基于Pro/ENGINEER的圆柱齿轮参数化虚拟设计

[摘 要]随着计算机技术的飞速发展，CAD已经广泛应用于零件设计和制造中，但一般的CAD软件都具有广而博的通用性，难以满足各类具体产品设计的需要，所以以通用CAD软件为基础，根据本单位的实际，进行不同程度的开发成为产品现代设计的重要内容。

齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动平稳，承载能力强等优点，有着非常广泛的应用前景。但其结构复杂，设计计算困难，为了提高设计效率，增加竞争优势，实现齿轮的三维参数化精确建模显得尤为重要。

[关键词]直齿轮 参数化 Pro/E

中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）07-0044-01

1、引言

渐开线齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动比大、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长等优点，广泛应用于机械、船舶、航空、电力领域[1]。随着大批优秀的三维CAD软件纷纷涌现，一般机械零件的三维设计对普通工程师来说已经不再是困难的工作。但是对于渐开线齿轮，由于其齿廓的复杂性，一般设计者在CAD中很难精确造型，继而影响到后续齿轮加工的操作。CAD参数化设计的理念正式解决这一问题的有效途径。计算机辅助设计的广泛应用以及计算机硬件和软件技术大大提高了模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发反面都具有较大的应用价值。

2、国内外研究进展

目前采用CAD进行3D设计已达到了70%～89%，Pro/E、UG、Catia，I-Deas等软件的应用很普通。应用这些软件可完成3D设计，还可以进行转配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。近几年来国内外先进工业国家对CAD/CAM技术的开发非常重视，在其开发上投入了很大的人力和物力。目前国际上流行的三维CAD软件如下：Pro/E系统是美国PTC公司推出的三维CAD/CAM软件；Catia系统是法国达索飞机公司与美国IBM公司合作开发的CAD系统；UGNX是美国UGS公司的CAD产品，该软件首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供了一个全方面的产品建模系统，它优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表卖弄功能结合在仪器，几乎是CAD/CAM用户的首选软件。

我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢，直到进入21世纪以来，我国的计算机行业有了突飞猛进的发展，正是因为这样，我国的CAD技术才有了进一步发展的空间。在现代制造业舞台上，生产效率、成本、规划管理无不和生产技术相关，因此，CAD技术的开发直接关系到产品的设计、生产、维修等工作的速度和效率，显得尤为重要。在产品的设计和装配阶段，一般采用二维制图和三维造型。尤其是三维造型，以其直观、能直接转化成二维工程图和模拟装配等优势在现代工程设备的设计方面有着绝对的优势。

参数化设计是近几年发展起来的先进造型技术，它是CAD技术应用领域内的一个重要的、需要进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，来对产品进行合理的设计，从而大大提高设计速度，并减少信息的存储量，而且有助于减轻设计人员的工作强度。参数化建模技术是CAD的核心技术，是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论，也是齿轮参数化造型的基础理论依据，对齿轮建模和系统设计起着指导性作用。另外，研究国内外齿轮CAD参数化设计的发展状况，可以借鉴前人的研究成果，对齿轮的参数化研究有一定的指导意义。

3、Pro/E参数化建模思想

3.1 Pro/E概述

Pro/E引入了参数化设计思想，大大提高了设计灵活性。根据参数化设计原理，绘图时设计者可以暂时舍弃大多数繁琐的设计限制，只需抓住某一个典型特点绘出图形，然后通过向图形添加适当的约束条件来规范其形状，然后修改尺寸数值，经过系统再生成后即可获得理想的图形，这就是重要的“尺寸驱动”理论。

用Pro/E进行参数化设计，主要是用到Pro/E中的程序（Program），这种程序不同于我们一般计算机程序（如C语言程序、BASIC语言程序）。它是一种相对非常简单的程序，它只是用一些简单的input、if -else等少数语句，对在零件或组件设计过程中Pro/E系统自动产生的信息进行编辑。Program是自动化设计的一项重要工具，使用者可以通过非常简单的程序语言来控制特征的生成与否、尺寸的大小、零组件的生成与否、零组件的显示、零组件的个数等。可以利用问答式的方式输入参数等信息从而得到不同的几何尺寸或几何形状，以完成产品设计的要求。Pro/E软件是比较理想的参数化造型软件。

3.2 基于Pro/E三维模型的参数化设计原理

在零件的三维设计中，由于三维模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实体等各类特征，直接用程序生成三维模型十分困难，参数化程序的设计必定十分繁琐和复杂。基本原理就是采用三维模型与程序相结合的方法，三维模型不是由程序创建，而是利用交互方式生成，在已创建的零件三维模型的基础上，进一步根据零件的设计要求，建立一组可以完全控制三维模型和大小的设计参数。其原理主要包含了2个部分：参数化三维模型的建立和参数化程序设计。建立零件的三维参数化模型是实现二次开发的关键，参数化程序在已创建的零件三维模型的基础上，针对该零件的设计参数进行编程，实现设计参数的检索、修改，然后根据新的参数值生成新的模型。

3.3 交互式三维模型样板的建立方法

在Pro/E环境中用人机交互的方式建立三维模型样板。模型样板的创建方法与一般的三维模型相同，只是在建立模型的过程中，要加入外部设计参数和约束关系。设计参数分为2种情况：（1）与其他参数无关的独立参数；（2）与其他参数有关的非独立参数。前者用来控制三维模型的几何尺寸和拓扑关系，后者可以用独立参数为自变量的关系式表示。所以建立普通模型以后首先使用“Parameters”命令添加参数，然后利用“relations”关系式功能创建新的关系式，使Pro/E自动创建的约束参数名与设计参数关联。系统的约束参数命名是由Pro/E系统自动创建的，其值控制三维模型的几何尺寸与拓扑关系，与用户建立的参数无关。要使用户建立的设计参数能够控制三维模型，必须使二者关联。主要有2种方法：（1）在创建或修改特征需要输入数值时，直接输入参数名。如在草图中标注或修改尺寸值时用参数名代替具体数值。（2）利用Pro/E的关系式功能创建新的关系式，使Pro/E系统自动创建的约束参数名与设计参数关联。

3.4 齿轮参数化的实现

通过这种方法建立的渐开线直齿轮模型，既可以保证渐开线齿廓的正确形状又可以使齿轮的尺寸、形状根据输入参数的改变而发生相应的变化。当齿轮的参数化造型完成后，一旦改变齿轮的驱动参数后，所设计的齿轮将按照新的驱动参数立即发生相应改变，即再生出新的齿轮模型。所建立的参数化直齿轮模型，只需输入一些关键的参数（如齿数、模数、压力角等齿轮基本参数）。根据这些参数就可以自动生成新的齿轮模型。利用此参数化齿轮模型处理建模的重复性工作，因而可极大地提高分析效率，降低成本。

4、总结与展望

利用大型软件Pro/E Wildfire 3.0来实现圆柱直齿轮的三维参数化造型，可通过改变齿轮的一些基本参数，生成相应的齿轮，达到设计要求。具体章节安排如下：

1.渐开线齿轮数学模型。深入讨论了渐开线成型原理，主要包括渐开线方程及特性以及直齿圆柱齿轮的几何尺寸的计算。这是Pro/E参数化建模的理论基础。2.渐开线直齿轮的参数化造型。介绍了Pro/E参数化建模思想，利用方程输入对齿轮渐开线进行设计。3.通过程序中的关系对参数进行限制，使得个参数之间相互联系，完成齿轮参数化建模设计。

现在，中国的计算机辅助设计和制造正不断走向成熟，以CAD/CAM核心技术为基础，完成产品的虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造、仿真分析等各环节，最大程度的发挥工业软件的作用，我们相信，在不久的将来，制造业将会在信息时代迎来新的辉煌。

参考文献

[1] 姜北北.基于全三维模型工艺设计技术[D]. 沈阳理工大学 2013

[2] 程爽.基于Pro/E的滚切式剪切机构参数化设计研究[D]. 大连交通大学 2012