基于ProE的减速箱参数化设计系统的研究.doc
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基于ProE的减速箱参数化设计系统的研究.doc
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本科毕业设计(论文)
题目:
基于Pro/E的减速箱参数化设计系统的研究
院(系):
光电工程学院
专业:
光电信息工程
学生:
黄超
学号:
060104107
指导教师:
王宇辉
2010年6月
西安工业大学毕业设计(论文)任务书
院(系)光电工程专业光电信息班060104姓名黄超学号060104107
1.毕业设计(论文)题目:
基于Pro/E的减速箱参数化设计系统的研究
2.题目背景和意义:
减速器作为机械传动装置应用日益广泛,但其相似而复杂的结构给设计工作带来了重复性和繁琐性。
本课题是基于参数特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动的Pro/E三维设计系统,避免了相似零件的重复造型,大大提高产品的设计效率和设计质量,具有实用价值和可扩展性。
同时用可视化手段来模拟装配体的实际装配过程,从而能够大大缩短新产品的研发周期,提高设计质量,降低设计成本。
3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):
(1)从研究减速器类型入手,选取最具特征的齿轮参数,作为设计时的特征参数;
(2)利用Pro/ENGINEERWildfire进行建模,在Pro/PROGRAM程序中编辑程序,实现参数化驱动,完成对齿轮等相关零件的三维造型;
(3)完成对齿轮轴系的虚拟装配。
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
设计工作从3月1日开始到6月25日结束。
整个设计在校内完成。
具体工作进度如下:
2010.3.1~2010.3.15查阅资料,学习相关软件,完成开题报告;
2010.3.16~2010.4.5系统设计、典型参数的选取;
2010.4.6~2010.5.15编制程序实现齿轮和相关零件设计的参数化驱动;
2010.5.16~2010.6.4对设计的齿轮及相关零件进行虚拟装配:
2010.6.5~2010.6.25完善程序,撰写毕业论文,准备答辩。
5.毕业设计(论文)的工作量要求不少于1.5万字的毕业论文
①实验(时数)*或实习(天数):
不少于50机时的上机
②图纸(幅面和张数)*:
③其他要求:
完成不少于3000汉字的英文翻译
指导教师签名:
年月日
学生签名:
年月日
系(教研室)主任审批:
年月日
说明:
1本表一式二份,一份由学生装订入附件册,一份教师自留。
毕I-2
2带*项可根据学科特点选填。
基于Pro/E的减速箱参数化设计系统的研究
摘要
减速箱作为普遍使用的传动装置,已经是几乎所有工业领域里不可缺少的部件之一。
其中最为重要的零件——齿轮的设计便成为研究的重点,所以,如何快速的设计各种符合需要的齿轮已经成为各个生产者所重视的一个环节。
本文基于Pro/ENGINEER软件,利用其实体化参数造型的特点实现了单级圆柱齿轮减速箱主要零件的参数化过程,文中以直齿圆柱齿轮的绘制过程为例,详细介绍了整个设计步骤。
并以相似步骤完成斜齿圆柱齿轮和人字齿轮的参数化设计。
这样的设计过程一是软件的易用性缩短了设计周期,二是节约了人力物力,可以在不生成实物的情况下提前测试零件的可用性,提高了设计的整体质量,降低了设计成本。
本文使用了参数化设计的齿轮及其他部件,进行虚拟装配,干涉检查,并生成仿真动画,实现了单级圆柱减速箱主要零件的参数化设计研究。
关键词:
Pro/ENGINEER;参数化设计;齿轮;虚拟装配;机构仿真
ResearchofGearReducerParametricDesignSystemBasedonPRO/E
Abstract
Ascommonlyusedgearboxtransmission,hasbeenanindispensablepartinalmostallindustrialsectors.Themostimportantpart-thedesignofgearwillbecomearesearchfocus,therefore,howtoquicklymeettheneedsofthedesignofavarietyofdifferentproducersgearhasbecomeakeypriority.
BasedonPro/ENGINEERsoftwareanduseitsfeatureslikeparametricdesigntoachieveaprocessofspurgear,thetextinordertospurgeardrawingprocess,forexample,describedindetailthedesignsteps.Andwithsimilarstepstocompletehelicalgearsandherringbonegeardesignparameters.First,thesoftwaredesignprocesssuchaseaseofusetoshortenthedesigncycle,thesecondistosavehumanandmaterialresources,whenthesystemcan’tgeneraterealtestcasesinadvanceoftheavailabilityofparts,improvetheoverallqualityofdesignandreducedesigncosts.
Thisdesignusesaparametricdesignofgearandothercomponentsofvirtualassembly,interferencechecking,andgeneratesimulationanimation,toachievemainpartofsingle-leveldesignofcylindricalparameterization.
Keywords:
Pro/ENGINEER;parametricdesign;gear;virtualassembly;bodysimulation
目录
摘要 (I)
英文摘要 (II)
1绪论 (5)
1.1概述 (5)
1.2研究的背景、意义及国内外研究情况 (5)
1.2.1研究的背景、意义 (5)
1.2.2国内外研究状况 (6)
1.3研究的主要内容及方案 (7)
1.3.1研究的主要内容 (7)
1.3.2研究的方案及方法 (8)
1.4本章小结 (8)
2总体方案设计 (9)
2.1概述 (9)
2.2系统可行性分析 (9)
2.3系统开发关键技术及应用 (10)
2.3.1参数化设计技术 (10)
2.3.2虚拟装配技术 (11)
2.3.3机构仿真技术 (11)
2.4本章小结 (11)
3齿轮的参数化建模 (12)
3.1概述 (12)
3.2齿轮的参数化建模 (12)
3.2.1特征参数的选择 (12)
3.2.2齿廓曲线 (13)
3.2.3设计步骤 (14)
3.2.4最大齿数及最小齿数的讨论 (16)
3.2.5再生功能 (17)
3.3斜齿圆柱、人字形的参数化设计 (18)
3.4本章小结 (19)
4虚拟装配及动画仿真 (20)
4.1概述 (20)
4.2虚拟装配设计 (20)
4.2.2干涉检查 (22)
4.2.3装配动画生成 (23)
4.3机构仿真设计 (24)
4.4本章小结 (24)
5总结与展望 (25)
5.1总结 (25)
5.2展望 (25)
参考文献 (26)
致谢 (28)
毕业设计(论文)知识产权声明 (29)
毕业设计(论文)独创性声明 (30)
IV
1绪论
1绪论
1.1概述
随着CAD/CAM技术的飞速发展,其应用领域在日益广泛,已使工程设计业和制造业发生了深刻的变化,这一点在产品的结构设计方面表现的尤为显著。
三维造型技术、参数设计技术和虚拟现实技术等新概念、新办法已渗透到传统的结构设计中,并发挥出前所未有的作用,推动工程设计技术的发展。
[1]参数化设计模型是以约束来表达产品模型的形状特征,以一组参数来控制设计结果,从而能通过变换一组参数值方便地创建一系列形状相似的零件。
[2]
1.2研究的背景、意义及国内外研究情况
1.2.1研究的背景、意义
减速箱是传动机械中最重要的基础零件,广泛用于工业生产的各作业点。
国内减速箱的设计、生产早已制订标准,形成系列,并且还在不断丰富完善。
[3]现阶段国内减速箱的参数化程度还不够,不少小企业还没有参数化的设计能力,在市场的激烈竞争中难以适应。
在进行机械设计时,都希望得到一个最优方案,这个方案既能满足强度、刚度、稳定性及工艺性等方面的要求,又使机械重量最轻,成本最低和传动性能最好。
然而由于传统的常规设计方案是凭借设计人员的经验直观判断,靠人工进行有限次计算做出的,往往很难得到最优结果。
应用参数化设计,使优化设计成为可能。
圆柱齿轮减速箱是一种使用非常广泛的机械传动装置,它具有结构紧凑、传动平稳和在变位系数不变的情况下可凑配中心距等优点。
我国目前生产的减速箱还存在着体积大,重量重,承载能力低、成本高和使用寿命短等问题,对减速箱进行参数化设计,选择最佳参数,是提高承载能力、减轻重量和降低成本等完善各项指标的一种重要途径。
CAD/CAM技术的迅速发展使得它无论在机械、电子、航空、建筑等领域都获得了成功的应用。
这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。
企业成败的关键问题之一是能否快速开发出新产品并缩短产品的上市周期。
因此产品的设计要有充分的柔性,并且设计过程模型要能准确地反应设计的实际活动,同时又能够迅速的重构,使产品的设计信息能够重用。
几乎所有产品的设计都是改进型产品设计,而且大约70%的原来产品的设计信息在新产品的设计时被重新利用,参数化设计技术就在这样的背景下应运而生。
设计师
-1-
西安工业大学毕业设计(论文)
可以根据自己的意图很方便的勾出设计草图,系统同时自动建立设计对象内部各种元素之间的约束关系,以便设计者更新草图尺寸时,系统通过推理机能自动更新校正草图的几何形状并获得几何特征点的正确位置分布。
参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段,使用户可以利用以前的模型方便地重建模型,并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型,生成系列产品,从而提高了生产效率。
参数化概念的引入代表了设计思想上的一次变革,即从避免改动设计到鼓励使用参数化修改设计,特别是产品参数化设计的引入,使得设计人员不需考虑细节就能保证零件之间的相互关联性和依赖性,为产品的设计和制造的整个生命周期提供了支持。
[4]参数化设计为一些制造工序繁琐的零件设计提供了一种捷径,具有广阔的应用前景。
多年来,众多学者为参数化技术的发展做了不懈的努力,并取得了丰富的成果
1.2.2国内外研究状况
CAD技术起步于50年代后期的美国。
60年代出现极为简单的线框式三维CAD系统。
80年代中期,美国CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法──参数化实体造型方法。
进入90年代,参数化技术变得成熟起来[5]。
参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。
这是由于产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程。
参数化研究工作最早可追溯到60年代早期,Sutherland在他开发的Sketehpad系统中,首次将几何约束表示为非线性方程,来确定二维几何形体的位置。
后来Light、Gossard进一步发展了这一思想,并使其实用化。
在应用此方法(数值迭代法)的过程中,人们也发现了该方法的诸多弊端如迭代收敛性问题等等。
由此人们又提出了符号法用以克服这些问题,但符号法的计算量很大,在实用中受到了很大的限制。
另外,人们也提出了一种应用人工智能思想的方法——集合推理法(或称规则法)。
这种方法把约束集及所约束的集合元素用图论的方法表示出来,然后对约束图进行几何推理以确定各几何元素的参数值。
这种方法由于简洁,计算量小,因而在实际应用系统中得到了广泛的应用
国内CAD技术发展较晚,80年代才逐步得到了开展。
我国逐步认识到开展CAD应用工程的必要性和可靠性,并在全国各个行业大力推广CAD技术,同时展开CAD技术的开发和研制工作,但是就目前来讲,大部分企业还没有真正意义上的综合性能物理仿真试验环境,计算机辅助设计的应用大都体现在参数化造型阶段,对性能评价和仿真研究不够。
另一方面,企业对几何仿真系统的理论和整体性研究很少,使造型功能和物理模型的处理脱节,很难产生较实用的仿真系统。
因此,合理、高效地利用、开发减速箱虚拟装配技术这一先进理念及相关技术,使之更好的辅助设计,对国内企业的发展有着巨大的意义[6]。
把虚拟装配技术应用在减速箱和齿轮的设计中,具有提高设计质量,缩短设计周期,节省设计时间,降低设计成本,减轻减速箱的重量,减小减速箱的体积等作用。
如今虚拟设计制造在一些较发达国家,如美国、德国、日本等己得到广泛的应用,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。
所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门,天上的火箭到轮船的锚机。
在各个领域里,针对各种产品,虚拟设计制造都为用户节省了开支,节约了时间并提供了满意的设计方案。
美国波音飞机公司波音777飞机,是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟设计制造。
这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低,而且确保了最终产品一次接装成功。
火星探测器“探路号”和Caterpiller公司大型设备虚拟仿真是虚拟设计制造应用的另外两个典型例子[7]。
国外对虚拟装配技术的研究起步较早,在理论上的研究涉及面广,且已经有较为广泛的应用。
美国华盛顿州立大学的Jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统,利用这个系统设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题,从而避免了装配设计方面的缺陷。
在这个系统中,设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统,然后再虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配,有关产品的可装配性得到检验,同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。
Dewar等提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法,该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟不见得装配动作,还能辅助操作人员自动进行装配,并且询问操作人员装配时的装配方法,同时生成装配规划。
国内虚拟设计制造的应用研究刚刚开始,一些大学和科研院所正在进行这一方面的工作,主要是对虚拟装配概念和结构的研究,对虚拟装配要求的相关技术如数据库技术、网络技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。
如将虚拟设计制造应用于航空发动机、武装装备、机械系统等方面的研究。
但整体上与国外相比还有很大差距[8]。
清华大学国家CIMS工程技术研究中心基于CAD软件平台Pro/ENGINNEER开发实现了虚拟装配直齿系统VASS(VirtualassemblySupportSystem),利用该系统可在铲平设计阶段进行基于三位实体模型的试拆卸方针,生动直观的分析、验证与改善产品的可装配性,进行产品及其部件的装配工艺规范,生成对实际装配操作具有指导作用的装配工艺文件。
[9]
1.3研究的主要内容及方案
1.3.1研究的主要内容
本设计以齿轮的参数化设计为核心基础,深入研究参数化设计,同时研究了基于Pro/ENGINEER的单级齿轮减速箱主要部件的虚拟装配和机构运动仿真系统的开发步骤,主要内容有:
从齿轮有关的数据中选取几个重要参数作为特征参数,利用Pro/ENGINEER进行建模,并且引入特征参数,通过调整参数再生出适合装配需要的齿轮
为单级减速箱的其他零部件(底座,轴,轴套,轴承,键等)进行建模,完成整体装配并使用机构仿真生成演示动画。
1.3.2研究的方案及方法
1.软件的选择:
用于机械三维设计的主流软件主要有:
UG,Soildworks,Pro/e等,其中Pro/E操作相对简单,工具设置明了,曲面造型能力强,装配和后期修改方便,本设计拟采用Pro/E。
2.选取齿轮特征参数:
本设计选取的特征参数有:
齿数Z,模数m,压力角α,齿顶高系数HA和顶隙系数C,根据实际情况赋值。
根据上述特征参数可计算出:
基圆,齿根圆,分度圆,齿顶圆等尺寸
3.齿轮的参数化建模:
参数化造型可以用于结构比较固定的简单零件,可以使用一组参数来控制零件外形特征。
4.虚拟装配:
完成底座,齿轮,轴和其他附件的装配,并进行干涉检查。
5.机构仿真:
装配完成后设置齿轮副连接,并且在主动轴上定义伺服电机,利用机构分析产生运动分析结果,是否产生碰撞或干涉,如通过分析,则生成分析结果文件并通过动画组件捕捉动画
1.4本章小结
本章主要讲述了设计选题的背景,意义和国内外研究现状,对设计实现的主要方案和方法做了概述。
-26-
2总体方案设计
2总体方案设计
2.1概述
齿轮传动作为人们工业生产过程中最为常见的传动方式,已经成为了一种广泛应用的专门部件,对各种齿轮的需求也是逐步增多,由于使用环境和情况的不同形成了一个个的系列产品,现在国家制定了一系列标准,并由专门工厂大量生产制造。
在这样的情况下如果整个系列都需要一一设计的话工作量相当惊人,并且浪费了人力物力,延长了设计周期。
本设计以圆柱齿轮减速箱为例,利用Pro/E4.0作为绘图软件,使用其参数化,虚拟装配,机构仿真等功能,进行系统的参数化设计,由于Pro/E是实体化参数造型,这一特点在虚拟装配时可以更加直观明了,使整体设计高效、优质,避免了相似零件的重复造型,提高了设计效率和设计质量,具有一定实用性和延伸性。
在国内现有的研发条件下,不少小厂商技术力量薄弱,需要先进的技术和软件,Pro/E易用,应用全面,本设计可以为他们提供一些设计的理论依据,拓宽一些设计思路。
2.2系统可行性分析
Pro/ENGINEER软件系统是美国参数化技术公司PTC的优秀产品,提供了集成产品的三维模型设计、加工、分析及绘图等功能的完整的CAD/CAE/CAM解决方案。
Pro/ENGINEER软件在国内的机械、电子、家电、塑料模具等行业取得了广泛的应用,并且在这些行业里应用的时间也较长。
企业在自身发展和使用Pro/ENGINEER的过程之中积累了许多有用的宝贵的数据、企业自身的标准以及特殊图形等参数资料,如果能把这些参数资料整理出来,然后再把这些参数资料挂靠在Pro/ENGINEER软件系统的主菜单和弹出式菜单上,即编译生成应用程序与Pro/ENGINEER软件系统进行无缝连接,这样一来,不但能提高设计人员的设计速度,对市场需求做出快速反应,设计出满足市场需求的产品,及时赢得市场份额,而且还能够提高企业的生产能力和经济效益
其次,由于Pro/ENGINEER软件具有广而博的通用性,使它在具体应用时不能直接处理特定的产品,再加上国外观念、设计标准、规范、及标准件库等方面和国内的设计、使用等方面存在较大的差异,在使用该软件进行具体特定的产品设计时可能会感到困难和不方便,因此,为了使Pro/ENGINEER软件能够在特定的企业和特定产品设计中最大限度的发挥起潜力和创造效益,需要对Pro/ENGINEER软件进行二次开发,因此,Pro/ENGINEER二次开发目的就是把Pro/ENGINEER软件进一步充实、完善、改进成为用户实用的三维CAD应用软件,也是众多使用
西安工业大学毕业设计(论文)
Pro/ENGINEER企业的一项非常迫切和重要的工作。
[10]
渐开线圆柱齿轮设计的理论己经比较成熟,计算公式、设计步骤及判别标准都较为清楚,数据资料充分,经标准化工作,产品设计已经基本实现“系列化、标准化、通用化”[11]而且,Pro/E的所有模块数据都是相关的。
这说明在绘制的过程中,对某一数据的修改可以体现到整体的设计当中。
这使得工作人员可以相对方便的通过修改某一点达到修改整个模型的效果,现在已经有很多使用者通过已经设置特征参数,修改其赋值再生生成相似的产品,实现了产品的快速开发。
2.3系统开发关键技术及应用
2.3.1参数化设计技术
目前,参数化设计已经成为CAD中最热门的应用技术之一,能否实现参数化设计便成为评价CAD系统优劣的重要技术指标,这是因为它更符合和贴近现代CAD中概念设计以及并行设计思想,工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图,通过对产品形状及大小的约束,最后精确成图。
同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现,设计参数不但可以驱动设计结果,而且影响产品的整个开发周期,设计参数可能来自于其他系统。
除此之外,参数化设计是变量化设计的前提,借助变量化设计思想可实现动态设计、机构设计的运动仿真模拟等。
除此之外,参数化设计还能够使设计人员在设计的同时实现参数化建库工具的研究对进一步提高设计和绘图效率以及柔性化设计具有十分重要的意义。
[12]
参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸,或修改已定义好的零件参数,自动完成对图形中相关部分的改动,从而实现对图形的驱动。
参数驱动的方式便于用户修改和设计。
用户在设计轮廓时无需准确的定位和定形,只需
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- 基于 ProE 减速 参数 设计 系统 研究