基于Pro/ENGINEER的圓柱齒輪參數化虛擬設計

馮玉龍++姚德鋼

[摘 要]隨著計算機技術的飛速發展，CAD已經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品設計的需要，所以以通用CAD軟件為基礎，根據本單位的實際，進行不同程度的開發成為產品現代設計的重要內容。

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

[關鍵詞]直齒輪 參數化 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、結構緊湊、工作可靠、壽命長等優點，廣泛應用于機械、船舶、航空、電力領域[1]。隨著大批優秀的三維CAD軟件紛紛涌現，一般機械零件的三維設計對普通工程師來說已經不再是困難的工作。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，繼而影響到后續齒輪加工的操作。CAD參數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，在產品的系列設計、相似設計及專用CAD系統開發反面都具有較大的應用價值。

2、國內外研究進展

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，還可以進行轉配干涉的檢查，保證設計和工藝的合理性。近幾年來國內外先進工業國家對CAD/CAM技術的開發非常重視，在其開發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系統是美國PTC公司推出的三維CAD/CAM軟件；Catia系統是法國達索飛機公司與美國IBM公司合作開發的CAD系統；UGNX是美國UGS公司的CAD產品，該軟件首次突破傳統CAD/CAM模式，為用戶提供了一個全方面的產品建模系統，它優越的參數化和變量化技術與傳統的實體、線框和表賣弄功能結合在儀器，幾乎是CAD/CAM用戶的首選軟件。

我國在軟件和設備方面的發展一直比較緩慢，直到進入21世紀以來，我國的計算機行業有了突飛猛進的發展，正是因為這樣，我國的CAD技術才有了進一步發展的空間。在現代制造業舞臺上，生產效率、成本、規劃管理無不和生產技術相關，因此，CAD技術的開發直接關系到產品的設計、生產、維修等工作的速度和效率，顯得尤為重要。在產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、能直接轉化成二維工程圖和模擬裝配等優勢在現代工程設備的設計方面有著絕對的優勢。

參數化設計是近幾年發展起來的先進造型技術，它是CAD技術應用領域內的一個重要的、需要進一步研究的課題。利用參數化設計手段開發的專用產品設計系統，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。參數化建模技術是CAD的核心技術，是新一代繼承化CAD系統應用研究的熱點理論，也是齒輪參數化造型的基礎理論依據，對齒輪建模和系統設計起著指導性作用。另外，研究國內外齒輪CAD參數化設計的發展狀況，可以借鑒前人的研究成果，對齒輪的參數化研究有一定的指導意義。

3、Pro/E參數化建模思想

3.1 Pro/E概述

Pro/E引入了參數化設計思想，大大提高了設計靈活性。根據參數化設計原理，繪圖時設計者可以暫時舍棄大多數繁瑣的設計限制，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的約束條件來規范其形狀，然后修改尺寸數值，經過系統再生成后即可獲得理想的圖形，這就是重要的“尺寸驅動”理論。

用Pro/E進行參數化設計，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等少數語句，對在零件或組件設計過程中Pro/E系統自動產生的信息進行編輯。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、零組件的個數等。可以利用問答式的方式輸入參數等信息從而得到不同的幾何尺寸或幾何形狀，以完成產品設計的要求。Pro/E軟件是比較理想的參數化造型軟件。

3.2 基于Pro/E三維模型的參數化設計原理

在零件的三維設計中，由于三維模型的創建要涉及到草圖、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合的方法，三維模型不是由程序創建，而是利用交互方式生成，在已創建的零件三維模型的基礎上，進一步根據零件的設計要求，建立一組可以完全控制三維模型和大小的設計參數。其原理主要包含了2個部分：參數化三維模型的建立和參數化程序設計。建立零件的三維參數化模型是實現二次開發的關鍵，參數化程序在已創建的零件三維模型的基礎上，針對該零件的設計參數進行編程，實現設計參數的檢索、修改，然后根據新的參數值生成新的模型。

3.3 交互式三維模型樣板的建立方法

在Pro/E環境中用人機交互的方式建立三維模型樣板。模型樣板的創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和約束關系。設計參數分為2種情況：（1）與其他參數無關的獨立參數；（2）與其他參數有關的非獨立參數。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，然后利用“relations”關系式功能創建新的關系式，使Pro/E自動創建的約束參數名與設計參數關聯。系統的約束參數命名是由Pro/E系統自動創建的，其值控制三維模型的幾何尺寸與拓撲關系，與用戶建立的參數無關。要使用戶建立的設計參數能夠控制三維模型，必須使二者關聯。主要有2種方法：（1）在創建或修改特征需要輸入數值時，直接輸入參數名。如在草圖中標注或修改尺寸值時用參數名代替具體數值。（2）利用Pro/E的關系式功能創建新的關系式，使Pro/E系統自動創建的約束參數名與設計參數關聯。

3.4 齒輪參數化的實現

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、形狀根據輸入參數的改變而發生相應的變化。當齒輪的參數化造型完成后，一旦改變齒輪的驅動參數后，所設計的齒輪將按照新的驅動參數立即發生相應改變，即再生出新的齒輪模型。所建立的參數化直齒輪模型，只需輸入一些關鍵的參數（如齒數、模數、壓力角等齒輪基本參數）。根據這些參數就可以自動生成新的齒輪模型。利用此參數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、總結與展望

利用大型軟件Pro/E Wildfire 3.0來實現圓柱直齒輪的三維參數化造型，可通過改變齒輪的一些基本參數，生成相應的齒輪，達到設計要求。具體章節安排如下：

1.漸開線齒輪數學模型。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參數化建模的理論基礎。2.漸開線直齒輪的參數化造型。介紹了Pro/E參數化建模思想，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進行限制，使得個參數之間相互聯系，完成齒輪參數化建模設計。

現在，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，完成產品的虛擬設計、虛擬裝配、虛擬制造、仿真分析等各環節，最大程度的發揮工業軟件的作用，我們相信，在不久的將來，制造業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的滾切式剪切機構參數化設計研究[D]. 大連交通大學 2012