馮玉龍++姚德鋼

[摘 要]隨著計算機技術的飛速發(fā)展，CAD已經(jīng)廣泛應用于零件設計和制造中，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)品設計的需要，所以以通用CAD軟件為基礎，根據(jù)本單位的實際，進行不同程度的開發(fā)成為產(chǎn)品現(xiàn)代設計的重要內(nèi)容。

齒輪作為各種機械傳動設備中的重要裝置，具有傳動平穩(wěn)，承載能力強等優(yōu)點，有著非常廣泛的應用前景。但其結(jié)構(gòu)復雜，設計計算困難，為了提高設計效率，增加競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)齒輪的三維參數(shù)化精確建模顯得尤為重要。

[關鍵詞]直齒輪 參數(shù)化 Pro/E

中圖分類號：TM121.1.3 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）07-0044-01

1、引言

漸開線齒輪作為各種機械傳動設備中的重要裝置，具有傳動比大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于機械、船舶、航空、電力領域[1]。隨著大批優(yōu)秀的三維CAD軟件紛紛涌現(xiàn)，一般機械零件的三維設計對普通工程師來說已經(jīng)不再是困難的工作。但是對于漸開線齒輪，由于其齒廓的復雜性，一般設計者在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)化設計的理念正式解決這一問題的有效途徑。計算機輔助設計的廣泛應用以及計算機硬件和軟件技術大大提高了模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設計、相似設計及專用CAD系統(tǒng)開發(fā)反面都具有較大的應用價值。

2、國內(nèi)外研究進展

目前采用CAD進行3D設計已達到了70%～89%，Pro/E、UG、Catia，I-Deas等軟件的應用很普通。應用這些軟件可完成3D設計，還可以進行轉(zhuǎn)配干涉的檢查，保證設計和工藝的合理性。近幾年來國內(nèi)外先進工業(yè)國家對CAD/CAM技術的開發(fā)非常重視，在其開發(fā)上投入了很大的人力和物力。目前國際上流行的三維CAD軟件如下：Pro/E系統(tǒng)是美國PTC公司推出的三維CAD/CAM軟件；Catia系統(tǒng)是法國達索飛機公司與美國IBM公司合作開發(fā)的CAD系統(tǒng)；UGNX是美國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)化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、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。

我國在軟件和設備方面的發(fā)展一直比較緩慢，直到進入21世紀以來，我國的計算機行業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，正是因為這樣，我國的CAD技術才有了進一步發(fā)展的空間。在現(xiàn)代制造業(yè)舞臺上，生產(chǎn)效率、成本、規(guī)劃管理無不和生產(chǎn)技術相關，因此，CAD技術的開發(fā)直接關系到產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)、維修等工作的速度和效率，顯得尤為重要。在產(chǎn)品的設計和裝配階段，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)勢在現(xiàn)代工程設備的設計方面有著絕對的優(yōu)勢。

參數(shù)化設計是近幾年發(fā)展起來的先進造型技術，它是CAD技術應用領域內(nèi)的一個重要的、需要進一步研究的課題。利用參數(shù)化設計手段開發(fā)的專用產(chǎn)品設計系統(tǒng)，可使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，來對產(chǎn)品進行合理的設計，從而大大提高設計速度，并減少信息的存儲量，而且有助于減輕設計人員的工作強度。參數(shù)化建模技術是CAD的核心技術，是新一代繼承化CAD系統(tǒng)應用研究的熱點理論，也是齒輪參數(shù)化造型的基礎理論依據(jù)，對齒輪建模和系統(tǒng)設計起著指導性作用。另外，研究國內(nèi)外齒輪CAD參數(shù)化設計的發(fā)展狀況，可以借鑒前人的研究成果，對齒輪的參數(shù)化研究有一定的指導意義。

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)化設計思想，大大提高了設計靈活性。根據(jù)參數(shù)化設計原理，繪圖時設計者可以暫時舍棄大多數(shù)繁瑣的設計限制，只需抓住某一個典型特點繪出圖形，然后通過向圖形添加適當?shù)募s束條件來規(guī)范其形狀，然后修改尺寸數(shù)值，經(jīng)過系統(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”理論。

用Pro/E進行參數(shù)化設計，主要是用到Pro/E中的程序（Program），這種程序不同于我們一般計算機程序（如C語言程序、BASIC語言程序）。它是一種相對非常簡單的程序，它只是用一些簡單的input、if -else等少數(shù)語句，對在零件或組件設計過程中Pro/E系統(tǒng)自動產(chǎn)生的信息進行編輯。Program是自動化設計的一項重要工具，使用者可以通過非常簡單的程序語言來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、零組件的個數(shù)等?？梢岳脝柎鹗降姆绞捷斎?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)品設計的要求。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)化設計原理

在零件的三維設計中，由于三維模型的創(chuàng)建要涉及到草圖、基準、曲面和實體等各類特征，直接用程序生成三維模型十分困難，參數(shù)化程序的設計必定十分繁瑣和復雜。基本原理就是采用三維模型與程序相結(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上，進一步根據(jù)零件的設計要求，建立一組可以完全控制三維模型和大小的設計參數(shù)。其原理主要包含了2個部分：參數(shù)化三維模型的建立和參數(shù)化程序設計。建立零件的三維參數(shù)化模型是實現(xiàn)二次開發(fā)的關鍵，參數(shù)化程序在已創(chuàng)建的零件三維模型的基礎上，針對該零件的設計參數(shù)進行編程，實現(xiàn)設計參數(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程中，要加入外部設計參數(shù)和約束關系。設計參數(shù)分為2種情況：（1）與其他參數(shù)無關的獨立參數(shù)；（2）與其他參數(shù)有關的非獨立參數(shù)。前者用來控制三維模型的幾何尺寸和拓撲關系，后者可以用獨立參數(shù)為自變量的關系式表示。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”關系式功能創(chuàng)建新的關系式，使Pro/E自動創(chuàng)建的約束參數(shù)名與設計參數(shù)關聯(lián)。系統(tǒng)的約束參數(shù)命名是由Pro/E系統(tǒng)自動創(chuàng)建的，其值控制三維模型的幾何尺寸與拓撲關系，與用戶建立的參數(shù)無關。要使用戶建立的設計參數(shù)能夠控制三維模型，必須使二者關聯(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，直接輸入?yún)?shù)名。如在草圖中標注或修改尺寸值時用參數(shù)名代替具體數(shù)值。（2）利用Pro/E的關系式功能創(chuàng)建新的關系式，使Pro/E系統(tǒng)自動創(chuàng)建的約束參數(shù)名與設計參數(shù)關聯(lián)。

3.4 齒輪參數(shù)化的實現(xiàn)

通過這種方法建立的漸開線直齒輪模型，既可以保證漸開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)生相應的變化。當齒輪的參數(shù)化造型完成后，一旦改變齒輪的驅(qū)動參數(shù)后，所設計的齒輪將按照新的驅(qū)動參數(shù)立即發(fā)生相應改變，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來實現(xiàn)圓柱直齒輪的三維參數(shù)化造型，可通過改變齒輪的一些基本參數(shù)，生成相應的齒輪，達到設計要求。具體章節(jié)安排如下：

1.漸開線齒輪數(shù)學模型。深入討論了漸開線成型原理，主要包括漸開線方程及特性以及直齒圓柱齒輪的幾何尺寸的計算。這是Pro/E參數(shù)化建模的理論基礎。2.漸開線直齒輪的參數(shù)化造型。介紹了Pro/E參數(shù)化建模思想，利用方程輸入對齒輪漸開線進行設計。3.通過程序中的關系對參數(shù)進行限制，使得個參數(shù)之間相互聯(lián)系，完成齒輪參數(shù)化建模設計。

現(xiàn)在，中國的計算機輔助設計和制造正不斷走向成熟，以CAD/CAM核心技術為基礎，完成產(chǎn)品的虛擬設計、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，制造業(yè)將會在信息時代迎來新的輝煌。

參考文獻

[1] 姜北北.基于全三維模型工藝設計技術[D]. 沈陽理工大學 2013

[2] 程爽.基于Pro/E的滾切式剪切機構(gòu)參數(shù)化設計研究[D]. 大連交通大學 2012