基于CAD/CAM技術的齒輪機構參數化設計與運動仿真的研究

孟愛英，潘志德

（浙江工業職業技術學院數字控制分院，浙江 紹興 312000）

齒輪機構因其結構緊湊、傳遞動力大、效率高、壽命長、可靠性好和工作平穩等優點，廣泛應用于機床、鋼鐵、礦山、工程機械等行業。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勢可歸納為全參數化、全相關、基于特征的實體建模。

1 齒輪機構特征造型設計

具有齒輪機構最常見的設備就是變速箱，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特征造型設計的方法與步驟。

（1）特征分析。針對要建立的齒輪機構實體,應進一步分析齒輪傳動機構包括哪些零件，搞清零件是由哪些結構和特征組成，它們之間的相互關系如何。根據Pro/E創建實體的特點，確定特征的創建順序，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，應使特征參數尺寸數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造出同樣的實體,但構造出來的實體卻具有不同的穩定性、可修改性、可理解性。通常實體零件越復雜，其穩定性、可修改性及可理解性就越差。

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

（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雜外形和內腔，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中三維實體的建構方式主要有：拉伸、旋轉、掃描和混合等。除建構草繪型特征外，Pro/E還可對模型進行倒角、倒圓角、創建拔模斜度及修飾特征等。

（3）齒輪參數化特征造型。齒輪是機械行業中應用最廣泛的零件之一，是齒輪傳動機構的關鍵部分。齒輪輪齒精確的三維造型是齒輪機構動態仿真、NC加工、干涉檢驗以及有限元分析的基礎。Pro/E在三維特征建模方面功能強大，利用其內部開發工具結合關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整體尺寸驅動。應用造型功能強大的Pro/E軟件來實現齒輪參數建模，可運用方程式控制齒廓的漸開線形狀，通過參數設置來實現參數驅動建模。

模型能用于生成數控加工程序，單一數據庫使用戶做的每一處修改都會自動反應到全部相關位置。①齒輪建模 首先通過輸入齒輪基本參數(模數m、齒數z、壓力角α、螺旋角β和變位系數X等)和輸入關系式控制齒廓的精確形狀，接著拉伸出一個輪齒，然后利用復制和陣列命令生成其余輪齒，最后輸入結構特征參數(軸孔半徑、輻板厚度、輪緣厚度等)構造出齒輪的軸孔、鍵槽等結構特征，一個完整的參數化齒輪模型就建立完畢。齒輪幾何尺寸的關系表達式如下: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 需要重新定義齒輪參數時，只需調用“工具|參數”和“工具|關系”命令就可修改，然后用“重生成”命令使改變參數后的齒輪重新生成。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參數的改變而改變。

（4）機構其他零件實體建模。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，根據零件特點，選擇合適的構建方式，進入草繪環境，然后根據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、旋轉等命令實現。三維建模是機構仿真的基礎，三維實體模型包括非常豐富的設計內容。在創建模型過程中，要靈活應用模型編輯和修改工具，不斷完善設計內容。

2 齒輪機構的運動仿真分析

齒輪的三維實體模型參數化設計完成之后，應利用Pro/E軟件的機構運動仿真模塊Mechanism進行運動仿真分析，并測量齒輪機構運動仿真中的參數(如位置、速度、加速度或力等)，然后以圖形的形式，顯示這些測量結果，使設計人員能夠更加簡便、直觀地了解設計結果。在Pro/E軟件環境的齒輪機構運動仿真過程中，關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裝配約束類型中的缺省方式裝配，這是保證齒輪機構運動的基礎框架，也是創建“銷釘”連接的前提。

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

（3）添加“齒輪副”連接。在Pro/E軟件裝配環境的機構模塊中，為第二步添加進來的兩個齒輪創建“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圓直徑來控制兩齒輪的速度比的。在此過程中，設計人員需嚴格按軟件要求來做，才能保證齒輪機構的運動仿真分析順利完成，完成的齒輪機構如圖1所示。

圖1 直齒輪單級減速模擬機構

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

圖2 伺服電機運動輪廓

3 結語

有別于傳統齒輪機構的設計，Pro/E提供了一種更為簡易且快捷的優化設計方法，更為重要的是，在其機構環境中，可以對虛擬三維模型進行全方位的運動仿真分析。設計人員據此可以高效、直觀地獲取設計流程中的各種信息，從而發現設計中潛在的缺陷和不足，縮短了設計周期，提高了經濟效益。