基于CATIA减速器的设计与运动仿真.docx
《基于CATIA减速器的设计与运动仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CATIA减速器的设计与运动仿真.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于CATIA减速器的设计与运动仿真
基于CATIA的减速器的设计与运动仿真
摘要：
计算机辅助技术CAD/CAE/CAM的日益发展和成熟，其应用范围也越来越广，由法国达索公司推出的CATIA高级计算机辅助设计、制造和分析软件，广泛应用于航天、汽车、造船和电子设备等行业，本文以CATIA为设计平台，不仅实现了齿轮的三维参数化造型，而且实现减速器传动机构的仿真，对其结构进行改进及优化，该设计可以有效降低成本，缩减产品的研发周期，提高了设计效率，为新产品的开发奠定了基础。
关键词：
减速器；设计方法；CATIA；虚拟装配；运动仿真
DesignandMotionSimulationoftheGEARREDUCER
BasedonCATIA
Abstract:
DevelopmentofcomputeraidedCAD/CAE/CAMtechnologyareincreasingandmature,itisusedmorewidely,launchedbytheFrenchDassaultadvancedCATIAcomputer-aideddesign,manufacturingandanalysissoftware,widelyusedinaerospace,automobile,shipbuildingandelectronicequipmentandotherindustries,thispapertakesCATIAasthedesignplatform,notonlyrealizesthe3Dparametricmodelingofgearthesimulationofreducer,andthetransmissionmechanism,thestructurecanbeimprovedandoptimized,thisdesignmentcaneffectivelyreducecosts,reducetheproductdevelopmentcycle,improvethedesignefficiency,laidthefoundationforthedevelopmentofanewproduct.
Keyword:
GEARREDUCER；DesignMethods；CATIA；VirtualAssembling；MotionSimulation
3.2.3中速组建装配.................................................................................................35
1绪论
1.1本课题研究的背景
近几年来，我国汽车工业的迅速发展给汽车零配件企业带来了新的挑战和机遇，同时对企业竞争力提出了更高的要求。
降低成本、提高质量和快速响应市场是企业提高竞争力的重要途径。
企业出于自身生存和发展的需要，越来越多地采用CAD技术，以使其能低成本、高效率地开发、设计出新产品，全面提高企业对市场的快速响应能力。
这种趋势在客观上为商用CAD软件提供了巨大的市场需求，推动力整个CAD技术的发展和普及。
各类CAD软件在设计和制造中得到了广泛应用。
现阶段，基于特征技术的商用CAD软件得到了广大用户的一致认可,CATIA拥有庞大的用户群。
作为通用的CAD软件平台，这些软件在通用星上非常出色，覆盖了众多的产品设计领域，也考虑了一般性的设计规范。
就汽车零部件企业而言，其产品特点主要表现为产品种类系列多、相似性强等。
零部件铲平的传统开发模式随时一种线性阶段模式，铲平开发过程是顺序过程，在设计早期不能全面地遇见产品地可制造性、可装配性和质量可靠性，用户满意度等多种因素。
于是从设计到样机制作需要反复修改完善，使产品卡发的周期长，成本高，质量也难以达到最优。
使用CATIA通用CAD系统很难一次性满足企业产品设计要求。
如果企业能够研发出针对自己产品的参数化CAD系统，利用该系统，设计人员只需根据提示输入一些必要参数，系统在极短的时间内自动生成优化的变型设计结果，将极大地提高产品的设计效率，缩短产品的设计周期。
从而很快地设计出多品种，多规格，小批量地产品，共整车企业作出更多选择，以更加完善我过当前快速发展的汽车产业链。
1.2研究的目的及意义
在激烈的市场竞争条件下，企业必须具备创新产品的开发和快速响应市场的能力，才能占领市场，为企业创造经济效益。
创新设计和快速设计已经成为企业普遍关心的两大课题。
参数化设计技术是实现企业快速设计的有效途径，当前主流的CAD软件也都实现了参数化功能。
在目前通用一些参数化CAD软件中，Dassault和IBM联合推出的CATIA软件正在被越来越多的客户采用。
根据Dassault公司2006年度财报显示，2006年CATIA在PLMCAD软件市场中占市场高达25％，并且以12％的增长率稳步增长，逐渐成为PLMCAD软件市场的领头军。
因此，选择CATIA这样的主力软件最为参数化设计的研究对象，十分必要。
减速器的创新设计是减速器制造企业保持竞争优势的关键因素之一。
对齿轮减速器制造业来说，减速器创新设计就是符合市场新产品的不断推出，使同类型产品规格齐备。
为了占领市场，国内外减速器制造企业越来越重视新产品的开发。
众所周知，高精度的新产品开发的特点是高风险、高回报。
如何充分利用企业宝贵的开发资源，以尽可能低的成本、荆轲恩那个快的速度推出市场需求的新产品，是决策者必须面对的重要课题。
成功的新产品开发必须有科学的产品策划，而科学的产品车花依赖于先进的设计技术和制造技术，以便缩短产品进入市场的时间。
减速器设计智能化、快捷化，已成为行业发展的迫切需要。
在新产品开发时期遇到的问题和困难，一般包括以下几个方面：
其一，开发的产品缺乏市场竞争力；其二，错过最佳产品上市时机；其三，企业综合开发能力与其进行的开发项目不对称；
其四，卡发资源分配不合理，一些项目资源过剩，而另一些项目资源不足等。
从中可以看出产品开发的周期、速度、以及如何利用企业的已有资源和设计经验对企业的重要性。
从以上内容来看，三维参数化CAD技术可以有效的解决上述问题，成为减速器创新设计的必然选择。
1.3本课题研究的主要内容
（1）简历减速器关键零部件----齿轮和轴的三维参数化设计系统，以实现齿轮和轴的三维参数化设计。
（2）对减速器其余零件三维造型，利用三维通用软件的二维、三维绘图相互关联技术，实现减速器工程图纸的自动更新。
1.4本章小结
本章主要对课题的研究目的和意义及主要内容进行了说明，通过对这些问题的分析和探讨,更加深入了解对课题研究的必要性。
2减速器总体设计及三维零件建模
2.1CATIA在工业设计中的应用
一、设计方法概述
现在产品的竞争越来越激烈，如何缩短产品的开发周期，及时推出适合市场的新产品成为各大公司共同关心的问题。
CATIA软件以其强大的造型及结构设计功能在产品的开发设计中得到越来越广泛的应用，为有效缩短产品的开发周期提供了条件。
使用CATIA软件进行虚拟产品设计总的来说有两种设计方法，它们分别是由底向上的产品设计和自顶向下的产品设计。
由底向上的产品设计就是先设计好产品的各个零部件，然后再把各个零部件逐一装配成完整产品的设计方法。
由底向上的产品设计方法是一种比较简单、低级的方法，其设计思路比较清晰，设计原理也比较容易被广大用户接受。
但是其设计理念还不够先进，设计方法还不够灵活，还不能完全适应现代设计的基本要求。
这种方法主要使用于一些已经比较成熟的产品设计过程，可以获得比较高的设计效率。
由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。
设计时，首先从整体上画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图，然后再根据这些关系或布局逐一设计出产品的零件模型。
在现代的虚拟产品设计中，往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件。
二、CATIA设计工作流程
1.机构总体分析根据机构功能参数进行产品的总体设计。
2.创建零件模型使用各种特征实体工具创建所需要的零件模型。
3.零件的基本特征修改零件模型是否满足要求，不满足重新修改便更。
4.组装零件模型使用装配命令组装零件模型，生成连接。
5.产品机构仿真设计进行设计计算，优化设计，仿真分析，材料分析等。
6.产品变更设计如不能满足要求，需再次修改设计，进行各零部件的装配。
7.输出结果。
2.3减速器的总体设计
减速器由上箱体、低速轴、大透盖、通气塞、大齿轮、定位销、螺塞，轴承盖、下箱体、轴承、高速轴、小透盖、小齿轮。
图2.1减速器样机总图
2.4减速器零件的三维设计
减速器零件共有90多个，主要分别是高速组件，低速组件和上下箱体等零件组成。
CATIA的各种基础特征的创建方法都得到了充分应用。
2.4.1高速组件的三维设计
高速组建主要由：
高速轴、高速齿轮、垫片、端盖、定位轴承等零件组成。
1、高速组件的主要零件的结构设计
（1）高速轴
利用拉伸，旋转，倒角等命令完成三维建模。
其结构图2.2如下所示：
图2.2高速轴结构图
高速齿轮的参数
齿轮代号
Z齿数
齿顶圆直径
模数
齿厚
压力角
72
19
63
3
95
20
（2）轴承内腔利用旋转命令完成三维建模。
其结构图2.3如下所示：
图2.3轴承内腔结构图
（3）内腔滚珠R=4.625,并且以R=24.438进行圆形矩阵
利用旋转、矩阵三维建模，其结构图如下2.4：
图2.4内腔滚珠结构图
（3）轴承外腔体利用旋转、倒角完成三维建模。
其结构图2.5如下：
图2.5轴承外腔体结构图
（4）端盖
利用旋转，拉伸，镜像，倒角完成三维建模。
其结构图2.6如下：
图2.6端盖结构图
（5）大垫片
利用拉伸，剪切完成三维建模。
其结构图2.7如下：
图2.7大垫片结构图
（6）滚动轴承利用拉伸、旋转、装配完成三维建模。
其结构图2.8如下：
滚动轴承内最小半径R=17.5、最大外半径R=36
图2.8滚动轴承结构图
2.4.2低速齿轮组件的三维设计
转向机构是由低速大齿轮、端盖、轴承、定位套，键等组成。
低速齿轮组建主要零件结构设计：
（1）低速大齿轮
利用拉伸，剪切，倒角、矩阵完成三维建模。
齿轮参数表
齿轮代号
齿数
齿顶圆直径
模数
齿厚
压力角
79
50
260
5
90
20
其结构图2.35如下：
图2.35低速大齿轮结构图
（2）低速轴
利用旋转，倒角，剪切完成三维建模。
其结构图2.36如下：
图2.36低速轴结构图
（3）键
其结构图如2.37所示:
图2.37键结构图
（4）轴体利用旋转完成三维建模。
其结构图2.38如下:
图2.38轴体结构图
（5）轴承腔体利用旋转，尺寸结构如图所示：
配合滚珠
滚珠R=5，滚珠中心与轴心的距离为35
（6）轴承内腔体，通过旋转成型，结构尺寸如图所示：
配合滚珠
滚珠R=5，滚珠中心与轴心的距离为35
（7）端盖由拉伸，凹槽设计而成
2.4.3中速组件的三维设计
中速组建组成为：
中速大齿轮、中速小齿轮、中速轴、定位键、垫片、轴承。
主要零件建模，中速组建装配图形：
（1）中速大齿轮
利用拉伸，剪切，倒角，倒圆角等完成三维建模，其结构图2.39如下：
齿轮代号
齿数
齿顶圆直径
模数
齿厚
压力角
19
76
234
3
90
20
图2.39中速大齿轮结构图
（2）中速小齿轮
利用拉伸，剪切，倒角，阵列完成三维建模，其结构图2.40如下：
齿轮代号
齿数
齿顶圆直径
模数
齿厚
压力角
70
20
110
5
95
20
图2.40中速小齿轮结构图
（3）中速轴
利用拉伸，剪切，倒角、旋转等完成三维建模，其结构图2.41如下
图2.41中速轴结构图
（4）键
利用拉伸，剪切，倒角等完成三维建模，其结构2.42图
图2.42键结构图
（5）中速轴定位组建由轴承、端盖、垫片组成，结构如图所示：
A.定位圆环：
B.大端盖：
C.大垫片：
D.轴承组建由于在上面教过，所以直接给出
最小半斤R=27.5，最大半径R=40
2.4.4箱体的三维设计
箱体是减速器的主要组成部分，箱体分为下箱体与上箱体其结构及建模过程如图2.43所示。
工程图如图2.44所示。
图2.43下箱体的结构图
图2.44上箱体的工程图
2.4.5圆柱齿轮的参数化设计
由于在上述零件的设计过程中多次用到圆柱齿轮，现在重点介绍其设计过程。
其模型树为下图2.45所示：
图2.45齿轮
1．设置圆柱齿轮的设计参数
在本模型中主要设置8个独立参数作为驱动参数来控制三维模型的几何尺寸，其参数如下表所示：
参数表2.46
2.添加齿轮各几何尺寸间的关系
Fogx：
x=rb*sin（t*PI*1rad）-rb*t*PI*cos（t*PI*1rad）t为实数
fogy
y=（rb*cos（t*PI*1rad））+（（rb*t*PI）*sin（t*PI*1rad））
3.创建齿轮的基本圆曲线
（1）点击知识工程中的图标
，按表2.46依次建立参数
注意参数类型
名称
类型
数值
公式
齿数Z
实数
76
----------------
模数m
长度
3
----------------
压力角a
角度
20
----------------
rb
长度
107.125
r*cos（a）
rf
长度
110.25
r-1.25*m*1mm
rk
长度
117
m*z/2*1mm
r
长度
114
r*cos（a）
图2.47草绘1
（2）Fogx：
x=rb*sin（t*PI*1rad）-rb*t*PI*cos（t*PI*1rad）t为实数
fogy
y=（rb*cos（t*PI*1rad））+（（rb*t*PI）*sin（t*PI*1rad））
由方程通过描点来画出渐开线尺寸
Fogx：
x=rb*sin（t*PI*1rad）-rb*t*PI*cos（t*PI*1rad）t为实数
fogy
y=（rb*cos（t*PI*1rad））+（（rb*t*PI）*sin（t*PI*1rad））
通过画出一个齿后用矩阵来画出所有轮廓尺寸，最后通过拉伸可得所要齿轮。
3减速器的总体装配
3.1装配概述
在装配时要注意以下问题。
先把齿轮装载轴上装轴承，然后装到箱体上，接着是箱盖，最后把装轴承上的螺栓、箱体而后箱盖的连接螺栓。
减速器各部件的虚拟装配
减速器内的零件模型创建工作全部完成后,就可以开始创建装配模型。
通过Assembly模式进行零
部件的组合装配时,可以遵循实际的装配过程;通过装配约束（确定各个零件之间的装配关系）将各个零件联系在一起。
零件之间的装配约束主要有匹配（Mate）、对齐（Align）、定向（Orient）、坐标系（CoordSys）[2]
等几种,它也是通过人机交互来指定,起到确定零件之间的几何约束和装配顺序的作用。
具体而言,装配可以分为小部件装配、整体装配和运动组件装配。
和实际装配中类似,其中的小部件装配是为整体装配做准备。
例如:
轴上除端盖以外的轴系零件的装配属于小部件装配,应用对齐等命令将各零件完全约束（定位与固定）,即可完成初步的子装配,图2即为各轴上齿轮、轴承、轴、键等主要零件的装配拟实模型;减速器各轴在箱座中的定位与固定、箱盖和箱座的固结、轴承端盖及附件的安装等则属于整体装配,和小部件相比整体装配较前者复杂,工作量大。
同样,可利用装配命令将小部件或零件完全约束;最后关于运动组件装配的思路请见下面的机构运动仿真部分,最终完成整体装配
机构的装配过程主要分为两大类：
以约束条件装配固定不动的原件和以连接条件装配可移动的原件。
1、以约束条件装配固定不动的原件:
在装配机构的原件时，若欲装配的原件为固定不动的原件，则操作者直接在现有的组件上及欲装配的原件上选取点、线、面等几何元素，CATIA系统即会自动给定贴合、对齐、插入等约束条件，以将原件固定在现有的组件上，此外，操作者也可自行指定元件固定住的约束条件。
约束条件的类型共有11种，在这些约束条件中，固定及缺省只需点选其命令图标，即可完成元件的装配，坐标系仅需1个约束条件，即可元件的装配，其余的皆需给定2个或2个以上的约束条件，方能完成元件的装配。
其中还包括自动、匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、曲面上的边、固定、缺省等约束条件。
3.2减速器的装配过程
零件进行装配前，确定装配路径是有一定规律可循的，也就是必须装配完一个零部件后再根据已装配好的装配体和进一步需要装配的零件的特点确定其装配路径。
由此，我们对复杂装配体的装配形成了如下思路：
首先确定第一个进行装配的零件作为基准零件，它将作为后续要装配到其上的零件的基准零件。
在基准零件中做出将要装配到其上的零件n（n>1;其中n零件数）的装配路径草绘。
使该零件装配到构件上，并保证所要求的自由度。
以此类推，直至在所有的待装配零件正确的装配到构件上。
减速器主要由低速组件，中速组建，高速组建组件、定位轴承，端盖，垫片，等部分组成。
每一部份确定一个基准零件，其余各个零件通过由底向上的装配路径依次装配到构架上。
3.2.1低速组件装配
在装配低速组件的过程中，低速组建装配图：
表3.2低速组件装配
3.2.2高速组建装配
先装高速端盖、轴承、圆环定位固定件，然后通过同心进行装配，其装配如图3.4所示：
图3.4高速装配图
3.2.3中速轴组件装配
其装配如图3.5所示：
图3.5中速轴组建装配
3.3总装配
其总装图3.6如下：
图3.6总装配图
3.4本章小结
本章的主要内容就是零部件之间的装配。
零件的装配式依靠所选择的面以及特征来约束空间的。
在开始装配之前，应该决定哪一个零件用来作为装配的基础零件。
该零件应该是不能从装配件中删除，减速器的装配式将装配分成三个子装配，再将三个子装配生成总装配。
如何正确的选取装配的基准零件及装配关系是装配过程的关键之所在，通过装配能够及时发现设计问题，优化系统结构。
4减速器的运动仿真
4.1运动仿真的概述
减速器3D运动仿真
4.1 运动仿真
在装配模式（Assembly）中,可以进行组件的运动模拟,如果是要观察机构的真实运动情况,需要用其下面的Mechanism功能来处理机构的运动仿真,二级齿轮减速器的机构运动比较简单,限于篇幅这里仅列出实现运动仿真的大体步骤:
（1）完成联接（Connection）设置（COMPONENTΠASSEMBLYΠCompo2nentPlacement。
根据构成运动副的零件或组件的情况设定约束性质,可以把固定约束的定位约束去掉,将联接改为约束）;
（2）
（2）组件组装成功之后,执行Mechanism功能（使用完全约束指定机架、确定其余运动构件之间和它们与机架间的联接（运动副）性质）;
（3）设定驱动器;
（4）执行运动并录制文件。
拆装仿真
在系统主菜单下,采用ApplicationΠAnimation功能可以实现减速器的拆装仿真动画（与3DSTUDIOMAX制作动画的原理类似,用户不必设定运动,只需仿造动画影片制作过程一步一步获取关键帧,最后将此一系列关键帧连续播放）,拆装仿真较运动仿真的难度和工作量均较大（因为运动仿真只涉及到构件而装配仿真则涉及每一个具体零件）。
由于拆装过程设置复杂（设置各零件之间相对运动关系、关键帧之间时间间隔的长短以及它们的先后顺序）,这里将不再赘述,用动画实现减速器拆装仿真的大致流程可以参见资料。
通过机构仿真,可以在进行整体设计和零件设计后,对各种零件进行装配后模拟机构的运动,从而检查机构的运动是否达到设计的要求,可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉。
同时,可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。
从而可以将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态,减少试制样机的费用,并大大缩短机械产品的开发周期整个装配仿真操作的大体流程如图4.1所示：
图4.1仿真流程图
5本文总结
减速器的设计是比较复杂的过程，本文按照减速器设计规范，分析减速器的构成及其各个零部件的功能，确定了主要的结构设计参数，减速器各个部件的零件结构即尺寸再依据这些主要的结构参数设计，本文重点讨论了齿轮及轴的尺寸结构的确定。
在简历齿轮减速器的模型前，讨论了目前CAD技术中建模的核心技术---参数化建模和特征建模技术，为后续的齿轮及轴的建模提供理论基础。
本文使用通用软件CATIA对齿轮减速器金星路设计，利用特征设计建立了齿轮减速器的零件和装配的三维模型，根据此模型经适当处理简历了齿轮及轴的相应工程图，这些工作为齿轮及轴的参数化设计提供了必须的模型。
研究主要对以下问题做出了理论的初步探讨和具体应用研究：
（1）齿轮和轴的设计，确定减速器的关键部件的主参数，一般参数及它们之间的关系；
（2）基于特征的参数化建模技术，齿轮减速器的建模设计，装配设计，仿真设计。
致谢
经过几个月的漫长努力，我的毕业设计在王淑贤老师的指导下圆满成功。
大学四年的生活即将结束，只觉得要学的东西越来越多。
通过毕业设计我能够把以前学的东西巩固起来，形成一体，在CATIA设计的过程中也学到了很多东西，论文的不足在于仿真一块，没有做好，希望以后更改，能够更好的完成作品的设计，给大学四年画上一个完整的结局。
【参考文献】
[1]刘文剑，常伟，金天国等，CAD/CAM集成技术.哈尔滨工业大学出版社，2000
[2]杨家广等.计算机图形学.北京.清华大学出版社.1999
[3]陈家瑞.汽车构造【M】北京：
机械工业出版社，2005；122-140
[4]闻帮椿机械设计手册第二卷【M】北京；机械工业出版社，2010.4
[5]陈晓南、杨培林，机械设计基础【M】科学出版社.北京，2007，202-211
[6]孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：
高等教育出版社，1996
[7]刘海江、于信汇汽车齿轮【M】上海同济大学出版社1997.5
[8]周玉存基于CATIA的装配仿真技术研究【D】天津天津大学2006
[9]李世国等，CATIA中文版范例教程[M].北京：
机械工业出版社，2005
[10]胡磊汽车住减速器螺旋锥齿轮参数啊建模与有限元分析【D】武汉武汉理工大学2008
[11]方建军，刘仕良.机械动态仿真与工程分析[M].北京：
化学工业出版社，2004.
[12]任敬心.齿轮工程学【M】北京；国防工业出版社，1985；318-319
[13]林龙震.CATIA产品造型设计专业教程[M].北京：
电子工业出版社，2004.
[14]二代龙震工作室.CATIA机构/运动分析[M].北京：
电子工业出版社，2008
[15]江征
升级会员 