基于某ProE地2KH行星减速器地全参数化设计和仿真动画.docx
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基于某ProE地2KH行星减速器地全参数化设计和仿真动画
基于ProE的2K-H行星减速器的参数化设计和仿真动画
——从齿轮的建立开始
第一部分：
零件设计部分
（一）齿数的确定
2K-H型行星减速器的要求如下：
2K—H型行星减速器，要求的减速比为5.33，设行星轮数k=4，并采用标准齿轮传动，试确定各轮的齿数。
假定模数m=2.5，齿宽b=50mm。
首先需要解决的是齿数的问题，各轮的齿数应该满足下条件：
由配齿公式：
可以计算得知：
Z1:
Z2:
Z3:
N=3:
5:
13:
2.5
取Z1=30得Z2=50;Z3=130（为避免根切，在的取值要大于等于17，节省材料的话选择最小满足条件齿数，这里为了是模型看起来更大，选择了z1=30）
验算邻接条件：
（Z1+Z2）sin（π/k）=56.6>50+2=Z2+2*hax满足条件。
对N做一个说明：
若在A位置能装入第2个行星轮，须使齿轮1转过N个完整的齿，即j1恰好为中心轮1个齿距P所对应圆心角的整数倍。
（二）齿轮的参数化建模
齿轮的参数建模，关键问题有以下几点：
1、弄清楚齿轮设计的关键参数。
齿轮的参数有哪些呢，查看课本会看到这些：
模数m，齿数z，齿顶圆直径da，齿根圆直径df，基圆直径db，分度圆直径d，齿距p，齿厚s，齿槽宽e，齿高h，齿顶高ha，齿根高hf，齿顶高系数hax，顶隙系数cx，压力角alpha，有时候会用到变位系数x。
看起来参数繁多，其实有章可循。
齿轮的问题关键在于模数，模数的确定根据齿轮的失效形式进行确定，这里不做讨论。
题目中已经给定了模数，齿宽。
通常正常齿制的hax=1.0，cx=0.25，alpha=20度，x=0.对于建模来说，这些都是已知量。
结合齿轮的相关公式，可以得到下面的表格：
已知量
模数
m
齿数
z
齿顶高系数
hax
顶隙系数
cx
齿宽
b
压力角
alpha
变位系数
x
可求量
齿顶高
ha=（hax+x）*m
齿根高
hf=（hax+cx-x）*m
分度圆直径
d=m*z
齿顶圆直径
da=d+2*ha
基圆直径
db=d*cos（alpha）
齿根圆直径
df=d-2*hf
表2-1齿轮参数表
2.1渐开线的参数化画法
图1-1渐开线的几何分析
线段s绕圆弧旋转，其一端点A划过的轨迹即为渐开线。
图中点（x1，y1）的坐标为：
x1=r*cos（ang），y1=r*sin（ang）。
在pro/E中，系统存在一个变量t，0<=t<=1,通过x1，y1建立（x，y）坐标，即为渐开线的方程。
ang=t*90
r=db/2
s=（PI*r*t）/2
x1=r*cos（ang）
y1=r*sin（ang）
x=x1+（s*sin（ang））
y=y1-（s*cos（ang）
z=0
2.2渐开线齿轮建模分析
（1）创建基本圆
1）新建零件，取名zxl_1，取消缺省模板，选择mmns_part_solid模板.进入工作界面之后首先创建各种参数（类似于C语言里面各种常量和变量的定义）。
2）单击主菜单上的“工具”—“参数”，弹出参数对话框如下图所示：
3）单击左下角的
添加参数，修改参数名称和初始值，说明里面写好备注，其它项不要动。
将表2-1里面的参数都添加进去（参数不区分大小写）。
X完成后如下：
4）参数定义好了之后就要定义关系了，所谓的关系就是表达式，因为通过上面的分析我们知道了很多尺寸是需要计算才能得到了，而添加关系就是添加计算的表达式和把参数跟图中实际的尺寸相关联的赋值语句。
具体操作是在主菜单上依次单击“工具”—“关系”，弹出“关系”对话框,并在里面输入表2-1列出的要求的量的表达式：
这个时候会发现下面有个“局部参数”，单击展开，看到里面就是刚才添加的一下参数，而且在这个地方也可以编辑。
添加关系，单击确定之后，再次打开关系对话框，在局部参数里面，通过计算或者赋值得到的量会被锁定：
“源”变为了“关系”，而其它的是“用户定义的”。
5）做好准备工作之后，开始基本圆的创建，基本圆有四个：
基圆，齿根圆，分度圆，齿顶圆。
选择FRONT平面，单击草绘按钮
进入草绘，草绘四个同心圆，直径随便定义，这里就假定从内到外依次为：
10,20,30,40.如下图：
6）单击
，返回到零件界面。
在模型树中右击草绘1，在弹出的右键菜单中选择“编辑”，图中出现各圆的直径。
7）打开“关系”对话框，光标另起一行，图中尺寸变为尺寸代号，单击尺寸代号,关系对话框中出现它的尺寸代号，对它进行赋值，如d0=db.依次重复，把四个圆的直径全部赋值，完成后如图：
（说这么多，核心思想就是尺寸驱动，就d0=db来说，d0是一个变量，但是它有实际意义，是图形中一个圆的尺寸，db也是变量，但是它没有实际意义。
它的值由开始给的关系确定。
对db等的定义有助于图形的兼容性，也易于修改，就好像c语言里面的宏一样。
）
8）确定后单击”再生”
得到图形如下:
（2）创建渐开线
1）依次单击”插入”—“模型基准”—“曲线”。
或者在工具栏上单击
在弹出的菜单管理器中选择“从方程”—“选取”，打开坐标系显示开关，选择坐标系。
点选坐标系之后选择“笛卡尔”。
系统弹出一个记事本，要求输入方程。
2）在记事本中输入2.1渐开线的参数化画法中分析过的方程：
保存退出。
得到渐开线：
（3）镜像渐开线
镜像渐开线的关键在于找到镜像的面。
从轴向上看，齿轮平面存在这个关系：
创建基准平面时，输入360/（4*z）会提示是否添加特征关系，点选“是”。
（4）做出一个齿形
1）以齿根圆为轮廓，拉伸出齿根圆。
厚度为b。
2）复制轮廓如下图，拉伸出第一个齿（厚度当然是b）。
注意齿根圆角（其实齿根圆角的计算问题还没有解决，没有找到标准，书上也没有，不过影响不大，这里随便做个样子好了）。
（5）阵列这个齿
1）在模型树中选中这个齿，点击
工具，选择轴阵列，不用管后面的个数和角度，直接选择齿轮的轴之后点确定。
2）在模型树中右击阵列，点选编辑。
出现如下尺寸：
3）打开关系对话框，对这两个尺寸分别添加关系。
角度方向当然是360/z,个数就是z啦。
完成后再生，就可以得到所有的齿轮了。
（6）创建中间孔，键槽，小孔等其它特征。
这些创建都比较简单，这里就不做说明了。
添加颜色，隐藏草绘的圆和渐开线，得到的图形最终得到的图形如下：
（关于中心小孔的尺寸，由于这里不涉及强度等的计算，所以随我自己定为直径15，后面的所有轴孔都是这个直径）
3、把中心轮保存副本，命名为xxl_1用来创建行星轮。
打开保存的副本，修改参数里面的齿数为50，单击再生就可以得到行星轮。
4、具有内齿轮的中心轮zxl_3的创建
（1）创建方法与中心轮zxl_1的方法类似。
只是这个时候的齿根圆和齿顶圆要交换，计算方法有些不同。
如下：
da=m*（z-2*hax）
df=m*（z+2*（hax+cx））
（2）渐开线的创建方法完全一样，只是镜像渐开线的时候，还是找渐开线跟分度圆的交点与轴创建一个平面，新建的平面跟它的夹角也是360/（4*z）。
（3）从齿根圆和齿顶圆处修剪，创建齿轮。
（4）自定义一个外圈厚度，计算的话应该跟各种强度计算有关，这里只做个演示，所以选择厚度为100，拉伸后再通过查表切一个键槽出来得到固定中心轮。
、
（三）行星架xxj_H_1的创建。
行星架的创建比较灵活，只要保证四个轴是均匀分布的，与中心轴的距离为100就可以。
中心轮和行星轮啮合的时候，分度圆相切，所以行星轮轴距行星架轴心的距离L=（dxxl+dzxl）/2=（125+75）/2=100
至于外形可以自己随便发挥。
。
。
（四）创建一个轴，作为中心轮的轴心
这个轴是我后来才意识到必须创建的。
待会儿装配的时候再讲它的必要性。
轴的直径跟齿轮中心孔的直径相同就行了。
至此，零件的创建完毕。
第二部分：
装配部分
（一）环境的创建
新建---组建（取消缺省模板的勾选）---选择mmns_asm_desing
装配过程中常用的快捷键：
alt+ctrl+鼠标左键，拖动使整个机构运转
alt+ctrl+鼠标右键，平移对象（受运动副约束）
alt+ctrl+鼠标中建，旋转对象（受运动副约束）
（二）装入机架
由机构运动简图可以看出来，机架有两个，一个是大的固定中心轮，一个用来固定行星架。
虽然在装配行星架的时候，可以通过销钉确定行星架的连接定义，但是由于跟中心轮公用了一个轴，也就是说这里是复合铰链。
但是pro/E只给出了一个转动副，漏算一个转动副的直接结果是后的定义齿轮副的时候找不到跟行星架配合的轴。
这就是为什么不要那个轴可以确定行星架的连接定义，但是还是要创建一个轴的原因。
1、先装入固定中心轮zxl_3，“约束”中选择“缺省”，状态变为“完全约束”。
单击确定。
2、装入轴。
使用轴对齐和将底面匹配约束，将它固定到固定中心轮的轴心，状态一定要是“完全约束”。
（三）装配中心轮zxl_1.
连接类型选择“销钉”将中心轮的轴跟固定中心轮zxl_3的轴对齐。
反正选的时候要知道自己是选的哪个的轴心，系统识别为浅绿色后，右击可以切换。
我打错成zzl3了，不想改名字了，所以没有换。
选择轴之后，再选两个零件的上表面对齐，状态变为：
完成连接定义。
（四）装配行星架XXJ_H_1
装配方法跟装配中心太阳轮的方法类似。
这次选用上次没有用的那根轴
总之，目的只有一个：
形成单独的转动副，消除复合铰链的影响。
。
装入后如图：
（5）行星轮xxl_1的装配
装入行星轮，连接类型选择销钉，选择行星架上任意一根轴，上表面对齐。
注意拖动齿轮是齿和齿之间不发生明显干涉。
创建快照。
（6）重复（5）得到如下图：
（至此，装配完成。
）
装配过程中要注意让齿轮啮合的时候尽量不发生干涉，我的做法是装配行星架的时候让它固定成机架（不然拖动的时候行星架会转动，根本就无法控制）然后把所有齿轮装配好之后编辑它的装配定义，更改为销钉连接。
记得调整好之后创建快照。
当然，根据pro/E齿轮副的定义规则，你即使发生再严重的干涉它还是不影响转动的。
我想区别在于仿真分析的时候吧。
第三部分：
建立机构运动模型
（一）定义齿轮副
运动副的定义从装配时候就已经开始了，比如选择“销钉”连接类型的时候就是在两构件间定义了一个转动副。
但是装配的时候不能定义齿轮副。
1、齿轮副的定义
（1）单击工具栏中
，弹出齿轮副定义对话框：
（2）从对话框可以看出来，齿轮副的定义有三项：
齿轮1、齿轮2和属性。
每个齿轮的定义又包括了运动轴、齿轮和托架。
齿轮和托架很好理解右边的按钮是交换齿轮和托架。
这里就有必要提一下创建零件的时候特意创建一个轴。
它的存在使得中心位置有了两个转动副（准确来说是表现出了两个转动副），从而有了两个运动轴。
具体到这个题目，一个是中心太阳轮的运动轴，一个是行星架的运动轴。
对于节圆直径，有必要提一下，节圆直径在这里定义说明了对于齿轮副的定义来说，前面的齿轮画成什么样子是没有关系的。
即使画两个圆柱，只要在这里定义了适当的节圆直径，也可以像齿轮那样转动。
（3）中心两个运动轴哪个属于哪个我也不知道怎么区分，反正选择之后转动主体被绿色加亮，托架被青色加亮。
如果不对重新选择就好了。
假设我已经知道怎么能够选到中心太阳轮的运动轴。
点选它。
齿轮副定义对话框做出相应反应，自动选择了齿轮和托架，在名称部分，我输入太阳轮-行星轮1，节圆直径输入75（渐开线标准齿轮正确啮合的条件是模数相等，这个在设计的时候就是那样做的。
这里安装按照标准中心距安装，就要求节圆跟分度圆重合）：
（4）单击“齿轮2”选项卡，选择一个行星轮的运动轴。
节圆直径输入125。
单击确定，第一个齿轮副定义完成。
（5）定义行星轮1跟机架的齿轮副。
这里是一个坎，我最开始遇到的问题是，在我看来，这个齿轮副的齿轮1是行星轮1（托架为行星架H），齿轮2为机架（它真的是有齿嘛）可是这样的问题是1，机架根本就没有运动轴可选；2，即使选了，那么托架是什么？
。
。
。
可是当我加了那个轴之后，一切问题都解决了。
齿轮2的运动轴选行星轮的运动轴就好了，这个时候系统选择固定中心轮为托架，交换托架跟齿轮，固定中心轮成为齿轮，行星架成为托架。
定义行星轮1-固定中心轮齿轮副：
齿轮1运动轴选择行星轮1的运动轴，节圆直径125，齿轮2选择行星架的运动轴，交换托架跟齿轮，节圆直径输入325.下面是做第二个的时候的截图：
（6）重复
（1）-（5）完成所有齿轮副的定义。
（7）补充说明一下，属性里面的内容，基本不需要管它。
下面有一个叫托架主体的部分，有个复选框为禁用创建内部托架主体，不要勾选它。
所谓的内部托架主体就是当两个齿轮不公用一个托架主体的时候，系统会创建一个内部托架主体。
以后在运动的时候会有提示。
（二）定义伺服电机
（1）单击
创建一个伺服电机，弹出伺服电机定义对话框。
直接点选中心太阳轮的运动轴，确定太阳轮为原动件。
（2）单击“轮廓”。
规范里面选择“速度”。
“模”选择常数。
A的值为大小，输入60（也就是速度大小为60deg/sec）。
（3）图形下面可以查看速度，位置，加速度的图形，这些分析这里不做了，相信到了这一步之后就很好摸索了。
（三）机构分析
（1）单击工具栏中
，弹出分析定义对话框：
类型选择运动学，终止时间输入18，快照选择当时使得没有明显干涉时创建的快照。
单击运行，机构就开始运动了。
。
。
（2）分析完成后单击确定，可以生成分析的测量结果
，或者回放以前的运动分析
等等。
这些分析内容这里也不做了，这个教程主要讲解怎么正确建模，以及解决建模中遇到的问题，自己的解决办法。
（3）单击回放以前的运动分析，在弹出的对话框中单击“播放当前结果集”
进入动画，这里可以进行播放控制和生成动画等等
结语：
从齿轮的建立，到机构的装配直到做出仿真动画，这一路走来在网上找到了很多资料，也有很多东西在网上找不到资料，图书馆也翻不到，只有靠自己感悟和摸索，发现知晓了原理后，很多东西都变得简单和清晰了许多。
写下这个文档，一来是自己总结归纳这一路探索的财富，二来是为了让以后的好学者做类似东西的时候不会遇到找不到资料，或者找到的资料要么不全要么要钱的尴尬情况发生，我做了这个东西。
旨在交流进步。
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