒形的生成原理來進行漸開線齒輪的精確造型，同時還能實現(xiàn)齒輪的參數(shù)化建模，從而實現(xiàn)了齒輪系列化設(shè)計，使設(shè)計人員從繁重的繪圖工作中解脫出來。使用Pro/E進行的齒輪參數(shù)化造型具有如下意義：（1）利用方程創(chuàng)建出精確的漸開線曲線，提高漸開線齒輪的精確性。（2）通過改變相關(guān)參數(shù)及關(guān)系式，能夠快速建立產(chǎn)品的參數(shù)化模型，確定主要參數(shù)和修改定型，避免了手工造型的復雜繁瑣過程，為后續(xù)機構(gòu)運動學、動力學仿真分析及零件數(shù)控加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。（3）給齒輪在機械設(shè)計、制造及CAE中帶來很大方便。1)零件結(jié)構(gòu)拆分及特征尺寸確定零件特征造型過程中，應(yīng)按其本身的功能和建模的特點，將零件拆分為相應(yīng)各個結(jié)構(gòu)，并分別找出建立其實體模型的基本特征。為使所建立的模型盡量反映零件的基本特征,一些不重要的或不具有普遍性的細節(jié)，如倒角等可省略，以免加大參數(shù)化的工作量。2)創(chuàng)建實體模型零件上的特征主要通過參數(shù)和幾何約束關(guān)系來相互關(guān)聯(lián), 尺寸之間的關(guān)系分為2 種: 一種是自定義的各種外部參數(shù)和零件的被約束尺寸的關(guān)系。 另一種是模型內(nèi)部特征之間的內(nèi)部約束關(guān)系, 它是指零件的幾何元素之間約束關(guān)系, 例如: 平行、垂直、相切、同心等。在創(chuàng)建模型時, 這些幾何約束關(guān)系同時被創(chuàng)建, 當模型被修改時, 這些關(guān)系可以自動保持設(shè)計者的意圖不變。一個特