基于SOLIDWORKS的齿轮参数化实体模型设计.docx
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基于SOLIDWORKS的齿轮参数化实体模型设计
本科毕业论文（设计）
论文题目
：
基于SolidWorks的齿轮参数化
实体模型设计
姓名
：
王骞
学号
：
0830********
班级
：
机械四班
年级
：
08级
专业
：
机械设计制造及其自动化
系部
：
机械工程系
指导教师
：
常虹老师
完成时间
：
2012年5月16日
作者声明
本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成，没有剽窃，抄袭，造假等违反学术规范和其他侵权行为。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，文中均已表明。
因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全有本人承担。
毕业论文（设计）成果归武昌工学院所有。
特此声明
作者专业：
机械设计制造及其自动化
作者学号：
0830********
作者签名：
年 月 日
基于SolidWorks的齿轮参数化
实体模型设计
署名：
王骞（Wangqian）
BasedonofSolidWorksthegearparametricsolidmodeling
2012年5月16日
摘 要
渐开线齿轮由于能保证特定传动比、受力方向不变等优点，而广泛应用于各种通用机械中，但因其齿廓形状和轮体结构复杂多变而成为三维造型技术的难点。
常规齿轮设计过程烦琐：
齿轮轮廓线的生成需要大量的计算过程；轮廓线的绘制，需要通过关系式控制；齿轮种类较多，不同类别绘制方法不同。
本论文主要论述了基于SolidWorks开发平台，进行齿轮参数化实体模型设计的过程，应用其工具包开发了齿轮参数化设计系统，通过创建的对话框修改齿轮参数，例如模数、齿数、齿宽、压力角、变位系数等，可以得到相应的渐开线齿轮，从而满足设计要求。
实际应用表明该系统可以大幅度提高工作效率。
该系统的建立方法亦可应用于其他零件的参数化设计
关键词：
SolidWorks；齿轮；参数化设计；建模
Abstract
Involutegearduetothedifficultytoensurespecifictransmissionratio,theforcedirectionconstant,etc.,arewidelyusedinavarietyofgeneralmachinery,butbecauseofitscomplexandchangingtheshapeofthetoothprofileandwheelstructureathree-dimensionalmodelingtechniques.Therearesomeinefficientaspectsingeardesign,suchasalotofworkshouldbeneededinprocessofgettingthegearprofile;itishardtodrawthegearprofilewithoutequation;Differentkindofgearneedsseveralkindsofmethodstobuild.ItisbasedonSolidWorksplatform.Throughchangingthegearparametersintheapplicationinterface,suchasmodulus,numberofteeth,toothwidth,pressureangle,variablecoefficient,etc,thecorrespondinginvolutegeartomeetthedesignrequirementscanbegotten.Theapplicationshowsthatthesystemcangreatlyimproveefficiency.Theestablishmentofthesystemmethodcanbeappliedtootherparts，isnotconfinedtotheparametersofgeardesign.
Keywords：
SolidWorks;Gear;ParametricDesign;Modeling
目 录
1绪论 1
1.1本课题的研究目的与意义 1
1.2机械CAD技术的发展与应用 2
1.3本课题研究内容与开发思想 4
2基于SolidWorks的齿轮类零件三维参数化建模 6
2.1开发平台与工具简介 6
2.2齿轮零件的特征描述 7
2.3参数化设计技术概述 8
3齿轮建模过程 11
3.1渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数设计 11
3.2齿轮参数间的计算关系 11
3.1齿轮参数化设计基本思路 11
3.4直齿圆柱齿轮建模过程 11
3.5创建其它齿轮（斜齿轮，锥齿轮） 20
4总结与展望 22
致谢 23
参考文献 24
1绪论
1.1本课题的研究目的与意义
齿轮是多参数驱动的标准机械零件,在SOLIDWORKS中由于没有机械零件的标准库,齿轮的设计步骤多、工作量大。
传统的CAD系统所构造的产品模型都是几何图素（如点、线、圆等）的简单堆叠，仅仅描述了设计产品的可视化形状，而不包含设计者的设计思想，因此难以对产品模型进行改动，并生成新的产品实例。
目前很多企业为缩短产品开发周期，大部分产品的设计都是改进型设计，大约70%的新产品的设计都要重新利用原来的产品模型，于是参数化设计的概念在这样的背景下应运而生。
近年来随着三维设计软件的应用越来越普遍，齿轮的三维建模成为设计中经常要进行的工作。
齿轮的三维实体精确建模对于齿轮的有限元分析、动力学分析、数字样机和系统仿真来说是必不可少的。
齿轮的三维建模较为复杂,涉及到很多公式和建模技巧,，特别是对于锥齿轮、斜齿轮以及涡轮蜗杆来说,建模过程十分繁琐,提高齿轮的设计效率具有重要的实际工程意义；另一方面,三维CAD软件SOLIDWORKS功能十分强大,采用了较为先进的技术,如全参数化实体建模技术，数据全相关等，现在已广泛应用于机械和电子领域,有着广泛的用户群。
SOLIDWORKS是采用参数化设计的、基于特征的三维实体造型系统，其参数化特征造型在保证几何、拓扑关系不变的情况下，以单一全关联的数据库实现模型的快速再生；它的二次开发接口使用户可以在自己开发的程序中对零件进行各种操作和控制，从而实现程序化设计。
本课题使用的研究方法是参数化设计。
参数化设计也叫尺寸驱动，是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。
所谓参数化设计即是在设计中产品的结构形式是确定的，它需要根据某些具体的条件和具体的参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同规格的产品。
其本质是对统一结构的产品通过修改尺寸来生成新规格的产品，利用计算机来进行参数化CAD设计，只需在计算机上输入机械零件的几个关键参数，就会准确地、自动地生成工程样图。
在参数化设计中，一般用一组参数来定义几何图形的尺寸数值并约定尺寸关系，提供给设计者进行几何造型使用。
参数化设计一般用于设计对象的结构形状比较固定，可以有一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。
以SOLIDWORKS为开发平台，开发齿轮三维参数化设计系统,只需改变齿轮的相关参数,如齿数、模数、压力角、齿宽等,系统即可自动实现齿轮的设计变更,提高了设计效率。
在SOLIDWORKS环境下可以根据齿轮传动的基本规律和渐开线齿形的生成原理来进行渐开线齿轮的精确造型，同时还能实现齿轮的参数化建模，从而实现了齿轮系列化设计，使设计人员从繁重的绘图工作中解脱出来。
使用SOLIDWORKS进行的齿轮参数化造型具有如下意义：
（1）利用方程创建出精确的渐开线曲线，提高渐开线齿轮的精确性。
（2）通过改变相关参数及关系式，能够快速建立产品的参数化模型，确定主要参数和修改定型，避免了手工造型的复杂繁琐过程，为后续机构运动学、动力学仿真分析及零件数控加工提供基础数据支持。
（3）给齿轮在机械设计、制造及CAE中带来很大方便。
1.2机械CAD技术的发展与应用
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）技术，是综合地利用计算机的工程计算、逻辑判断、数据处理功能和人的经验与判断能力结合，形成一个专门系统，用来进行各种图形设计和图形绘制，对所设计的部件、构件或系统进行综合分析与模拟仿真实验。
它是近十几年来形成的一个重要的计算机应用领域。
在汽车、飞机、船舶、集成电路、大型自动控制系统的设计中，CAD技术有愈来愈重要的地位，在有关设计计算模块与绘图模块的参数接口及程序化绘图研究也具有重要的价值。
在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即ComputerAidedDrawing（orDrafting），而非现在我们经常讨论的CAD（ComputerAidedDesign）所包含的全部内容。
CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。
早期应用较为广泛的是CAD/CAM软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是Autodesk公司的AutoCAD软件。
在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图技术逐渐再向三维方向发展。
三维CAD技术在几十年的发展过程中，大致经历了四次飞跃：
曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术、变量化技术。
1）曲面造型技术
进入70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。
飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题，随着贝赛尔算法的提出，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，开发出了以表面模型为特点的自由曲面造型技术，推出了三维曲面造型系统CATIA。
曲面造型系统的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式，使产品开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新产品开发速度大幅度提高。
2）实体造型技术
随着技术的进步，计算机辅助工程分析（CAE）的需求日益高涨，CAE要求能获得形体的完整信息，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，而线框和曲面造型对形体的表述都不完整，则难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等。
基于对CAD/CAE/CAM一体化技术发展的研究，提出了实体造型技术。
由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。
3）参数化技术
20世纪80年代中期，CAD技术的研究又有了重大进展，此时提出了参数化实体造型技术。
它的主要特点是：
基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
参数化技术彻底克服了自由缄默的无约束状态，由尺寸决定实体造型的几何形状。
尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。
如果想修改零件形状的话，只需修改一下尺寸的数值就可以实现形状上的改变。
由于参数化技术的成功应用，使得它很快成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷追赶。
由于计算机技术的迅猛发展，硬件成本大幅度下降，参数化技术充分体现出其在通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。
4）变量化技术
针对参数化系统的局限，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术—变量化技术。
变量化造型技术保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但是在约束定义方面做了一定的改变。
变量化造型技术将所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不仅仅是用尺寸来约束全部几何。
通常在新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现在某些几何形状之中。
但是这些几何形状严格的尺寸定位关系并不能在设计的初始阶段完全确定，所以希望在初始阶段能够允许欠尺寸约束的存在。
变量化技术为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。
随着世界经济的迅猛发展和科学技术的腾飞，市场不断国际化全球化，各行各业的竞争日益激烈。
企业要想在残酷的竞争中生存下来谋求发展，就要想方设法提高竞争力。
缩短新产品的研发和开发时间，提高产品的设计质量，降低研发成本，进行创新性设计，只有这样，才能满足市场不断变化的需求。
在这样的形势下，企业为了自身的生存和发展，增强市场竞争力，越来越多地采用CAD技术。
事实上，参数化技术和变量化技术已经成为了当今主流CAD软件的两大流派。
两种造型理论相互依存，共同发展。
我国CAD技术的引进是从60年代开始的，最早起步于航空工业，最近几年发展很快，现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。
CAD技术最早起步于航空工业，最近几年发展很快，现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。
其中，以机床、汽车、飞机、船舶等应用最为广泛。
一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个阶段。
概念设计主要解决产品的造型外观，在满足功能的前提条件下，使产品外观精致美观。
详细设计是要确定产品的结构，各个零部件的结构设计，所以又称为部件设计，包括各零件的尺寸、形状和结构。
结构分析主要包括有限限元分析，将对各部件及产品整体的结构进行力学性能、热学性能的分析。
仿真模拟则主要是对产品进行装配模拟，运动机构模拟，进行干涉、碰撞分析等等。
CAD技术可以说贯穿于整个设计过程，从产品方案的选择到整机的可生产性、可维持性和可循环利用性等进行全面设计，因此在机械制造中广泛应用。
1.3本课题研究内容与开发思想
1）零件结构拆分及特征尺寸确定
零件特征造型过程中，应按其本身的功能和建模的特点，将零件拆分为相应各个结构，并分别找出建立其实体模型的基本特征。
为使所建立的模型尽量反映零件的基本特征,一些不重要的或不具有普遍性的细节，如倒角等可省略，以免加大参数化的工作量。
2）创建实体模型
零件上的特征主要通过参数和几何约束关系来相互关联,尺寸之间的关系分为2种:
一种是自定义的各种外部参数和零件的被约束尺寸的关系;另一种是模型内部特征之间的内部约束关系,它是指零件的几何元素之间约束关系,例如:
平行、垂直、相切、同心等。
在创建模型时,这些几何约束关系同时被创建,当模型被修改时,这些关系可以自动保持设计者的意图不变。
一个特征往往有多种创建方法,在设计时必须考虑好如何表达该特征与其它特征的关系。
3）定义特征参数
建立模型后,所定义的所有零件尺寸由系统自动按照建立的先后顺序命名为相应的内部标识尺寸。
在复杂模型上,则需要找出尺寸间的2种对应关系:
即内部标识尺寸和外部模型上各个数值之间的对应关系;内部标识尺寸和将要命名的外部参数之间的关系。
这2种关系综合在一起就体现了外部参数和零件上被约束尺寸的关系。
命名参数时,参数名称要力求简单易懂,必要时可再加入简单注释。
4）输入特征参数
将已定义好的参数输入零件设计列表的“输入部分”,并在关系定义部分定义出与零件各部分尺寸之间的对应关系,同时还可在关系定义部分定义同一零件不同尺寸的相互约束关系。
同一零件的各部分需要协同变化的,也需要在这里列出。
5）修改特征参数
可用2种方法来修改参数:
一是根据所附提示,选择每项参数的名称,并逐项修改;二是将所有需要修改的参数生成数据文件,通过读入文件的方式一次性全部修改。
第一种方法速度较慢,可以在调试程序、输入变量的时候使用;第二种方法效率较高,当程序编制完
2基于SolidWorks的齿轮类零件三维参数化建模
2.1开发平台与工具简介
随着CAD技术的发展，三维造型技术的应用越来越广泛。
渐开线齿轮由于能保证特定传动比、受力方向不变等优点，而广泛应用于各种通用机械中，但因其齿廓形状和轮体结构复杂多变而成为三维造型技术的难点。
SOLIDWORKS为解决这一难题提供了方便。
SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。
达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。
该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。
从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。
1997年，Solidworks被法国达索（DassaultSystemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。
由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。
资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。
在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。
Solidworks软件功能强大，组件繁多。
Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。
SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。
SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。
使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。
美国著名咨询公司Daratech所评论：
“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。
”
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
此软件使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。
参数化造型就是通过参数化建模来构造产品的几何模型,通过参数化造型设计不仅可以缩短产品开发周期,并且可以进行现有产品的系列化设计。
齿轮是应用最为广泛的通用机械零件，广泛用在各种传动中，如减速器、传动装置和汽车的变速箱等。
直齿圆柱齿轮是制造其它齿轮的基础,也是最通用的齿轮。
对于这些需要经常使用的通用机械零件,如果每次都要设计计算，工作量大而且繁琐，属于重复无效劳动。
因此,正确的方法应该是建立参数化的通用模型，设计新的齿轮时，根据需要输入齿轮的参数，如齿数、模数、齿轮宽度等数据，就可以自动生成新的齿轮。
齿轮类零件是组成机器的重要部分，是最常用的机械零件，也是机械产品中运动部件设计的核心。
但是齿轮类零件的设计与绘图是十分繁琐且重复性很大的工作，传统的人工设计方法费时费力，且容易出错，设计人员将大量的时间和精力花费在一些重复性的工作上，缺乏更多的时间去进行创造性设计，导致产品开发周期长、产品质量差、市场竞争力弱等后果，然而，CAD技术推动了几乎一切领域的设计革命，对加速工程建设和缩短产品开发周期、提高产品质量、增强企业的市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。
在实际应用中，由于用户的设计要求及生产条件的多样性，这些CAD软件往往难以完全适应，因此，在具体CAD应用中还需要进行二次开发，以满足用户的需求，使其更符合企业的生产设计需要。
2.2齿轮零件的特征描述
2.2.1齿轮的基本参数
我们利用渐开线方程生成齿轮的一个齿廓,当用极坐标来表示渐
开线时,其方程式为：
式中αk为渐开线在点K的压力角,θk为展角，如图2-1所示：
普通的渐开线齿轮有7个基本参数影响齿轮的形状和尺寸：
模数m，齿数z，压力角alpha，齿顶高系数ha*，顶隙系数c*，变位系数x*，螺旋角beta。
这些参数中，z可任意变化，调整x*，beta参数可得到变位齿轮和斜齿轮；如果改变ha*，c*可以得到短齿、正常齿齿轮；压力角alpha的改变可以满足某些特殊齿轮的要求。
总之，为了达到齿轮的各项技术要求，就要考虑齿轮各个参数的改变，这些参数与齿轮尺寸、形状、位置之间以各种方程式关联，每个参数的改变都会引起齿廓形状的改变。
图2-1齿轮的渐开线轮廓
2.2.2齿轮结构类型
齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。
（1）齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。
渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。
在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。
而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。
变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备中。
（2）按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗轮。
图2-2圆柱齿轮
图2-3锥齿轮
图2-5蜗轮蜗杆
（3）按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮。
（4）按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮。
（5）按齿廓曲线可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮。
2.3参数化设计技术概述
参数化设计（parametricdesign）是一种设计方法，其基础是尺寸驱动的几何模型。
与传统的设计不同，尺寸驱动的几何模型可以通过更改尺寸达到更改设计的目的。
这意味着，设计人员一开始可以设计一个草图，稍候再通过精确的尺寸完成设计的细节。
参数化设计一般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。
参数与图形的控制尺寸有显示的对应，不同的参数值驱动产生不同大小的几何图形。
参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单，高效、优质的产品设计方法。
特别适合与系列化产品设计及标准件库的建立等。
1）参数化设计的理论方法
参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸值来完成最终的设计。
与无约束造型系统
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