减速器3D模型装配动画及运动仿真开发.docx
《减速器3D模型装配动画及运动仿真开发.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《减速器3D模型装配动画及运动仿真开发.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
减速器3D模型装配动画及运动仿真开发
毕业设计说明书（论文）中文摘要
《减速器拆装实验》是机械基础课程的一个传统的综合性实验项目，在一些高等院校都开有这一门学科。
我就是在这种情形下学习的有关减速器的内容。
在学习的过程中发现在减速器拆装与测量实验的教学中存在一些问题。
而解决这些问题则正是本次设计所要研究的目的。
我的设计是对两套减速器进行拆装测量，同时应用Pro/E软件的高级三维建模技术，装配动画和运动仿真等功能在计算机上对两级的直齿与锥齿减速器的零件进行建模，装配与仿真，并应用Pro/E的三维模型导出二维的工程图图纸的功能以及AutoCAD2007二维的绘图功能对两套减速器模型进行二维装配图纸的绘制的相关过程。
关键词Pro/E减速器装配动画仿真
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title:
DevelopmentofReducer’s3DModelAssembly
AnimationandMotionSimulation
Abstract
"Theexperimentofreducer’sdisassembleandassemble"isatraditionalcomprehensivepilotprojectinthebasiccourseofmechanical,itisacourseretainedinmanyinstitutionsofhigherlearning.However,"Theexperimentofreducer’sdisassembleandassemble",therearemanyissuesinteaching.Thesolutionoftheseproblemsaredesignedtobepreciselythispurposeofthestudy.Mydesignfordisassemblyisameasurementofthetwosetsofgear,whileapplicationofPro/Esoftwareforadvancedthree-dimensionalmodeling,animationandmotionsimulationofassemblyandotherfunctionsonthecomputertwostraightbevelgearteethandthepartModeling,assemblyandsimulation,andapplicationofPro/Ethree-dimensionalmodelderivedtwo-dimensionaldrawingcapabilities,andAutoCAD2007drawingtwo-dimensionalgraphicsmodelofthetwosetsofgearassemblydrawingtwo-dimensionaldrawingoftherelevantprocesses.
KeywordsPro/Ereducerassemblyanimationsimulation
1绪论
1.1研究的背景
《机械设计基础》课程是有关机械专业的一门技术基础课，是学习其他有关机械知识的奠基石。
而减速器拆装实验是实践课程的一个重要环节，它对实现课程教学的目标有着至关重要的作用。
这个实验能够让初学机械的学生更好的掌握机械结构、了解结构设计的原则，同时也对有关《机械设计基础》的课程设计与毕业设计有很大的帮助，对增强学生的实践能力，培养学生理论联系实际的能力，提高学生分析问题和解决问题的能力都起到了一定的促进作用。
[1]
目前，一些高等院校有关减速器的教学内容主要包含在《机械设计课程设计》和《减速器拆装实验》中，尽管《机械设计》课程正在减少一些课时数，但有关减速器的知识依然是不可或缺的教学内容；经调查研究，各大专院校基本上都保留了《减速器拆装实验》这一传统的实验项目，然而，在实际教学之中，由于《减速器拆装实验》是一个传统实验项目因而缺乏创新内容，在促使学生全面掌握减速器相关知识方面，存在明显不足，达不到应有的教学效果。
本文针对这种教学现状，运用Pro/E的3D几何造型和运动仿真及动画功能，在计算机中实现减速器仿真拆装的创新实验项目，以便提高教学质量。
[4]
1.2《减速器拆装实验》的现状分析
1.2.1《减速器拆装实验》的教学目的及教学内容
有许多的通用元件包含于减速器中，如轴、轴承、齿轮轴、齿轮、挡油环、密封元件、端盖等。
使学生能够熟悉掌握减速器的基本结构是减速器拆装实验的基本要求和目的，了解常用减速器的用途及特点；了解减速器各零件的名称、结构、功用；了解减速器的装配关系及安装调整过程；学会减速器基本参数的测定方法；能够促进学生提高动手能力，培养理论联系实际的能力，提高学生分析问题和解决问题的能力，是发掘学生创新思维的重要手段。
[2]
培养并提高学生的综合能力是减速器拆装实验的重要目的所在，通过实验能有效帮助学生复习和理解所学知识，并将知识系统化。
由于学生缺乏实践知识，所以处理结构问题能力较差，考虑问题往往不全面，在以后的设计中往往出现定位不可靠，难装难拆、难以加工等问题。
通过减速器拆装实验对轴系结构的分析，使学生熟悉和掌握结构设计的方法，学会综合运用所学知识来分析和解决在设计过程中遇到的技术问题。
[6]
基本目的要求如下：
（1）通过拆装实验，了解两级齿轮减速器轴和齿轮的结构；
（2）了解减速器轴上零件的定位、齿轮和轴承的润滑、密封以及各附属零件的作用；
（3）熟悉减速器的拆装和调整的方法；
（4）培养对减速器主要零件尺寸目测和测量能力。
1.2.2《减速器拆装实验》教学中存在的问题
在以往的教学方法中老师为学生讲解一些有关减速器的知识，学生只能通过图纸了解减速器的大体结构（齿轮与轴装配的键和键槽无法窥其全貌）。
而在进行拆装实验时学生仅能凭记忆对减速器进行拆装，这其中必然也存在着一些不尽人意之处，如轴承等零件实际上是拆不下来或是不允许拆解的。
测量的中心距等参数也知识粗值。
这样学生会觉得整个实验过程很是枯燥，在这样的氛围中学生是不可能掌握所学的知识。
还有其他的一些情况就是很多学生并不能真正的理解减速器的结构组成，从而造成他们中的一些存在只会“拆”而不会“装”的情况，导致减速器模型无法装回，甚至出现了一些学生将一些装不回去的零件乱装甚至是丢弃等情况，这样不仅达不到的实验目的，也会导致在下一组的学生无法很好地完成实验，而且也会给实验设备造成很大的损失。
还有一部分同学只是“按图索骥”，对减速器中的各个零件的具体结构和作用并不知晓，通过传统的实验教学方法，很多同学都无法真正的掌握减速器的结构和零件的用途，这样自然也就达不到教学效果。
综上所述，这样的拆装实验根本就不能达到让学生学习并将知识系统化的教学目的。
[5]
1.3实验需要改革、创新
由上述的问题可以得出一个结论，实验必须得改革。
必须得创新。
只有这样学生才能对轴、齿轮、轴承之间的装配和定位有很深的理解。
1.4实验的创新方法分析
开发减速器的3D模型并与多媒体教学方式想结合。
关于多媒体教学方式的分析：
随着计算机的普及，多媒体教学已经在各地高校得以应用，计算机辅助教学已经成为现代教育的重要组成部分。
然而很多高校并没有在实验中利用多媒体对减速器进行虚拟装配。
本次设计采用的创新方法就是利用Pro/E软件对减速器的零件建立三维模型，在整个实验过程中可直接调用虚拟模型，教师可直接使用Pro/E软件或结合一些相关视频进行教学。
利用计算机辅助教学能培养学生的思维能力和发掘学生的空间想象能力，有利于调动学生学习的积极性和主动性。
利用软件在课堂上进行动态教学能够按需造型以及适时的修改模型。
而Pro/E软件则为这种教学方式提供了便利。
[9]
Pro/E软件创建的三维模型精度高、质感好、形象逼真，利用Pro/E的局部放大、平移和翻转等功能，能够在屏幕上观察零件复杂形体的外型与内腔、各个侧面和局部细节特征。
可以直观地显现整个零件的结构，装配体中零件之间的连接关系，使学生学习知识的过程更加清晰、生动。
虚拟装拆、动画部分则使得减速器的形象生动真实，这样便能调动学生学习的积极性。
动手操作和虚拟拆装有机结合。
实验中通过让学生动手来回推动输入轴和输出轴，亲身感受轴向窜动及传动过程；通过测量各齿轮齿数、中心距，计算传动比和齿轮模数；分析滚动轴承型号等，通过观察，动手感知更有利于提高学生的分析问题的能力。
实验前在Pro/E软件上构件齿轮减速器的真实结构的三维实体模型，教学中教师可以利用软件中“分解”一功能为学生讲解减速器拆卸的顺序。
这样可以从各个角度展现齿轮减速器的外部结构，然后选取多个合适的角度分别展示相应零部件的拆卸过程。
在学生进行减速器拆装实验时，老师交给学生拆装技巧，学生必须按照老师所说的规范进行实验，并将拆卸下的零部件规范的摆放在工具箱内，这样便于安装减速器。
对减速器轴上各个零件进行装配时，利用Pro/E软件介绍装配基准，演示如何进行传动件的固定；轴的支承、固定；轴承类型，轴承如何装配，间隙如何调整等。
这样一来学生对减速器的整个装配过程、轴系零部件之间的固定、机械装置的类型和密封装置及其他减速器附件结构等都会有一个比较直观的了解。
为了便于学生进行减速器的安装，了解各零件位置关系，老师可以用Pro/E软件提供的装配建模里面的爆炸视图爆炸分离出装配构件，并且将爆炸视图与装配体进行相应的转换。
这样有助于学生了解减速器组成零件的相应的位置。
利用虚拟模型和实物结合集中辅导学生实验中出现的问题，能大大提高教学质量。
[11]
本次设计，组要的任务就是要利用Pro/E软件对减速器的组成零件进行三维建模并对减速器进行虚拟装配及动画仿真。
2减速器的相关数据
锥减速器的有关数据如表2.1所示。
表2.1锥减速器
模数
齿数
压力角
旋转角
输入齿轮
3
26
65
34
齿轮2
3
26
65
40
齿轮轴
2.5
22
20
12.5
输出齿轮
2.5
87
20
12.5
由于轮系的传动比是所有从动轮齿数的连乘积与所有主动轮齿数的连乘积的比值，所以锥减速器的传动比为：
i=3.955
齿轮的分度圆直径为：
d=mz
设计时选定的电机功率
kw,每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内）
，所以输出的轴上的功率P为:
KW
r/min
N
mm
作用在齿轮上的力：
N（圆周力）
N（径向力）
N（轴向力）
所以各齿轮的分度圆按表格顺序依次为：
78，78,55,217.5（单位：
mm）；
锥斜减速器运动仿真的参数：
选取的转速为30deg/sec，转动时间为8s。
直减速器的有关数据如表2.2所示。
表2.2直斜减速器
模数
齿数
压力角
旋转角
输入齿轮
2.5
20
20
12.5
齿轮2
2.5
69
20
12.5
齿轮轴
2.5
20
20
12.5
输出齿轮
3
67
20
12.5
由上述数据可以计算出直减速器的传动比为：
i=11.5575
有上述数据得出个齿轮的分度圆直径按表格顺序依次为：
50,172.5,50，201（单位mm）。
设计时选定的电机的功率与锥减速器选定功率相同P=10kw,每级齿轮传动的效率（包括轴承效率在内）
，所以输出的轴上的功率P为:
KW
r/min
N
mm
作用在齿轮上的力：
N（圆周力）
N（径向力）
N（轴向力）
运动仿真的有关参数：
选取的转速为5deg/sec，转动的时间为12s。
3减速器的3D模型的开发
3.1减速器的概述
减速器顾名思义就是一种减速的器件，是一种动力传达机构，利用齿轮的齿数不同，将马达的回转数降低到所要的回转数，在减速的过程中会产生较大转矩的机构。
减速机的作用：
（1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比（不能超出减速器额定扭矩）。
（2）减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。
3.2系统环境的介绍
（1）实验设备：
两台实验用的两级齿轮减速器；
（2）计算机及相关硬件：
CPUP41.7G以上；内存256MB以上；硬盘80GB等；
（3）计算机软件：
Pro/E，AutoCAD2007。
【9】
3.3计算机软件的介绍
3.3.1Pro/E应用软件的相关介绍
图3.1Pro/E软件的启动界面
Pro/E三维机械设计软件是一款高品质的、易学易用的三维CAD系统软件。
启动界面如图3.1所示。
Pro/E软件具有三大特点：
强大的曲面功能、技术创新、参数功能强大。
这三大优点使得Pro/E成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
Pro/E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。
如果Pro/E的工程图弄好模板与保存好相关设置，那以后画工程图就直接导入模版与设置文件，这样就是的设计师在设计的过程中能够更加的快捷。
【15】
以下为大家介绍Pro/E的诸多功能：
（1）绘制二维图纸
绘制二维图纸是Pro/E软件的最基本的技术，是在软件中使用直线、圆弧等草绘命令绘制形状和尺寸精度的几何图形。
二维图纸绘制贯穿了整个零件建模的过程，无论是3D建模、工程图的创建，还是2D组装示意图的创建，都是以草绘为基础。
（2）实体零件的建模
实体类零件的建模是Pro/E软件重要的组成部分之一。
而实体零件的建模需要基准点、基准面、基准轴、基准曲面等基准特征。
在这些基准特征的基础上才能开始实体特征建模，如拉伸特征、旋转特征、旋转扫描特征等。
其次还有孔特征、壳特征、筋特征等工程特征建模。
建模完成之后可通过特征的操作与编辑这一功能对模型进行修改使得模型更加的完善。
（3）曲面特征建模
曲面特征是现代产品工业设计中不可或缺的特征。
曲面特征是一种没有质量和厚度等物理属性的几何特征，它提供了非常弹性化的方式来建立单一曲面，然后将单一曲面集成为完整且没有间隙的曲面组，最后将曲面组转化为实体。
曲面特征建模分为曲面建立和曲面编辑两大功能。
（4）工程图的生成
通过Pro/E软件的这一功能用户可以很方便地将三维模型生成所需的二维模型，生成的工程图与模型之间依然保持着参数化的关联性。
在转化的过程中可以生成各类剖视图，如全剖视图、半剖视图、局部剖视图等。
转化成二维图纸还可以对图纸进行快速的标注。
这样使得制造人员在制造的过程中能够清楚地知道加工零件的尺寸，还有零件的表面粗糙度。
（5）零件装配
零件装配功能可以使零件装配成整体的机构，使得零件更加的形象。
这一功能是通过一些装配约束将零件结合在一起。
通过Pro/E软件的装配功能还可以将机构分解，形成一个爆炸效果图。
让用户明白机构中每个零件的位置。
【10】
（6）Pro/NC加工
通过Pro/NC加工可以很快的输出编辑的程序，让繁琐的编程变的简单快捷。
Pro/NC加工包含平面铣削、轮廓铣削、体积块铣削、曲面铣削、孔加工、轨迹加工等。
3.3.2AutoCAD2007应用软件的相关介绍
AutoCAD的绘图功能很是强大，所以很多设计师都会用其绘制图纸，在加工车间工人师傅们使用的图纸也基本上是AutoCAD的图纸。
下面是AutoCAD的基本功能：
（1）绘制与编辑图形
AutoCAD的“绘图”菜单中包含有丰富的绘图命令，通过软件可以绘制直线、圆、矩形、多边形、椭圆等基本图形，也可以将绘制的图形转换为面域，对其进行填充。
通过软件中的修改功能可以对所绘的图纸进行修改，是的绘图变的简单快捷。
AutoCAD二维图纸上尺寸标注都很清晰设计师可以通过其他的软件轻易地将二维图纸变成三维模型。
使用“绘图”、“建模”命令中的子命令，用户可以很方便地绘制圆柱体、球体、长方体等基本实体。
同时如果再结合“修改”菜单中的相关命令，便可以绘制出各种各样的复杂三维图形。
（2）标注图形尺寸
尺寸标注是向图形中添加测量注释的过程，是整个绘图过程中不可缺少的一步。
AutoCAD软件可以通过使用“标注”菜单中的快速标注等功能将图纸上的零件尺寸标出，使用编辑命令可以在图形的各个方向上创建各种类型的标注，也可以标注出零件表面的粗糙度等要求。
标注显示了对象的测量值，对象之间的距离、角度，或者特征与指定原点的距离。
在AutoCAD中有线性、半径和角度3种基本的标注类型，可以进行水平、垂直、对齐、旋转、坐标、基线或连续等标注。
此外，还可以进行引线标注、公差标注。
标注的对象可以是二维图形也可以是三维图形。
（3）渲染三维图形
在AutoCAD中，可以运用雾化、光源和材质，将模型渲染为具有真实感的图像。
（4）输出与打印图形
AutoCAD所绘图纸可以通过不同样式的绘图仪或打印机输出，还能可以通过不同的格式图形导入AutoCAD。
【16】
3.4典型零件的创建
减速器的零件包含有下箱体、箱盖、轴、轴承、齿轮、端盖、螺钉、螺栓、螺母、油塞、油封、挡油环、垫片、销、键、油标等。
3.4.1直齿、斜齿齿轮的三维造型
齿轮是各种机构中应用最为广泛的一种传动机构，它用来传递空间两轴间的运动和动力，齿轮传动的优点是功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等，由于齿轮属于常用件所以有相当一部分参数已经标准化，就如本节开篇所列。
【11】
本次设计以斜齿为主，因此，本文就以斜齿为例进行建模,过程如图3.2所示。
斜齿轮的建模分析：
【12】
（1）输入参数、关系式，创建齿轮基本圆；
（2）创建渐开线；
（3）创建扫描轨迹；
（4）创建扫描混合截面；
（5）创建第一个轮齿；
（6）阵列轮齿。
图3.2渐开线斜齿圆柱齿轮建模分析
斜齿轮的建模过程
输入基本参数和关系式
（1）单击“
”，在对弹出的话框中输入文件名“hecial_gear”,然后点击
；
（2）在主菜单上点击“工具”→“参数”，系统会弹出一个“参数”对话框，如图3.3所示。
图3.3参数对话框
（3）在“参数”对话框中点击添加按钮“
”，可以发现“参数”对话框增加了一行，依次输入所需参数的名称、值、和说明。
需要输入的参数如表3.1所示。
表3.1创建齿轮参数
名称
值
说明
名称
值
说明
Mn
2.5
法面模数
HA
___
齿顶高
Z
87
齿数
HF
___
齿根高
ALPHA
20
压力角
X
0
变位系数
BETA
12.5
螺旋角
D
___
分度圆直径
B
48
齿轮宽度
DB
___
基圆直径
HAX
1.0
齿顶高系数
DA
___
齿顶圆直径
CX
0.25
顶系系数
DF
___
齿根圆直径
完成输入参数后的对话框如图3.4所示。
图3.4“参数”对话框
（4）在主菜单上依次点击“工具”→“关系”，系统会弹出“关系”对话框，如图3.5所示。
（5）将齿轮的分度圆直径的关系、基圆直径的关系、齿根圆直径的关系和齿顶圆直径的关系输入“关系”对话框中。
由这些关系式，系统会自动生成如表3.2所示的未指定参数的值。
输入的关系式如下：
齿轮基本关系式
完成后的“关系”对话框如图3.5所示。
图3.5“关系”对话框
创建齿轮基本圆
（1）在工具栏内点击按钮“
”，系统会弹出“草绘”对话框。
（2）选择“FRONT”面作为草绘基准平面，选取“RIGHT”面作为参考的平面，参考方向为向“右”，如图3.6所示。
点击【草绘】。
图3.6“草绘”对话框
（3）在草绘界面以系统提供的原点为圆心，绘制四个圆，并且标
图2-5齿形
图2-4参数窗口
注圆的直径尺寸，如图3.7所示。
在工具栏内点击按钮“
”，完成草图绘制。
图3.7绘制二维草图
（4）用关系式来控制圆的大小。
在模型中右击刚刚创建的草图，在弹出的快捷菜单中点击选取“编辑”。
（5）在主菜单上按顺序点击“工具”→“关系”，系统会弹出关系对话框，如图3.8所示。
（6）在“关系”对话框中输入如下的尺寸关系：
齿轮基本圆关系式：
其中
、
、
、
为圆的直径尺寸代号，尺寸代号的不同视具体情况而定。
、
、
、
为用户自定义的参数，即为齿顶圆直径、基圆直径、齿根圆直径、分度圆直径。
通过该关系式即可创建分度圆。
图3.8“关系”对话框
创建渐开线
（1）依次在主菜单上点击“插入”→“模型基准”→“曲线”，或者在工具栏上点击按钮“
”，系统会弹出“曲线选项”菜单管理器，如图3.9所示。
图3.9“曲线选项”菜单管理器
（2）在“曲线选项”菜单管理器上依次点击“从方程”→“完成”，最后弹出“得到坐标系”菜单管理器。
（3）在草绘界面点击选取系统坐标系为曲线的坐标系，会弹出“设置坐标类型”菜单管理器。
（4）在“设置坐标类型”菜单管理器中点击“笛卡尔”，系统会弹出一个记事本窗口。
（5）在弹出的记事本窗口中输入曲线方程，如下：
（6）保存数据并退出记事本，完成后的曲线将如图3.10所示。
图3.10完成后的渐开线
通过镜像渐开线的方法创造出多个渐开线如图3.11所示。
图3.11完成后的镜像渐开线
创建齿根圆
（1）在工具栏内点击按钮“
”，或者依次在主菜单内点击“插入”→“拉伸”，弹出“拉伸”定义操控面板，然后按顺序在操控面板内点击“放置”→“定义”，系统会弹出“草绘”定义对话框。
（2）选择“FRONT”面作为草绘基准平面，选取“RIGHT”面作为参考平面，参考方向为向“顶”，如图3.12所示。
点击【草绘】。
图3.12“草绘”对话框
（3）在工具栏内点击按钮“
”，在草绘界面点击选取齿根圆曲线，如图3.13所示。
在工具栏内点击按钮“
”，完成草图的绘制如图3.13所示。
图3.30选取旋转中心轴
（5）把旋转角度关系式添加到“关系”对话框中。
在模型树中右击第二个轮齿特征，在弹出的快捷菜单中点击“编辑”。
（6）在主菜单上点击“工具”→“关系”。
此时系统会显示两个轮齿夹角的尺寸代号。
点击该尺寸代号，输入关系式为：
/*第二个轮齿的旋转角度
（7）在模型树中点击刚刚创建的第二个轮齿特征，在工具栏内点击按钮“
”，或者主菜单上点击“编辑”→“阵列”，系统会弹出“阵列”定义操控面板。
（8）在“阵列”特征定义面板内点击“轴”阵列，在草绘界面上点击选取齿根圆的中心轴作为阵列参照，输入阵列的个数，偏移的角度，在“阵列”定义操控面板上点击按钮“
”，完成阵列特征创建。
（9）将阵列参数添加到“关系”对话框中。
在模型树中右击阵列特征，在弹出的快捷菜单中点击“编辑”。
（10）在主菜单上依次点击“工具”→“关系”，系统会弹出“关系”对话框。
此时系统显示阵列参数尺寸代号。
点击该尺寸的代号，尺寸代号将会自动显示在“关系”对话框中，输入关系式为：
/*阵列关系式
（11）在工具栏上点击重生按钮“
”，完成后的齿轮如图3.31所示。
图3.35圆柱齿轮减速器的箱体
3.5虚拟装配
当完成了零
升级会员 