【文章內(nèi)容簡介】 入研究參數(shù)化設計 ，同時研究了基于 Pro/ENGINEER 的單 級 齒輪 減速箱 主要部件的虛擬裝配和機構運動仿真系統(tǒng)的開發(fā)步驟，主要內(nèi)容有： 從齒輪有關的數(shù)據(jù)中選取幾個重要參數(shù)作為特征參數(shù)，利用 Pro/ENGINEER西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 4 進行建模，并且引入特征參數(shù)，通過調整參數(shù)再生出適合裝配需要的齒輪 為單級 減速箱 的其他零部件（底座，軸，軸套，軸承，鍵等）進行建模，完成整體裝配并使用機構仿真生成演示動畫 。 :用于機械三維設計的主流軟件主要有： UG， Soildworks, Pro/e 等，其中 Pro/E 操作相對簡 單，工具設置明了，曲面造型能力強，裝配和后期修改方便，本設計擬采用 Pro/E。 齒輪 特征參數(shù)：本設計選取的特征參數(shù)有：齒數(shù) Z，模數(shù) m，壓力角α，齒頂高系數(shù) HA 和頂隙系數(shù) C，根據(jù)實際情況賦值。根據(jù)上述特征參數(shù)可計算出：基圓，齒根圓，分度圓，齒頂圓等尺寸 ：參數(shù)化造型可以用于結構比較固定的簡單零件，可以使用一組參數(shù)來控制零件外形特征。 :完成底座 ,齒輪 ,軸和其他附件的裝配，并進行干涉檢查。 ：裝配完成后設置齒輪副連接，并且在主動軸上定義伺服電機，利用機構分析產(chǎn) 生 運動 分析結果， 是否產(chǎn)生碰撞或干涉， 如通過分析，則生成分析結果文件并 通過動畫組件捕捉動畫 本章小結 本章主要講述了設計選題的背景，意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對設計實現(xiàn)的主要方案和方法做了概述。 2 總體方案設計 5 2 總體方案設計 概述 齒輪傳動作為人們工業(yè)生產(chǎn)過程中最為常見的傳動方式，已經(jīng)成為了一種廣泛應用的專門部件，對各種齒輪的需求也是逐步增多，由于使用環(huán)境和情況的不同形成了一個個的系列產(chǎn)品，現(xiàn)在國家制定了一系列標準，并由專門工廠大量生產(chǎn)制造。在這樣的情況下如果整個系列都需要一一設計的話工作量相當驚人，并且 浪費了人力物力，延長了設計周期。 本設計以圓柱齒輪 減速箱 為例，利用 Pro/E 作為繪圖軟件，使用其參數(shù)化，虛擬裝配，機構仿真等功能，進行系統(tǒng)的參數(shù)化設計，由于 Pro/E 是實體化參數(shù)造型，這一特點在虛擬裝配時可以更加直觀明了，使整體設計高效、優(yōu)質，避免了相似零件的重復造型，提高了設計效率和設計質量，具有一定實用性和延伸性。在 國內(nèi) 現(xiàn)有的研發(fā)條件下，不少小廠商技術力量薄弱，需要先進的技術和軟件， Pro/E 易用，應用全面，本設計可以為他們提供一些設計的理論依據(jù)，拓寬一些設計思路。 系統(tǒng)可行性分析 Pro/ENGINEER 軟件系統(tǒng)是美國參數(shù)化技術公司 PTC 的優(yōu)秀產(chǎn)品 ,提供了集成產(chǎn)品的三維模型設計、加工、分析及繪圖等功能的完整的 CAD/CAE/CAM 解決方案。 Pro/ENGINEER 軟件在 國內(nèi) 的機械、電子、家電、塑料模具等行業(yè)取得了廣泛的應用 ,并且在這些行業(yè)里應用的時間也較長。企業(yè)在自身發(fā)展和使用Pro/ENGINEER 的過程之中積累了許多有用的寶貴的數(shù)據(jù)、企業(yè)自身的標準以及特殊圖形等參數(shù)資料 ,如果能把這些參數(shù)資料整理出來 ,然后再把這些參數(shù)資料掛靠在 Pro/ENGINEER 軟件系統(tǒng)的主菜單和彈出式菜單上 ,即編譯生成應用程序與 Pro/ENGINEER 軟件系統(tǒng)進行無縫連接 ,這樣一來 ,不但能提高設計人員的設計速度 ,對市場需求做出快速反應 ,設計出滿足市場需求的產(chǎn)品 ,及時贏得市場份額 ,而且還能夠提高企業(yè)的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益 其次 ,由于 Pro/ENGINEER 軟件具有廣而博的通用性 ,使它在具體應用時不能直接處理特定的產(chǎn)品 ,再加上國外觀念、設計標準、規(guī)范、及標準件庫等方面和國內(nèi)的設計、使用等方面存在較大的差異 ,在使用該軟件進行具體特定的產(chǎn)品設計時可能會感到困難和不方便 ,因此 ,為了使 Pro/ENGINEER 軟件能夠在特定的 企業(yè)和特定產(chǎn)品設計中最大限度的發(fā)揮起潛力和創(chuàng)造效益 ,需要對 Pro/ENGINEER軟件進行二次開發(fā) ,因此 , Pro/ENGINEER 二次開發(fā)目的就是把 Pro/ENGINEER 軟件進一步充實、完善、改進成為用戶實用的三維 CAD 應用軟件 ,也是眾多使用西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 6 Pro/ENGINEER 企業(yè)的一項非常迫切和重要的工作。 [10] 漸開線圓柱齒輪設計的理論己經(jīng)比較成熟，計算公式、設計步驟及判別標準都較為清楚，數(shù)據(jù)資料充分，經(jīng)標準化工作，產(chǎn)品設計已經(jīng)基本實現(xiàn)“系列化、標準化、通用化” [11]而且， Pro/E 的所有模塊數(shù)據(jù)都是相關 的。這說明在繪制的過程中，對某一數(shù)據(jù)的修改可以體現(xiàn)到整體的設計當中。這使得工作人員可以相對方便的通過修改某一點達到修改整個模型的效果，現(xiàn)在已經(jīng)有很多使用者通過已經(jīng)設置特征參數(shù)，修改其賦值再生生成相似的產(chǎn)品，實現(xiàn)了產(chǎn)品的快速開發(fā)。 系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術及應用 參數(shù)化設計技術 目前，參數(shù)化設計已經(jīng)成為 CAD 中最熱門的應用技術之一，能否實現(xiàn)參數(shù)化設計便成為評價 CAD 系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術指標，這是因為它更符合和貼近現(xiàn)代 CAD 中概念設計以及并行設計思想，工程設計人員設計開始階段可快速草擬產(chǎn)品的零件圖 ，通過對產(chǎn)品形狀及大小的約束，最后精確成圖。同一系列產(chǎn)品的第二次設計可直接通過修改第一次設計來實現(xiàn)，設計參數(shù)不但可以驅動設計結果，而且影響產(chǎn)品的整個開發(fā)周期，設計參數(shù)可能來自于其他系統(tǒng)。除此之外，參數(shù)化設計是變量化設計的前提，借助變量化設計思想可實現(xiàn)動態(tài)設計、機構設計的運動仿真模擬等。除此之外，參數(shù)化設計還能夠使設計人員在設計的同時實現(xiàn)參數(shù)化建庫工具的研究對進一步提高設計和繪圖效率以及柔性化設計具有十分重要的意義。 [12] 參數(shù)化設計是通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改已定義好的零件參數(shù)，自動完 成對圖形中相關部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅動。參數(shù)驅動的方式便于用戶修改和設計。用戶在設計輪廓時無需準確的定位和定形，只需勾畫出大致輪廓然后通過修改標注的尺寸值來達到最終的形狀，或者只需將零件的關鍵部分定義為某個參數(shù)，通過對參數(shù)的修改實現(xiàn)對產(chǎn)品的設計和優(yōu)化。參數(shù)化設計極大的改善了圖形的修改手段，改良了設計的柔性，在概念設計、動態(tài)設計、實體造型、裝配、公差分析與綜合、機構仿真，優(yōu)化設計等領域發(fā)揮著越來越大的作用，體現(xiàn)出很高的應用價值。 [13] 參數(shù)化設計是現(xiàn)代工業(yè)設計的一個重要思想，繪制的整體可以看做一個圖元，每個圖元由各個構件構成，通過選取和修改各個構件的特征參數(shù)，可以在其他的相關聯(lián)部分反映出來，無需對所有構件逐一修改，從而提高了工作效率和質量。 在整個系統(tǒng)中，設計人員根據(jù)工程和幾何關系，要設置一些特征參數(shù)的初值，其分為可變參數(shù)和不變參數(shù)，同時設置各特征參數(shù)之間的相互關系，在每次對可變參數(shù)做出修改的時候，也要相應的對參數(shù)相關的關系式作出一定的修改，這樣一來，參數(shù)化設計使模型的生成和修改速度大大提高，在系列產(chǎn)品和西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 7 相似產(chǎn)品開發(fā)過程當中有非常大的應用價值。 參數(shù)化設計的基本手段有程序驅動與尺寸驅動。程序驅動法是通 過分析圖形幾何模型的特點 ,確定模型的主參數(shù)以及各尺寸間的數(shù)學關系 ,將這種關系輸入程序中 ,進而在零件設計時只要輸入幾個參數(shù)就可生成所要求的模型。尺寸驅動是對程序驅動的擴展 ,它的基本思想是由應用程序生成所涉及的基圖 ,該圖的尺寸有一系列的標識 ,這些尺寸由用戶在編程時輸入或交互式輸入 ,從而生成用戶的模型。 [2] 虛擬裝配技術 虛擬裝配是虛擬制造的重要部分，這是一種基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品虛擬拆裝技術，主要應用于新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品的操作培訓方面。可以驗證整個裝配設計的正確性，可視化實現(xiàn)裝配過程，以便及早發(fā)現(xiàn)裝配 中的問題，對模型進行修改。虛擬裝配技術是虛擬制造技術的一個關鍵部分，但同時也是相對于其他部分最薄弱的環(huán)節(jié)，它的發(fā)展相對滯后，應用性不盡如人意，因此，虛擬裝配技術也成為了業(yè)內(nèi)研究的主要對象，如果這一環(huán)節(jié)被解決將讓整個虛擬制造系統(tǒng)更加完善，真正的使整個系統(tǒng)變得高效，快速，低成本，高質量的完成生產(chǎn)設計任務。 虛擬裝配將從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計和制造模式，在實際 生成 之前，首先在虛擬制造環(huán)境中完成虛擬產(chǎn)品原型代替實際產(chǎn)品進行試驗，對其性能和可裝配性等進行評價，從而達到整個產(chǎn)品全局最優(yōu)，縮短產(chǎn)品設計與制造周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品快速響應市場變化能力。 [14] 機構仿真技術 仿真技術是通過計算機技術來模擬真實世界，借助系統(tǒng)建模技術和可視化技術來實現(xiàn)仿真過程。 Pro/ENGINEER 提供了完善的仿真功能，使用三維實體建模創(chuàng)建模型后，即可模擬模型的運動過程、分析機構的運動軌跡、位移以及干涉的問題。它是以相似原理、信息系統(tǒng)、系統(tǒng)技術及其相關領域有關的專業(yè)技術為 基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行實驗研究的一門綜合性技術 .[12] 利用計算機實現(xiàn)仿真不僅方便靈活，而且也非常經(jīng)濟，所以它在工業(yè)設計領域中有著非常重要的地位，可以將整體的可裝配性用視覺的直觀方式展現(xiàn)在大家眼前，并可將結果輸出為多種可播放文件。 本章小結 本章對整體系統(tǒng)做了可行性分析，大致介紹了系統(tǒng)中用到的關鍵技術：參數(shù)化設計，虛擬裝配和機構仿真技術。3 齒輪的參數(shù)化建模 8 3 齒輪的參數(shù)化建模 概述 使用 Pro/ENGINEER 進行產(chǎn)品設計時，最重要且最復雜的工作就是 創(chuàng)建 三維實體模型。 本章主要講解了漸開線齒輪中的直齒，斜齒，人字形圓柱齒輪的生成原理，詳細說明了其實體造型的參數(shù)化設計步驟。 齒輪的參數(shù)化建模 特征參數(shù)的選擇 利用 Pro/ENGINEER 繪制齒輪時，首先要進行初步設計，即選取基本的特征參數(shù)。漸開線齒輪進行設計的時候可先將重要關聯(lián)量進行參數(shù)化，當需要不同的漸開線齒輪齒廓的時候，只要改變這些參數(shù)化的量，即可再生，無需重新建模。 現(xiàn)以直齒圓柱齒輪的參數(shù)化設計為例，做詳細講解。 本設計選取的直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)有：齒數(shù) Z、模數(shù) m、壓力角 α、齒頂高系數(shù) HA和頂隙系數(shù) C。 齒數(shù) Z： 齒輪上的每一個用于嚙合的凸起部分 稱為輪齒，它的數(shù)量即為齒數(shù) Z，傳動過程中的兩齒輪傳動比 i即為齒數(shù)比（ Z1/Z2） 。 模數(shù) m：它 是決定齒輪尺寸的一個基本參數(shù) 。 齒數(shù)相同的齒輪模數(shù)大，則其尺寸也大 。 為了便于制造 ， 檢驗和互換使用 ， 齒輪的模數(shù)值 在 國內(nèi) 已經(jīng)標準化了 。 壓力角 α(程序不允許出現(xiàn)拉丁文，用 A 代替 )： 過端面齒廓與分度圓的交點的徑向線與過該點的齒廓切線所夾的銳角 就是壓力角 α，標準齒輪壓力角為20度 。 齒頂高系數(shù) HA 和頂隙系數(shù) C 標準齒輪的齒頂高系數(shù) HA 和頂隙系數(shù) C 都是標準值，圓 柱齒輪為 HA=1， C=。 除此 以外分度圓直徑 D,齒頂圓直徑 DA，齒根圓直徑 DF，基圓直徑 DB，也是齒輪的重要特征值，不過由于可以通過前面五個特征參數(shù)值推導出，所以對這些值不再做參數(shù)化設定，改由關系式確定其值 。 D=m*Z DA=D+2m*HA DF=D2m*(HA+C)西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 9 DB=D*COS(A) B=10*m 齒廓曲線 齒輪的輪廓曲線即為標準的漸開線。齒輪輪廓的漸開線方程是 Pro/E 中精確建模的重中之重。當直線 BM 沿半徑為 RB 的圓周做純滾動時，直線上任意點K 的軌跡弧線 AM 就是該圓的漸開線 ，此圓為漸開線的基圓，漸開線上點 K 的展角為壓力角，如圖 圖 漸開線形成示意圖 rb=db/2 fi=t*90（ t為系統(tǒng)變量，從 0 到 1） s=pi*r*t/2 x=rb*cos(fi)+s*sin(fi) y=rb*sin(fi)s*cos(fi) z=0 RB為基圓半徑， fi 為漸開線展開角， s為漸開線長度。 漸開線有以下的特性： （ 1）發(fā)生線沿著基圓滾過的長度，等于基圓上被滾過的弧長。 （ 2）漸開線上各點的壓力角 不等，漸開線在基圓上的壓力角為零，離基圓越遠，壓力角越大。 （ 3）漸開線上任一點的法線必與基圓相切。 （ 4）基圓內(nèi)無漸開線 。 （ 5）漸開線的形狀取決于基圓的大小?；鶊A越大，漸開線越平直；當基圓半徑西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 10 趨于無窮大時，漸開線將成為一條直線。 設計步驟 （ 1）啟動 Pro/E 野火版 后，打開“新建”對話框，在“類型”列表框中選擇“零件”，在“子類型”中選擇“實體 ” ,將“使用缺省模板”前面的勾取消掉，點“確定”，在新彈出的對話框中“模板”選項中選擇“ mmns_solid_pa rt”（ 公制模板）再單擊“確定”。 （ 2）點擊主菜單“工具 /程序”，在子菜單中選擇“編輯設計”，在彈出的文本文件中將齒輪的各參數(shù)及關系式按下添加： 圖 添加參數(shù)文本文件設置 輸入完成后保存關閉對話框，在信息欄出現(xiàn)的詢問“要將所作的修改體現(xiàn)到模型中？”選“是”，