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开题报告ProE

辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）开题报告

题目基于Pro/e的齿轮参数化建模与NC加工仿真

指导教师焦丽

院（系、部）机械工程学院

专业班级机械05－6班

学号0507100630

姓名张裕坤

日期2009年4月

一、选题的目的、意义和研究现状

1.1选题的目的：

根据以前的所学过的专业知识，利用Pro/E软件对装载机齿轮进行参数化建模，并把模型导入到Pro/ENC模块中，实行模型的数控编程和加工仿真。

1.2选题的意义：

齿轮作为一种重要的传动零件，广泛应用在机床、汽车、船舶、仪器仪表及各种机械传动中。

采用数控机床加工渐开线齿轮，首先要进行齿轮的三维造型。

齿轮造型的准确性直接影响加工精度，由于渐开线齿轮齿形较复杂，一直是三维CAD设计的难点，以往对于直齿圆柱齿轮的三维造型建模十分繁琐且很难保证所需的齿廓形状，在三维造型软件Pro／E环境下可以利用方程建立渐开线，保证了渐开线齿轮齿廓形状的准确性，这种方法不仅使齿轮的轮齿形准确，而且能更好地为后续齿轮机构的动态仿真、干涉检验、有限元分析及NC加工服务。

通过改变相关参数及关系式，能够快速地实现齿轮的参数化造型设计和修改定型，同时也解决了渐开线直齿圆柱齿轮造型困难和精确造型的难题。

参数化建模的最大特点就是可以实现参数化，通过输入齿轮的一些参数就可以得到不同的齿轮。

再通过Pro/E的NC模块，实现齿轮的自动数控编程和加工仿真。

利用Pro／NC模块里的屏幕演示刀具轨迹和NC检测平台对数控加工过程进行仿真，看看刀具路径是否正确，同时可以看到加工过程中的过切和欠切现象，有助于加工工艺和程序的优化。

1.3研究现状：

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：

1.高速、高精加工技术及装备的新趋势

　　效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。

近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。

这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

　　从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。

目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。

美国CINCINNATI公司的Hyper－Mach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。

加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达到12×1000r/mm和1g。

　　在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

　　在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

　　为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

2．轴联动加工和复合加工机床快速发展

　　采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。

但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

　　当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造

难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。

因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。

　　在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。

德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。

3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

　　21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

　　为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC（TheNextGenerationWorkStation/MachineControl）、欧共体的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems）、日本的OSEC（OpenSystemEnvironmentforController），中国的ONC（OpenNumericalControlSystem）等。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

　　网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）

机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子（Siemens）公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

4.重视新技术标准、规范的建立

（1）关于数控系统设计开发规范

　　如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。

我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。

（2）关于数控标准

　　数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。

数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。

为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

　　STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。

首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。

而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。

其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。

　　目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划（1999.1.1～2001.12.31）。

参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。

美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型（SuperModel），其目标是用统一的规范描述所有加工过程。

目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。

长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。

究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。

同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。

同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。

更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。

国外公司在中国数控系统销量中的80％以上是普及型数控系统。

如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。

同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。

Pro／E是美国PTC公司开发的CAD／CAE／CAM软件，自1988年问世以来，已成为全世界最普及的三维CAD／CAM系统。

该软件先进的设计理念体现了机械设计自动化（Mechanica1DesignAutomation，MDA）系列软件的最新发展方向，成为提供工业解决方案的有力工具。

它已被广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空、航天、军工、纺织、家电、玩具等行业。

Pro／E可谓是个全方位的三维产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造设计、造型设计、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理功能于一体，模块众多。

Pro／E的主要特征有：

（I）3D实体模型；

（2）单一数据库；（3）基于特征的参数化实体建模；（4）行为建模技术；（5）机构设计技术；（6）强大的装配功能；（7）NC加工；（8）二次开发技术。

参数化特征造型被公认为是目前几何造型的发展趋势，Pro／E实体模型由一些工程特征组合而成，Pro／Feature模块提供了拉伸、旋转、扫描、过渡、孔、槽、扭曲、圆角、倒角、抽壳、拔模斜度、自由变形、管道、变截面扫掠和扫描性过渡等众多的特征和特征构造方法，为用户提供了设计非常复杂形状曲面或实体模型的有力工具。

基于特征的参数化造型是将参数化造型的思想和特征造型的思想有机地结合到一起，用尺寸驱动或变量设

计的方法定义特征并进行类似的操作，这样就形成了参数化特征造型。

由于特征全部用参数化定义，因此对形状、尺寸、公差、表面粗糙度等均可随时修改和更新，最终达到修改设计的目的。

参数化方法使设计者在构造几何模型时可以集中于概念设计和整体设计，充分发挥创造性，提高设计效率。

基于特征的技术为设计者提供了符合人们思维习惯的设计环境，二者有机地结合起来进行实体造型将极大地提高设计效率。

Pro/NC-CHECK与Pro/MANUFACTURING一并使用时，用户可用以仔细检定切割零件的每一部份，节省了用户不必要地在昂贵机器上试用及操作的时间。

因此，将这些产品合并使用，不仅体现了贵重资源得以节省的好处，亦提供了一个加工制造的良好方案。

Pro/MANUFACTURING将产生生产过程规划。

刀路轨迹并能根据用户需要产生的生产规划做出时间上及价格成本上的估计。

Pro/MANUFACTURING将生产过程生产规划与设计造型连接起来，所以任何在设计上的改变，软件也能自动地将已做过的生产上的程序和资料也自动地重新产生过，而无需用户自行修。

它将具备完整关联性的Pro/ENGINEER产品线延伸至加工制造的工作环境里。

它容许用户采用参数化的方法去定义数值控制（NC）工具路径，赁此才可将Pro/ENGINEER生成的模型进行加工。

Pro/NC-CHECK内选定的工具。

会依照Pro/MANUFACTURING定义的切割路径移动，用户亦可以清楚看到物料清除的进度。

加工制造组件以阴影显示，装组线上各个组件可以由用户设定不同的颜色。

它亦让用户可以在整个加工制造过程，定义夹层平面（ClippingPlane）特定的深度。

夹层平面（ClippingPlane）对物料清除摸拟过程提供纵切面的阅视功能。

这项独一无异的功能。

再加上颜色的设定，选定工具路径、内置参考模型、工具及任何夹具（Fixture）均能一目了然,不生混淆。

此外，Pro/NC-CHECK能让用户对工具及夹具（Fixture）进行快速验证及评估。

从而防止严重的损失。

与传统的CAD系统仅提供绘图工具不同，Pro／E提供了一套完整的机械产品解决方

案，包括工业设计、机械设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据库管理，甚至包括了产品生命周期，是多项技术的集成产品。

二、研究方案及预期结果

1.1设计方案或论文主要研究内容：

1）了解本设计内容主要要解决的2个问题及其原理，齿轮参数化设计，对齿轮模型进行数控编程和加工仿真；齿轮的啮合原理和加工原理。

2）齿轮的参数化设计的实现。

3）对齿轮模型的自动数控编程和加工仿真的实现。

1.2主要解决的问题

1）如何在Pro/E中实现齿轮的参数化设计。

2）如何利用Pro/E的NC模块来实现齿轮的数控编程和加工仿真。

2.3设计理论、方法

利用齿轮的渐开线方程和一些参数及关系式的计算来实现齿轮的参数化建模。

再把齿轮模型导入Pro/E的NC模块中，对加工工序所需的机床、刀具、加工参数进行设置，利用Pro／NC模块里的屏幕演示刀具轨迹和NC检测平台对数控加工过程进行加工仿真，并通过后处理中的CL数据生成数控加工程序。

1.4

研究技术路线

图1-1研究思路及技术路线图

2.5设计论文框架

确定选题方向-齿轮参数化建模—模型的加工仿真—生成数控加工程序—结论。

三、研究进度

第五至六周：

确定设计题目，查找相关资料，撰写开题报告；

第七至八周：

毕业设计的总体构思和方案设计；

第九周：

齿轮的参数化建模；

第十至十三周：

齿轮模型的加工仿真和数控编程的实现；

十四周：

翻译参考文献资料；

第十五周：

撰写毕业设计；

第十六周：

整理论文，装订提交；

第十七周：

准备答辩

四、主要参考文献

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五、指导教师意见

指导教师签字：