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基于ProE的齿轮参数化设计系统开发


目录
摘要---------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 第一章 绪论--------------------------------------------------------------

--------------------------------------3 1. CAD 技术概述---------------------------------------------------------------------------------------------3 1 1. 1 CAD 技术的含义与意义------------------------------------------------------------------------------3 1. 1. 2 CAD 技术的发展历程---------------------------------------------------------------------------------3 1. 1. 参数化建模方法的研究---------------------------------------------------------------------------------4 2 1. 1 三维参数化技术的基本原理------------------------------------------------------------------------4 2. 1. 2 三维参数化中的特征分析---------------------------------------------------------------------------5 2. 1. 3 Pro/ENGINEER 参数化 CAD 软件------------------------------------------------------------------5 2. 1. 二次开发技术的应用------------------------------------------------------------------------------------6 3 1. 1 二次开发的作用和意义-------------------------------------------------------------------------------6 3. 1. 2 Pro/E 系统二次开发技术-----------------------------------------------------------------------------6 3. 1. 课题的背景与意义---------------------------------------------------------------------------------------6 4 第二章 基于 PRO/E 的参数化齿轮建模-------------------------------------------------------------------7 2. 关于齿轮的参数化分析---------------------------------------------------------------------------------7 1 2. 齿轮三维参数化实体建模技术研究------------------------------------------------------------------9 2 2. 1 基本参数的设定---------------------------------------------------------------------------------------9 2. 2. 2 渐开线及齿廓的绘制-------------------------------------------------------------------------------11 2. 2. 3 螺旋角与阵列----------------------------------------------------------------------------------------13 2. 2. 4 轮体结构----------------------------------------------------------------------------------------------13 2. 2. 5 参数化尺寸驱动的方法----------------------------------------------------------------------------15 2. 2. 6 锥齿轮建模-------------------------------------------------------------------------------------------17 2. 2. 对齿轮进行参数化尺寸驱动的意义----------------------------------------------------------------17 3 第三章 基于 Pro/E 的齿轮参数化设计系统的开发----------------------------------------------------18 3. 系统概念设计-------------------------------------------------------------------------------------------18 1 3. 系统详细设计-------------------------------------------------------------------------------------------23 2 3. 1 圆柱齿轮系统参数分析----------------------------------------------------------------------------23 2. 3. 2 圆柱齿轮系统数据描述----------------------------------------------------------------------------24 2. 3. 3 用户化窗体界面设计-------------------------------------------------------------------------------25 2. 3. 4 系统界面操作过程中的错误处理----------------------------------------------------------------26 2. 3. 系统的功能特点----------------------------------------------------------------------------------------27 3 第四章 结论与展望------------------------------------------------------------------------------------------28 谢辞-------------------------------------------------------------------------------------------------------------29 参考文献-------------------------------------------------------------------------------------------------------30

基于Pro/E的齿轮参数化设计系统开发

摘要:PRO/E系统在三维建模领域使用广泛,但并不能解决对一系列零件的重复设计问题。 本文介绍了三维CAD软件参数化的发展状况及参数化驱动的基本原理。以常用零件——齿 轮为例介绍了PRO/E三维软件的建模方法与步骤, 并且在建模的基础上详细论述了如何实现 齿轮实体的参数化驱动。 本文从PRO/E二次开发的角度, 研究了齿轮各部分参数的分类方法, 并且设计了参数化创建齿轮的设计系统。通过开发本系统,达到减轻设计人员工作量,缩减 设计周期,提高设计效率的目的。

关键词:CAD;PRO/E;二次开发;三维建模;参数化设计

Abstract: Pro/Engineer system is widely used in the field of 3D model design. But it can’t solve the problem of designing the same kind of parts several times. The article introduces basic principle of parameterization driven, and the development of the three-dimensional parameterization nowadays; Take gear as an example, introduces the method and procedure of PRO/E modeling in detail, and discusses how to carry on the parameterization driven on the basis of modeling; At last, from the facet of secondary development of PRO/E, researches on how to determine the natures of every part of parameter of gear, and the interface of sub module of gear. According to the development of this system, designers can take their works easier and make the time of design shorter, and it also can make them work more efficiently.

Key words: CAD; PRO/E; parameterization design.

secondary

development;

Three-dimensional

modeling;

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第一章 绪论
1.1 CAD 技术概述
1.1.1 CAD 技术的含义与意义 CAD,即计算机辅助设计(Computer Aided Design)是一门集计算机图形学、数据库、 网络通信等计算机知识和相关应用领域知识于一体的技术, 是计算机集成制造系统 (CIMS) 的重要组成部分。CAD 技术的主要技术内容包括:1)工程绘图 2)曲面造型 3)实体造型 4)物性计算 5)三维几何模型的显示处理 6)特征造型 7)二维和三维模型的相关等。 CAD 技术对加速工程和产品的开发速度、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、 增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。 在基于三维 CAD 技术的产品设计中, 可以对所设计的产品进行渲染工程, 如光源设置, 模型属性(颜色、透明度、反射系数等),还可以设置模型的颜色、纹理、反射、景深、阴影 等效果,从而达到渲染产品外观的效果。只有在三维的 CAD 设计中,才可能建立进行有限 元分析的原始基本数据, 进而实现产品的优化设计。 用三维模型在装配状态下进行零件设计, 可避免实际的干涉现象起到事半功倍的作用。 凡此种种, 二维的绘图设计只能在局部勉强达 到,因此,采用三维设计是设计理念的一种变革,是 CAD 的真正应用的开始。 1.1.2 CAD 技术的发展历程 CAD 技术产生于本世纪 50 年代后期发达国家的航空和军事工业领域, 随着计算机软硬 件技术和计算机图形学的迅速发展而成长起来。多年来 CAD 技术和 CAD 系统有了飞速的 发展, CAD 的应用迅速普及。 在我国, CAD 技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展, 由大型企业向中小型企业延伸, 由高新技术领域产品的研发向日用家电、 轻工业产品的设计 和制造中普及。 在 CAD 软件发展初期, CAD 的含义仅仅是图板的替代品, (Computer Aided Drawing) 即 而非现在我们所讨论的 CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD 技术以二维 绘图为主要目标的发展一直持续到 70 年代末期,以后作为 CAD 技术的一个分支而相对单 独、平稳地发展。早期应用较为广泛的是 CADAM 软件,近十年来占据绘图市场主导地位 的是 Autodesk 公司的 AutoCAD 软件。在今天中国的 CAD 用户特别是初期 CAD 用户中, 二维绘图仍然占有相当大的比重。 (1).第一次 CAD 技术革命 CAD 技术进入 70 年代,正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此时在飞机和汽车的设 计制造中遇到了大量的自由曲面问题, 当时只能采用多截面视图、 特征纬线的方式来近似表 达所设计的自由曲面,还经常按比例制作油泥模型,作为设计评审或方案比较的依据。既慢 且繁琐的制作过程大大拖延了产品的研发周期,要求更新设计手段的呼声越来越高。 此时法国人提出了贝赛尔算法, 使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操 作,同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们,能在二维绘图系统 CADAM 的基础 上,开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法,推出了三维曲面造型系统 CATIA。它 的出现, 标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来, 首次实 现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得 CAM 技术的开发有了现实的基础。 曲面造型系统 CATIA 为人类带来了第一次 CAD 技术革命,改变了以往只能借助油泥模型 来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 (2).第二次 CAD 技术革命 70 年代末到 80 年代初期,由于计算机技术的大跨步前进,CAD 技术也开始有了较大 发展。基于对 CAD/CAE 一体化技术发展的探索,SDRC 公司于 1979 年发布了世界上第一 个完全基于实体造型技术的大型 CAD/CAE 软件──I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表
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达零件的全部属性,在理论上有助于统一 CAD、CAE、CAM 的模型表达,给设计带来了惊 人的方便性。实体造型技术的普及应用标志着 CAD 技术发展史上的第二次技术革命。但是 新技术的发展往往是曲折的, 实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望, 也带来 了数据计算量的极度膨胀。 (3).第三次 CAD 技术革命 进入 80 年代中期,CV 公司提出了一种比被广泛应用的无约束自由造型更新颖、更好 的方法──参数化实体造型方法。它主要的特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、 尺寸驱动设计修改。但当策划参数化技术的设计人员在新思想无法实现时,集体离开了 CV 公司,另成立了一家名为“参数化技术”的公司(Parametric Technology Corp.),开始研发一种 命名为 Pro ENGINEER 的参数化 CAD 软件。早期的 Pro ENGINEER 软件性能很低,只能完 成简单的工作, 但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改, 使人们看到了它今后将给设计 者带来的方便性。 进入 90 年代,参数化技术变得比较成熟起来,充分体现出其在许多通用件、零部件设 计上存在的简便易行的优势。目前,PTC 公司的 Pro ENGINEER 在 CAD 市场的份额排名已 名列前茅。可以认为,参数化技术的应用主导了 CAD 发展史上的第三次技术革命。 目前 CAD 技术又面临着第四次技术革命,即变量化技术。变量化技术既保持了参数化 技术的原有的优点,同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用,为 CAD 技术的发展 提供了更大的空间和机遇。CAD 技术基础理论的每次重大进展,无一不带动了 CAD/ CAM/CAE 整体技术的提高以及制造手段的更新。技术发展,永无止境。没有一种技术是常 青树,CAD 技术一直处于不断的发展与探索之中。

1.2 参数化建模方法的研究
1.2.1 三维参数化技术的基本原理 参数化设计是指用参数来表示零件大小的尺寸和属性, 工程技术人员可以通过修改参数 的值来修改零件大小、形状和属性。不能进行参数驱动的三维模型,在设计中几乎没多少用 途。参数化驱动,包含对于新设计的零件,引用的标准件和借用件以及其他外部组件,当然 也包含了对各个零部件之间的装配关系、位置关系乃至运动关系等等。在机械设计中,设计 模型,就是设计各种机械零件的实际模型。所有的模型均可以分解成有限品种的构成特征, 而每一种构成特征,又可以用有限的参数完全约束,即参数化。因而,现在的产品设计中, 全部可以用参数化的三维模型来表述。 三维 CAD 系统中,用参数化约束所设计零部件的尺寸关系,进而使得所设计的产品更 易变更和修改, 管理起来也较二维设计方便可行。 在装配设计中除了在定义零部件之间的关 系时需要采用参数化设计以外, 为了更好地表述设计者的设计意图, 也需要参数化技术来建 立装配体中各个零部件之间的特征形状和尺寸之间的关系, 使得当其中某个零部件的形状和 尺寸发生变化时, 其他相关零部件的结构与尺寸也随之改变。 支持在装配环境下设计新零件 的系统,可以以已有零件的形状作为参考,建立新零件与已有零件之间的形状关联。当参考 零件的形状和尺寸发生变化时, 新零件的结构与尺寸也随之变动。 还可以利用参数化建立装 配体中不同零部件之间的尺寸关联, 定义驱动尺寸和参考尺寸。 对于与有阵列分布的特征进 行装配的情况, 如螺栓与陈列分布的孔进行装配, 则应能够自动完成其他螺栓与孔之间的装 配设计。三维的参数化设计是在装配设计的大环境建立的,它可以借用统一的数据,直接进 行必要的结构强度等应力应变分析,以保证新设计符合实际工程需要,而这也是 CAD 的关 键功能所在。 三维模型设计中包括了产品完整的几何结构,还可以从三维模型中产生其他各种视图, 除基本标准的三视图外,还可生成轴测图、向视图、各种剖视图、局部视图等。三维 CAD 系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同,三维 CAD 系统中的工程图设计可以
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直接由三维模型投影而成, 从而保证各个视图的正确性, 使用者只需要对视图中个别线条进 行调整,并标注工程符号,即可满足工程图纸的要求。由于三维 CAD 系统中三维/二维的全 相关性,那么,在不同的设计环境中,模型都是相互关联的,可以在三维、二维或其他设计 环境中直接修改模型的结构和尺寸,其他的模型可以自动更新。三维/二维的全相关可以保 证设计的修改在三维与二维模型中保持一致。 通常的工程设计中, 可以根据三维模型的尺寸, 自动生成二维尺寸,并可以灵活调整尺寸的种类和位置。 1.2.2 三维参数化中的特征分析 所谓特征是指可以用参数驱动的实体模型, 是产品模型的基本单元, 改变与特征相关的 形状和位置的定义, 可以改变与模型相关的那些形位关系, 对于某个特征既可将其与某个已 有的零件相联系, 也可以把它从某个已有的零件中删除掉, 还可以与其他多个特征共同组合 创建新的实体。 三维参数化中的特征具有如下三个特点: (1)特征封装了其定义信息。特征一旦定义,其几何拓扑结构就始终被认为是一个特 征(如孔、槽等),并允许对其参数进行修改(直径、深度、斜度等)。 (2)特征具有一定的行为规则,并在实现过程中遵守这些规则。如一个通孔始终是一 个通孔,不管零件如何被改变。 (3)分析(CAE)和加工(CAM)过程会自动获取零件中定义的特征信息,而不必要求用 户重新输入,提高了生产率。 基于特征的产品模型是基于几何的产品模型的一个里程碑式的发展, 因为这种模型着眼 于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息,它使产品设计工作在更高的层次上进行。 通过特征定义, 可以避免计算机内部实体模型数据与外部特征数据的不一致和冗余, 所以被 认为是解决 CAD/CAM 集成的最为有效的途径, 并为许多商品化的 CAD/CAM 系统所采用。 也就是说在不同的应用领域, 只要是对研究或操作有用的零件信息均可称之为特征。 比如设 计域主要关心的是零件的几何造型信息,即以点、线、面、环、体等低层几何信息和拓扑信 息;制造工艺域则涉及到特征的语义和功能信息,工艺参数及材料信息,较少地关心几何特 征信息, 即感兴趣的是由几何信息转换过来的尺寸公差信息及语义信息; 制造域需要设计提 供的几何信息、制造工艺提供的加工工艺信息,进行自动数控编程。目前,将特征理解为形 状和功能的组合, 在一定程度上得到大多数研究者的认同, 基于此, 特征的概念性定义如下: 特征是为了某种应用目的预先构想的模型, 能够抽象地描述产品上感兴趣的几何形状及其工 程语义。 1.2.3 Pro ENGINEER 参数化 CAD 软件 Pro ENGINEER(以下简称 Pro/E)是美国参数技术公司(PTC)推出的新一代 CAD/CAE/CAM 软件,其强大的功能深受业内人士欢迎,并成为当今世界上拥有用户最多 的三维 CAD 软件。 Pro/E 参数化设计特性: 1) 基于特征的造型 Pro/E 是一种基于特征的实体模型建模工具,如 Hole、Round、Cut、Protrusion 等均被 视为零件设计的基本特征。 当工程技术人员在一个特征接着一个特征地建构模型时, 能够根 据自己的设计意图去一步步实现,并且为每一个加工过程创建一个单独特征。 此外, 因为以特征作为设计的单元, 工程技术人员可以在设计过程中导入实际的制造思 想, 在模型中随时对特征做合理、 不违反几何规则的 Reorder、 Redefine、 Delete 和 Insert Mode 等修正操作。 2) 全相关性 Pro/E 所有的模块都是全相关的, 即在产品开发过程中, 如果对产品的某一处进行修改,
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该修改将会影响整个产品的设计,如更新所有的工程文档,包括零件模型、装配模型、二维 图以及制造数据等。 全相关性允许在开发周期的任一阶段对产品进行修改, 并且能够自动消除与前后阶段产 生的冲突,使得并行工程成为可能,进而缩短了产品的开发周期。 3) 参数化设计 Pro/E 是一个参数化设计系统。在创建特征的过程中,特征之间存在相互依赖关系,对 某一单独特征的修改会牵动其它特征的变更。 当特征之间存在参考关系时, 特征之间即产生 所谓的父/子关系。 在设计过程中, 工程技术人员可以随时改变模型的驱动尺寸, 还可以通过加入关系式增 加特征之间的参数关系。关系式是数学方程式,用于驱动模型、并提高捕捉设计意识图层的 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,并可减少错误发生。

1.3 二次开发技术的应用
1.3.1 二次开发的作用和意义 所谓“二次开发”就是在商业应用软件系统的基础上,开发本地化的应用程序的过程,从 而形成本地化的 CAD 系统。二次开发是参数化设计系统开发的核心,也是 CIMS 工程的关 键技术。它提供应用程序用户接口,使用户或第三方能够编写 C 程序代码,同 CAD 系统进 行无缝连接,从而扩展 CAD 系统的功能,使其更具专业化。 1.3.2 Pro/E 系统二次开发技术 Pro/E 在提供强大的设计、分析、制造功能的同时,也为用户提供了多种二次开发工具。 常用的二次开发工具有:族表(Family Table) 、用户定义特征(UDF) 、Pro/Program、J-link、 Pro/Toolkit 等。 Pro/Toolkit 是 Pro/E 自带的功能最强大的二次开发工具, 它是基于 C 语言的。 Pro/Toolkit 能实现与 Pro/E 的无缝集成,它封装了许多针对 Pro/E 底层资源用的库函数与头文件,借助 第三方编译环境进行调试。Pro/Toolkit 使用面向对象的风格,在 Pro/E 与应用程序之间通过 函数调用来实现数据信息的传输。 使用 Pro/Toolkit 开发应用程序包含三个步骤: (1)编写源文件; (2)生成可执行文件; (3)Pro/Toolkit 应用程序在 Pro/E 中的注册。Pro/Toolkit 应用程序在 Pro/E 中注册成功后就 可以运行了。此时,你所编制的新菜单按钮就会出现在 Pro/E 的菜单中,选中它就能完成你 所定义的功能。

1.4 课题的背景与意义
随着市场经济的深入发展及客户的特殊要求, 产品有时要做出适当变化和调整, 这就会 给产品设计制造增加一些工作量。 在未投入 CIMS 之前,制造业企业的生产形式基本属于简 单投入,任何一点变化都会造成极大的工作量,而投入了 CIMS 后,将设计过程分为模块, 减少了变化所带来的工作量,尤其是引进 Pro/E 系统后,大大减少了工作量,提高了生产效 率。 随着 CAD 技术应用领域的不断扩大和应用技术水平的不断提高,用户需求和 CAD 系 统规模的矛盾日益增加,多数 CAD 软件不能充分满足用户需求,即是专业的 CAD 软件也 不例外。由于 Pro/E 系统是建立在单一数据库上的系统即工程中的资料全部来自一个库,使 得多个用户可以同时为一件产品造型而工作, 即在整个设计过程中, 不管任何一个地方因某 种需要而发生改变,则在整个设计的相关环节也会随着改变,所以 Pro/E 系统也在制造业企 业中得到了广泛的应用。Pro/E 系统能够生成实实在在的三维实体模型,能够真实的反映零 件的形状。同时,Pro/E 系统能够将三维实体模型转化为工程图,并能完成虚拟零件的装配。 所以针对企业的现状, 我们提出了本次课题。 即基于 Pro/E 的齿轮参数化设计系统开发。
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第二章 基于 PRO/E 的参数化齿轮建模
针对要建立的实体,需要先分析结构,根据 PRO/E 创建实体的特点,确定先建哪个特征,后 建哪个特征,每个特征怎样利用 PRO/E 来建立,并尽量使所建立的特征简单,使参数尺寸尽量 减少,然后利用 PRO/E 来建立特征的功能,创建三维模型. 三维实体模型建立后,需标注参数尺寸,主要是驱动各特征的驱动尺寸,这些尺寸包括 描写特征形状大小的定形尺寸和确定特征位置的定位尺寸,标注时需根据所建立的特征情况 进行,标注尺寸的大小是建立实体时的实际尺寸。PRO/E 会自动读取,且对于 PRO/E 自动标 注的尺寸名字可在标注时修改,以便在编辑修改时很好的识别。

2.1 关于齿轮的参数化分析
根据齿轮设计原理。 齿轮结构及其参数是根据实际应用中的传动形式所划分的, 现将齿 轮做如下分类: 外啮合齿轮传动

直齿圆柱齿轮传动

内啮合齿轮传动 齿轮与齿条传动

平 面 齿 轮 机 构 圆 形 齿 轮 机 构 齿 轮 机 构

外啮合齿轮传动 斜齿圆柱齿轮传动 内啮合齿轮传动 齿轮与齿条传动 整体式 人字齿轮传动 拼合式 直齿锥齿轮 锥齿轮传动 斜齿锥齿轮 曲线齿锥齿轮

非 圆 齿 轮 机 构

空 间 齿 轮 机 构

交错轴斜齿轮传动

蜗杆传动

图 1 齿轮机构分类图
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由于时间关系, 本论文主要讨论圆柱齿轮及锥齿轮的一部分参数化建模内容。 而锥齿轮 的完全参数化驱动, 由于时间关系没有完成, 所以设计系统只开放了标准渐开线圆柱齿轮的 参数化设计系统。其它部分内容还有待进一步的研究与探索。 下面我们通过对机械设计资料的查阅和研究, 对标准渐开线圆柱齿轮和渐开线直齿锥齿 轮的各主要参数进行一次系统的分析: 外啮合标准圆柱齿轮传动几何尺寸计算式 《中国机械设计大典》第四卷(江西科学技术出版社 2002) 参数名称 齿形角 齿顶高系数 顶隙系数 模数 齿数 代号 α ha c
* *

直齿轮 20° 1

斜齿轮

当 m≥1 时,c*=0.25;当 m<1 时,c*=0.35 按 GB1357-87 取标准值 设计时选定 z 法向模数 mn 同直齿轮 m 端面模数 mt=mn/cosβ

m z

? n ? 20?
分度圆压力角 α 20°

? ? arctan

tan? n cos?

分度圆柱螺旋角 基圆柱螺旋角 分度圆直径 基圆直径 齿距 基圆齿距 齿顶高 齿根高 齿高 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿顶圆压力角

β βb d db p pb ha hf h da df αa

0° 0° d=zm db=dcosα p=πm pb=pcosα ha= ha m hf=( ha*+ c*)m h=ha+hf da=d+2ha df=d-2hf
*

按有利条件确定

cos? b ? cos?cosdn /cos? t
d=zmt db=dcosαt pn=πmn ,pt=πmt pbt=ptcosαt ha= han*mn hf=( han*+ cn*)mn

? a ? arccos
a?

db da

? at ? arccos

db da

中心距

a

1 ?d1 ? d 2 ? 2
齿顶高系数 1 顶隙系数 0.25

由此我们确定本次设计涉及的齿形角,齿顶高系数及顶隙系数的具体数值如下表: 齿形角 20 度

由于设计初期对问题考虑不周全,所以没有涉及当模数 m<1 时,顶系系数 c*等于 0.35 的情况。然而实际上,无论顶系系数 c*等于 0.35 或是 0.25,其建模和参数化驱动原理及方 法以及程序的开发设计都完全相同。

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直齿锥齿轮主要参数及几何计算式 《中国机械设计大典》第四卷(江西科学技术出版社 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 名称 齿数 大端模数 齿宽 齿顶高系数 顶隙系数 压力角 轴交角 高变位系数 切向变位系数 大端分度圆直径 分度锥角 大端锥距 大端齿距(周节) 大端齿顶高 大端齿根高 大端全齿高 齿根角 无根切许用最大 齿跟角 齿顶角 顶锥角 根锥角 大端齿顶圆直径 冠顶距 大端分度圆弧齿 厚 大端分度圆弦齿 厚 大端分度圆弦齿 高 刨齿机的齿角 代号 z m b ha* C* α Σ X Xt d δ R p ha hf h θf θfmax θa δa δf da Ak Si Si ha λi

2002) 算例 小 大 59

计算公式与说明(公式见附录) 设计时选定 z GB12368-90 b=φR× 但不得大于10m R GB/T12369-1990 同圆柱齿轮 同圆柱齿轮 X1=0.46[1-cosδ2/ucosδ1];x2=-x1 Xt1 见图 33.1-24;xt2=-xt1 d=mz tanδ=z1/z2=1/u (δ2=90 度-δ1) R=0.5mz/sinδ P=πm ha=(ha*+x)m hf=(h-ha) h=(2ha*+c*)m tanθf=hf/R 180[ ( 1+4tanδsinαcosα ) -1]/ (2πtanδcosα) θa=θf δa=δ+θa δf= -δ-θf da=d+2hacosδ Ak=d/2-ha1sinδ Si=m(π/2+2x1tanα+xt1) Si=Si-Si2/6di2 Ha= ha+ Si2cosδ/4d 19 3 28 1 0.2 20° 90° 0.41 0.015 57 17.850 92.976 9.425 4.23 2.37 6.60 1.460 2.136 2.973 20.824 16.391 65.053 87.203 5.653 5.643 4.363 2.273

-0.41 -0.015 177 72.150

1.77 4.83 2.973 12.877 1.460 73.610 69.176 178.085 26.815 3.772 3.772 1.776 2.456

?i ? 180 ?s i / 2 ? h fi tan? ? / ??R ?

齿轮轮体结构可分为锻造结构、铸造结构、焊接结构、过盈压配、螺栓联接等形式。其 中锻造结构形式又分为圆盘式结构、普通结构、轻型结构、模锻或自由锻结构。铸造结构形 式又分为单辐板结构,双辐板结构等。由于本人水平有限,时间紧张,本论文主要讨论目前 应用最为广泛的锻造圆盘式(腹板式)轮体结构。

2.2 齿轮三维参数化实体建模技术研究
2. 2. 1 基本参数的设定 在三维实体建模方面,PRO/E 有其独特的优点和特点,参数化驱动就是其最突出的表
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现, 基于本次的对齿轮的三维建模的研究, 我们可以将创建齿轮过程中所需要的基本参数预 先设定参数符号并输入原始数值, 这首先需要分析清楚建模过程中所需要的各参数, 参数分 析过多或过少都会给建模过程带来困难, 所以这是很重要的一个环节。 当参数确定并实现参 数化驱动以后,就可以很方便的更改参数的原始数值,实现同一模板下不同模型的建立。 首先我们来设定渐开线圆柱齿轮的基本参数,根据齿轮特征并结合设计人员的知识经 验、建模技巧提取基本参数如下表所示: 参 数 名 称 参 数 类 型 参 数 含 义 参 数 初 值

z

m

angle

angle1

ha

c

d

db

da

df

b

ds

n

bh

t1

整 数

实 数

实数

实数

实 数 齿 顶 高 系 数

实数

实 数 分 度 圆 直 径

实 数

实 数 齿 顶 圆 直 径

实 数 齿 根 原 直 径

实 数

实 数

实 数

实 数

实 数

齿 数

模 数

压力 角

螺旋 角

顶系 系数

基 圆 直 径

尺 宽

轴 径

孔 数

键 宽

键 高

60

3

20

0

1

0.25

0

0

0

0

20

20

4

6

2.8

图 2 PRO/E 参数显示界面
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2.2.2 渐开线及齿廓的绘制 要研究渐开线方程,首先要了解 齿廓曲线。一对齿轮传动是依靠主动 轮轮齿的齿廓,推动从动轮轮齿的齿 廓来实现的。如果两轮的传动能实现 预定的传动比(i12=w1/w2 )规律,则 两轮相互接触传动的一对齿廓称为共 轭齿廓。互相啮合传动的一对齿轮, 在任一位置时的传动比,都与其连心 线 O1O2 被其啮合齿廓在接触点处的 公法线所分成的两段成反比。要使两 齿轮作定传动比传动,则其齿廓必须 满足的条件是:不论两齿廓在何位置 接触,过接触点所作的两齿廓公法线 必须与两齿轮的连心线相交于一定 点。 下面我们来对渐开线进行研究, 如图所示,当一直线 BK 沿一圆周作 图 3 渐开线原理 纯滚动时,直线上任意点 K 的轨迹 AK,就是 该圆的渐开线。这个圆称为渐开线的基圆。 在实际工作中, 为了研究渐开线齿轮传动、 描绘渐开线齿廓曲线和计算渐开线齿轮轮齿 的厚度等几何尺寸,常常需要用到渐开线方程。 渐开线极坐标参数方程:

rK ? rb / cos? K

? K ? inv? K ? tg? K ? ? K
渐开线直角坐标方程:

x ? rb sinu ? r b ucosu y ? rb cosu ? rb usinu
方程中 rb 代表齿轮基圆半径,u 代表渐开线在 K 点的滚动角。 现在我们来进行端面渐开线齿廓的绘制,其基本思路为:将渐开线转换为 Pro/E 中相应 的表达式,应用 Insert a datum curve(插入基准曲线)菜单中的 From Equation(从方程)命 令绘制出渐开线。再根据齿轮的齿顶圆、齿根圆及齿数等齿轮参数,进行 Trim(剪切) 、 Mirror(镜像)等操作生成渐开线齿廓。 渐开线齿廓的具体绘制步骤如下: (1) Pro/E 环境下渐开线方程的转换 渐开线直角坐标方程:

x ? rb sinu ? r b ucosu y ? rb cosu ? rb usinu
在 Pro/E 环境下转换为: rb=r*cos(a) theta=90*t^2
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x=rb*cos(theta)+rb*theta*(3.1416/180)*sin(theta) y=rb*sin(theta)-rb*theta*(3.1416/180)*cos(theta) 方程中 rb 代表齿轮基圆半径;r 代表分度圆半径;a 代表压力角;theta 是 Pro/E 系统用 来表示极坐标极角的变量;t 是从 0-1 的 Pro/E 系统变量。 (2) 输入方程绘制渐开线 首先选择插入基准曲线 (Insert a datum curve)命令,从 其弹出的 CRVOPTIONS 下拉菜单 中选择 From Equation、 Done 命令, 然后点选 Pro/E 的三维绘图坐标, 弹出的菜单提供了三种坐标系可 供选择:Cartesian(卡笛尔坐标) 、 Cylindrical(圆柱坐标) 、Spherical (球坐标) 。选择其中的一种,然 后输入相应的方程, 完成渐开线的 绘制。 以下列出 Pro/E 中各坐标表示 的方程式: 卡迪尔坐标系下的渐开线参 数方程为(设压力角为 60 度) : 图 4 渐开线的绘制 a=60*t x=rb*cos(a)+pi*rb*a/180*sin(a) y=rb*sin(a)-pi*rb*a/180*cos(a) z=0 方程中 a 表示压力角从 0 变到 60 度,其余参数同上。 圆柱坐标系下的渐开线参数方程为: x=t*sqrt((da/db)^2-1) y=180/pi r=0.5*db*sqrt(1+x^2) theta=x*y-atan(x) z=0 方程中 da 表示齿顶圆直径, db 表示基圆直径,其余参数同 上。 球坐标系下的渐开线参数 方程为(压力角为 60 度) : a=60*t r=(rb^2+(pi*rb*a/180)^2)^0. 5 theta=a-atan((pi*rb*a/180)/1 0) z=0 完成的渐开线如图所示。 图 5 齿廓的切除 (3) 剪切齿廓
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齿轮的齿廓形状应分齿数大于 41 和齿数小于等于 41 两种情况。 当齿 数大于 41 时,基圆小于齿根圆,此时渐开线即为齿廓线;当齿数小于等 于 41 时,基圆大于齿根圆,由于齿根圆内无渐开线,此时就需要作近似 曲线来代替渐开线。然而,这样是无法进行参数化尺寸驱动的。当齿数在 两种情况间变化时,由不同的曲线组成的齿廓会造成生成实体失败报错。 经过研究, 我在剪切齿廓时采用了链类型的曲线。 使其具有自动延伸功能, 可以在齿数小于等于 41 时自动延伸曲线以保证封闭。从而成功的解决了 这一问题。是两种情况合而为一,避免了重复建模。 (如图) 图 6 使用链操作 如此,分别做出齿轮的齿顶圆、齿根圆和工作节圆。然后连接坐 标原点和工作节圆与渐开线的交点,将此直线以坐标原点为中心旋转 360/4/z;旋转后的直 线将作为镜像线将渐开线作 Mirror(镜像)操作,即可得到另一条渐开线。用 Trim(剪切) 命令保留齿顶圆、齿根圆在渐开线之间的部分,就完成了整个齿廓曲线的绘制。最后根据齿 廓曲线对生成的轮体进行剪切。 其中,在 Pro/E 环境下齿轮分度圆、基圆、齿顶圆及齿根圆的直径参数关系式为: d=m*z db=m*z*cos(angle) da=m*(z+2*ha) df=m*z-2*m*(ha+c) 2.2.3 螺旋角与阵列 对于圆柱直齿轮, 其齿面互相平行并且都平行于轴线, 故可直接沿圆柱基体将渐开线齿 廓拉伸形成单个轮齿,然后对单个轮齿作阵列(Pattern) ,完成整个齿面。圆柱斜齿轮的轮 齿,在基圆柱表面呈螺旋形分布,因此需将渐开线齿廓沿螺旋线扫描形成单个轮齿,然后阵 列。在实际绘制中,我将直齿与斜齿的渐开线齿廓都沿螺旋线扫描以形成轮齿,当齿轮为直 齿时,螺旋角参数为 0,所以仍形成直齿轮齿。

图 7 直齿与斜齿齿形(左图为直齿齿形,右图为斜齿齿形) 在阵列轮齿时,实现对其的参数化驱动也有一定难度。注意需要对阵列参考尺寸(对于 轮齿,参考尺寸为角度 360/z)进行两次相同的定义。在阵列前,要通过 Copy(复制)操作 来生成第二个轮齿以确立参考尺寸。 阵列时阵列个数的设定也非常关键, 由于实体已生成两 个轮齿,而阵列个数又包括参考特征,所以数目应为 z-1。 2. 2. 4 轮体结构 本文以目前应用最为广泛的锻造圆盘式(腹板式)轮体结构为例。根据国家标准,我对
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此结构的包括倒角倒圆在内的所有尺寸都进行了参数化尺寸驱动。 其中键和键槽的尺寸依照 国标 GB1095-79。通过后面开发的软件系统的计算,以主参数的形式输入 Pro/E。同样,孔 数等尺寸也采用上述方法生成。 在建模中的孔数阵列问题, 采用与上述齿形阵列相同的方法。 然而,在齿轮结构中,有很多尺寸是区间性的,要求用户在某一根据参数计算出来的区 间尺寸内进行选择,这在理论上是不难实现的。但由于时间关系,我没有研究这个领域。凡 是对这类尺寸,均采用了中间值定义。 最终完成的锻造圆盘式(腹板式)结构外啮合标准圆柱齿轮模型如下所示:

图 8 锻造圆盘式(腹板式)圆柱直齿轮

图 9 锻造圆盘式(腹板式)圆柱斜齿轮
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2. 2. 5 参数化尺寸驱动的方法 在 Menu Manager 的 Part(零件)菜单中选取 Relations(关系) ,再在 Relation 的菜单中 选择 Edit Rel(编辑关系) ,就可以根据上面提到的主要参数和几何计算式编辑关系。关系 编辑完后,我们可以通过 Part 菜单下的 Set up(设置)中的 Parameters(参数)修改参数, 以实现齿轮的参数化尺寸驱动。 现将我所建立的锻造圆盘式 (腹板式) 结构外啮合标准圆柱齿轮模型所有参数计算关系 表示如下: d=m*z db=m*z*cos(angle) da=m*(z+2*ha) df=m*z-2*m*(ha+c) D0=df D1=db D2=d D3=da D4=90/z D5=angle1 D8=b D9=da/2 D10=(0.2+0.045*m)*3 D11=b D18=360/z D19=B D27=360/z P28=z-1 D87=1.6*ds D88=da-10*m D89=0.7*b/2 D92=0.1*ds D93=1.6*DS D94=DA-10*M D95=0.7*B/2 D98=0.1*DS D99=bh D100=t1+ds D101=ds/2 D102=0.5+0.01*ds
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D103=(0.2+0.045*m)*3 D105=0.25*(da-10*m-1.6*ds) D106=(da-10*m+1.6*ds)/2 D107=0 d108=360/n D109=0.25*(DA-10*M-1.6*DS) D110=(DA-10*M+1.6*DS)/2 D111=0 d113=360/n p114=n-1 以上关系式在建立是为使得建立和参数化驱动已及与程序连接方便,所以采用了 Dx 的 系统默认负值形式,这种方法不便于他人的观看与检查,但不对系统造成任何影响。当然也 可以采用先对 Dx 进行定义,再对定义好的方便观看的参数化尺寸名称进行定义。两种方法 依个人爱好与习惯而定。

图 10 在 Pro/E 上显示的参数计算关系式
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2. 2. 6 锥齿轮建模 对于圆柱齿轮,渐 开线的绘制平面即为圆 柱齿轮的端面,而锥齿 轮则不同。对于锥齿轮 而言,因其大端端面并 非平面,所以我们采用 当量齿轮的原理来作渐 开线,齿数采用当量齿 数,当量齿轮的渐开线 齿廓也即背锥齿廓同时 也是锥齿轮的大端齿 廓。 对于不等顶隙直齿 锥齿轮,分度圆锥、齿 根圆锥和齿顶圆锥交于 一点。锥齿轮渐开线齿 廓的绘制同圆柱齿轮, 但锥齿轮齿形实体的剪 图 11 直齿锥齿轮模型 切需采用 Blend(混合) 命令将其渐开线齿廓与定点混成,完成的实体模型如图所示。 由于时间关系和本人能力有限, 对锥齿轮的参数化驱动并未完全实现。 相信经过老师的 指导和本人的努力,锥齿轮的参数化尺寸驱动不难实现。

2.3 对齿轮进行参数化尺寸驱动的意义
随着 CAD 技术的发展,二维的 CAD 已经满足不了实际生产中的需要,三维的 CAD 如 今已经占据了市场的主导地位,在三维设计中,参数化设计已经被广泛应用并成为主流。目 前国内外对二维图形参数化和简单的三维实体的参数化的研究已较为成熟。 但对复杂的三维 实体的参数化造型研究尚不多见, 特别是类似齿轮这类形状结构都较复杂而且齿形要求精确 的三维实体的参数化更是少见。要想实现实体的参数化驱动,实体的特征是前提,像我们做 的齿轮,它的形状都是差不多的,才能在凭借已经建好的模型,改变其参数生成新的实体, 以满足我们的需要,从而提高设计效率,应该按照特征来建立模型库。 实现了渐开线齿轮的实体参数化的造型系统具有如下意义: (1)保证了造型的精确性; (2)造型速度快,避免了手工造型的复杂过程; (3)完成的三维齿轮实体模型是后续的齿轮有限元分析、机构仿真和数控加工等工作 的必要条件; 总之,该系统缩短了齿轮的设计和制造时间,提高了设计精度,减化了设计过程,在齿 轮设计制造中具有重要的实用价值和显著的经济效益。

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第三章 基于 Pro/E 的齿轮参数化设计系统的开发
3. 1 系统概念设计
本次齿轮的参数化设计系统主要由以下几个部分组成: 系统界面模块: 该模块的作用是采集齿轮造型所需的数据。 用户可以在系统界面选择齿 轮的相关参数和齿轮的结构类型,然后按要求输入具体的参数。 几何参数计算模块: 该模块是整个系统的核心。 通过计算得到端面及各截面的齿廓参数, 为齿形生成模块准备所需的数据。也给设计人员提供设计检验的依据。 结构参数计算模块: 根据界面模块的参数计算齿轮的结构参数。 该模块按照不同的类型 分别计算齿轮的外形结构参数。同时,该模块还具有较强的错误处理功能,以便在用户结构 参数有误时发出错误信息并退回界面模块。 由于时间关系, 本系统目前只开发了齿轮的一种 结构模块,即锻造圆盘式(腹板式)结构。还有待于进一步的努力和完善。 齿轮实体生成模块:该模块应用 PRO/E 软件的基本特征如拉伸(Protrusion) 、旋转 (Revolve)和去除材料(Cut)等操作,按照几何参数计算模块输出的参数,生成齿轮的轮 齿结构实体部分。按照结构类型计算模块输出的参数,生成齿轮的轮体结构实体部分。该操 作的结果类似生成齿轮的毛坯。 首先,根据需求分析和概要设计,依据用户的要求,我们把齿轮参数化设计系统的程序 结构图初步表示如下:

Pro Engineer 2001

Microsoft Visual C++ 6.0

Pro Toolkit

齿轮设计菜单

尺 寸 参 数 数 据 库

用户界面

齿 轮 实 体 模 型 库

结构参数计算模块

几何参数计算模块

结构参数输出界面

几何参数输出界面

生成三维实体模型
图 12 齿轮参数化设计系统的程序结构图
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这个系统的数据流程为:

开始程序

输入基本参数

参数合理





读入数据 数 据 库 输出结果 计算所需参数

向 PROE 输入数据 模 型 库 生成三维实体模型

结束

图 13 系统数据流图 我们尽量简化了系统的逻辑关系, 使合理性判断和数据运算都集中在一个模块完成, 这 样使得程序设计起来更加方便, 同时也提高了系统的稳定性与运算速度。 系统以文本形式输 出的结果,只用做设计人员的所要建立三维模型的检验与参考。

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用户所见到的只是用户层所提供的应用程序界面,当用户对界面进行操作,其操作将 反映到业务处理层,由该层对用户的操作进行简单的处理,并进行对操作层的调用,操作层 调用各种必要的程序接口, 并在期间对某些数据在数据层进行查询以完成此次的操作, 在操 作完成后,用户将得到他想要的结果。在为用户提供应用程序界面的过程中,要进行用户界 面的设计,在这个阶段,要考虑到界面的人机功效,对人—机交互部分进行充分的设计,不 但要使编程人员可以清楚的了解程序的工作过程, 还要使用户可以清楚的知道如何使用这个 程序。在业务处理层,应该由用户和程序编写人员一同确定那些输入是合法的,那些是非法 的,那些数据是需要处理的,也就是进行用户需求的实现工作。当程序从业务层进入到操作 层后,将对用户提供的数据进行进一步的处理,并进行一系列的相关的工作,比如查询数据 库,从而得出用户所期望的结果,或返回对用户错误操作的提示。数据库层是在必要的时候 对程序所需的数据进行支持, 在本程序中就将各种参数和基本图形进行分类, 形成图形库和 特征参数数据库。 该系统实现了齿轮三维建模,并实现了参数化驱动,能够很好的使 PRO-E 在实际应用 中发挥作用, 系统可通过输入齿轮参数数值及其选择其结构类型, 通过窗体直接生成所需的 三维图形,而这个三维图形是事先已经生成,并保存到模型库中的,当实现了参数化驱动以 后,就可以实现系统的功能了。

输入几何主参数 输入主参数 齿 轮 参 数 化 设 计 输入结构主参数 显示结构示意图 数据计算 计算所有参数 检查合理性 显示参数

生成三维模型
图 14 齿轮参数化设计系统功能树 Pro/E 环境下齿轮参数化设计系统的开发是基于 Pro/E 内部的二次开发语言 Pro/Toolkit 进行的,通过调用其内部函数,在菜单栏上挂上菜单,点击后为下拉列表,列出圆柱齿轮、 圆锥齿轮等,点击相应齿轮,则会弹出用 Visual C++设计的各个常用件数据输入窗体界面, 用户根据需要进行数据输入。 由于时间关系, 目前本系统只完成了标准渐开线圆柱齿轮设计 模块的开发。

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系统功能模型图(IDEF0 图) IDEF 方法是我国 CIMS 应用工程中使用最为广泛的一种建模方法,也是迄今为止见到 的较为严格的结构化系统分析方法。 IDEF 中得到广泛应用的有两个部分,一是用以描述系统的功能活动及其联系,建立系 统功能模型的 IDEF0 方法; 二是用以描述系统的信息及其联系, 建立系统信息模型的 IDEF1x 方法。 IDEF0 采用了自顶向下逐步分解, 把一个复杂系统简单化抽象系统具体化, 一直分解到 可执行模块(或可编程模块)为止,IDEF0 主要是以图形方法来直接地表达系统功能模型。 以下就以 IDEF0 图表达了这次设计的系统的功能模型。

图 15 齿轮参数化设计系统 A-0 图 文字说明: 本次设计的目的是使机械常用零件实现三维参数化设计,要求输入基本 参数并且满足用户的要求经过设计输出三维图, 其中作为输出项的计算结果 则是为了提高设计的准确度和透明度。
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图 16 齿轮参数化设计系统 A0 图 文字说明: 齿轮的 A0 图是从结构的 CAD 分类划分的,通过几何参数、结构参数的输入以及用户需 求,经过参数化即可输出所要求的结果。
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3. 2 系统详细设计
3. 2. 1 圆柱齿轮系统参数分析 通过系统程序对原先所建立的实体模型进行参数化驱动,首先需要对大量的参数进行 计算和查询, 同时有些参数数据虽然在模型生成时用不到, 但设计人员却希望可以看到它们, 并根据它们来检查、验证或修改所要建立的模型。 由于参数众多,我们对参数进行了分类。将需要用户输入的参数设为主参数放到主界 面中,以便于用户一次性输入完成。而将其他参数分为几何参数(即齿形参数)和结构参数 两类,以便于用户查看。需要注意的是,我们在系统程序中所说的主参数并不是前面所建齿 轮模型的主参数, 模型中的参数有些是通过计算显示在后面的结果显示界面中的。 这是程序 和模型参数的不同之处。 下面以表格形式列出了系统的基本输入及输出参数: 输入参数: 变量符号 m z α β 变量名称 模数 齿数 压力角 螺旋角 齿顶高系数 顶隙系数 齿宽 轴径 结构形式 毛坯形式 输出几何参数: d p h ha hf da 分度圆直径 齿距 齿高 齿顶高 齿根高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 基圆齿距 齿顶圆压力角
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英文名称 m z angle Angle1 ha c b ds JGXS

输入方式

ha* c*
b ds

键入 (模数 m 为即可选择也可 键入)

选择 MPXS

d p h ha hf da
df db

计算输出

df db
pb αa

pb αa

输出结构参数(锻造圆盘式(腹板式)结构) : 左图所示(图 17)为锻造圆 盘式(腹板式)圆柱齿轮结构示 意图。 D0、D1、D2、d0、C、n、 L 等值为计算输出; 孔数 N、 bh 为查询输出。 t1、 其中 L 等参数为区间取值形 式。然而为了方便建模且技术要 求此值尽量取小,我们取了它的 最小值,即 L=1.2*ds。在孔数 N 为 0 时,采用了调用另一无孔模 型的方法。 即当 N=0 时, 系统自 动判断并调用另一无孔齿轮模 板输出。

图 17 锻造圆盘式(腹板式)圆柱齿轮结构示意图 3. 2. 2 圆柱齿轮系统数据描述 通过对齿轮结构参数和对所涉及到的数据表格的分析,可以得出如下的数据库表结构: 1 渐开线圆柱齿轮数据库描述表: 序号 1 2 3 4 序号 1 序号 1 4 主键:“轴径” 序号 1 2 3 5 主键:“齿顶圆直径” 序号 1 2 含义 齿顶圆直径 孔数
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英文名 MY MZ BT N

标准号 GB 1357-87 GB 12368-90 GB 1095-79 32.1-61 含义 圆柱齿轮标准模数 含义 锥齿轮标准模数 含义 轴径 键宽 毂深

中文名称/意义 圆柱齿轮标准模数 锥齿轮标准模数 键和键槽的剖面尺寸 用于搬运、夹紧和减轻质量的孔 名称 MY 名称 MZ 名称 DS BH T 名称 DA N 数据类型 Int 数据类型 Int 数据类型 Real Real Real 数据类型 Real Tinyint

2 主键:“圆柱齿轮标准模数”

3 主键:“锥齿轮标准模数”

3. 2. 3 用户化窗体界面设计 使用可视化的用户界面,使用户更为直观,更友好的进行操作。也更好的大大的降低 了用户在复杂的计算中发生错误的几率。 确定好齿轮的输入参数,输出参数,我们就可以来进行界面的设计了。用户可以通过 界面来方便的进行操作,通过从界面输入参数就可以生成自己满意的三维实体。 该系统的窗体直接面对用户,所以它的设计应该简单明了,易于用户接受,使得用户使 用方便, 在实际的应用过程中为用户提供切实的方便。 而且界面的制定也需要软件商和用户 双方面的协调商讨,达到最后一致,使得界面最终完成。

图 18 系统主界面 本界面的布局目的在于引导用户正确的输入建立齿轮所需要的参数,并且在用户误输、 漏输参数时进行提示和错误处理工作。 用户输入的参数显示在此界面中, 并且由此界面对输 入的数据进行计算与查询处理。

图 19 几何参数显示界面
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图 20 结构参数显示界面 对于“显示结果”界面,由于其显示的结果并不希望用户进行更改,所以应禁止用户进行 输入。为了用户可以清楚的了解各参数的意义,所以将各项参数进行了分类显示。 3. 2. 4 系统界面操作过程中的错误处理 界面中的各项参数,是 Pro/E 生成三维实体模型的根本,所以必须保证它们的完整性和 正确性,并且对用户的错误操作进行有效的处理。当输入的参数不在其规定范内,或者参数 的数据类型不正确,系统都应给用户作出提示,以便用户及时发现错误,使得用户界面更加 友好。 按照系统程序的运行过程和正常的零件设计过程,在系统主界面中对各项参数的输入 和判断过程下: (1)从下拉列表中选择或手动输入齿轮模数 m,如果要生成的是圆柱斜齿轮,则是此时的 m 代表的是些齿轮的法向模数 mn。由于系统尚未完善,所以当模数 m 小于 1 或无输入时, 系统不予支持并报错。

图 21 系统报错界面(1)
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(2)输入分度圆柱螺旋角 β,当 β=0 时,系统生成圆柱直齿轮;当 β>0 时,系统生成圆柱 斜齿轮。 (3)输入齿数 z,并对齿数进行判断,当齿数小于 14 时,不符合齿轮原理,无法生成齿轮, 系统报错。

图 21 系统报错界面(2) (4)输入齿宽 b,确定齿轮齿宽。 (5)输入轴径 ds,当输入数值过大或过小时,系统报错,提示重新输入。

图 21 系统报错界面(3) (6)确定齿轮轮体毛坯形式、结构形式,由于时间关系,系统尚不完善,所以目前系统只 支持锻造圆盘式(腹板式)结构。 (7)用户点击“显示结果”按钮进行结果显示,进入下一个计算结果显示界面 在这样的顺序下, 用户可以完全正常的生成图形和显示结果, 对需要检验的数值则是在 执行“显示结果”按钮的事件中进行检验。

3. 3 系统的功能特点
本系统可以自动生成一系列同属性的不同零件, 极大的减轻了设计人员的工作量。 本系 统成功的使用了 Pro/E 提供的二次开发工具 Pro/TOOLKIT, 因此可以比较容易地实现由程序 动态地、自动地完成特征建模的功能,为 CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM 系统的集成打下良好 基础。 由于用户定义特征的方法适用于几乎所有模型的程序自动建模, 所以本文的实例所用 的方法和程序对于其它产品模型也有着很大的借鉴意义。 本系统使 Pro/E 系统不但可以完成 通用的三维参数化设计,而且可以完成常用件的专用设计。 运用这些技术对 Pro/E 进行二次开发, 所开发出的软件既有 Pro/E 强大的特征建模功能, 又能使用 MFC 制作的图文并茂的用户界面以及实现远程数据库访问功能。利用 VC++这种 可视化编程语言进行友好的用户界面设计,便于用户操作,可视化较强,便于掌握。本系统 建立了可与用户进行良好交互的用户界面,使用户在使用 Pro/e 系统时不必再面对系统的提 示文字。 本系统将几乎所有用到的公式都封装入程序内部, 使设计人员摆脱了对数据的复杂 处理工作,可以将大量时间用于创新设计上,为企业设计制造新产品奠定了基础。同时,系 统结构比较统一完整,便于扩充功能。

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第四章 结论与展望
本文主要围绕齿轮的三维参数化建模展开研究, 并且要求在 PRO/E 软件的平台上实现, 主要讨论了实现三维参数化实体齿轮所必要的参数, 同时研究建立三维模型的各种方法并最 终确定。建立齿轮的三维模型在建模中属于难点,PRO/E 在当今三维 CAD 软件中占一定地 位,受到了广泛的应用。通过本次课题的研究,解决了齿轮三维参数化造型难的问题,实现 了它的参数化驱动,为用户提供了良好的界面,使得应用更加方便,减少了设计时间,提高 了生产效率,为企业的发展带来优势。 中国已经加入 WTO,制造业企业不得不参与国际市场竞争。传统的产品开发方式已不 再适应企业对产品的时间、质量、成本的要求。因为传统手工绘图设计模式,很难用二维图 纸去描绘三维空间机构运动和进行产品装配干涉检查等工作, 因此其工作流程是按顺序进行 的。很多时候是等模具做出来了,对产品进行试装配时才发现干涉或设计不合理等现象。在 设计早期不能全面考虑下游过程的要求, 从而使产品设计存在很多缺陷, 造成设计修改工作 量大,开发周期长,成本高。 至于二维 CAD 系统,它可以帮助设计人员把图纸画得规范、漂亮,提高绘图效率的同 时也便于图纸以后的修改及管理,在“甩掉图板”的初级阶段功不可抹。但二维 CAD 系统与 传统的手工绘图一样,对减少产品设计错误、设计更改和返工现象并无重大影响,对企业最 需要的设计质量并没有多大的提高。 当今的三维 CAD 系统,用它可方便地设计出所见即所得的三维实体产品模型。有了三 维实体模型,可以进行装配和干涉检查;可以对重要零部件进行有限元分析与优化设计 (CAE) ;可以进行工艺规程生成(CAPP) ;可以进行数控加工(CAM) ;可以进行快速成 型,在做模具之前就可以拿到实物零件进行装配及测试;可以启动三维、二维关联功能,由 三维直接自动生成二维工程图纸; 可以进行产品数据共享与集成等等。 这是二维绘图无法比 拟的。 要提高制造业水平,必需要有先进的设计工具。随着计算机硬件性能的不断提高,加上 三维软件造型功能的不断完善,CAD 技术已完成从二维绘图向三维设计的转变,产生了质 的飞跃,到了三维 CAD 的实用阶段。用三维 CAD/CAM 系统进行产品开发,从根本上改变 了过去手工绘图, 凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。 设计构思的表达由二维图纸演 变成能在计算机模拟显示零件三维实体模型的虚拟产品, 这是一种新的设计和生产技术管理 体制,是提高企业竞争能力主要手段之一。

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谢辞
本次设计是在肖放老师和王栋彦老师的耐心指导下完成的, 无论在研究课题和撰写论文 的过程中, 他们都给予我很大的帮助, 使我克服重重困难, 攻破重重难关, 在紧迫的时间里, 顺利的完成了对课题的研究。 肖老师在百忙之中还为我们的论文进行把关, 给我的论文提出 了很多宝贵的意见与建议; 王老师更是在设计中给我提供了大量无私的帮助和指导。 如果没 有他们,我不可能顺利的完成我这个学期的设计任务,在此我对他们表示衷心的感谢! 此外, 我还要感谢史明华老师和我的班主任毕云晴老师, 史老师在大四期间对我的教导 和帮助, 给我的毕业设计乃至未来的工作都打下了坚实的基础, 对我今后的人生产生了重要 的影响。毕老师在大学四年中对我在学习和生活上无微不至的关怀,更使我受益匪浅。当然 还有李修仁、申卫国、李友旺等很多老师都曾无私的教导、帮助过我。在这里也对他们表示 最诚挚的谢意! 同时,还要感谢我的师兄李晶耀、王朋,以及与我同一课题组的文章同学,他们长期以 来给我提供了很多的无私的帮助。 另外在此我还要感谢我们学院机房的全体老师, 他们在我 们做毕业设计的时候给我们提供了很多的方便,使我们的设计能够顺利的完成! 最后, 向所有关心、 支持和帮助我的老师、 同学们, 向所有不辞辛苦参加我的论文审阅、 答辩工作的老师们表示最诚挚的谢意!谢谢!

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参考文献
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