基于proe的锥齿轮的参数化设计与实体建模(论文)

基于proe的锥齿轮的参数化设计与实体建模(论文)内容摘要：

锥齿轮在 SKM2 型铣齿机上的加工方法进行了分析，根据共辘齿面啮合理论，提出了一种展成克林根贝尔格制延伸外摆线锥齿轮精确的切齿调整计算新方法。 此外，石凤山、李润芳等人也在锥齿轮理论、设计以及加工方法等方面进行了不 懈的研究，取得了可喜的成果，有效地推动了我国锥齿轮技术研究的不断深入。 但是由于我国的锥齿轮发展起步晚，与国外先进工业国家的发展水平相比还存在着较大的差距 [7]。 锥齿轮的发展前景与发展趋势 4 由于齿轮传动在工业生产中应用的重要性与普遍性，齿轮传动研究是当前机械传动研究中的重点。 新一代锥齿轮的发展趋势是：绿色制造和低噪声、低消耗以及高耐用性 [12]。 （ 1）锥齿轮参数设计 ① 非零传动设计将会大幅度推广； ② 纯滚动或低滑动的新齿形将会出现； ③ 各种标准化的齿形制将被专家系统所代替； ④ 现代机械和信息 技术的成果将会得到广泛应用，例如用创造性思维开发广义优化设计 (建模 /方案分析 /动态分析 /遗传算法 )，大系统设计 (人 机 环境 )，绿色经济，新产品虚拟设计，工业艺术造型设计和精益生产，智能制造，虚拟制造等 [13]。 (2)锥齿轮的加工 用数控 CNC齿轮加工机床代替复杂内传动链机床，其最大优势是具有精密分度作用。 在高效率精加工方面的创新表现在以下几点 :推广立方碳化硼 (CBN)刀具材料的磨齿技术；运用高新技术改造传统齿轮加工机床、实现锥齿轮的数控加工；采用数控加工齿轮修形，为高质量、高可靠性的锥齿轮传动的设计和制 造提供了技术手段。 齿轮数控技术最关键的发展方向是，数控机床专家和齿轮专家一起，针对锥齿轮的设计和加工特点，协作开发出自动化程度高的新型数控机床，使我国的锥齿轮将更具有竞争力。 (3) 锥齿轮材料 质量轻、有吸振和自润滑性能的复合材料或工程塑料有着许多钢材所不具备的优点，如果解决现存的热膨胀，高温变性等缺点，则齿轮从设计到加工，将具有更广阔的前景。 但这需要材料学科的研究人员和齿轮专家一起，共同进行研究和开发。 (4) 锥齿轮传动质量的最终要求是绿色制造、低材耗、低能耗，长寿命和低噪声。 为满足锥齿轮传动的高精 度、高效率的要求，采用优良的设计方法，先进的数控设备，同时采用数控加工锥齿轮修形，是当前齿轮制造行业主要的发展趋势。 随着计算技术、信息技术以及基础科学的进步，弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮传动技术近年来也有很大的发展，新的设计理念、加工方法、实验测试技术不断涌现，并朝着高速、重载、轻质的方向发展 [2]。 本课题研究意义与研究内容 目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化较为成熟。 对复杂的三维实体的参数化造型尚不多见，特别是像锥齿轮这类形状复杂、 5 精确齿形的三维实体参数化造型设计更为少见 [15]。 其原因 是 :一方面锥齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面运用低级 CAD软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计 [16]。 随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展，用大型的三维软件实现锥齿轮的参数化造型将成为设计者的迫切需求 [17]。 渐开线锥齿轮实体参数化造型有如下意义 : (1) 保证造型的精确性； (2) 造型速度快 ,避免了手工取点造型的复杂过程； (3) 完成的三维锥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的必要条件； (4)可以用于刀具齿轮模型和塑料 齿轮模具的三维设计和加工。 课题研究内容 :利用大型软件 Pro/E 来实现锥齿轮的三维参数化造型。 可通过改变齿轮的一些基本参数，生成不同齿数、压力角、齿宽的齿轮。 2. Pro/ENGINEER 软件的参数化设计 Pro/ENGINEER 软件的主要功能 Pro/ENGINEER 系统是美国参数技术 (Parametric Technology Corporation ，简称 PTC)多项技术的集成产品，被广泛应用于机械、电子、汽车、模具、航天、家电、工业设计等行业。 它是一款参数化建模软件，具有丰富的零件实体建模 功能，能进行变量化的草图轮廓绘制，并能自动进行动态约束检查，通过拉伸、旋转、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作，更简便地实现机械产品的开发设计，通过扫描混合、填充以及拖动可控的相关操作，能生成形状复杂的构造曲面，可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等操作 [18]。 Pro/ENGINEER 的所有模块都是相关联的，这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸以及制造数据，在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为 可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用 [18]。 Pro/ENGINEER 是基于特征的参数化造型，这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易地进行修改装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征，通过给这些特征设置参数，然后修改参数，很容易进行多次设计叠代，实现产品的开发。 Pro/ENGINEER 的数据管理模块可以加速产品投放市场，能够在较短的时间内开发更多的产品 [18]。 Pro/ENGINEER 参数化设计的原理 参数化设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约 束该几何图形的 6 一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型。 参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提高了设计效率 [18]。 用 Pro/Engineer 进行参数化设计，只需将某系列的零件设计成一个模型，在模型上标注尺寸，尺寸线可以看成一个有向线段，上面的尺寸数字就是参数名，其方向反映了几何 数据的变动趋势，长短反映了参数现值，这样就建立了几何实体和参数间的关系，由用户输入的参数名找到对应的实体，进而根据参数值对实体进行编辑修改，以得到新的模型，实现参数化设计。 许多机械零件的形状结构具有共同特征，只是在相对大小或局部特征上存在一定的差异，如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型，就会大大提高设计效率 [18]。 参数化设计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中随产品规格不同而变化的参数用相应的变量代替，通过对变量的修改，从而实现同类结构机械零件设计的参数化。 参数化造型的基本思想是用数值约束、几何约 束和方程约束来说明产品模型的形状特征，从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。 参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取、表达、求解以及参数化几何模型的构建，软件提供了非全约束的参数化实体特征建模与曲面建模相结合的技术，具有强大的零件设计功能 [18]。 锥齿轮在机械工业中有着广泛的应用，它用来实现两相交轴之间的传动，两轴的相交角一般采用 90 度。 锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小。 锥齿轮的基本关系式 7 图 1 锥齿轮轴向剖面图 由锥齿轮轴向剖面图可 推导出齿轮参数间的基本关系式如下： HA=(HAX+X)*M HF=(HAX+CXX)*M H=(2*HAX+CX)*M DELTA=ATAN(Z/Z_D) D=M*Z DB=D*COS(ALPHA) DA=D+2*HA*COS(DELTA) DF=D2*HF*COS(DELTA) HB=(DDB)/(2*COS(DELTA)) RX=D/(2*SIN(DELTA)) THETA_A=ATAN(HA/RX) THETA_B=ATAN(HB/RX) THETA_F=ATAN(HF/RX) DELTA_A=DELTA+THETA_A DELTA_B=DELTATHETA_B DELTA_F=DELTATHETA_F BA=B/COS(THETA_A) BB=B/COS(THETA_B) 8 BF=B/COS(THETA_F) 渐开线的几何分析 图 2 渐开线的几何分析 渐开线是由一条。