完整版基于ProE的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析毕业设计.docx

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完整版基于ProE的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析毕业设计

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山东农业大学

毕业论文

基于ProE的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析

院部机械与电子工程学院

专业班级机械电子工程专业

届次2013届

学生冯海明

指导教师张开兴老师

二O一三年六月十日

装

订

线

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Contents

基于ProE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ProE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：

ProE蜗轮蜗杆参数化设计运动仿真

BasedonProEofthewormgearandwormofparameterizedmodelingandmotionsimulationanalysis

HaimingFeng

（Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018）

Abstractthewormdriveisoneofthemostimportantgeartransmission,Itismadeupofwormandwormgear，Mainlyusedfortransferbetweencrisscrossaxisrotarymotionandpower,UsuallytwoaxialstaggerAngleis90°.Generalwormisactiveintransmission,wormgearisafollower.Becauseofwormdrivewithlargetransmissionratio,compactstructure,smoothtransmissionandlessnoise,etc,arewidelyusedinvariouskindsofmachinesandequipment.Butthewormandwormwheeltoothsurfacebelongstocomplexmodeling,usingProEisapowerfulfunctionsuchasparametricdesigncanguaranteeaccuracyoftoothprofile.Atthesametime,throughthemechanismmotionsimulation,dynamicwatchmovementsimulationofrodentsandmovement,onsportsperformanceparametersofthetestfacility,tooptimizeandimprovethedesignefficiency.

Keywords:

ProE；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PROE为代表的参数化造型理论和以SDRCI-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ProE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ProE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

da1=m