基于CAD/CAM技術(shù)的齒輪機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計與運動仿真的研究

孟愛英，潘志德

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字控制分院，浙江 紹興 312000）

齒輪機構(gòu)因其結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞動力大、效率高、壽命長、可靠性好和工作平穩(wěn)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機床、鋼鐵、礦山、工程機械等行業(yè)。Pro/E軟件作為國際市場上高端的三維CAD/CAM 工程軟件之一，在業(yè)界享有極高的聲譽并具有很高的市場占有率。Pro/E的最大特點和最強的優(yōu)勢可歸納為全參數(shù)化、全相關(guān)、基于特征的實體建模。

1 齒輪機構(gòu)特征造型設(shè)計

具有齒輪機構(gòu)最常見的設(shè)備就是變速箱，變速箱是一種在原動機與工作機之間用來改變轉(zhuǎn)速的獨立傳動裝置，其類型很多，最常用的是以圓柱齒輪為傳動零件的圓柱齒輪變速箱。本文以齒輪變速箱為例來說明齒輪傳動機構(gòu)特征造型設(shè)計的方法與步驟。

（1）特征分析。針對要建立的齒輪機構(gòu)實體,應(yīng)進一步分析齒輪傳動機構(gòu)包括哪些零件，搞清零件是由哪些結(jié)構(gòu)和特征組成，它們之間的相互關(guān)系如何。根據(jù)Pro/E創(chuàng)建實體的特點，確定特征的創(chuàng)建順序，每個特征怎樣利用Pro/E來建立，更值得注意的是，在完整、詳盡地表征出實體的時候，應(yīng)使特征參數(shù)尺寸數(shù)量和完成步驟盡可能地少，建立的特征盡可能簡單。不同的建模順序雖然可以構(gòu)造出同樣的實體,但構(gòu)造出來的實體卻具有不同的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性。通常實體零件越復(fù)雜，其穩(wěn)定性、可修改性及可理解性就越差。

在滿足技術(shù)要求的前提下，應(yīng)盡量簡化圓柱齒輪和齒輪軸實體的特征結(jié)構(gòu)。在零件實體建模過程中，能用單個體素定義特征時，應(yīng)盡量使用單個體素。最后根據(jù)分析結(jié)果利用Pro/E的各種高效功能，如:拉伸、旋轉(zhuǎn)等創(chuàng)建三維實體模型。

（2）特征建模途徑。基于特征的三維實體建模是Pro/E最重要的功能之一，需要在專門進行實體造型的零件模塊中進行，該模塊可以制作出具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔，形狀近乎任意的三維實體，形成過程快速，實體尺寸能夠精確控制。Pro/E中三維實體的建構(gòu)方式主要有：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和混合等。除建構(gòu)草繪型特征外，Pro/E還可對模型進行倒角、倒圓角、創(chuàng)建拔模斜度及修飾特征等。

（3）齒輪參數(shù)化特征造型。齒輪是機械行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的零件之一，是齒輪傳動機構(gòu)的關(guān)鍵部分。齒輪輪齒精確的三維造型是齒輪機構(gòu)動態(tài)仿真、NC加工、干涉檢驗以及有限元分析的基礎(chǔ)。Pro/E在三維特征建模方面功能強大，利用其內(nèi)部開發(fā)工具結(jié)合關(guān)系式功能可以很精確控制輪齒的齒廓曲面形狀以及對齒輪實現(xiàn)整體尺寸驅(qū)動。應(yīng)用造型功能強大的Pro/E軟件來實現(xiàn)齒輪參數(shù)建模，可運用方程式控制齒廓的漸開線形狀，通過參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動建模。

模型能用于生成數(shù)控加工程序，單一數(shù)據(jù)庫使用戶做的每一處修改都會自動反應(yīng)到全部相關(guān)位置。①齒輪建模 首先通過輸入齒輪基本參數(shù)(模數(shù)m、齒數(shù)z、壓力角α、螺旋角β和變位系數(shù)X等)和輸入關(guān)系式控制齒廓的精確形狀，接著拉伸出一個輪齒，然后利用復(fù)制和陣列命令生成其余輪齒，最后輸入結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(軸孔半徑、輻板厚度、輪緣厚度等)構(gòu)造出齒輪的軸孔、鍵槽等結(jié)構(gòu)特征，一個完整的參數(shù)化齒輪模型就建立完畢。齒輪幾何尺寸的關(guān)系表達式如下:d=mz；db=dcosα；da=d+2mha；df=d-2m(ha+c)

D0=d；D1=db；D2=da；D3=df。 ②重定義齒輪參數(shù) 需要重新定義齒輪參數(shù)時，只需調(diào)用“工具|參數(shù)”和“工具|關(guān)系”命令就可修改，然后用“重生成”命令使改變參數(shù)后的齒輪重新生成。通過這種方法建立的齒輪模型，既保證了漸開線齒廓的正確形狀，又使齒輪模型可以根據(jù)參數(shù)的改變而改變。

（4）機構(gòu)其他零件實體建模。對于箱體、軸等模型，在建模過程當中需要大量地使用系統(tǒng)提供的建模特征。零件特征分析后，進入Pro/E的零件模塊，根據(jù)零件特點，選擇合適的構(gòu)建方式，進入草繪環(huán)境，然后根據(jù)零件的基準平面選擇合適的坐標參考面，完成二維草繪的繪制。特征造型可以采用拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令實現(xiàn)。三維建模是機構(gòu)仿真的基礎(chǔ)，三維實體模型包括非常豐富的設(shè)計內(nèi)容。在創(chuàng)建模型過程中，要靈活應(yīng)用模型編輯和修改工具，不斷完善設(shè)計內(nèi)容。

2 齒輪機構(gòu)的運動仿真分析

齒輪的三維實體模型參數(shù)化設(shè)計完成之后，應(yīng)利用Pro/E軟件的機構(gòu)運動仿真模塊Mechanism進行運動仿真分析，并測量齒輪機構(gòu)運動仿真中的參數(shù)(如位置、速度、加速度或力等)，然后以圖形的形式，顯示這些測量結(jié)果，使設(shè)計人員能夠更加簡便、直觀地了解設(shè)計結(jié)果。在Pro/E軟件環(huán)境的齒輪機構(gòu)運動仿真過程中，關(guān)鍵步驟是需要建立兩個“銷釘”連接和一個“齒輪副”連接。

（1）裝配變速箱。在Pro/E的標準裝配模塊中，首先把變速箱以常規(guī)裝配約束類型中的缺省方式裝配，這是保證齒輪機構(gòu)運動的基礎(chǔ)框架，也是創(chuàng)建“銷釘”連接的前提。

（2）創(chuàng)建“銷釘”連接。將兩個齒輪按照Pro/E軟件運動仿真環(huán)境的要求，分別在“裝配約束”類型中”預(yù)定義”連接中以“銷釘”連接方式，裝配到第一步中創(chuàng)建的變速箱上，這是齒輪機構(gòu)進行運動仿真的必要條件。

（3）添加“齒輪副”連接。在Pro/E軟件裝配環(huán)境的機構(gòu)模塊中，為第二步添加進來的兩個齒輪創(chuàng)建“齒輪副”連接。注意：在定義“齒輪副”連接中，是通過定義兩齒輪節(jié)圓直徑來控制兩齒輪的速度比的。在此過程中，設(shè)計人員需嚴格按軟件要求來做，才能保證齒輪機構(gòu)的運動仿真分析順利完成，完成的齒輪機構(gòu)如圖1所示。

圖1 直齒輪單級減速模擬機構(gòu)

（4）創(chuàng)建伺服電機。為了完成齒輪機構(gòu)的運動仿真分析，最后還需為其創(chuàng)建伺服電動機來驅(qū)動機構(gòu)進行運動。此外，分析的結(jié)果，可以保存為回放文件，方便設(shè)計人員后期查看齒輪機構(gòu)的運動仿真結(jié)果。創(chuàng)建完成的伺服電機在10 S內(nèi)的運動輪廓如圖2所示。

圖2 伺服電機運動輪廓

3 結(jié)語

有別于傳統(tǒng)齒輪機構(gòu)的設(shè)計，Pro/E提供了一種更為簡易且快捷的優(yōu)化設(shè)計方法，更為重要的是，在其機構(gòu)環(huán)境中，可以對虛擬三維模型進行全方位的運動仿真分析。設(shè)計人員據(jù)此可以高效、直觀地獲取設(shè)計流程中的各種信息，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計中潛在的缺陷和不足，縮短了設(shè)計周期，提高了經(jīng)濟效益。