基于ProE渐开线齿轮的造型和传动仿真.docx
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基于ProE渐开线齿轮的造型和传动仿真
目录
第一章引言1
1.1目的和现实意义1
1.2国内外研究现状1
1.3研究方法1
第二章齿轮传动概述2
第三章直齿圆柱齿轮建模2
3.1直齿圆柱齿轮主要参数2
3.2直齿圆柱齿轮建模3
3.2.1直齿轮的建模分析:
3
3.2.2直齿轮的建模过程3
第四章斜齿圆柱齿轮建模11
4.1斜齿圆柱齿轮主要参数11
4.2斜齿圆柱齿轮建模11
第五章圆锥齿轮建模15
5.1圆锥齿轮主要参数15
5.2圆锥齿轮建模15
5.2.1锥齿轮建模分析15
5.2.2圆锥齿轮建模过程15
第六章齿轮传动仿真与分析23
6.1装配23
6.1.1新建FZ.ASM23
6.1.2装配齿轮23
6.2仿真24
6.2.1进入机构模块24
6.2.2添加“伺服电动机”24
6.2.3定义初始条件25
6.2.4定义分析25
第七章小结....................................................28
第八章致谢29
附录一参考文献
附录二英文文献翻译
附录三英文文献原件
基于Pro/E渐开线齿轮的建模和传动仿真
摘 要:
通过渐开线直齿、斜齿和锥齿圆柱齿轮的参数化建模设计,介绍在Pro/E中进行参数化设计的基本方法与设计步骤,利用Pro/E软件进行齿轮的传动仿真。
关键字:
Pro/E;齿轮;建模;仿真
ModelingandSimulationofInvoluteGearBasedonPro/E
Abstract:
Throughtheinvolutespurgear,helicalcylindricalbevelwheelandconeofparameterizedmodelingdesigninPro/E,introductionofparametricdesignofthebasicmethodsandsteps,usingPro/Eofgearassemblyandsoftwaresimulation.
Keywords:
Pro/E;gear;sculpt;Simulation
第一章引言
1.1目的和现实意义
Pro/Engineer是美国PTC公司开发的优秀的三维设计软件,它采用基于特征的参数化技术,具有产品的三维设计、分析、仿真、加工和二次开发等功能,该软件已广泛应用于机械、电子、家电、模具等行业,是目前国内使用最广泛的三维设计软件之一。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。
通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸,还包括非几何属性),然后修改参数很容易的进行多次设计叠代,实现产品开发。
仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。
仿真软件的种类很多,在工程领域,用于系统性能评估,如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统。
1.2国内外研究现状
1985年,PTC公司成立于美国波士顿,开始参数化建模软件的研究。
1988年,V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。
经过10余年的发展,Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
基于特征的参数化造型:
Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。
这些特征是一些普通的机械对象,并且可以按预先设置很容易的进行修改。
数据管理:
加速投放市场,需要在较短的时间内开发更多的产品。
1.3研究方法
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),Pro/E为一参数化系统,即特征之间存在相互关系,使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更,以满足设计者的要求。
如果某一特征参考到其他特征时,特征之间即产生父/子关系。
(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变动)。
其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。
(6)全相关性:
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改,能够扩展到整个设计中,同时自动更新所有的工程文档,包括装配体、设计图纸,以及制造数据。
全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改,却没有任何损失,并使并行工程成为可能,所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
普通的渐开线齿轮的设计参数有:
模数m、齿数z、压力角alpha、齿顶高系数ha、顶隙系数c、齿宽b等。
这些参数决定了齿轮的齿廓形状和几何尺寸大小。
改变设计参数,可以改变齿轮的形状和尺寸,实现齿轮的参数化设计。
因此在齿轮建模过程中,将齿轮的几何参数和设计参数加以关联,每个特征的尺寸都由关系式约束,完成齿轮的参数化建模。
模型完成后,通过输入不同的模数、齿数、压力角等参数可得到相应的齿轮模型,实现齿轮的参数化设计。
第二章齿轮传动概述
齿轮传动是机械传动中最主要的一类,型式很多,应用广泛,齿轮设计在机械设计中占据着相当重要的地位,但它的设计步骤多、涉及参数多,需查询的图表总数有二十多个,给设计工作者带来很多的不便,降低了设计效率。
随着计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术的发展,在产品开发的过程中,有限元分析、装配设计、运动仿真、数控加工等都必须以三维模型为基础。
在进行齿轮机构设计时,经常需要利用CAD技术设计并建立齿轮的三维实体模型,从而利用CAD/CAM软件进行装配、检测和分析。
第三章直齿圆柱齿轮
3.1直齿圆柱齿轮主要参数
模数m
齿数z
压力角alpha
齿顶高系数ha*
顶隙系数c*
齿宽b
分度圆直径d
基圆直径db
齿顶圆直径da
齿根圆直径df
3.2直齿圆柱齿轮造型
参数化创建齿轮的过程相对复杂,其中要用到许多与齿轮有关的参数以及关系式。
3.2.1直齿轮的建模分析:
(1)创建和更改基准平面、基准轴、基准坐标。
(2)创建齿轮的基本圆。
这一步用草绘曲线的方法,创建齿轮的基本圆,包括齿顶圆、基圆、分度圆、齿根圆。
并且用事先设置好的参数来控制圆的大小。
(3)创建渐开线
用从方程来生成渐开线的方法,创建渐开线,本章的第一小节分析了渐开线方程的相关知识。
(4)镜像渐开线
首先创建一个用于镜像的平面,然后通过该平面,镜像第2步创建的渐开线,并且用关系式来控制镜像平面的角度。
(5)拉伸形成实体
拉伸创建实体,包括齿轮的齿根圆实体和齿轮的一个齿形实体。
这一步是创建齿轮的关键步骤。
(6)阵列轮齿
将上一步创建的轮齿进行阵列,完成齿轮的基本外形。
这一步同样需要加入关系式来控制齿轮的生成。
(7)创建其它特征
创建齿轮的中间孔、键槽、小孔等特征,并且用参数和关系式来控制相关的尺寸。
3.2.2直齿轮的建模过程
(1)创建和更改基准平面、基准轴、基准坐标,祥见模型prtzhichilun1
(2)创建齿轮的基本圆
这一步用草绘曲线的方法,以DTM3为基准,创建齿轮的基本圆,包括齿顶圆、基圆、分度圆、齿根圆,大小随意。
完成草绘后,双击曲线,更改4个圆的尺寸属性分别为:
d、db、da、df。
如图3-1所示
图3-1尺寸属性
(3)输入基本参数和关系式
单击
,在新建对话框中输“zhichilun1”,然后单击
;在主菜单上单击“工具”→“参数”,系统弹出“参数”对话框,如图3-2所示:
图3-2“参数”对话框
(4)在“参数”对话框依次输入新参数的名称、值等。
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
M
1.5
模数
B
10
齿轮宽度
Z
17
齿数
HF
___
齿根高
ALPHA
20
压力角
HA
___
齿顶高
HAX
1
齿顶高系数
B
10
齿轮宽度
CX
0.25
顶系系数
X
0
变位系数
完成后的参数对话框如图3-3所示:
图3-3填充后的参数对话框
(5)在主菜单上依次单击“工具”→“关系”,键入如下公式,如图3-4所示
HA=(HAX+X)*M
HF=(HAX+CX-X)*M
D=M*Z
DA=D+2*HA
DB=D*COS(ALPHA)
DF=D-2*HF
D6=360/(4*Z)
图3-4参数关系图
(6)创建渐开线
①依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“曲线”,或者在工具栏上单击按钮,系统弹出“曲线选项”菜单管理器,在“曲线选项”菜单管理器上依次单击“从方程”→“完成”,弹出“得到坐标系”菜单管理器,在“设置坐标类型”菜单管理器中单击“笛卡尔”,系统弹出一个记事本窗口;
②在弹出的记事本窗口中输入曲线的方程,如下:
r=DB/2
theta=t*45
x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180
y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180
z=0
③保存数据,退出记事本,单击“曲线:
从方程”对话框中的【确定】
(7)镜像渐开线
①单击分度圆曲线和渐开线作为参照,在“基准点”对话框内单击【确定】,完成基准点“PNT0”的创建;
②创建平面DTM4在工具栏内单击
按钮,或者依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“平面”,系统弹出“基准平面”对话框;在绘图区单击选取“GEAR_AXIS”轴作为参照,按住Ctrl键,继续单击基准点“PNT0”作为参照,如图3-5所示;
图3-5创建平面DTM4
继续在工具栏内单击
按钮,或者依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“平面”,在绘图区单击选取刚刚创建的“DTM1”面作为参考平面,按住Ctrl键选取“A_1”轴作为参考。
在偏距文本框内输入旋转角度为“360/(4*z)”,系统提示是否要添加特征关系,单击“是”;
③在“基准平面”对话框内单击【确定】,完成基准平面的创建;将关系式添加到“关系”对话框。
在绘图区右键单击刚刚创建的基准平面“HF_DTM”,在弹出的快捷菜单上单击“编辑”。
④在主菜单上单击“工具”→“关系”,系统弹出“关系”对话框。
此时系统显示“DTM4”面和“HF_DTM”面间的夹角尺寸代号。
单击该尺寸代号,尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中,输入的关系式为:
D6=360/(4*Z)
在“关系”对话框内单击【确定】完成添加关系式;
⑤在绘图区单击渐开线特征,然后在工具栏内单击
按钮,或者依次在主菜单上单击“编辑”→“镜像”。
系统弹出“镜像”特征定义操控面板,在绘图区单击选取刚刚创建的“HF_DTM”平面作为镜像平面,在“镜像”特征定义操控面板内单击
按钮,完成渐开线的镜像。
完成后的曲线如图3-6所示:
图3-6渐开线镜像
此处省略NNNNNNNNNNNNNN字,由于图纸不能上传,如需全套设计和图纸资料请联系扣扣九七一九二零八零零!
(11)程序设计,在程设计中键入
MNUMBER
"请输入齿轮的模数=="
ZNUMBER
"请输入齿轮的齿数=="
ALPHANUMBER
"请输入齿轮的压力角度=="
BNUMBER
"请输入齿轮的宽度=="
HAXNUMBER
"请输入齿轮的齿顶高系数=="
CXNUMBER
"请输入齿轮的齿底隙系数=="
XNUMBER
"请输入齿轮的变位系数=="
(12)隐藏曲线、基准、基准点,着色等,最后如图3-9所示
图3-9直齿圆柱齿轮
第四章斜齿圆柱齿轮
4.1斜齿圆柱齿轮主要参数
螺旋角β
法面模数mn
齿数z
齿宽b
法面压力角an
法面齿顶高系数han
法面顶隙系数ca
分度圆直径d
基圆直径db
齿顶圆直径da
齿根圆直径df
4.2斜齿圆柱齿轮造型
斜齿轮的创建方法跟直齿轮的方法差不多,只是多几步螺旋角的步骤:
(1)曲线的创建
①在“特征”菜单管理器上依次单击“复制”→“完成”,系统弹出“复制特征”菜单管理器。
在“复制特征菜单管理器”上依次单击“移动”→“完成”,系统弹出“选取特征”菜单管理器,在绘图区单击选取上一步创建的截面特征,在“选取特征”菜单管理器上单击“完成”,系统弹出“移动特征”菜单管理器。
②菜单管理器。
③系统提示输入偏移距离,输入偏移距离为b,系统提示是否添加关系式,单击“是”,在“移动特征”菜单管理器中单击“完成移动”,在“组可变尺寸”菜单管理器中单击“完成”,在随后弹出的“组元素”对话框中单击【确定】,在“特征”菜单管理器中单击“确定”,完成特征的复制。
④将关系式添加到“关系”对话框,在模型树中右键单击刚刚的复制特征,在弹出的快捷菜单中单击“编辑”;在主菜单上单击“工具”→“关系”,系统弹出“关系”对话框。
此时系统显示两个截面的尺寸代号。
单击该尺寸代号,尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中,输入的关系式为:
D8=b。
⑤旋转复制上一步复制的截面,在主菜单上依次单击“编辑”→“特征操作”,系统弹出“特征”菜单管理器。
⑥在“特征”菜单管理器上依次单击“复制”→“完成”,系统弹出“复制特征”菜单管理器。
在“复制特征菜单管理器”上依次单击“移动”→“完成”,系统弹出“选取特征”菜单管理器,在绘图区单击选取上一步创建的复制截面特征,在“选取特征”菜单管理器上单击“完成”,系统弹出“移动特征”菜单管理器。
⑦在“移动特征”菜单管理器上单击“旋转”,系统弹出“选取方向”菜单管理器。
⑧在“选取方向”菜单管理器中单击选取“曲线/边/轴”,然后在绘图区单击选取齿根圆的中心轴作为参照,如图所示。
系统弹出“方向”菜单管理器,单击“反向”→“正向”;系统提示输入旋转角度,输入旋转角度为“D7=ASIN(2*B*TAN(BETA)/D)”,系统提示是否添加关系式,单击“是”,在“移动特征”菜单管理器中单击“完成移动”,在“组可变尺寸”菜单管理器中单击“完成”,在随后弹出的“组元素”对话框中单击【确定】,在“特征”菜单管理器中单击“确定”,完成特征的复制。
⑨旋转角度尺寸添加到“关系”对话框,在模型树中右键单击刚刚旋转复制的截面,在弹出的快捷菜单中单击“编辑”。
⑩在主菜单上单击“工具”→“关系”,系统弹出“关系”对话框。
此时系统显示旋转角度的尺寸代号。
单击该尺寸代号,尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中,输入的关系式为:
D11=ASIN(2*B*TAN(BETA)/D)。
(2)创建第一个轮齿特征
①在主菜单上依次单击“插入”→“扫描混合”,系统弹出“扫描混合”特征定义操控面板。
②在“扫描混合”特征定义操控面板内单击“参照”菜单,系统弹出“参照”对话框,如图4-1所示:
图4-1“参照”对话框
③在“参照”对话框的“剖面控制”文本框内单击选取“垂直于轨迹”,在“水平/垂直控制”文本框内输入“垂直于曲面”。
④在绘图区单击选取分度圆上的投影曲线作为扫描混合的扫引线,两齿廓曲线为参照曲线,得一个齿如图图4-2所示:
图4-2形齿拉伸
(3)其余的步骤就跟直齿的一样的,省略不述。
(4)其程序设计代码如下所示:
MNNUMBER
"请输入齿轮的法向模数=="
ZNUMBER
"请输入齿轮的齿数=="
ALPHANUMBER
"请输入齿轮的压力角度=="
BETANUMBER
"请输入齿轮的螺旋角=="
BNUMBER
"请输入齿轮的宽度=="
HAXNUMBER
"请输入齿轮的齿顶高系数=="
CXNUMBER
"请输入齿轮的齿底隙系数=="
XNUMBER
"请输入齿轮的变位系数=="
(5)隐藏曲线、基准、基准点,着色等,最后如图4-3所示:
图4-3斜齿圆柱齿轮
第五章圆锥齿轮
5.1圆锥齿轮主要参数
模数m
齿数z
压力角alpha
分锥角δ
分度圆直径d
基圆直径db
齿顶圆直径da
齿根圆直径df
顶隙c
齿宽b
5.2圆锥齿轮造型
参数化设计锥齿轮的过程中应用了大量的参数与关系式。
5.2.1锥齿轮建模分析
(1)输入关系式、绘制创建锥齿轮所需的基本曲线
(2)创建渐开线
(3)创建齿根圆锥
(4)创建第一个轮齿
(5)阵列轮齿
5.2.2圆锥齿轮建模过程
前面的基准等步骤工作就不累述了。
(1)输入基本参数和关系式
在“参数”对话框内单击
按钮,可以看到“参数”对话框增加了一行,依次输入新参数的名称、值、和说明等。
需要输入的参数如表5-1所示:
表5-1创建齿轮参数
名称
值
说明
名称
值
说明
M
3
模数
DELTA
___
分锥角
Z
25
齿数
DELTA_A
___
顶锥角
Z_ASM
45
大齿轮齿数
DELTA_B
___
基锥角
ALPHA
20
压力角
DELTA_F
___
根锥角
B
20
齿宽
HB
___
齿基高
HAX
1
齿顶高系数
RX
___
锥距
CX
0.25
顶隙系数
THETA_A
___
齿顶角
HA
___
齿顶高
THETA_B
___
齿基角
HF
___
齿根高
THETA_F
___
齿根角
H
___
全齿高
BA
___
齿顶宽
D
___
分度圆直径
BB
___
齿基宽
DB
___
基圆直径
BF
___
齿根宽
DA
___
齿顶圆直径
X
0
变位系数
DF
___
齿根圆直径
①在主菜单上依次单击“工具”→“关系”,系统弹出“关系”对话框;
②在“关系”对话框内输入齿轮的基本关系式。
由这些关系式,系统便会自动生成。
(2)创建基本曲线
创建基准平面。
在工具栏内单击
按钮,或者依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“平面”。
系统弹出“基准平面”对话框,创建基准平面“DTM4”;在“基准平面”对话框的偏移项内输入偏移距离为“d/(2*tan(delta))”,单击【确定】完成。
将偏移距离添加到“关系”对话框,在主菜单上依次单击“工具”→“关系”,在弹出的“关系”对话框内添加关系式,如图5-1所示;
图5-1参数关系图
基准步骤省略,祥见模型。
(3)草绘截面如图5-2:
图5-2草绘截图
(4)将尺寸代号添加到“关系”对话框中,在主菜单上依次单击“工具”→“关系”,系统弹出“关系”对话框,添加如图5-3所示的关系式;
图5-3尺寸关系
(5)草绘曲线大端基本圆并添加关系式。
将大端齿轮基本圆的关系式添加到“关系”对话框中,在主菜单上依次单击“工具”→“关系”,在弹出的“关系”对话框内添加关系式,如图5-4所示;
图5-4大端齿轮基本圆的关系
(6)创建小端齿轮基本圆,草绘曲线并添加关系式。
将小端齿轮基本圆的关系式添加到“关系”对话框中,在主菜单上依次单击“工具”→“关系”,在弹出的“关系”对话框内添加关系式,如图5-5所示;
图5-5小端齿轮基本圆的关系
(7)创建渐开线
创建渐开线。
依次在主菜单上单击“插入”→“模型基准”→“曲线”,或者在工具栏上单击
按钮,系统弹出“曲线选项”菜单管理器;
(8)在“曲线选项”菜单管理器上依次单击“从方程”→“完成”,
在弹出的记事本窗口中输入曲线的方程,如下:
r=D11/2
theta=t*60
x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180
y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180
z=0
(9)保存数据,退出记事本,单击如图所示“曲线:
从方程”对话框中的【确定】,完成后的曲线如图5-6所示;
图5-6齿轮大端上渐开线
(10)创建齿轮小端上的渐开线。
方法同大端,详见模型。
图5-7齿轮小端上渐开线
(11)镜像渐开线,创建第一个轮齿,阵列轮齿都跟直齿、斜齿一样,
完成后的齿轮如图5-8所示。
图5-8圆锥齿轮
(12)其主要参数代码如下:
HA=(HAX+X)*M
HF=(HAX+CX-X)*M
H=(2*HAX+CX)*M
DELTA=ATAN(Z/Z_ASM)
D=M*Z
DB=D*COS(ALPHA)
DA=D+2*HA*COS(DELTA)
DF=D-2*HF*COS(DELTA)
HB=(D-DB)/(2*COS(DELTA))
RX=D/(2*SIN(DELTA))
THETA_A=ATAN(HA/RX)
THETA_B=ATAN(HB/RX)
THETA_F=ATAN(HF/RX)
DELTA_A=DELTA+THETA_A
DELTA_B=DELTA-THETA_B
DELTA_F=DELTA-THETA_F
BA=B/COS(THETA_A)
BB=B/COS(THETA_B)
BF=B/COS(THETA_F)
D0=D/(2*TAN(DELTA))
D1=D/2
D2=DA/2
D3=DB/2
D4=DF/2
D5=B
D6=90
D9=D/COS(DELTA)
D10=DA/COS(DELTA)
D11=DB/COS(DELTA)
D12=DF/COS(DELTA)
D14=(D-2*B*SIN(DELTA))/COS(DELTA)
D15=(DA-2*BA*SIN(DELTA_A))/COS(DELTA)
D16=(DB-2*BB*SIN(DELTA_B))/COS(DELTA)
D17=(DF-2*BF*SIN(DELTA_F))/COS(DELTA)
D19=360*COS(DELTA)/(4*Z)+180*TAN(ALPHA)/PI-ALPHA
D20=360*COS(DELTA)/(4*Z)+180*TAN(ALPHA)/PI-ALPHA
D21=360*COS(DELTA)/(4*Z)
D25=0.8*H
D26=H
IFHAX<1
D37=0.31*M
D49=0.31*M
ENDIF
IFHAX>=1
D37=0.2*M
D49=0.2*M
ENDIF
D51=360/Z
D75=360/Z
P76=Z-1
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