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1、无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书一、绪论（一） 计算机辅助设计(CAD)的研究现状及发展趋势1、 CAD技术简介CAD技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的，它具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库管理和生成设计文件等功能。进二十年来，由于计算机硬件性能的不断提高，CAD技术有了大规模的发展。目前CAD计算已经应用于许多行业，如机械、汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。CAD技术应用于机械类产品设计的比例最大，机械CAD在整个工程CAD中占有比较重要的位置。2、CAD软件现状、主要分类，及各自的主要特色CAD是工程技术人员以
2、计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。根据模型的不同，CAD系统一般可分为二维CAD系统和三维CAD系统。根据产品结构，生产方式和组织管理形式不同，企业对CAD软件的功能又有四方面不同需求：（1）计算机二维绘图功能；（2）计算机辅助工艺设计(CAPP)功能；（3）三维CAD，CAM功能； （4）产品数据管理PDM。3 、CAD发展方向（1）CAD系统应用面向产品的全过程； （2）CAD系统应充分考虑产品的继承性； （3）CAD系统应满足并行设计的要求；（4）CAD系统应满足灵活的虚拟现实技术； （5）CAD系统要具有很好的集成性； （6）智能CAD系统。
3、（二）Pro/E软件简介1、软件概述Pro/E软件是美国PTC公司开发的CAD/CAM/CAE系统解决方案。作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是广泛应用的CAD/CAM软件之一。Pro/E提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。基于特征方式能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，也可以应用在单机上。2、 Pro/ENGINEER软件包简介Pro/E是软件包，功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型、三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可以移动、放大或缩小和旋转）。P
4、ro/E是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现的，包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等。Pro/E还可输出三维和二维图形给予其他应用软件。Pro/E软件包的主要功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳）。（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。（3）通过零件的特征值之间、载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件、交替排列、Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一
5、个地方的变动都将引起与之有关的每个地方改动），其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/E的基本功能。（三） 齿轮建模的研究现状在现代工业中，齿轮传动是应用最为广泛的一种传动方式。为了保证齿轮传动的精确性，对齿轮的精确建模显得尤为重要，如何提高和保证齿轮传动的精确性是目前齿轮建模研究领域的重点研究方向。目前，齿轮建模方法有很多，如描点法，参数法，利用插件法等各种方法。这三种齿轮建模方法都有很强的实用性，用户可根据自身设计需要选择适合自己的齿轮建模方法，以达到最佳的设计结果。（四）本文研究内容简介齿轮传动是机械设备中应用最广泛的动力和运动传递装置。为了精确模拟齿轮的实际成形过程，就要求对齿轮进行精确的
6、三维建模。本文基于Pro/E4.0平台上进行齿轮的三维建模研究，要讲述了渐开线斜齿圆柱齿轮、渐开线直齿圆柱齿轮以及直齿圆锥齿轮这三种常用齿轮的参数化建模方法。二、 渐开线斜齿圆柱齿轮参数化建模参数化建模是指用参数表达式来表示零件的尺寸关联和属性，工程技术人员可以通过修改零件的特定参数和属性，然后根据相关联的尺寸表达式的作用而引起整个模型的变化，从而可得到所需的零件。在Pro/E 中，通过参数化建模的方法，生成齿轮的完整渐开线齿廓，采用特征操作方法生成了渐开线斜齿圆柱齿轮的三维实体模型。（一） 齿轮渐开线的生成原理标准渐开线齿轮的齿廓部分形状如图2.1所示，当一直线BK沿一圆周作纯滚动时，直线上
7、任意点K的轨迹AK就是该圆的渐开线，这个圆称为渐开线的基圆，半径为rb ，直线BK叫做渐开线的发生线；角k 叫做渐开线AK段的展角，如图2.2所示。从而得到渐开线的极坐标方程为：（2-1） rk=rb/cos k=tank-k 根据渐开线的生成原理，得到渐开线曲线的数学分析，得到如下的数学关系方程：（2-2） x=rbsinu-rbucosuy=rbcosu+rbusinu式中，rb 为渐开线的基圆半径；u=tan(k )为渐开线上任一点K的滚动角；k 为渐开线上K点的压力角。 图2.1 齿轮单齿端面轮廓 图2.2 渐开线生成原理（二）渐开线斜齿圆柱齿轮的参数化建模步骤本文以无锡开源机床厂提供
8、的XK2425-600型龙门镗铣床传动箱中的主动齿轮为例，介绍基于Pro/E的渐开线斜齿圆柱齿轮的参数化建模过程，齿轮的参数如表2.1所示，具体步骤如下：表2.1 渐开线斜齿圆柱齿轮自变参数自变参数名称端面模数齿数压力角螺旋角齿宽齿顶高系数顶隙系数变位系数代号mnzbhacx斜齿轮42520156010.250（1） 创建新的零件文件。打开Pro/E，单击工具栏新建文件的按钮，选择零件模块，输入零件名称：helical_gear,点击OK。将坐标系PRT_CSYS_DEF及基准平面RIGHT、TOP、FRONT显示在画面上；（2） 设置参数。点击“工具”下拉菜单中的“参数”，出现如图2.3所示
9、的对话框，根据齿轮的参数进行设置；图2.3 参数设置（3） 作圆曲线。点击特征工具栏“草绘”按钮，选取FRONT面作为基准面，画四个圆，点击“工具”下拉菜单中的关系，输入如图2.4关系式，系统自动将关系式添入驱动，生成齿轮的基圆、齿根圆、分度圆和齿顶圆，如图2.5；图2.4 齿轮各圆曲线关系式图2.5 关系驱动生成的齿轮基圆、齿根圆、分度圆和齿顶圆（4） 作齿廓线（渐开线）。点击特征工具栏“基准曲线”按钮，选取“从程”-“完成”-“选取坐标系”（选取系统坐标系PRT_CSYS_DEF）-“笛卡尔”，弹出如图2.6所示的文本编辑框，输入如图所示的关系式，点击文本编辑框的“文件”-“保存”，然后关
10、闭，生成如图7所示的渐开线；图2.6 渐开线方程式（5） 作基准轴、基准点、基准面。点击“基准轴”按钮，按住“Ctrl”键选取TOP和RIGHT基准面即可生成齿轮基准轴A_1。点击“基准点”按钮，按住“Control”键选取步骤4）生成的渐开线和齿轮分度圆，即可生成基准点PNT0。点击“基准面”按钮，按住“Control”选取基准轴A_1和基准点PNT0，即可生成基准面DTM1,如图2.7所示； 图2.7 渐开线 图2.8 创建基准轴、基准点和基准面（6） 作齿廓的镜像基准面。点击“基准面”按钮，选取上步生成的基准面DTM1和基准轴A_1，在“旋转”选项中输入关系“360/（4*z）”，即生成
11、基准面DTM2，如图2.8所示；（7） 镜像生成单齿另一边的齿形线。先选取步骤4）生成的渐开线，再点击“镜像”按钮，选择基准面DTM2为镜像参考即可，如图2.9所示；图2.9 镜像齿廓线（8）拉伸生成齿根圆柱坯体。点击“拉伸”按钮，依次点取“放置”-“定义”，选择FRONT面作为草绘面，拾取“从边创建图元”按钮，选择“环”，选取步骤3）生成的齿根圆，点击“确定”，修改其长度尺寸为LONGTH,在关系文本框中添加关系：LONGTH=B;（9） 草绘端面齿廓。点击“草绘”按钮，选取FRONT面作为基准面，拾取“从边创建图元”按钮，选择“环”，选取齿根圆曲线、两条渐开线及齿顶圆曲线，点击“圆角”按钮
12、，绘制齿根过渡曲线，点击“草绘器约束”按钮，使两圆角半径相等，点击“修剪”按钮，将多余的线删除，点击“确定”，修改半径尺寸为r，添加关系：r=0.38*mn，生成的齿廓如图2.10所示；图2.10 齿轮端面齿廓（10）进行特征操作生成另一端齿廓。选择菜单栏“编辑”-“特征操作”-“复制”-“移动”“独立”-选择上一步骤生成的齿廓-“平移”“平面”-选择FRONT基准面-“正向”，输入平移距离：B(即齿宽)，再选择“旋转”“坐标系”-选择系统坐标系-“z轴”-“反向”（该齿轮为左旋，若为右旋，则选“正向”，根据右手定则判定）-“正向”（即确定），旋转角度先不管，点击确定，修改旋转角度为theta
13、，添加关系：theta=2*b*tan（beta）*180/（pi*d），结果如图2.11所示,旋转角度的原理图9如图2.12；图2.11 齿廓的特征操作结果图2.12 斜齿轮展开图（11）作扫描轨迹。若将斜齿轮的分度圆柱面水平展开，则其螺旋线成为斜直线，斜直线与轴线之间的夹角即为分度圆柱上螺旋角 。先“拉伸”操作生成分度圆柱面，修改拉伸尺寸，添加关系：longth1=b+10。再点击“草绘”按钮，选取RIGHT面为草绘平面，作一斜直线（注意齿轮旋向），点击“确定”，修改角度尺寸，添加关系：angle=beta。最后点击菜单栏“编辑”-“投影”，将所作直线投影到分度圆柱面上；（12）混合扫描生
14、成单个轮齿。先选中上步骤生成的投影线，点击菜单栏“插入”-“混合扫描”，点选实体按钮，点击“剖面”，在剖面选项中选取“所选截面”，先选取扫描路径上箭头所在的一端齿廓，点击“插入”，选取另一端齿廓，点击“确定”，生成如图2.13所示的轮齿；图2.13 混合扫描生成一个轮齿（13）阵列生成所有轮齿。先选中上步生成的轮齿，点击“阵列”按钮，阵列方式选“轴”，输入阵列个数和角度，点击“确定”；（14）生成轴孔。点击“拉伸”按钮，选取FRONGT为草绘面，绘制如图2.14所示草图，点击确定，最后生成完整的斜齿轮模型如图2.15所示。 图2.14 轴孔截面图 图2.15 完整的齿轮实体模型 （三）小结基于Pro/E的参数化建模，用户可以定义各参数之间的相互关系，使得特征之间存在依存关系。当修改某一单独特征的参数值时，会同时牵动其它与之存在依存关系的特征进行变更，以保持整体的设计意图。三、渐开线直齿圆柱齿轮参数化建模 本章通过对渐开线的生成方式及数学原理的分析，提出了一种使用Pro/Engeer软件对渐开线圆柱齿轮进行参数化设计的具体方法，并通过实例对其加以论证，证明了该设计方法的可行性。（一）渐开线直齿圆柱齿轮的参数渐开线有以下特性：（1）发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的圆弧长度。（2）渐开线上任意点的法线恒与基圆相切。（3）渐开线愈接近于基圆的部分，其曲率
