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1、目录引言11.概况及现状分析11.1锥齿轮的发展历史11.2锥齿轮研究现状21.2.1国外研究状况21.2.2国内研究状况31.3锥齿轮的发展前景与发展趋势41.4本课题研究意义与研究内容42. PRO/ENGINEER软件的参数化设计52.1 Pro/ENGINEER软件的主要功能52.2 Pro/ENGINEER参数化设计的原理63.锥齿轮的创建63.1锥齿轮的基本关系式73.2渐开线的几何分析83.3锥齿轮的建模分析93.4锥齿轮的建模过程103.4.1 输入基本参数和关系式103.4.2 创建基本曲线113.4.3 创建大、小端齿轮基本圆并添加关系式123.4.4 创建渐开线143.4
2、.5 镜像渐开线153.4.6 创建齿根圆特征163.4.7 创建第一个轮齿173.4.8 阵列轮齿203.4.9 参数的输入控制213.4.10 验证程序设计结果224.工程应用235.结论24参考文献25致 谢26基于Pro/E的锥齿轮的参数化设计与实体建模机械设计制造及其自动化074班 00指导老师：000摘 要：本文主要概述了锥齿轮机构的研究历史、国内外的研究现状，并探讨了锥齿轮的发展前景和趋势，以及本课题研究的意义。在阐述Pro/Engineer 参数化设计原理和主要功能的基础上，介绍了渐开线直齿圆锥齿轮参数化三维模型的建立过程。在已创建的三维模型基础上，建立一组可以完全控制三维模型
3、形状和大小的设计参数，实现参数的检索、修改和根据新的参数值生成新的三维模型的功能。同时简单介绍了锥齿轮机构和参数化建模的一些工程应用。关键字：Pro/E ；锥齿轮；参数化设计；实体建模引言齿轮传动是机械传动中的主要形式之一,由于它具有速比范围大、功率范围广、结构紧凑可靠等优点,已广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中,小至钟表用的齿轮，大至船舶涡轮机用得大型齿轮。已成为现有机械产品中所占比重最大的一种传动。可经由增减齿轮组合数，适当的改变各轴间的相互关系位置。可使用在：平衡轴、直交轴、错交轴等多种轴间传动1。锥齿轮是齿轮机构的一个分支，用于传递两相交轴之间运动和动力的重要基础零件，其传动相当于一对
4、节圆锥作相对的纯滚动运动。按照齿长曲线特点，锥齿轮可分为直线齿锥齿轮(直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮)和曲线齿锥齿轮(弧齿锥齿轮、摆线齿锥齿轮、准双曲线齿锥齿轮)。这类零件大部分具有相似的结构和形状2。在锥齿轮的设计和图纸绘制过程中，不可避免要反复修改，进行零件形状、尺寸的综合协调和优化，其三维造型步骤相当繁琐，Pro/E作为一个庞大的CAD/CAM系统，具有强大的参数化功能3。设计人员只需输入直齿圆锥齿轮的已知设计参数，就可迅速准确地生成所需的三维实体模型4。1.概况及现状分析1.1锥齿轮的发展历史古老的齿轮技术历史可追溯到3000-5000年前，几乎和人类文明史同步5。齿轮传动作为一门具有明显产品
5、特征的共性技术，它的发展和成熟无一不和工业产品的发展密切相关。19世纪现代工业的形成开始了齿轮技术的近代史，机器工业的发展使它成为一门工业技术，20世纪初叶汽车工业的崛起促使其大批量高效生产技术的发展，随后航海、航空、航天技术的发展，以及大型现代化成套工业设备的出现，使高参数、优性能的高速齿轮和重型工业齿轮得到迅速发展和应用，也促进了相应的基础理论、工艺技术及设备的研究和发展6。八十年代以后，国外在应用现代设计方法进行齿轮设计，特别在优化和CAD方面，应用发展迅速，新产品设计普遍采用参数化了，关键产品还用了动态设计方法。一些大型的三维造型软件如Solid Edge、Solid Works等，大
6、多是从汽车加工和电子产品生产加工中发展起来的造型软件，广泛应用于不同的行业。还研制出了三维实体软件，它的最大特点就是摆脱了传统三维造型软件从二维草图阶段开始设计的思路，而是直接在真正的三维操作环境下进行创新设计，从而使实体造型超越了传统参数化造型在复杂性方面受到的限制，这类产品目前在国内市场上还是一个空白，但在发达国家已经成为未来CAD技术发展的主要趋势6。1.2锥齿轮研究现状1.2.1国外研究状况由于锥齿轮技术难度大，目前世界上只有美国Gleason(格里森)，瑞士Oerlikon(奥利康)和德国Klingelnberg(克林根贝尔格)三家公司拥有这方面的技术，他们分别代表了锥齿轮的三种体制
7、，且各成体系，互不公开。美国Gleason(格里森)公司成立于1865年，至今已有一百多年的历史，该公司一直是锥齿轮机床的世界领先供应商。德国克林根贝尔格(Klingeinberg)除了供应成套锥齿轮加工设备外，还以齿轮测量仪器见长，提供齿轮和蜗轮单面啮合对滚检查仪等。九十年代，世界进入兼并热潮，美国格里森公司脱颖而出。1995年10月，Gleason收购了德国生产滚齿机、插齿机的老厂Hasse，使其当年销售额达4亿美元，以压倒气势超过Klingehiberg、Liebherr和Lorenz三公司组成的Sigma集团。同年，还收购了Hurth，使Gleason获得了生产精密锑齿机的能力。199
8、7年7月，Gleason用1亿美元收购了德国赫尔曼普发特(HermannPfauter)集团，使之又登上了圆柱齿轮滚齿机和磨齿机的宝座，并收购了Pfauter一Maag刀具公司75%的产权。至此，这个自称“齿轮世界”的公司，又占据了圆柱齿轮市场的“大半边天”。目前Gleason公司已占有齿轮市场的40%-45%的份额。Gleason的锥齿轮机床在全世界己有15000台以上。近几年来，准双曲面齿轮应用处于上升趋势。随着科学技术的发展，这两种齿形制都发展成一套完整的技术体系，从软件方面都有一套完整的计算机程序包，在硬件方面都有CNC控制的配套机床，而且都能通过三座标测量仪，将测量结果反馈给切齿机床
9、，形成一个以磁盘为传输介质的进行数据传递的CNC系统8。为适应高速、高效、自动化和柔性化的加工要求，发展高技术的数控齿轮加工技术，欧美发达国家的齿轮机床生产厂家己进行联合，组成更强大的集团，使齿轮设计和加工进入一个新的阶段。典型代表是Gleason集团、Klingelnberg集团和Oerlikon公司9。1.2.2国内研究状况我国对齿轮机构的应用和研究已有多年历史，目前仍在继续扩展和深入。在我国较早开展齿轮技术研究的是哈尔滨工业大学李华敏教授，他长期从事齿轮理论和加工技术的研究工作，其代表著作有齿轮手册、渐开线齿轮的几何原理与计算等。1974年，北京齿轮厂的工人、技术人员和干部，通过总结该厂
10、数年来生产螺旋锥齿轮的实践经验，并搜集了相关资料编写了螺旋锥齿轮，书中较全面地阐述了螺旋锥齿轮生产中的有关问题，但是该书并没有对其中的技术进行较为深入的研究。自1972年以来，我国首先由数学工作者对齿轮啮合理论的数学基础方面，作了系统的研究。南开大学数学系成立了齿轮啮合理论研究小组，严志达、吴大任等人先后发表了数篇论文，总结了我国对齿轮啮合理论的最新研究成果。吴序堂编著的齿轮啮合原理则系统论述了齿轮啮合的基本原理，这些成果都为我国齿轮技术的研究奠定了必备的理论基础。随后原机械工业部把“格里森成套技术的研究”列为重点科研项目，组织了很多院校、工厂攻关，在理论和实践方面都取得了较大的收获。中南大学
11、曾韬编著的螺旋锥齿轮设计与加工，把螺旋锥齿轮轮坯设计、切齿计算都归结为计算某一对准双曲面齿轮的节面参数和节点曲率，在弄清准双曲面齿轮节面各参数之间关系的基础上，只需用初等数学方法和简单的公式代换，就可以导出各种格里森计算卡的所有公式，从而构成一个完整的体系，即所谓的“节面分析法”。郑昌启编著的弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮，通过严密而简明易懂的数学解析方法，研究了用于弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮设计的局部共扼原理，导出了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的各项计算公式的数学过程，阐明了各部分计算的共扼啮合原理。对于锥齿轮的另外两种齿制：克林根贝尔格(Cyclo-Palloid)制锥齿轮和奥利康 (Oerlikon
12、 )制锥齿轮，我国学者也进行了不懈的探索和研究。中国农业大学董学朱导出了奥利康和克林根贝尔格锥齿轮铣齿机差速挂轮比和分齿挂轮比计算通式，并对摆线齿锥齿轮连续分类法铣齿原理进行了系统研究。此外，他还对克林根贝尔格制锥齿轮加工方法和奥利康制锥齿轮在SKM2型铣齿机上的加工方法进行了分析，根据共辘齿面啮合理论，提出了一种展成克林根贝尔格制延伸外摆线锥齿轮精确的切齿调整计算新方法。此外，石凤山、李润芳等人也在锥齿轮理论、设计以及加工方法等方面进行了不懈的研究，取得了可喜的成果，有效地推动了我国锥齿轮技术研究的不断深入。但是由于我国的锥齿轮发展起步晚，与国外先进工业国家的发展水平相比还存在着较大的差距7
13、。1.3锥齿轮的发展前景与发展趋势由于齿轮传动在工业生产中应用的重要性与普遍性，齿轮传动研究是当前机械传动研究中的重点。新一代锥齿轮的发展趋势是：绿色制造和低噪声、低消耗以及高耐用性12。（1）锥齿轮参数设计 非零传动设计将会大幅度推广； 纯滚动或低滑动的新齿形将会出现； 各种标准化的齿形制将被专家系统所代替； 现代机械和信息技术的成果将会得到广泛应用，例如用创造性思维开发广义优化设计(建模/方案分析/动态分析/遗传算法)，大系统设计(人-机-环境)，绿色经济，新产品虚拟设计，工业艺术造型设计和精益生产，智能制造，虚拟制造等13。(2)锥齿轮的加工用数控CNC齿轮加工机床代替复杂内传动链机床，
14、其最大优势是具有精密分度作用。在高效率精加工方面的创新表现在以下几点:推广立方碳化硼(CBN)刀具材料的磨齿技术；运用高新技术改造传统齿轮加工机床、实现锥齿轮的数控加工；采用数控加工齿轮修形，为高质量、高可靠性的锥齿轮传动的设计和制造提供了技术手段。齿轮数控技术最关键的发展方向是，数控机床专家和齿轮专家一起，针对锥齿轮的设计和加工特点，协作开发出自动化程度高的新型数控机床，使我国的锥齿轮将更具有竞争力。(3) 锥齿轮材料质量轻、有吸振和自润滑性能的复合材料或工程塑料有着许多钢材所不具备的优点，如果解决现存的热膨胀，高温变性等缺点，则齿轮从设计到加工，将具有更广阔的前景。但这需要材料学科的研究人
15、员和齿轮专家一起，共同进行研究和开发。(4) 锥齿轮传动质量的最终要求是绿色制造、低材耗、低能耗，长寿命和低噪声。为满足锥齿轮传动的高精度、高效率的要求，采用优良的设计方法，先进的数控设备，同时采用数控加工锥齿轮修形，是当前齿轮制造行业主要的发展趋势。随着计算技术、信息技术以及基础科学的进步，弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮传动技术近年来也有很大的发展，新的设计理念、加工方法、实验测试技术不断涌现，并朝着高速、重载、轻质的方向发展2。1.4本课题研究意义与研究内容目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化较为成熟。对复杂的三维实体的参数化造型尚不多见，特别是像锥齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体参数化造型设计更为少见15。其原因是:一方面锥齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面运用低级CAD软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计16。随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展，用大型的三维软件实现锥齿轮的参数化造型将成为设计者的迫切需求17。渐开线锥齿轮实体参数化造型有如下意义:(1) 保证造型的精确性；(2) 造型速度快,避免了手工取点造型的复杂过程；(3) 完成的三维锥齿轮实体模型是后续的齿轮有限元分析、机构仿真和数控加工等的必要条件；(4)可以用于刀具齿轮模型和塑料齿轮模具的三维设计和加工。
