ProE内齿轮三维参数化造型设计.docx
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ProE内齿轮三维参数化造型设计
学士学位毕业论文
Pro/e内齿轮三维参数化造型设计
学生姓名：
指导教师：
所在学院：
学号：
专业：
中国·大庆
2009年6月
摘要
以Pro/EWildfire2.0为开发平台,以直齿圆柱内齿轮为研究对象,利用关系式约束的空间曲线,以拉伸、镜像及阵列等方法创建直齿圆柱内齿轮实体。
并以Pro/program模块为开发工具,进行圆柱内齿轮三维参数化程序设计,用户可根据人机交互界面的提示,输入相关参数,即可自动生成圆柱齿轮的三维实体,从而缩短产品开发周期,提高设计效率。
在设计的过程中举例介绍了在开发一种新型钻杆动力钳过程中利Pro/E的三维参数化造型功能进行内齿套的参数化设计过程。
采用这种方法可以通过改变齿轮的驱动参数直接得到不同型号零件,简化了设计过程,节约了时间。
关键词：
Pro/E；内齿轮参数化设计；Pro/program
Abstract
TakingPro/EWildfire2.0asadevelopmentenvironment,takingspurinternalgearasresearchobject,theauthormadeuseofstretchandmirrormethod,theentityofgearisattained.ThentakingPro/programasdevelopmenttool,the3D-solidparameterizeddesignforthespurin-
ternalgearisattained.Inputtingsomebasicparametersofthegear,thestrict3D-solidofthespurgearisautomaticallygenerated.Soitcanshortentheperiodofdevelopmentandimprovetheefficiency.
So,forexample,BasedonthesoftwarePro/E,aprocessofparametricdesignoftheinternalgearusedindrillpipetoneisintroduced.Bythismethod,differenttypesofthepartscanbegainedbyinputtingdifferentpowerpa-rameterseasily.Ithassimplifiedthedesignprocedureandsavethetime
Keywords：
Pro/E；internalgear；parametricdesign；Pro/program
1绪论
1.1PRO/E参数化造型设计的意义
当今的工业领域，越来越多地把产品的设计、分析、制造、数据管理与信息技术融为一体，以此提高工业生产的自动化水平。
以前，三维产品模型的设计都是首先由设计师在图板上画出图样，然后由图形软件使用人员根据图样绘制出产品模型，这样既浪费了人力和物力，设计效率也比较低。
随着PRO/E软件的广泛应用，以其开放性体系结构为基础，利用高级编程语言设计程序来实现三维模型的参数化设计，这样无疑提高了设计的自动化水平。
本文正是以PRO/E通过高级语言程序设计进行图形绘制软件的二次开发，使用户通过友好的参数设定界面输人齿轮参数，根据不同的参数，自动生成一系列齿轮模型，既节省了资源，也缩短了产品设计周期，大大提高了产品设计效率，对工业产品参数化设计的进一步发展有重要意义。
1.2PRO/E软件的介绍
Pro／Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。
Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同设计专用功能来实现，其中包括：
筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。
这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。
这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。
造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。
Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这些都是通过标准数据交换格式来实现的，用户更可以配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。
它在单用户的环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（人工）和工程制图能力（不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。
Pro/Engineer功能如下：
（1）特征驱动（例如：
凸台、槽、倒角、腔、壳等）；
（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；
（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；
（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）；
（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方的变动），其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能.Pro/e是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。
1.2.1参数化设计和特征功能
Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
1.3PRO/E的二次开发
近年来，模具工业发展迅速，CAD／CAM技术在模具设计生产方面的应用，起到了至关重要的作用，它被认为是现代模具技术的核心和重要的发展方向。
Pro／ENGINEER（以下简称Pro／E）作为全球最完善的模具设计软件，广泛应用在我国模具行业中。
不过，在国内的一些公司和企业中，Pro／E作为一种软件工具，主要还是集中在辅助设计的应用之上，而对于该软件的二次开发却相对严重滞后，其他软件的情况也是一样。
所以以商品化的CAD／CAM软件为平台进行二次开发，使国外这些软件工具适合我国生产的设计要求，是很有必要的，这也是目前国内在使用国外的CAD软件时的一项重要工作。
对Pro／E进行二次开发，对于我国的企业来说，有着很大的意义，它不仅可以使软件适合国内企业的设计要求，还可以大大地节省设计成本和人力物力，缩短生产周期，给我国的模具工业生产带来很大的方便。
一般来说，对Pro／E进行开发有两种方法，第一种是利用该软件自带的PROGRAM语句进行开发，第二种是利用Pro／E的Pro／TOOLKIT模块，通过编写C语言代码来进行开发。
Pro／TOOLKIT为用户程序、软件及第三方程序提供了与Pro/e的二次开发功能。
Pro/E是一种采用了特征建模技术，基于统一数据库的参数化的通用CAD系统。
利用它提供的二次开发工具Pro/TOOLKIT，在Pro/E的基础上进行二次开发，可以比较方便地实现面向特定产品的程序自动建模功能，并且可以把较为丰富的非几何特征如材料特征、精度特征加入所产生的模型中，所有信息存入统一的数据库，是实现CAD/CAE/CAM集成的关键技术之一。
本文分别对几何特征和非几何特征的程序自动建模技术进行论述。
CAD系统要和其它系统集成往往需要通用数据库接口。
然而直到2.0版的Pro/TOOLKIT仍没有提供数据库编程接口。
另外，弹出式对话框是目前最先进最流行的一种人机交互界面，能向用户提供图形与文字共存的可视化环境，使操作更为自然、简便和快速，但Pro/TOOLKIT只提供下拉式菜单（包括菜单栏标题及其菜单项）的编程接口，而没有提供开发对话框的编程接口。
本文研究并开发了Pro/TOOLKIT与MFC的接口，利用MFC强大的功能实现对话框的开发与数据库的访问。
几何特征的程序自动建模方法分析对于几何特征的程序自动建模，Pro/TOOLKIT提供了以下三种方法来实现：
特征描述每一个特征由不同的特征元素树（featureelementtree）来定义。
在程序中对每个特征元素树的全部变量赋值一次，就可以产生一个特征，多个特征的积累就形成产品模型。
特征元素树包含的信息分为四类：
（1）特征本身的所有选项和属性。
如特征类型名称、隆起或切槽特征等的深度计量方式、孔的放置方式等。
（2）特征与已存在的几何实体的参考关系。
（3）用于构造特征的平面图形的起始位置。
（4）所有的尺寸值。
目前这种方法还不成熟，因为它有以下三个缺点：
（1）要由程序产生模型，程序必须包含产品模型的所有信息，从底层起由程序构建模型，编程量十分大。
（2）因为每种特征由不同的特征元素树来描述，所以编程难度大而且所编程序非常难于理解。
（3）并不是所有的特征都可以用这种方法产生。
族表这种方法的步骤是：
预先手工构建产品模型，把它作为族表的类属件（genericpart），然后在族表中定义各个控制参数来控制模型的外形大小，这样就可在程序中通过改变各个参数的值来得到所需要的衍生件。
这个衍生件的产生是独立存在的，不需要为它定义参考基准。
用户定义特征与族表法相同之处是同样要预先手工构建产品模型。
模型创建后定义要包含的几何特征、参考基准、可变尺寸以及可变尺寸的记号（symbol），然后将这些信息存为一个后缀为gph的文件。
这样就可以在程序中通过这个文件来改变可变尺寸，产生所需的衍生件。
与族表法不同的是，这种方法所编的程序过程与手工建模过程比较相似，因而易于理解且编程较易，因而在本文着重探讨运用这种方法的技巧。
非几何特征的附加运用Pro/TOOLKIT提供的库函数，可以十分方便地将一些非几何特征包括材料特征以及精度特征附加到已建模型中。
要由程序自动地设置材料特征，较为方便直观的办法是先在pro/e界面上手工编辑多个材料文件，输入它所要求的各种参数值（例如密度、泊松率等），并存为后缀为mat的文件。
所输入参数的格式不限，因为存盘后pro/e会自动将参数格式转化为它规定的格式。
定义好材料文件后，就可以在程序中将多种材料特征赋给产品模型，并设定其中一种材料为模型的当前使用材料。
材料特征信息与产品模型的其它特征信息存于同一数据库中，而模型的当前使用材料的各种参数将在该产品的分析计算中自动被使用[1]。
精度特征的附加不需要先产生辅助文件，只需用Pro/TOOLKIT提供的库函数（如ProGtolCreate等）即可实现。
1.3.1自动特征建模实例
在这个实例中，将利用用户定义特征的方法，用C语言编程，产生一个缺省坐标平面为参考基准的冲头模型，并加入精度特征和材料特征。
事实上只需要修改此程序的可变尺寸赋值语句，用户定义特征文件名和材料文件名的给顶语句，就能成为其他模型的自动建模函数。
（1）按上面所说的方法先手工构件一任意尺寸的长方体并在头部倒圆角形成冲头模型，按上述方法制作用户定义特征文件。
冲头模型所包含的几何特征为隆起和圆角，参考基准为缺省坐标平面，将长，宽，高和圆角半径定义为可变尺寸，它们的记号分别为“length,width,height”和“rp”。
（2）以下为冲头模型的程序自动建模函数，这个程序可以动态地根据不同的长、宽、高和圆角的输入值，动态地、自动地构造出冲头模型，并在Pro/E窗口中显示出来。
1.3.2PRO/E与MFC的接口开发
从本质上说，PRO/E与MFC的接口就是PRO/E系统调用MFC应用程序的途径。
本文研究并开发一个PRO/TOOLKIT应用程序来实现该接口。
PRO/E系统，PRO/ETOOLKIT应用程序与MFC应用程序的通信方式和接口实现的关键之一。
本文提出采用动态连接库（DLL）方式实现三者之间的通信。
因为通信是通过直接的函数调用实现的，所以有执行速度快的优点。
1.3.3关于PRO/E二次开发小结
（1）运用PRO/E提供的二次开发工具PRO/TOOLKIT可以比较轻易地实现有程序动态地自动的进行特征建模的功能，并且所建模型能有程序自动加入较为丰富的非几何特征，并存入模型的统一数据库，特征库中，为CAD/CAM/CAE/CAPP系统的集成打下良好的基础。
（2）由于用户定义特征的方法适用于所有的模型的程序自动建模，所以本文的实例所用的方法和程序对于其它所有的产品模型有很大的借鉴意义。
（3）本文研究并开发的PRO/E与MFC的接口，突破PRO/TOOLKIT的局限，克服了在PRO/E上进行二次开发的技术难题。
（4）运用以上两种技术在PRO/E上进行二次开发，开发出的模具CAD软件既有PRO/E强大的特征建模功能，又能使用MFC制作出图文并茂的用户界面以及实现多种数据库访问功能。
1.4PRO/E软件研究动态
在参数化方法研究不断深入的基础上，世界各大公司相继推出自己的CAD系统或在原有的系统上增加参数化功能。
一些著名的商用公司开发的产品，基本代表该项技术发展的主流，所提供的模块基本覆盖了整个机械产品的设计过程。
如UG公司的SolidEdge,Autodesk公司的AutoCADDesigner、德国西门子一利多富公司的SIGRAPH-DESIGN；美国参数技术公司PTC的机械设计自动化软件Pro/Engineer等。
国产的具有参数化功能的CAD软件主要有：
高华计算机公司的高华CAD、华中理工大学的InteCAD、开目CAD、浙江大学的ZDDS等。
通常，二维参数化程序设计可以采用程序自动生成工程图的方式实现。
但在零件的三维设计中，由于三维模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实体等各类的特征，直接利用程序生成三维模型是非常困难的，参数化程序的设计必定十分繁琐和复杂。
因此，在对于减速器这个复杂结构的参数化设计过程中，采用与二维参数化程序设计完全不同的另一种适合于三维参数化程序设计的方法。
基本原理是采用三维模型与程序控制相结合的方式。
三维模型不是8由程序创建，而是利用交互方式生成。
在已创建的零件三维模型基础上，进一步根据零件的设计要求建立一组可以完全控制三维模型形状和大小的设计参数。
参数化程序针对该零件的设计参数进行编程，实现设计阐述的检索、修改和根据新的参数值生成新的三维模型的功能，其过程
参数化设计图示1.1
图1.1参数化设计过程图由于这种方式是在已有三维模型的基础上，通过修改设计参数派生新的三维模型，因此，我们称之为基于三维模型的参数化设计。
为了与一般三维模型相区别，下面将参数化设计程序要使用的三维模型称为三维模型样板。
三维模型样板的建立在Pro/Engineer环境用人机交互式建立三维模型样板。
模型样板的创建方法与一般的三维模型相同，但必须注意一下几点：
（1）在对三维模型样板进行特征造型时，对二维截面轮廓，利用尺寸标注和施加相切、固定点、同心、共线、垂直及对称等关系实现对几何图形的全约束。
（2）正确设置控制三维模型的设计参数。
设计参数可分为两种情况：
一是与其他参数无关的独立参数；另一种是与其他参数相关的非独立参数。
前者主要用来控制三维模型的几何尺寸和拓扑关系，后者可用以独立参数为自变量的关系式表示。
实际上，参数化设计程序采用的是第一种情况的设计参数，对于后者可以不设置参数而直接用关系式表示。
（3）正确建立设计参数与三维模型尺寸变量之间的关联关系。
在Pro/ENGINEER中创建草图、加减材料和其他修饰特征时，系统将会以d0、d1、d2、...等默认的符号给特征的约束参数命名。
系统的约束参数命名由Pro/Engineer系统自动创建的，其值控制三位模型的几何尺寸和拓扑关系，与用户建立的参数无关。
要使用户建立的设计参数能够控制三维模型，必须使二者关联。
主要采用下面两种方法：
（a）在创建或修改特征需要输入参数值时，直接输入参数名。
如在草图中标注或修改尺寸值时用参数名代替具体数值。
（b）利用Pro/Engineer的关系式功能创建新的关系式，使Pro/Engineer系统自动创建的约束参数名与设计参数关联。
2内齿轮的设计方法
2.1内齿轮设计的分析
内齿轮是内平动齿轮传动及啮合齿轮传动的重要部件，然而还没有一套专门的设计方法，通常是将设计外齿轮一些公式合并一些修正系数后应用于内齿轮设计。
由于内齿轮和外齿轮之间存在差异，所以此设计方法只能是近似的。
另外内齿轮和外齿轮的齿形不同，结构参数对应力的影响也不同于外齿轮。
然而，目前对直齿内齿轮结构参数对应力影响的分析还比较少。
直齿内齿轮应力灵敏度有限元分析是定量分析内齿轮结构参数与应力关系的好方法。
该方法是分析齿轮的应力相对齿轮结构的参数化变化率。
在指定的尺寸范围内，量化分析结构参数与应力的关系，给出结构参数和应力关系的一个相关曲线图。
本文应用优秀的灵敏度分析软件PRO/E对内齿轮结构参数对应力的影响进行了详细的分析。
（1）直齿内齿轮的灵敏度分析的理论基础
由于应力的概念知，在一定的载荷F作用下应力与载面面积成反比，即S=F/A，显然，截面面积A与内齿轮的模数、变位系数、压力角、齿宽系数和齿宽等几何参数有关。
另外，根据弹性力学分析，应力和应变关系为S=D*B
（2）式中,S为应转矩阵；D为弹性矩阵、B为应变矩阵，结合式
（2）和材料路学中刚度计算公式知,弹性矩阵与弹性体的几何关系有关。
单个齿轮轮齿可以看作一个变截面悬臂梁,齿根处是悬臂梁的支点。
所以,齿顶高系数也会影响齿轮的应力。
（2）直齿内齿轮有限元模型建立
为了减少计算费用，仅模拟齿轮的一个齿面,并包括承载齿轮左右临近的齿。
该模型采用SOLID92单元,该单元特别适合于不规则实体的网络划分,具有塑性、膨胀、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的特性。
根据不同情况,模型大约具有1151个单元,368个支点.分析出定参数为：
齿数z=16、模数m=7齿顶高系数Ha=1.0、齿顶系数C=0.25,分度圆压力角a=20变位系数X2=0.38等.在内齿轮的圆心建立柱坐标，直内齿轮三维模型在PRO/E中建立，在PRO/E环境中直接用PRO/MECHANICA进行有限元模型建立和灵敏度分析。
2.2．基于Pro/Program二次开发齿轮参数化设计的步骤
标准齿轮的几何尺寸决定于齿轮的六个基本参数：
模数m、齿数z、压力角alpha、齿顶高系数hax、顶隙系数c和齿宽系数k。
齿轮传动设计时根据传递功率、转速和传动比等首先设置这六个参数。
2.2.1齿轮齿槽形状的精确确定
齿形的渐开线形状可通过高级Sweep特征设计精确设计，但齿轮齿槽的形状与齿轮齿数、模数、变位系数和压力角有关。
外齿轮齿根圆的半径小于渐开线的基圆半径，而内齿轮齿根圆的半径大于渐开线的基圆半径。
齿轮的啮合只在渐开线部分，因此外齿轮设计时可在基圆的以下部分加与渐开线相切的直线以连接齿根圆，如图
（1）；而内齿轮则无需加相切直线，仅截取渐开线的一部分即可
（2）
图
（1）图
（2）
2.2.2内、外齿轮两种情况的调用
Pro/E软件在零件设计模式下是无法实现两种不同零件的调用的，但在装配模式下可以实现这种调用功能，具体的方法为：
在.asm下新建文件，坐标系统为mmns。
为了叙述方便，将外齿轮表示为A种齿轮，内齿轮表示为B种齿轮，把A、B两种齿轮造型在基准缺省方式下直接装配在一起，此时装配件是A、B两种齿轮的重叠，Program编程时通过判断齿轮的齿根圆半径是否大于渐开线的基圆半径来决定采用A种齿轮还是B种齿轮。
若齿根圆半径小于基圆半径则采用A种齿轮，否则采用B种齿轮。
2.3设计举例
本文所引用的是“钻杆动力钳系列产品开发”项目研究工作的一部分,重点研究内齿轮的参数化设计，所以直接提取相关内容的已知资料，根据项目本身的特点,以Pro/Engineer为CAD支持平台,利用自顶向下设计思想进行钻杆动力钳系列产品的研究和开发。
论文首先总揽了国内外钻杆动力钳发展的现状,并权衡了各种钻杆动力钳的设计理论和结构,结合现有生产技术,运用利用参数化设计方法进行系列产品开发,此方法缩短了产品开发周期,并可以直观设计结果,检验整体结构设计的正确性。
其次考虑到钻杆动力钳结构的复杂性,运用自顶向下设计思想,对开发产品进行层层控制和管理,此方法确保了整机参数化的实现,提供了快速修改整机设计的途径,提高了产品开发的效率。
本文运用的基于自顶向下设计思想进行参数化设计的方法,现已完成了“钻杆动力钳系列产品开发”的项目。
该方法对提高油井钻杆动力钳的设计效率和设计水平具有重要意义。
2.4现代工程设计理论方法
现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义上说，它是为设计的创造性过程而建立的各种数学模型及其求解过程，或者为设计师实施创造性过程而提供的各种手段。
有时理论与方法融为一体，很难划分。
其核心是：
数学技术与计算机技术的应用。
现代设计理论和方法使得设计过程产生质的飞跃，它将传统的、经验的、感性的、静态与手工式的设计跃变为必然的、科学的、理性的、动态的计算机化的现代设计。
应用现代设计理论和方法，可以不做或少做试验，在设计阶段就能将未来产品的性能、结构和品质确定出来，从而缩短设计周期、提高设计质量现代设计理论和方法至少应包括：
有限元分析、可靠性设计、优化设计、人机工程和并行设计、虚拟设计、现代造型设计、系统动态分析设计、人工智能和专家系统等方面的内容。
3、参数化实际的研究动态
3.1参数化设计方法
参数化设计方法作为一种全新的设计方法现在已广泛被工业界所采用。
它所具有的高效性、实用性等特点使其成为设计工作的发展方向。
参数化设计应用水平的高低直接决定了企业设计效率与设计质量的高低和企业核心竞争力的强弱。
这是关系到企业长久生存与发展的重大问题。
本论文介绍了国内外CAD技术的研究动态、参数化技术的理论及研究现状、Pro/Engineer的二次开发现状。
在此基础上，充分运用Pro/Engineer的二次开发工具Pro/Toolkit的功能，进行参数化设计研究与开发工作。
在此基础上，进一步运用Pro/Toolkit与VC++6.0编程环境，开发出参数化的标准件库系统。
该系统具有直观、友好的对话框界面，包含了各种不同类型的标准件，使用时只需要输入一些基本的参数就可以生成相应的三维模型，给标准件的三维建模工作带来的极大的便利。
该标准件库减少了产
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