圓錐齒輪參數(shù)化技術(shù)探討及其Pro/E 建模淺析

羅 斐

（湖南科技經(jīng)貿(mào)職業(yè)學院，湖南衡陽 421001）

由于漸開線齒輪的齒形較復雜，目前大多數(shù)三維建模系統(tǒng)都不能直接生成齒輪的三維輪廓，一些低端的CAD 軟件在生成齒形齒廓這一關(guān)鍵步驟時，都是根據(jù)給定的齒輪參數(shù)通過β樣條曲線等來擬合漸開線，這樣的線條曲線只是近似的漸開線。近年來，隨著Pro/E 軟件的廣泛應用，人們開始嘗試利用Pro/E 的功能特點來研究漸開線齒輪的參數(shù)化造型。目前的報道大多探討的是漸開線直齒、斜齒輪的參數(shù)化造型，關(guān)于圓錐齒輪的參數(shù)化造型報道較少，其主要原因在于錐齒輪參數(shù)化造型一直是一個難點，本文就此提出利用Pro/E 進行圓錐齒輪參數(shù)化造型的方法。

1 圓錐齒輪造型特點

利用Pro/E 進行圓錐齒輪參數(shù)化造型時，首先需進行齒輪的初步設(shè)計，創(chuàng)建用戶參數(shù)，如：齒輪模數(shù)m，齒輪齒數(shù)z，與之嚙合的齒輪齒數(shù)zam，齒輪壓力角angle，齒輪寬度b，分度圓錐角long，分度圓直徑d，齒頂圓直徑da，齒根圓直徑df，基圓直徑db，圓角半徑fillet，軸徑shaft_dia，鍵槽寬key_width，鍵槽高 key_height。其中，m、z、zam、b、fillet、shaft_dia、key_width、key_height 可任意變化。

為了達到錐齒輪的各項技術(shù)要求，需考慮齒輪各項參數(shù)的改變，這些參數(shù)與齒輪的尺寸、形狀、位置之間以各種方程式關(guān)聯(lián)，每個參數(shù)的改變都會引起齒輪的改變。利用Pro/E 中的記事本編輯功能，通過編輯程序能很精確地生成漸開線齒輪的三維實體。

2 圓錐齒輪參數(shù)化模型的建立

2.1 建模思路

本設(shè)計創(chuàng)建的是一個由用戶參數(shù)通過關(guān)系式控制的錐齒輪模型，其設(shè)計流程見圖1。首先創(chuàng)建用戶參數(shù)，然后利用漸開線方程創(chuàng)建基準線，在基準曲線基礎(chǔ)上創(chuàng)建拉伸曲面，再由拉伸曲面構(gòu)建齒型槽輪廓，旋轉(zhuǎn)一特定角度后，通過掃描混合切削特征構(gòu)造錐齒輪的齒型，最后再陣列。每一步創(chuàng)建的特征都由用戶參數(shù)、關(guān)系式進行控制，最終的模型就是一個完全由用戶參數(shù)控制的模型。通過編輯的方法，將參數(shù)轉(zhuǎn)化為輸入提示，只要用戶按提示輸入模數(shù)、齒數(shù)、與之嚙合的齒輪齒數(shù)、齒寬，系統(tǒng)會馬上生成符合要求的新產(chǎn)品。

圖1 圓錐齒輪參數(shù)化設(shè)計流程

2.2 建立模型設(shè)計的數(shù)學關(guān)系

在零件模型關(guān)系對話框的RELATIONS 添加如圖2 所示的關(guān)系式[1]。

圖2 關(guān)系對話框

2.3 在Pro/E 環(huán)境下創(chuàng)建參數(shù)化模板文件

利用野火版Pro/E 創(chuàng)建錐齒輪參數(shù)化模板文件時，建模的關(guān)鍵和難點是陣列部分，下面就此進行詳述[2]。

步驟1：創(chuàng)建如圖3 所示的旋轉(zhuǎn)復制特征。

圖3 創(chuàng)建復制特征

（1）選擇下拉菜單編輯（E）→特征操作（O）命令，系統(tǒng)彈出如圖4 所示的菜單管理器。

（2）在菜單管理器中選擇Copy（復制）命令，此時菜單管理器如圖5 所示。在菜單中，選擇Move（移動）命令、Select（選?。┟?、Dependent（從屬）命令、Done（完成）命令。

（3）選取前兩步創(chuàng)建的要復制的掃描混合切削特征和圓角特征，然后選擇Done（完成）命令。

（4）選取“旋轉(zhuǎn)”復制子命令。在如圖6 所示的菜單中，選擇Rotate（旋轉(zhuǎn)）命令。在如圖7 所示的菜單中，選擇Csys（坐標系）命令，再選取默認坐標系PRT-CSYS-DEF 作為旋轉(zhuǎn)方向參考。

圖4 復制菜單管理器

圖5 屬性選取

圖6 菜單管理器

圖7 屬性選取

（5）選取Z軸，以圖8 所示的方向為正方向，輸入角度為10（角度值可任意輸入，以后將由關(guān)系式控制），然后選擇Done Move（完成移動）命令。

（6）完成以上操作后，系統(tǒng)彈出組元素對話框（圖9），在組可變尺寸菜單中選擇Done（完成）命令。

（7）完成復制。單擊“組元素”對話框下部的確定按扭。

圖8 選擇的元素

圖9 “組元素”對話框

步驟2：在零件模型中創(chuàng)建關(guān)系。

創(chuàng)建上一步拉伸曲面深度關(guān)系式：d21=360/z。完成關(guān)系定義后，單擊再生圖標，再生模型。

步驟3：添加如圖10 所示的特征陣列。

（1）在模型樹中單擊上一步創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)復制特征，再右擊，從彈出的快捷菜單中選擇陣列命令。

（2）在操控板中單擊尺寸圖標，在系統(tǒng)出現(xiàn)的操作界面中，選擇“方向1”的“尺寸”下拉列表框中的“無項目”選項，然后單擊圖中引導尺寸7.2（圖11），在“方向1”的“增量”文本框中選擇角度右關(guān)系控制。并選編輯命令，在出現(xiàn)的對話框中輸入關(guān)系式：MEMB－I=360/z。

（3）在操控板中的第一方向的陣列個數(shù)文本框中輸入40。

（4）在操控板中單擊“√”完成。

注意：此處的角度增量值及陣列個數(shù)都可任意輸入一值，將來它由關(guān)系式定義。

圖10 要創(chuàng)建的特征陣列

圖11 驅(qū)動尺寸符號

步驟4：在零件模型中創(chuàng)建關(guān)系。

創(chuàng)建上一步陣列關(guān)系式：d22=d21、p23=z－1。完成關(guān)系定義后，單擊再生圖標，再生模型。

步驟5：創(chuàng)建如圖12 所示的拉伸切削特征。

圖12 創(chuàng)建拉伸切削特征圖

2.4 利用Pro/Program 生成人機交互菜單

應用編程的方法進行參數(shù)的輸入控制，以便達到快速設(shè)計新產(chǎn)品的目的。在程序編輯器的INPUT和END INPUT 語句之間輸入以下內(nèi)容[3－4]：

完成后存盤退出。當系統(tǒng)提示“要將所做的修改體現(xiàn)到模型中？ ”時，回答“是”。

3 運行程序生成參數(shù)化錐齒輪

打開參數(shù)化模板文件，點擊輸入圖標，在出現(xiàn)的輸入菜單中選擇Done Sel（完成選取）命令，在系統(tǒng)提示窗口依次輸入1、15、15、6、0.1、1.5、0.4、0.2，系統(tǒng)便會自動生成模型（圖13）。

圖13 更改參數(shù)后的模型

4 結(jié)束語

本文通過分析傳統(tǒng)錐齒輪設(shè)計特點，以野火版Pro/E 為開發(fā)工具，實現(xiàn)了圓錐齒輪的三維參數(shù)化造型，為圓錐齒輪進一步開發(fā)有限元分析、運動仿真、數(shù)控加工等其他功能模塊打下了基礎(chǔ)，其開發(fā)思想也為其他零件的三維參數(shù)化設(shè)計提供了參考。

[1]孫桓，陳作模.機械原理[M].6 版.北京：高等教育出版社，2000.

[2]林清安.Pro/Engineer 零件設(shè)計高級篇（上）[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]鄒慧君.機械原理課程設(shè)計手冊[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]張進西，郭學琴.齒輪三維參數(shù)化建模與加工運動仿真[J].機械設(shè)計，2002（3）：33-35.