基于proe的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析.docx
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基于proe的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析
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毕业论文
基于Pro/E的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析
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3）其它
Contents
基于Pro/E的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析
冯海明
（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）
摘要：
蜗杆传动是最重要的齿轮传动之一，它由蜗杆和蜗轮组成，主要用于传递交错轴之间的回转运动和动力，通常两轴交错角为90°。
传动中一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。
由于蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、传动平稳和噪声较小等优点，广泛应用于各种机器和仪器中。
但是蜗轮蜗杆的齿面属于复杂造型，利用Pro/E强大的参数化设计等功能可以保证齿形的精确性。
同时通过机构的运动仿真，动态观看运动仿真的啮齿和运动情况，测试机构的有关运动性能的参数，有利于机构优化和提高设计效率。
关键词：
Pro/E蜗轮蜗杆参数化设计运动仿真
BasedonPro/Eofthewormgearandwormofparameterizedmodelingandmotionsimulationanalysis
HaimingFeng
（Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018）
Abstractthewormdriveisoneofthemostimportantgeartransmission,Itismadeupofwormandwormgear，Mainlyusedfortransferbetweencrisscrossaxisrotarymotionandpower,UsuallytwoaxialstaggerAngleis90°.Generalwormisactiveintransmission,wormgearisafollower.Becauseofwormdrivewithlargetransmissionratio,compactstructure,smoothtransmissionandlessnoise,etc,arewidelyusedinvariouskindsofmachinesandequipment.Butthewormandwormwheeltoothsurfacebelongstocomplexmodeling,usingPro/Eisapowerfulfunctionsuchasparametricdesigncanguaranteeaccuracyoftoothprofile.Atthesametime,throughthemechanismmotionsimulation,dynamicwatchmovementsimulationofrodentsandmovement,onsportsperformanceparametersofthetestfacility,tooptimizeandimprovethedesignefficiency.
Keywords:
Pro/E；wormgearandworm；parametricdesign；movementsimulation
1绪论
1.1课题研究意义
蜗杆蜗轮传动中，蜗杆推动蜗轮实现减速、增扭的定速比传动。
由于蜗杆外行曲面比较复杂，无法用机械制图的方法精确描述其曲面形状，因此在产品开发设计中，通常由设计人员根据经验确定。
应用传统方法对其绘制时，不仅过程繁琐、效率低，而且在产品的开发设计中存在着一定的自由性，加工出的产品经常会存在各种缺陷，不能满足实际应用的要求。
随着CAD和优化设计技术的发展，应用先进的虚拟制造技术，可以达到精确的造型和可靠地质量。
针对蜗杆类零件曲面形成的特点，若能利用计算机对蜗轮蜗杆机构进行辅助设计，对蜗轮蜗杆本体进行辅助制造，就成为当前蜗轮蜗杆机构研究的主要趋势，所以，采用CAD软件，优化蜗轮蜗杆的设计参数、并对其进行虚拟装配和运动仿真，不仅能更直观的描述产品，而且在产品设计阶段对产品的缺陷、相关零件的装配关系、空间干涉等情况进行分析与检验，从而有效提高设计的效率，缩短产品的设计周期。
本文正是针对蜗轮蜗杆零件进行参数化设计、虚拟装配和运动仿真的研究，希望可以为空间复杂构件的参数化设计、虚拟装配和运动仿真提供一般性的研究方法。
1.2课题研究CAD发展概述
CAD是计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）的简称，是工程技术人员以计算机为工具，用自己的专业知识对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
它以提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本为主要目的。
CAD技术是20世纪全球高科技领域杰出的工程技术之一，是跨世纪的国家关键技术。
CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。
1.2.1CAD技术发展历程
CAD技术起步于20世纪50年代，1950年美国麻省理工学院研制出可以显示简单图形的图形设备“旋风1号”，50年代末美国Gerber公司研制出平板绘图仪，Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪，这些研究成果为CAD技术的发展提供了最基本的物质基础，整个50年代CAD技术还刚刚萌芽，只是处于被动式的图形处理阶段。
进入60年代，CAD技术开始蓬勃发展起来，1962年麻省理工学院的Sutherland发表的博士论文《SKETCHPAD—一种人机对话系统》，为CAD技术的发展和应用打下了理论基础，1966年出现了第一台实用的图形显示装置，同一时期还出现了许多商品化的CAD设备，如美国IBM公司推出的商品化计算机绘图设备等。
从70年初期开始，CAD进入了早期实用阶段，1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，随着各种廉价的图形输入设备的相继问世，CAD逐步走进中小企业。
从80年代至今，CAD技术的发展突飞猛进，一方面小型机及微型机的性能不断提高，价格不断下跌，诸如大型数字化仪、自动绘图机等计算机外围设备己经成为CAD的一般配置,为推动CAD技术向更高水平发展提供了必要的条件，另一方面，基于小型机和微机的软件技术也迅速提高，大量成熟的商品化软件不断涌现，又促进了CAD技术的发展，CAD技术得到了越来越广泛的应用。
目前，流行的CAD技术基础理论主要是以PRO/E为代表的参数化造型理论和以SDRC/I-DEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。
国内对CAD技术的研究，开始于20世纪70年代初期，研究工作主要集中在高等学校和科研院所，研究内容主要是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘图进入80年代以后，我国的CAD技术的研究得到了较快的发展，在二维交互绘图系统、三维造型和几何设计、有限元分析、数控编程等方面都取得了很多成果，不少自主版权的软件己经在国内行业中得到推广应用。
但从总体上来说，我国的CAD软件，无论是从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面，都与发达国家存在着不小的差趾，主流的CAD软件基本上都是国外产品。
1.2.2CAD的发展趋势
随着CAD技术的不断研究、开发与广泛应用，对CAD技术提出越来越高的要求，因此CAD从本身技术的发展来看，其发展趋势是参数化、三维化、智能化、网络化、集成化和标准化日。
具体表现为:
1.参数化
参数化既能为用户提供设计对象直观、准确的反馈，又能随时对设计对象加以修改，同时减少设计中的疏忽，从而在很大程度上提高机械设计的效率。
参数化是实现机械设计自动化的前提和基础。
2.智能化
现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐渐被计算机的智能化处理所替代。
将人工智能引入CAD系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、听觉和语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的。
3.三维化
随着三维图形技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图，并且在三维模型的基础上可以方便地进行虚拟装配、干涉检查、有限元分析和运动分析等应用。
4.集成化
集成化就是向企业提供一体化的解决方案，其出发点是企业各个环节是不可分割的，必须统一考虑。
计算机辅助设计所产生的三维模型将最大限度地被后续的分析、加工、工艺和仿真所利用。
5.网络化
网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资。
不同设计人员可以在网络上方便地交换设计数据。
6.标准化
随着CAD系统的集成化和网络化，指定各种产品设计、评测和数据交换标准势在必行，如建立符合STEP标准的全局产品数据模型等。
1.3课题研究的内容
课题主要包括以下研究内容：
（1）系统分析蜗轮蜗杆机构的结构。
设计参数化特征造型技术、
（2）分析了Pro/E平台产品设计的基本思路，提出了蜗轮蜗杆的数学模型，通过基于Pro/E平台的蜗轮蜗杆零件三维建模过程，归纳出蜗轮蜗杆零件三维实体建模时的基本思路和方法
（3）利用所总结的蜗杆蜗轮零件三维实体建模的经验，以参数化设计思想作为指导，紧紧抓住蜗轮蜗杆零件三维建模这条主线，依托蜗轮蜗杆零件的数学方程式，运用条件语句将变参设计融入到零件整体建模过程中。
（4）设计初步条件，对设计完成的零件进行变参造型，进而进行虚拟装配和运动仿真，针对运动仿真中出现的干涉问题提出行之有效的解决方案。
2蜗轮蜗杆参数化设计基础
2.1蜗杆传动机构简介及类型
蜗轮蜗杆传动用于传递交错轴间的回转运动和动力，通常两轴交错角为90°。
蜗杆类似于螺杆，有左旋和右旋之分，除特殊要求外，均采用右旋蜗杆；蜗轮可以看成是一个具有凹形轮缘的斜齿轮，其齿面与蜗杆齿面相共轭。
在蜗杆传动中，一般以蜗杆为主动件
按形状的不同，蜗杆可分为：
圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。
圆柱蜗杆又可分：
（1）普通圆柱蜗杆：
阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）；渐开线蜗杆（ZI蜗杆）；法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）；锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）
（2）圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）
2.2圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸
中间平面：
通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面（蜗杆的轴面，蜗轮的端面）。
蜗杆、蜗轮的参数和尺寸大多在中间平面（主平面）内确定。
圆柱蜗杆传动的主要参数：
1.模数m和压力角α
通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面，称为中间平面。
由于蜗轮是用与蜗杆形状相仿的滚刀，按范成原理切制轮齿，所以ZA蜗杆传动中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合就相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。
蜗杆传动的设计计算都以中间平面的参数和几何关系为准。
它们正确啮合条件是：
蜗杆轴向模数ma1和轴向压力角αa1应分别等于蜗轮端面模数mt2和端面压力角αt2[1]。
圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算
设计蜗杆传动时，一般是先根据传动的功用和传动比的要求，选择蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2，然后再按强度计算确定中心距a和模数m，上述参数确定后，即可根据表2-1计算出蜗杆、蜗轮的几何尺寸。
名称
计算公式
蜗杆蜗轮
d1=mqd2=mz2
ha=mha=m
hf=1.2mhf=1.2m
da1=m（q+2）da2=m（z2+2）
df1=m（q-2.4）df2=m（z2-2.4）
pa1=p12=px=πm
c=0.20m
蜗杆分度圆直径，蜗轮分度圆直径
齿顶高
齿根高
蜗杆齿顶圆直径，蜗轮喉圆直径
齿根圆直径
蜗杆轴向齿距，蜗轮端面齿距
径向间隙
中心距
a=0.5（d1+d2）=0.5m（q+z2）
表2-1圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算
2.3参数化特征造型技术简介
参数化设计（ParametricDesign），也称为尺寸驱动（Dimension-Driven），是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数。
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。
参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题。
机械设计是一个创造性的活动，是一个反复修改、不断完善的过程。
同时，对很多企业，设计工作往往是变型或系列化设计，新的设计经常用到己有的设计结果。
据不完全统计，零件的结构要素90%以上是通用或标准化的，零件有70%-80%是相似的。
在参数化设计技术出现以前，传统的CAD使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。
这种设计系统不支持初步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对己有图形的修改，不能有效地支持变化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计中存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。
在这种情况下参数化设计方法应运而生。
参数化设计以约束造型为核心、以尺一寸驱动为特征。
在参数化设计中采用参数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造型，而不必在设计时专注主于产品的具体尺寸;参数化设计方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型;对己有设计的修改，只需变动相应的参数，而无需运行产品设计的全过程。
与传统的自由约束的设计方法相比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争力。
参数化技术经过十多年来的发展，己经成为CAD技术的重要分支，也成为CAD技术研究和产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。
现代主流CAD软件，如PRO/E,solidworks,UG等都实现了参数化。
蜗轮及蜗杆机构常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇工作的场合。
蜗轮蜗杆的机构特点：
1.可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。
2.两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。
3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。
4.具有自锁性。
当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。
如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。
5.传动效率较低，磨损较严重。
蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。
另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。
6.蜗杆轴向力较大。
为了保证蜗轮齿面的精确性，以Pro/E为平台对蜗轮蜗杆进行参数化建模设计及运动仿真分析。
3基于Pro/E的蜗轮蜗杆参数化建模
3.1Pro/E的参数化建模简介
参数化设计方法使设计者构造模型时可以集中于概念设计和整体设计，充分发挥创造性，提高设计效率。
其主要思路如图3-1所示，通过对产品建模特征的解析，从特征中抽象出特征参数，再对特征参数进行分析，得到参数模型。
根据模型信息建立参数间关联与约束，并确定某些参数为设计变量，进而建立由设计变量驱动的零件族。
图3-1建模流程图
参数化设计是Pro/E重点强调的设计理念。
参数是参数化设计的核心概念，在一个模型中，参数是通过“尺寸”的形式来体现的。
参数化设计的突出特点在于可以通过变更参数的方法来方便的修改设计意图，从而修改设计意图。
关系式是参数化设计中的另外一项重要内容，它体现了参数之间相互制约的“父子”关系。
所以，首先要了解proe中参数和关系的相关理论[2]。
一、参数的含义
参数有两个含义：
一是提供设计对象的附加信息，是参数化设计的重要要素之一。
参数和模型一起存储，参数可以标明不同模型的属性。
例如在一个“族表”中创建参数“成本”后，对于该族表的不同实例可以设置不同的值，以示区别；二是配合关系的使用来创建参数化模型，通过变更参数的数值来变更模型的形状和大小。
二、参数的设置
在零件模式下，单击菜单“工具”——参数，即可打开参数对话框，使用该对话框可添加或编辑一些参数。
1.参数的组成
（1）名称：
参数的名称和标识，用于区分不同的参数，是引用参数的依据。
注意：
用于关系的参数必须以字母开头，不区分大小写，参数名不能包含如下非法字符：
！
、”、@和#等。
（2）类型：
指定参数的类型
a）整数：
整型数据
b）实数：
实数型数据
c）字符型：
字符型数据
d）是否：
布尔型数据。
（3）数值：
为参数设置一个初始值，该值可以在随后的设计中修改
（4）指定：
选中该复选框可以使参数在PDM（ProductDataManagement，产品数据管理）系统中可见
（5）访问：
为参数设置访问权限。
a）完全：
无限制的访问权，用户可以随意访问参数
b）限制：
具有限制权限的参数
c）锁定：
锁定的参数，这些参数不能随意更改，通常由关系式确定。
（6）源：
指定参数的来源
a）用户定义的：
用户定义的参数，其值可以随意修改
b）关系：
由关系式驱动的参数，其值不能随意修改。
（7）说明：
关于参数含义和用途的注释文字
（8）受限制的：
创建其值受限制的参数。
创建受限制参数后，它们的定义存在于模型中而与参数文件无关。
（9）单位：
为参数指定单位，可以从其下的下拉列表框中选择。
2.增删参数的属性项目
可以根据实际需要增加或删除以上9项中除了“名称”之外的其他属性项目
三、关系的概念
关系是参数化设计的另一个重要因素。
关系是使用者自定义的尺寸符号和参数之间的等式。
关系捕获特征之间、参数之间或组件之间的设计关系。
可以这样来理解，参数化模型建立好之后，参数的意义可以确定一系列的产品，通过更改参数即可生成不同尺寸的零件，而关系是确保在更改参数的过程中，该零件能满足基本的形状要求。
如参数化齿轮，可以更改模数、齿数从而生成同系列、不同尺寸的多个模型，而关系则满足在更改参数的过程中齿轮不会变成其他的零件。
四、关系式的组成
关系式的组成主要有：
尺寸符号、数字、参数、保留字、注释等。
符号类型
系统会给每一个尺寸数值创建一个独立的尺寸编号，在不同的模式下，被给定的编号也不同。
3.2蜗杆的参数化建模
3.2.1零件分析
蜗杆是和蜗轮配合使用的一种重要传动件，该传动机构可以实现大的减速比，本例将以上面蜗轮的参数化设计过程为基础，分析蜗杆的建模过程。
蜗杆由轮齿、蜗杆主体特征等基本结构特征组成。
蜗杆零件进行三维实体参数化设计的基本思路是：
拟定可变参数，根据出设条件进行相关的几何参数的计算，初步确定参数值；在编辑器中设定各参数并加入部分关系式，在利用“方程式”生成螺旋体中加入变参；通过进一步添加关系式实现导程参数化；通过添加条件语句实现选项参数化；通过添加关系式在生成蜗杆实体中加入变参。
最后，对设计好的蜗杆三维实体进行特征参数的修改。
如果蜗杆能按照既定的条件变参的话，说明设计成功；否则，说明设计有问题，要认真查找原因，直至设计成功。
蜗杆建模的具体操作步骤如下：
（1）蜗杆参数化设计的计算及创建新零件文件
（2）参数的输入
（3）螺旋体的生成
（4）导程参数化
（5）实现多头蜗杆
（6）创建蜗杆轴实体
（7）蜗杆的变参
3.2.2蜗杆的参数化建模
1.蜗杆参数化设计的计算及创建新零件文件：
本设计拟对蜗杆模数、蜗杆头数、蜗轮齿数、蜗杆分度圆直径、蜗杆旋向等参数实施变参设计，初定m=2.5，z1=1，z2=30，d1=28。
文件新建→【输入零件名称:
wogan,取消使用缺省的选中记号，然后单击确定按钮】→【选择公制单位mmns_part_solid后单击确定按钮】→【基准坐标系ＰＲＴ＿ＣＳＹＳ＿ＤＥＦ及基准面RIGHT、TOP、FRONT显示在画面上】
2.参数的输入
→【打开记事本，在工具/程序下的INPUT和ENDINPUT之间以及RELATION和ENDRELATION之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本】如图3-2
INPUT
MNUMBER;模数
Z1NUMBER;蜗杆头数
Z2NU
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