【正文】 .....................................................................................................25 致 謝 ................................................................................................................................................................26 1 基于 Pro/E 的錐齒輪的參數(shù)化設(shè)計與實體建模 機械設(shè)計制造及其自動化 074 班 00 指導(dǎo)老師： 000 摘 要： 本文主要概述了錐齒輪機構(gòu)的研究歷史、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并探討了錐齒輪的 發(fā)展前景和趨勢，以及本課題研究的意義。在闡述 Pro/Engineer 參數(shù)化設(shè)計原理和主要功能的基礎(chǔ)上，介紹了漸開線直齒圓錐齒輪參數(shù)化三維模型的建立過程。同時簡單介紹了錐齒輪機構(gòu)和參數(shù)化建模的一些工程應(yīng)用。已成為現(xiàn)有機械產(chǎn)品中所占比重最大的一種傳動?？墒褂迷冢浩胶廨S、直交軸、錯交軸等多種軸間傳動 [1]。按照齒長曲線特點，錐齒輪可分為直線齒錐齒輪 (直齒錐齒輪、斜齒錐齒輪 )和曲線齒錐齒輪 (弧齒錐齒輪、擺線齒錐齒輪、準雙曲線齒錐齒輪 )。在錐齒 輪的設(shè)計和圖紙繪制過程中，不可避免要反復(fù)修改，進行零件形狀、尺寸的綜合協(xié)調(diào)和優(yōu)化，其三維造型步驟相當繁瑣， Pro/E 作為一個龐大的CAD/CAM 系統(tǒng)，具有強大的參數(shù)化功能 [3]。 錐齒輪的發(fā)展歷史 古老的齒輪技術(shù)歷史可追溯到 30005000 年前，幾乎和人類文明史同步 [5]。 19 世紀現(xiàn)代工業(yè)的形成開始了齒輪 技術(shù)的近代史，機器工業(yè)的發(fā)展使它成為一門工業(yè)技術(shù)， 20 世紀初葉汽車工業(yè) 2 的崛起促使其大批量高效生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，隨后航海、航空、航天技術(shù)的發(fā)展，以及大型現(xiàn)代化成套工業(yè)設(shè)備的出現(xiàn)，使高參數(shù)、優(yōu)性能的高速齒輪和重型工業(yè)齒輪得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，也促進了相應(yīng)的基礎(chǔ)理論、工藝技術(shù)及設(shè)備的研究和發(fā)展 [6]。一些大型的三維造型軟件如Solid Edge、 Solid Works 等，大多 是從汽車加工和電子產(chǎn)品生產(chǎn)加工中發(fā)展起來的造型軟件，廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)。 錐齒輪研究現(xiàn)狀 國外研究狀況 由于錐齒輪技術(shù)難度大，目前世界上只有美國 Gleason(格里森 )，瑞士Oerlikon(奧利康 )和德國 Klingelnberg(克林根貝爾格 )三家公司擁有這方面的技術(shù)，他們分別代表了錐齒輪的三種體制，且各成體系，互不公開。德國克林根貝爾格 (Klingeinberg)除了供應(yīng)成套錐齒輪加工設(shè)備外，還以齒輪測量儀器見長，提供齒輪和蝸輪單面嚙合對滾檢查儀等。 1995 年 10 月，Gleason 收購了德國生產(chǎn)滾齒機、插齒機的老廠 Hasse，使其當年銷售額達 4億美元，以壓倒氣勢超過 Klingehiberg、 Liebherr 和 Lorenz 三公司組成的 Sigma集團。 1997年 7月， Gleason 用 1億美元收購了德國赫爾曼 Pfauter)集團，使之又登上了圓柱齒輪滾齒機和磨齒機的寶座，并收購了 Pfauter 一 Maag刀具公司 75%的產(chǎn)權(quán)。目前 Gleason 公司已占有齒輪市場的 40%45%的份額。近幾年來，準雙曲面齒輪應(yīng)用處于上升趨勢。為適應(yīng)高速、高效、自動化和柔性化的加工要求，發(fā)展高技術(shù)的數(shù)控齒輪加工技術(shù)，歐美發(fā)達國家的齒輪機床生 3 產(chǎn)廠家己進行聯(lián)合，組成更強大的集團，使齒輪設(shè)計和加工進入一個新的階段。 國內(nèi)研究狀況 我國對齒輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年歷史，目前仍在繼續(xù)擴展和深入。 1974 年，北京齒輪廠的工人、技術(shù)人員和干部，通過總結(jié)該廠數(shù)年來生產(chǎn)螺旋錐齒輪的實踐經(jīng)驗，并搜集了相關(guān)資料編寫了《螺旋錐齒輪》，書中較全面地闡述了螺旋錐齒輪生產(chǎn)中的有關(guān)問題，但是該書并沒 有對其中的技術(shù)進行較為深入的研究。南開大學數(shù)學系成立了齒輪嚙合理論研究小組，嚴志達、吳大任等人先后發(fā)表了數(shù)篇論文，總結(jié)了我國對齒輪嚙合理論的最新研究成果。隨后原機械工業(yè)部把“格里森成套技術(shù)的研究”列為重點科研項目，組織了很多院校、工廠攻關(guān)，在理論和實踐方面都取得了較大的收獲。鄭昌啟編著的《弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪》，通過嚴密而簡明易懂的數(shù)學解析方法，研究了用于弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪設(shè)計的局部共扼原理，導(dǎo)出了弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪的各項計算公式的數(shù)學過程，闡明了各部分計算的共扼嚙合原理。中國農(nóng)業(yè)大學董學朱導(dǎo)出了奧利康和克林根貝爾格錐齒輪銑齒機差速掛輪比和分齒掛輪比計算通式，并對擺線齒錐齒輪連續(xù)分類法銑齒原理進行了系統(tǒng)研究。此外，石鳳山、李潤芳等人也在錐齒輪理論、設(shè)計以及加工方法等方面進行了不 懈的研究，取得了可喜的成果，有效地推動了我國錐齒輪技術(shù)研究的不斷深入。 錐齒輪的發(fā)展前景與發(fā)展趨勢 4 由于齒輪傳動在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的重要性與普遍性，齒輪傳動研究是當前機械傳動研究中的重點。 （ 1）錐齒輪參數(shù)設(shè)計 ① 非零傳動設(shè)計將會大幅度推廣； ② 純滾動或低滑動的新齒形將會出現(xiàn)； ③ 各種標準化的齒形制將被專家系統(tǒng)所代替； ④ 現(xiàn)代機械和信息 技術(shù)的成果將會得到廣泛應(yīng)用，例如用創(chuàng)造性思維開發(fā)廣義優(yōu)化設(shè)計 (建模 /方案分析 /動態(tài)分析 /遺傳算法 )，大系統(tǒng)設(shè)計 (人 機 環(huán)境 )，綠色經(jīng)濟，新產(chǎn)品虛擬設(shè)計，工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計和精益生產(chǎn)，智能制造，虛擬制造等 [13]。在高效率精加工方面的創(chuàng)新表現(xiàn)在以下幾點 :推廣立方碳化硼 (CBN)刀具材料的磨齒技術(shù)；運用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)齒輪加工機床、實現(xiàn)錐齒輪的數(shù)控加工；采用數(shù)控加工齒輪修形，為高質(zhì)量、高可靠性的錐齒輪傳動的設(shè)計和制 造提供了技術(shù)手段。 (3) 錐齒輪材料 質(zhì)量輕、有吸振和自潤滑性能的復(fù)合材料或工程塑料有著許多鋼材所不具備的優(yōu)點，如果解決現(xiàn)存的熱膨脹，高溫變性等缺點，則齒輪從設(shè)計到加工，將具有更廣闊的前景。 (4) 錐齒輪傳動質(zhì)量的最終要求是綠色制造、低材耗、低能耗，長壽命和低噪聲。隨著計算技術(shù)、信息技術(shù)以及基礎(chǔ)科學的進步，弧齒錐齒輪與準雙曲面齒輪傳動技術(shù)近年來也有很大的發(fā)展，新的設(shè)計理念、加工方法、實驗測試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并朝著高速、重載、輕質(zhì)的方向發(fā)展 [2]。對復(fù)雜的三維實體的參數(shù)化造型尚不多見，特別是像錐齒輪這類形狀復(fù)雜、 5 精確齒形的三維實體參數(shù)化造型設(shè)計更為少見 [15]。隨著塑料齒輪的廣泛應(yīng)用和快速成型與虛擬制造技術(shù)的迅速發(fā)展，用大型的三維軟件實現(xiàn)錐齒輪的參數(shù)化造型將成為設(shè)計者的迫切需求 [17]。 課題研究內(nèi)容 :利用大型軟件 Pro/E 來實現(xiàn)錐齒輪的三維參數(shù)化造型。 2. Pro/ENGINEER 軟件的參數(shù)化設(shè)計 Pro/ENGINEER 軟件的主要功能 Pro/ENGINEER 系統(tǒng)是美國參數(shù)技術(shù) (Parametric Technology Corporation ，簡稱 PTC)多項技術(shù)的集成產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于機械、電子、汽車、模具、航天、家電、工業(yè)設(shè)計等行業(yè)。 Pro/ENGINEER 的所有模塊都是相關(guān)聯(lián)的，這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙以及制造數(shù)據(jù)，在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為 可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用 [18]。 Pro/ENGINEER 的數(shù)據(jù)管理模塊可以加速產(chǎn)品投放市場，能夠在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品 [18]。 參數(shù)化為產(chǎn)品模型的可變性、可重用性、并行設(shè)計等提供了手段，使用戶可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵循原設(shè)計意圖的情況下方便地改動模型，生成系列產(chǎn)品，大大提高了設(shè)計效率 [18]。許多機械零件的形狀結(jié)構(gòu)具有共同特征，只是在相對大小或局部特征上存在一定的差異，如果能夠通過一個模板模型衍生出不同的模型，就會大大提高設(shè)計效率 [18]。參數(shù)化造型的基本思想是用數(shù)值約束、幾何約 束和方程約束來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計方案。 錐齒