基于Pro/ENGINEER的圓柱齒輪參數(shù)化虛擬設(shè)計(jì)

馮玉龍++姚德鋼

[摘 要]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD已經(jīng)廣泛應(yīng)用于零件設(shè)計(jì)和制造中，但一般的CAD軟件都具有廣而博的通用性，難以滿足各類具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，所以以通用CAD軟件為基礎(chǔ)，根據(jù)本單位的實(shí)際，進(jìn)行不同程度的開(kāi)發(fā)成為產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

齒輪作為各種機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中的重要裝置，具有傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)計(jì)算困難，為了提高設(shè)計(jì)效率，增加競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)齒輪的三維參數(shù)化精確建模顯得尤為重要。

[關(guān)鍵詞]直齒輪 參數(shù)化 Pro/E

中圖分類號(hào)：TM121.1.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2016）07-0044-01

1、引言

漸開(kāi)線齒輪作為各種機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中的重要裝置，具有傳動(dòng)比大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、船舶、航空、電力領(lǐng)域[1]。隨著大批優(yōu)秀的三維CAD軟件紛紛涌現(xiàn)，一般機(jī)械零件的三維設(shè)計(jì)對(duì)普通工程師來(lái)說(shuō)已經(jīng)不再是困難的工作。但是對(duì)于漸開(kāi)線齒輪，由于其齒廓的復(fù)雜性，一般設(shè)計(jì)者在CAD中很難精確造型，繼而影響到后續(xù)齒輪加工的操作。CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)的理念正式解決這一問(wèn)題的有效途徑。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)大大提高了模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)及專用CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)反面都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

2、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前采用CAD進(jìn)行3D設(shè)計(jì)已達(dá)到了70%～89%，Pro/E、UG、Catia，I-Deas等軟件的應(yīng)用很普通。應(yīng)用這些軟件可完成3D設(shè)計(jì)，還可以進(jìn)行轉(zhuǎn)配干涉的檢查，保證設(shè)計(jì)和工藝的合理性。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家對(duì)CAD/CAM技術(shù)的開(kāi)發(fā)非常重視，在其開(kāi)發(fā)上投入了很大的人力和物力。目前國(guó)際上流行的三維CAD軟件如下：Pro/E系統(tǒng)是美國(guó)PTC公司推出的三維CAD/CAM軟件；Catia系統(tǒng)是法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司與美國(guó)IBM公司合作開(kāi)發(fā)的CAD系統(tǒng)；UGNX是美國(guó)UGS公司的CAD產(chǎn)品，該軟件首次突破傳統(tǒng)CAD/CAM模式，為用戶提供了一個(gè)全方面的產(chǎn)品建模系統(tǒng)，它優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)體、線框和表賣弄功能結(jié)合在儀器，幾乎是CAD/CAM用戶的首選軟件。

我國(guó)在軟件和設(shè)備方面的發(fā)展一直比較緩慢，直到進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的計(jì)算機(jī)行業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，正是因?yàn)檫@樣，我國(guó)的CAD技術(shù)才有了進(jìn)一步發(fā)展的空間。在現(xiàn)代制造業(yè)舞臺(tái)上，生產(chǎn)效率、成本、規(guī)劃管理無(wú)不和生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)，因此，CAD技術(shù)的開(kāi)發(fā)直接關(guān)系到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修等工作的速度和效率，顯得尤為重要。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配階段，一般采用二維制圖和三維造型。尤其是三維造型，以其直觀、能直接轉(zhuǎn)化成二維工程圖和模擬裝配等優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代工程設(shè)備的設(shè)計(jì)方面有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是近幾年發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)造型技術(shù)，它是CAD技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要的、需要進(jìn)一步研究的課題。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段開(kāi)發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可使設(shè)計(jì)人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來(lái)，來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而大大提高設(shè)計(jì)速度，并減少信息的存儲(chǔ)量，而且有助于減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度。參數(shù)化建模技術(shù)是CAD的核心技術(shù)，是新一代繼承化CAD系統(tǒng)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)理論，也是齒輪參數(shù)化造型的基礎(chǔ)理論依據(jù)，對(duì)齒輪建模和系統(tǒng)設(shè)計(jì)起著指導(dǎo)性作用。另外，研究國(guó)內(nèi)外齒輪CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，可以借鑒前人的研究成果，對(duì)齒輪的參數(shù)化研究有一定的指導(dǎo)意義。

3、Pro/E參數(shù)化建模思想

3.1 Pro/E概述

Pro/E引入了參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，大大提高了設(shè)計(jì)靈活性。根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)原理，繪圖時(shí)設(shè)計(jì)者可以暫時(shí)舍棄大多數(shù)繁瑣的設(shè)計(jì)限制，只需抓住某一個(gè)典型特點(diǎn)繪出圖形，然后通過(guò)向圖形添加適當(dāng)?shù)募s束條件來(lái)規(guī)范其形狀，然后修改尺寸數(shù)值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)再生成后即可獲得理想的圖形，這就是重要的“尺寸驅(qū)動(dòng)”理論。

用Pro/E進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要是用到Pro/E中的程序（Program），這種程序不同于我們一般計(jì)算機(jī)程序（如C語(yǔ)言程序、BASIC語(yǔ)言程序）。它是一種相對(duì)非常簡(jiǎn)單的程序，它只是用一些簡(jiǎn)單的input、if -else等少數(shù)語(yǔ)句，對(duì)在零件或組件設(shè)計(jì)過(guò)程中Pro/E系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生的信息進(jìn)行編輯。Program是自動(dòng)化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工具，使用者可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單的程序語(yǔ)言來(lái)控制特征的生成與否、尺寸的大小、零組件的生成與否、零組件的顯示、零組件的個(gè)數(shù)等?？梢岳脝?wèn)答式的方式輸入?yún)?shù)等信息從而得到不同的幾何尺寸或幾何形狀，以完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。Pro/E軟件是比較理想的參數(shù)化造型軟件。

3.2 基于Pro/E三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

在零件的三維設(shè)計(jì)中，由于三維模型的創(chuàng)建要涉及到草圖、基準(zhǔn)、曲面和實(shí)體等各類特征，直接用程序生成三維模型十分困難，參數(shù)化程序的設(shè)計(jì)必定十分繁瑣和復(fù)雜?；驹砭褪遣捎萌S模型與程序相結(jié)合的方法，三維模型不是由程序創(chuàng)建，而是利用交互方式生成，在已創(chuàng)建的零件三維模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)零件的設(shè)計(jì)要求，建立一組可以完全控制三維模型和大小的設(shè)計(jì)參數(shù)。其原理主要包含了2個(gè)部分：參數(shù)化三維模型的建立和參數(shù)化程序設(shè)計(jì)。建立零件的三維參數(shù)化模型是實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，參數(shù)化程序在已創(chuàng)建的零件三維模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)該零件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的檢索、修改，然后根據(jù)新的參數(shù)值生成新的模型。

3.3 交互式三維模型樣板的建立方法

在Pro/E環(huán)境中用人機(jī)交互的方式建立三維模型樣板。模型樣板的創(chuàng)建方法與一般的三維模型相同，只是在建立模型的過(guò)程中，要加入外部設(shè)計(jì)參數(shù)和約束關(guān)系。設(shè)計(jì)參數(shù)分為2種情況：（1）與其他參數(shù)無(wú)關(guān)的獨(dú)立參數(shù)；（2）與其他參數(shù)有關(guān)的非獨(dú)立參數(shù)。前者用來(lái)控制三維模型的幾何尺寸和拓?fù)潢P(guān)系，后者可以用獨(dú)立參數(shù)為自變量的關(guān)系式表示。所以建立普通模型以后首先使用“Parameters”命令添加參數(shù)，然后利用“relations”關(guān)系式功能創(chuàng)建新的關(guān)系式，使Pro/E自動(dòng)創(chuàng)建的約束參數(shù)名與設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)的約束參數(shù)命名是由Pro/E系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建的，其值控制三維模型的幾何尺寸與拓?fù)潢P(guān)系，與用戶建立的參數(shù)無(wú)關(guān)。要使用戶建立的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠控制三維模型，必須使二者關(guān)聯(lián)。主要有2種方法：（1）在創(chuàng)建或修改特征需要輸入數(shù)值時(shí)，直接輸入?yún)?shù)名。如在草圖中標(biāo)注或修改尺寸值時(shí)用參數(shù)名代替具體數(shù)值。（2）利用Pro/E的關(guān)系式功能創(chuàng)建新的關(guān)系式，使Pro/E系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建的約束參數(shù)名與設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)聯(lián)。

3.4 齒輪參數(shù)化的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)這種方法建立的漸開(kāi)線直齒輪模型，既可以保證漸開(kāi)線齒廓的正確形狀又可以使齒輪的尺寸、形狀根據(jù)輸入?yún)?shù)的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)齒輪的參數(shù)化造型完成后，一旦改變齒輪的驅(qū)動(dòng)參數(shù)后，所設(shè)計(jì)的齒輪將按照新的驅(qū)動(dòng)參數(shù)立即發(fā)生相應(yīng)改變，即再生出新的齒輪模型。所建立的參數(shù)化直齒輪模型，只需輸入一些關(guān)鍵的參數(shù)（如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等齒輪基本參數(shù)）。根據(jù)這些參數(shù)就可以自動(dòng)生成新的齒輪模型。利用此參數(shù)化齒輪模型處理建模的重復(fù)性工作，因而可極大地提高分析效率，降低成本。

4、總結(jié)與展望

利用大型軟件Pro/E Wildfire 3.0來(lái)實(shí)現(xiàn)圓柱直齒輪的三維參數(shù)化造型，可通過(guò)改變齒輪的一些基本參數(shù)，生成相應(yīng)的齒輪，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體章節(jié)安排如下：

1.漸開(kāi)線齒輪數(shù)學(xué)模型。深入討論了漸開(kāi)線成型原理，主要包括漸開(kāi)線方程及特性以及直齒圓柱齒輪的幾何尺寸的計(jì)算。這是Pro/E參數(shù)化建模的理論基礎(chǔ)。2.漸開(kāi)線直齒輪的參數(shù)化造型。介紹了Pro/E參數(shù)化建模思想，利用方程輸入對(duì)齒輪漸開(kāi)線進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.通過(guò)程序中的關(guān)系對(duì)參數(shù)進(jìn)行限制，使得個(gè)參數(shù)之間相互聯(lián)系，完成齒輪參數(shù)化建模設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，中國(guó)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造正不斷走向成熟，以CAD/CAM核心技術(shù)為基礎(chǔ)，完成產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、虛擬制造、仿真分析等各環(huán)節(jié)，最大程度的發(fā)揮工業(yè)軟件的作用，我們相信，在不久的將來(lái)，制造業(yè)將會(huì)在信息時(shí)代迎來(lái)新的輝煌。

參考文獻(xiàn)

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[2] 程爽.基于Pro/E的滾切式剪切機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[D]. 大連交通大學(xué) 2012