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基于PRO/E直齿圆柱齿轮的设计建模与仿真
来源：985论文网 添加时间：2020-05-24 14:51
基于PRO/E直齿圆柱齿轮的设计建模与仿真
摘 要
目前各行各业的生产中广泛应用的传动装置——减速器的设计逐渐暴露出很多弊端，如设计花费的时间太多，耗资较大，重复性的操作较多等。这些都限制了减速器的结构和性能的发展，不能满足企业生产的新需求。本文主要就是针对出现的以上问题，通过对常用的圆柱齿轮减速器的结构进行全面的阐释，利用现代化的手段如特征建模、参数化技术等，来进行减速器的三维参数化设计研究。本设计通过Pro/E软件建立了直齿圆柱齿轮的参数化实体模型，设计者只需提供有关的参数，Pro/E就能自动建立新的实体模型。使用Pro/E 软件建立了减速器运动的仿真模型，能够对减速器运动规律逼真地展示出来，并能够进行干涉检测，能够让设计者尽早发现问题所在通过三维实体模型和二维工程图之间的相互关联技术，Pro/E 软件能够方便地通过减速器的三维实体模型创建出减速器的二维工程图，大大提高了成图效率。
关键词：圆柱齿轮；减速器；参数化设计；Pro/E建模；仿真
前言
减速器是将运动从原动机传递到工作机的一种机械设备，主要作用是降低转速、增大转矩已得到合适的速度和动力，具备大量的优点和作用，广泛应用于国
民生产生活的各个领域。然而大多数减器的结构比较复杂，由大量的零件按照复
杂的束关系装配在一起。如果按照过去的设计方法，零件、装配等的尺寸在一次
制作中是固定的值，如果要修改这些尺寸或增减某些特征，就需要新制作模型并
重新装配，给设计者增加了很多劳动量，并且极易出错。通过参数化设计便不会
出现以上问题。参数化设计是指对设计对象的结构形状基本定型，用一组参数来
约定尺寸关系，参数与设计对象的控制尺寸有对应关系，设计结果的修改受尺寸
驱动。参数化设计技术的优势主要体现在草图设计、产品建模及修改、分析比较
决定最优方案和动态设计等方面。在图像的修改上，利用参数化设计技术使得产
品的设计图可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形，还能将原先的某些设计数据得以储存和继承下来。这可以减少大量的重复劳动，减
轻设计工作量，提高设计的效率，使设计者将更多地时间精力关注于更具有想象
性的设计理念和整体构思中去。减速器的结构、尺寸设计已非常成熟，结构形式
与外形尺寸一般不再发生较大变化，但设计的重复性操作非常多，所以对其进行
参数化既方便又好用。参数化设计技术计算机辅助设计在实际应用过程中根据需
要提出的课题，也当今世界计算机辅助设计技术中最为重要的组成部分。
鉴于上述情况，本论文对常见直齿圆柱齿轮减速器的结构进行了全面而详细的研究，通过特征操作进行实体建模、关系驱动是尺寸得以参数化的方法，对圆柱齿轮减速器零件、装配的参数化进行了深入研究。本文以计算机辅助设计软件
Pro/E为设计工具，对圆柱齿轮减速器的零件结构、装配关系进行了全面的参数化，只要其中任何一个参数，Pro/E 就能自动实现每个零件、所有结构、所有装配的对应变化，把复杂的修改过程简单化，把复杂的减速器逼真而又灵活地展现在设计者面前，对减速器的运动加以真实的仿真并对运动中可能存在的干涉现象加以检测，使设计者在最初的设计阶段便能得到产品的最终效果并加以试验，从而发现并修改设计中的问题，减少在实际使用后修改而花费的昂贵成本。该系统的成功建立，对于缩减圆柱齿轮减速器的设计周期、提高生产效率、提升产品质量、节约设计成本、减少生产和使用中出现的问题，具有较高的实用价值，也为产品以后的效果展示、有限元分析、运动分析及生产加工等工作提供了实体模型，能够很好地适应当今设计行业的需要和发展。
1总体设计思路
在设计减速器系统时，一般都是先根据已经给定的设计条件及数据，比如铸工车间的砂型运输设备，该传送设备的传动系统由电动机、减速器和输送带组成，每口两班制工作，工作期限为10年，已知条件：运输机工作转矩T(N•m)＝600N•m，滚筒直径D＝400 mm，输送带速度v＝1.2m/s等初始条件来对减速器进行设计。本文根据这些条件确定该减速器系统为圆锥一斜齿圆柱齿轮减速器系统，并且确定各个标准件的规格以及轴、齿轮、轴、箱体各个部位的尺寸以及结构，在Pro/E软件中画出各个零件的模型样板，再根据族表、参数、关系式，并参考国家标准件库的建立方法来学习建立本系统的标准件库，然后利用Pro/Toolkit二次开发工具包在Pro/E工具栏上添加菜单按钮，利用Visual C++建立可视化界面，同时解决它们俩之间的接口技术，将建立好的菜单按钮和可视化界面成功连接起来。最后，对标准件进行可靠性设计以及常规性设计实现参数化。
本系统以Windows XP作为微机操作平台，在Visual C++2005软件集成开发环境中，使用Pro/Toolkit二次开发工具包对Pro/E 5.0进行二次开发，并且采用三维零件模型与编程语言程序控制二者相结合的方式来进行标准件库的建立、标准件可靠性设计以及常规性设计，实现减速器的参数化设计。
2标准件参数化设计方法的实现
2.1减速器标准件库的建立方法
机械产品中，用到的零件基本上可以分为三大类：第一类是系统独有的新零件，这种零件又称为专用零件，它在系统中出现的次数少、重复使用程度低、结构差异性很大；第二类是标准件，如螺栓、轴承等，这些零件都有国家标准，不需要自行设计，只需要按型号自己购买即可；第三类是常用件，如齿轮、轴等。若想提高建模效率，各类零件根据其自身的特点都会采用不同的方法和技术。本文主要研究标准件的参数化建模技术。
由于标准件的类型很多，装配时重复使用频率也很高，因此本文主要考虑使用 Pro/E软件自带的“族表”二次开发技术建立标准件库，来方便工程师在减速器装配时候的快速调用。建库时，先把减速器中包含的标准件大概进行分类，具体如表2.1 所示。然后再把标准件小类进行具体分类，如滚动轴承可以分为：调心球轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力球轴承、角接触球轴承、深沟球轴承和圆柱滚子轴承。
表2.1 标准件的分类
标准件大类 标准件小类
连接件 螺栓、螺母、键、销等
传动件 滚动轴承、联轴器等
附件 轴套、轴承盖、通气器、套杯、螺塞、窥视孔、挡圈、视孔盖、封油垫、吊环螺钉、油面指示标志等
密封件 毡圈油封等
2.2六角头螺栓标准件库的建立
建立标准件库时需要用到的 Pro/E 软件自带的工具有：族表、关系式、参数。本文主要以六角头螺栓标准件库为例具体介绍建库方法。
第一步：创建六角头螺栓实体模型样板图。如图2.1所示：
图2.1 基本模型
绘制模型图的过程中，由于绘制螺纹有两种方法：螺旋扫描和修饰。本文采用修饰的方法绘制样板图。
第二步：根据螺栓零件各个尺寸之间的数学关系，添加参数以及关系，结果如图2.2、2.3所示。
图2.2 参数
图2.3 关系
第三步：将螺栓的各个参数添加到族表中，如图2.4所示。
图2.4族表
第四步：生成螺栓的标准件库。
对所有零件都根据这个过程创建其零件族表，可以完成基于族表的标准件图库的建立。
2.3基于二次开发标准件库的建立
在标准件图库建立之后，我们可以利用二次开发技术，通过调用Pro/Toolkit 提供的函数库中的 API 函数来实现，并且利用MFC 对话框强大的功能自动生成基于族表的标准件库，使用和管理维护起来都比较方便。
将没有具体尺寸只有约束关系而得到的模型存盘就可以得到原型零件即为模型样板图。然后利用 Pro/Toolkit 应用程序提供的一些函数就能够将零件模型从模型库中直接调至内存中，同时还可从三维模型中对该零件所具有的全部设计参数进行检索，通过对value 值对参数进行赋新值，就可以实现模型的再生。该过程一般有如下四步：
第一步：调用 Pro Mdl Retrieve()函数将模型从零件库中调至内存；然后通过调用函数Pro Mdl To Modelitem( )和 Pro String To Wstring( )来获得当前模型项以及设置上一步自定义的参数名。
第二步：调用Pro Parameter Init()函数来初始化模型参数，并且依据给定的参数名来获得参数对象指针，同时将各参数指针保存到类型为Pro Parameter 的指针数组中；
第三步：利用各指针调用Pro Parameter Value Get()函数来获得类型为Pro Parametervalue 的结构体变量，把这个结构体变量作为输入参数，并且通过value 成员来给参数赋值，同时可以通过调用Pro Parameter Value Set()函数来设置以及修改参数值。
第四步：参数值赋值之后，调用Pro Solid Regenerate()函数来再生三维模型完成零件参数化的自动创建，并且实现了可视化修改再生，同时将这些程序封装到程序内部。
以深沟球轴承标准件库为例，部分关键代码如下所示：
double d，D，B，r； //引用全局变量
BOOL Cjiansuqi：：On Init Dialog( )
{
CDialog：：On Init Dialog()；
Pro Mdl model；
Pro Modelitem modelitem；
……
Update Data(true)；
status=Pro Mdl Current Get(&model)；
if (status==PRO_TK_NO_ERROR){
Pro Mdl To Modelitem(model， &modelitem)；
//根据指定的参数名获得参数对象指针
Pro String To Wstring(&Param Name，"d")；
status=Pro Parameter Init(&modelitem，&Param Name，¶m)；
//获得参数值
Pro Parameter Value Get(¶m， &value)；
m_d=value.value.d_val；
Pro String To Wstring(&Param Name，"D")；
status=Pro Parameter Init(&modelitem，&Param Name，¶m)；
//获得参数值
Pro Parameter Value Get(¶m， &value)；
m_D=value.value.d_val；
……
void Cjiansuqi：：On Call( )
{
Pro Mdl model；
Pro Modelitem modelitem；
Pro Name Param Name1，Param Name2，......；
Pro Parameter param1，param2，......；
Pro Paramvalue value1，value2，......；
……
Pro String To Wstring(Param Name1，"d")；
Pro String To Wstring(Param Name2，"D")；
Pro String To Wstring(Param Name3，"B")；
……
void Cjiansuqi：：On Regenerate( )
{
Pro Mdl model；
Pro Error status；
……
Pro Solid Regenerate ((Pro Solid)model，PRO_B_TRUE)； // 模型再生
Pro Window Repaint(PRO_VALUE_UNUSED)； // 窗口重绘
}
其中，图2.5是设计人员为深沟球轴承建立的数据库表，可以方便用户查询模型图的各个参数值。
图2.5 深沟球轴承数据库表
3直齿圆柱齿轮Pro/E参数化齿轮建模设计
3.1直齿圆柱齿轮参数化三维设计的一般方法
生成直齿圆柱齿轮三维模型有2个最主要的关键问题：①如何生成齿而的渐开线曲线；②如何齿轮的参数化设计。齿轮参数化设计的具体操作步骤如图3.1所示。
图3.1 齿轮参数化设计的具体操作步骤
3.2建立齿轮模型参数
齿轮模型参数：齿数z、模数m、标准压力角alpha、齿顶高系数h、径向间隙系数c、齿宽B。
点击下拉菜单中【工具】、【参数】，出现参数设置对话框，在对话框中分别添加5个系统参数，如表3.1所示。
表3.1 系统参数
系统参数名称 参数值 说明
alpha 20 标准压力角
m 2 齿轮标准模数
z 30 齿轮齿数
h 1 齿顶高系数
c 0.25 径向间隙系数
B 15 齿轮宽度
3.3创建4个草绘圆
分别绘制代表齿顶圆、分度圆、齿根圆、基圆的
4个草绘圆，建立各圆直径与各参数间的数学关系式。
（1）绘制4个同心草绘圆曲线
以Front而为草绘平而，随意绘制4个同心圆，标注每个圆的直径尺寸。
（2）更改4个同心草绘圆直径名称
依次点选每个圆的直径尺寸，鼠标右击，出现光标菜单，点选属性，出现尺寸属性对话框，在尺寸名称栏中将各直径尺寸名称分别修改为da，d，da，db，分别代表齿顶圆、分度圆、齿根圆和基圆直径名称。
（3）添加关系式
将齿顶圆da、分度圆d，齿根圆df和基圆直径氏与设定的系统参数分别建立数学关系式。
点击下拉菜单中【工具】、【关系】，出现关系对话框，在对话框中按表3.2输入。
表3.2数学关系式
数学表达式 说明
d=ma 齿轮的分度圆直径
da=d+2ha m 齿轮的齿顶圆直径
df=d-2（ha+c）m 齿轮的齿根圆直径
db=dcos（alpha） 齿轮的基圆直径
（4）更新草绘型基准曲线
基准曲线的数值和图形大小都将按关系式计算的结果而发生变化。
3.4用方程生成齿轮渐开线
点击【插入】、【模型基准】、【曲线】，用方程的方式创建渐开线，选择系统缺省坐标系，采用柱坐标，弹出记事本，在记事本中按表3输入参数方程。
表3.3参数方程
数学表达式 说明
r=(da/2)/cos(55 t) 渐开线上任一点与坐标原点的距离
theta=tan(55t)x180/pi-55tz=0 渐开线上任一点与坐标原点连线与X轴的夹角
其中t≈0～1任意变化的系统变量值，渐开线曲线如图3.2所示，采用圆柱坐标方式，坐标的原点设置在系统的缺省坐标。表3.3中的theta即为图中的θ，55t表示为图中的a ，rb为渐开线的基圆半径。
图3.2渐开线曲线
3.5创建镜像渐开线
（1）创建基准点
单击下拉菜单【插入】→【模型基准】→【点】或点击工具栏图标，分别选择分度圆曲线和渐开线曲线，得到交点为基准点PNTO。
（2）创建基准轴
单击下拉菜单【插入】→【模型基准】→【轴】或点击工具栏图标，分别选择TOP和RIGHT而，生成基准轴A_ 1，该轴线为齿轮的回转中心线。
（3）创建基准平而
单击下拉菜单【插入】→【模型基准】→【平而】或点击工具栏图标，分别选择基准轴A_ 1和基准点PNTO，生成基准而DTM1。用相同的方法选择基准轴A_ 1和基准而DTM1，输入角度偏移角为3°或-3°，生成基准而DTM2，该而为镜像平而。
偏移角度的计算公式为360/4z
（4）镜像渐开线
选中渐开线，单击下拉菜单【编辑】→【镜像】或点击工具栏图标后.选择基准而DTM2为镜像而得到镜像渐开线，如图3.3所示。
图3.3镜像渐开线
3.6创建齿顶圆柱实体
采用拉伸加材料建模方式，以FRONT而为草绘平而绘制圆，使圆与齿顶圆曲线完全重合，拉伸深度为巧，完成圆柱实体建模，如图3.4所示。
图3.4圆柱实体建模
3.7创建齿槽切材料特征
采用拉伸切材料建模方式，以FRONT而为草绘平而，绘制齿槽轮廓图形，使齿槽轮廓图形分别与左右渐开线、齿顶圆和齿根圆对齐，齿根处倒圆角R0.2，切槽深度与齿顶圆柱实体同厚，如图3.5所示。
图3.5切材料特征
3.8创建齿槽阵列特征
选中齿槽特征，单击【编辑】、【阵列】命令或图标，在【阵列】操控而板的对话栏中选【轴】阵列类型，参照选择A-1基准轴，360°环形阵列，阵列总数
为30，如图3.6所示。
图3.6齿槽阵列特征
3.9增加关系式
点击下拉菜单中【工具】、【关系】，出现关系对话框，在模型树中选择DTM2、阵列特征和齿顶圆柱特征，零件模型中将显示所选特征的所有尺寸。用鼠标选中DTM2的偏移角尺寸、阵列特征的阵列数尺寸和齿顶圆柱特征深度尺寸，在关系对话框中自动加入这3个尺寸变量名，并分别按表4增加输入关系式。
表3.4 增加关系式
数学表达式 说明
P18=z P18代表阵列数尺寸变量名
D5=360/4z d5代表DTM2的偏移角尺寸变量名
D6=B D6代表齿顶圆柱特征深度尺寸变量名
3.10修改零件设计模型程序内容
点击下拉菜单中【工具】、【程序】，显示程序菜单管理器，点选编辑程序，出现程序记事本；在零件模型程序记事本中，寻找INPUT/END INPUT，在中间加入m，z，B，alpha，ha，c，保存文件，完成程序设计修改，如图3.7所示。
图3.7修改模型程序
3.11修改齿轮参数，生成新参数齿轮
点击再生命令，显示程序菜单管理器，用“输入”的方法修改齿轮，选择所需修改的齿轮参数，如模数m=4，齿数z=60，再生零件，得到所给定参数的齿轮模型。
4齿轮模型虚拟装配与运动仿真分析
4.1Pro/E传动齿轮的虚拟装配
4.1.1装配关系
首先必须定义骨架模型以确定两个齿轮的空间位置。在空间中生成两根轴线 A_1 与 A_2 ，轴线之间的距离由（m1z1+m2z2）/2确定。打开第一个齿轮组件，使用如下的装配关系：
（1）应用销钉约束使其只具有一个旋转自由度；
（2） 应用轴对齐约束使齿轮轴线与骨架模型中A_1 轴重合；
（3）应用平移约束使齿轮的基准平面与坐标平面重合。
第二个齿轮的装配关系类似 .
4.1.2虚拟装配结果
装配结果如图4.1、图4.2所示。由于定义了完整的约束，虚拟装配结果完全符合齿轮副的实际工作位置
图4.1 虚拟装配直观图
图4.2 啮合处细节图
4.2齿轮模型的运动仿真分析
Pro/ENGINEER的运动学分析模块Mechanism可以进行装配的运动学分析和仿真，其结果不仅可以动画的形式表现出来，还可以参数和数值的形式输出。例如，运动件是否干涉，干涉的体积有多大，运动件的运动轨迹等，在本文中，只分析运动件是否有干涉，以及干涉产生后如何消除或减小干涉。
首选要进行装配：在装配时，是根据两齿轮轴心线距离，即两齿轮的节圆半径和来定义位置的。首先把2根轴按照距离为两齿轮节圆半径和的尺寸装配起来，而后两齿轮分别和对应的轴装配，并定义为销钉联接，即表示在仿真运动时，齿轮和轴不是一起运动的。
完成装配后，下一步开始进行运动分析。从运动分析结果(图略)。可以看到，2个齿轮在运动过程中有干涉，在运动中，干涉也会随着运动时零件位置的改变而改变。因此，需要对设计或装配进行修改，消除运动件的干涉。对于这两齿轮联接，就是在装配过程中出现了问题，应该是一个齿轮的齿正对着另一个齿轮的齿槽。
干涉处理：
首先是建立两齿轮的中心面位置，让齿轮的齿中心面和齿槽中心面分别与另一啮合齿的齿槽中心面和齿中心面重合。建立好齿的中心面后，开始设置齿轮1的初始位置，如图4.3。
图4.3 设置齿轮1的销联接
在“连接轴位置”中，输入0，这样就定义了2个平面对齐时的位置就是销钉联接的原点位置。切换到“再生值”一栏，在“销钉连接位置”输入0。另一
齿轮的初始位置设置操作同1齿轮基本上差不多，也要定义销钉联接的原点位置，只不过，在这里经过轴零件轴中心的平面要与该齿轮的经过齿中心的平面重合。
重新装配两齿轮后，再计算运动并检查干涉，其结果如图4.4所示。
图4.4 正确啮合的齿轮传动
5结论与展望
5.1结论
本文是以参数化设计技术为指导，利用编程语言软件V C++，深入研究了Pro/E二次开发的方法，以减速器中包含的标准件零件模型为例，利用Pro/E三维设计软件的尺寸驱动和参数化设计功能，根据机械零部件一齿轮的结构特点，合理设置系统参数，建立准确的系统关系式，只需要修改必要的系统参数，就能获得外形上相近、尺寸有所差异的同类零部件一齿轮的系列产品，并对该样机的某些参数进行设置、元件之间的约束和载荷的添加、齿轮上接触力参数的确定等，最后对样机进行运动仿真并进行动力学分析。通过本论文的研究，可以大大的提高减速器的设计效率、缩短它的开发周期、降低生产成本，这对实际有很大的应用价值。
5.2展望
因为种种客观条件的限制，加上本人知识储备和设计能力十分有限，本论文
主要研究单级圆柱齿轮减速器零部件的参数化设计及整机的参数化装配，具有一
定的局限性。对于实际工程减速器，结构各异，尚有许多地方有待进一步研究和
完善。在本文所做研究工作的基础上，提出进一步的研究设想如下:
（1）在单级直齿圆柱齿轮减速器的基础上，进一步对多级圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆齿轮减速器等不同类型减速器的参数化设计进行研究。
（2）对于工程图，除了能够生成尺寸大小随三维模型相应变化的二维工程图以外，应对自动生成工程图进一步进行研究。即图纸的自动生成，其中包括标题栏，明细表等内容。
（3）将减速器的优化设计和本文的参数化设计有机结合起来，以减轻重量、体积，降低成本，提高经济效益。
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