齒輪的參數(shù)化設計與三維建模方法研究畢業(yè)論文

1、<p>　　2012屆學生畢業(yè)論文（設計） 存檔編號： </p><p><b>　　畢業(yè)論文（設計）</b></p><p>　　論 文 題 目：齒輪的參數(shù)化設計與三維建模方法研究</p><p>　　【英 文】：Parametric design of gear an

2、d the method research of three dimensional modeling </p><p>　　系 部： 機電與建筑工程學部 </p><p>　　專 業(yè)：機械設計制造及其自動化</p><p>　　姓 名： </p><p

3、>　　學 號： </p><p>　　指 導 老 師： </p><p>　　2010年 4 月 28 日</p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　齒輪傳動作為一種通用的傳動機構，具有其特殊的設計和制造方法。設計和制造

4、的關鍵在于齒廓線的形成。利用當今世界上先進的三維造型軟件UG的建模功能和它的二次開發(fā)工具Expression實現(xiàn)齒輪參數(shù)化設計和齒合仿真。以漸開線齒輪為例繪制出其精確的漸開線齒廓，實現(xiàn)三維造型，從而可以進行運動仿真，為齒輪的有限元動力分析提供了精確的模型，可使設計人員應用現(xiàn)有的三維模型進行更新設計以便減少設計開發(fā)的成本，使其具有快速響應市場的能力。</p><p>　　【關鍵詞】：UG；Expression；齒輪

5、；漸開線，三維造型；參數(shù)化設計；</p><p>　　【Abstract】</p><p>　　As a general driving setup gear transmission has its special design and making process. The shaping of contour line is the key of design and manufac

6、ture. Accurate 3D modeling and movement smulation of gear can be made by UG building model, the secondary development tool，and Expression. For involutes gear, it can be modeled perfectly so as to smulation the movement t

7、hen providbility precise model for finite analysis. The cost of design and development can be cut down and quickly responding abilit</p><p>　　【Keywords】: UG; Expression; gear; involutes; three-dinensional mo

8、deling; parameterization design;</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要...................................................I</p><p>　　Abstract...............................

9、..................I</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1齒輪設計現(xiàn)狀...............................................（1）</p><p>　　1.2三維建模軟件UG概述……………………………………………………（2）</p>&

10、lt;p>　　1.3論文研究的目的和意義................................................................................（3）</p><p>　　1.4論文研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新.........................................................................（4）

11、 </p><p><b>　　2 UG參數(shù)化設計</b></p><p>　　2.1前言…………………………………………………………………………（5）</p><p>　　2.2 UG參數(shù)化設計技術…………………………………………………

12、…….（5）</p><p>　　2.3 UG在參數(shù)化設計方面的優(yōu)點…………………………………………….（6）</p><p>　　2.4本章小結....................................................（6）</p><p>　　3 齒輪三維建模方法</p><p>　　3.1前言.......

13、.................................................（7）</p><p>　　3.2提取齒輪的約束條件..........................................（8）</p><p>　　3.3建立漸開線輪廓表達式........................................（8）</p>

14、;<p>　　3.4漸開線輪廓繪制.............................................（10）</p><p>　　3.5完成齒輪的造型.............................................（14）</p><p>　　3.6本章小結...................................

15、................（16）</p><p><b>　　4 總結</b></p><p>　　4.1全文總結...................................................（18）</p><p>　　4.2研究展望.......................................

16、............（19）</p><p>　　致謝............................................................（20）</p><p>　　參考文獻.......................................................（21）</p><p><b>

17、;　　附錄</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 齒輪設計現(xiàn)狀</p><p>　　齒輪廣泛應用于航空、航天和工程機械傳動系統(tǒng)中,具有傳動平穩(wěn),承載能力強等優(yōu)點,有著非常廣泛的應用前景。但其結構復雜,設計計算困難。在傳統(tǒng)的齒輪設計方法中，齒輪的設計是一件非常繁瑣、重復的工作，設計要查

18、找的圖表公式較多，需要考慮的條件、參數(shù)也較多，因此設計量比較大，傳統(tǒng)的計算方法進行設計時效率和精度不會很高。</p><p>　　在中國現(xiàn)代的齒輪設計中，齒輪設計這一任務是一件繁瑣和重復的工作，國外已經(jīng)有相應的齒輪設計軟件出現(xiàn)，但是其軟件設計標準、機械標準國的國情不符，他們通常采用的是歐洲的標準、美國標準以及日本標準，國外的相應軟件只是提供了齒輪設計中的幾個模塊功能，集成度不高，不能完成齒輪的全部設計要求。<

19、;/p><p>　　近年來，優(yōu)化設計和CAD應用在國外發(fā)展很快。在新產(chǎn)品設計方面普遍進行參數(shù)優(yōu)化。這樣它們在追蹤市場、縮短技術準備周期，保證產(chǎn)品性能方面占了很大優(yōu)勢。在我國，一些企業(yè)和研究所在這方面剛剛起步，大多數(shù)工程技術人員仍然在采用手工繪圖，繪圖工作仍很艱難。有的企業(yè)在購置普遍生產(chǎn)設備方面很慷慨，但在購置計算機硬件以及軟件方面卻顯得“小家子氣”。</p><p>　　目前，市場上有很多關于

20、齒輪傳動的設計系統(tǒng)，但是都或多或少地存在著不完善的地方。例如，有的軟件只具有幾何參數(shù)設計功能，后來即使實現(xiàn)了齒輪造型的功能，模型卻非常粗糙，甚至是使用圓弧等簡單曲線代替漸開線對齒廓曲線進行造型，不能很好的表達漸開線齒廓的幾何特性;還有一些軟件沒有充分地注重設計者的主觀能動性，表現(xiàn)在：一些經(jīng)驗參數(shù)的選取直接采用了系統(tǒng)默認值，當輸入的唯一初始值時，只能設計出唯一的一個結果；少數(shù)單位也開發(fā)了較為完整的齒輪設計軟件，雖然比較適于生產(chǎn)實際的需要，

21、價格卻很高。因此在生產(chǎn)實際中，很多設計人員為了在特定的要求下進行齒輪的設計和造型，仍然使用手動設計這一古老的方法，這種方法工作量大、效率很低、容易出錯。漸開線齒輪，由于其復雜性，一般設計者很難精確造型。有些文獻指出，隨著塑料齒輪模具的廣泛應用和快速成型及虛擬制造技術的迅速發(fā)展，用小型CAD軟件對齒輪三維基體和齒面進行參數(shù)化造型設計己成為設計者的迫切需求。</p><p>　　1.2 三維建模軟件UG概述</

22、p><p>　　UG是Unigraphics的縮寫，這是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，目前已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。 </p><p>　　UG的開發(fā)始于1990年7月，它是基于C語言開發(fā)實現(xiàn)的。

23、UG NX是一個在二和三維空間無結構網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。其設計思想足夠靈活地支持多種離散方案。因此軟件可對許多不同的應用再利用。 </p><p>　　一個給定過程的有效模擬需要來自于應用領域(自然科學或工程)、數(shù)學(分析和數(shù)值數(shù)學)及計算機科學的知識。然而，所有這些技術在復雜應用中的使用并不是太容易。這是因為組合所有這些方法需要巨大的復雜性及交叉學科的知識。

24、最終軟件的實現(xiàn)變得越來越復雜，以致于超出了一個人能夠管理的范圍。一些非常成功的解偏微分方程的技術，特別是自適應網(wǎng)格加密（adaptivemeshrefinement）和多重網(wǎng)格方法在過去的十年中已被數(shù)學家研究，同時隨著計算機技術的巨大進展，特別是大型并行計算機的開發(fā)帶來了許多新的可能。 </p><p>　　UG的目標是用最新的數(shù)學技術，即自適應局部網(wǎng)格加密、多重網(wǎng)格和并行計算，為復雜應用問題的求解提供一個靈活的

25、可再使用的軟件基礎。 </p><p>　　一個如UG NX這樣的大型軟件系統(tǒng)通常需要有不同層次抽象的描述。UG具有三個設計層次，即結構設計(architecturaldesign)、子系統(tǒng)設計(subsystemdesign)和組件設計(componentdesign)。 至少在結構和子系統(tǒng)層次上，UG是用模塊方法設計的并且信息隱藏原則被廣泛地使用。所有陳述的信息被分布于各子系統(tǒng)之間。 </p>

26、<p>　　如今制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是，通過產(chǎn)品開發(fā)的技術創(chuàng)新，在持續(xù)的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評審更多的可選設計方案，而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經(jīng)驗中所獲得的知識更早地做出關鍵性的決策。 </p><p>　　NX 是 UGS PLM 新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅動產(chǎn)品革新。 NX 獨特之處是其知識管理基礎，它使得工程專業(yè)人員能夠

27、推動革新以創(chuàng)造出更大的利潤。NX 可以管理生產(chǎn)和系統(tǒng)性能知識，根據(jù)已知準則來確認每一設計決策。 </p><p>　　NX 建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經(jīng)驗基礎之上，這些解決方案可以全面地改善設計過程的效率，削減成本，并縮短進入市場的時間。通過再一次將注意力集中于跨越整個產(chǎn)品生命周期的技術創(chuàng)新， NX 的成功已經(jīng)得到了充分的證實。這些目標使得 NX 通過無可匹敵的全范圍產(chǎn)品檢驗應用和過程自動化工具，把

28、產(chǎn)品制造早期的從概念到生產(chǎn)的過程都集成到一個實現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)同的框架中。 </p><p>　　NX 為那些培養(yǎng)創(chuàng)造性和產(chǎn)品技術革新的工業(yè)設計和風格提供了強有力的解決方案。利用 NX 建模，工業(yè)設計師能夠迅速地建立和改進復雜的產(chǎn)品形狀,并且使用先進的渲染和可視化工具來最大限度地滿足設計概念的審美要求。 </p><p>　　NX 包括了世界上最強大、最廣泛的產(chǎn)品設計應用模塊。 NX 具有

29、高性能的機械設計和制圖功能，為制造設計提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設計任何復雜產(chǎn)品的需要。 NX 優(yōu)于通用的設計工具，具有專業(yè)的管路和線路設計系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料件設計模塊和其他行業(yè)設計所需的專業(yè)應用程序。 </p><p>　　1.3 論文研究的目的和意義</p><p>　　齒輪作為最重要的基礎傳動部件被廣泛應用于機械、冶金、石化、煤炭、水電等行業(yè)。在齒輪箱的設計和生成過程中，

30、需要大量的分析、計算和繪圖工作，采用現(xiàn)代設計方法可以徹底改變過去依靠手工計算和繪圖時效率低、易出錯等局面，使齒輪設計人員借助計算機及相應軟件可迅速、高效、準確的進行設計方案的確定、比較、分析和繪圖，為生產(chǎn)企業(yè)以高技術、高質(zhì)量、低成本占領市場提供技術保障。</p><p>　　一般常見的齒輪的設計方法順序是：首先對給定一定約束條件的齒輪進于參數(shù)的強度計算，然后根據(jù)計算結果進行校核；然后根據(jù)計算結果算輪的幾何尺寸，根

31、據(jù)幾何尺寸進行運動模擬，核實齒輪運動時是否存在，如果沒有則進行齒輪的優(yōu)化設計計算，再將優(yōu)化結果反饋到校核公式校核，繼續(xù)干涉分析，最后根據(jù)優(yōu)化計算結果生成齒輪的工程圖。這之前一般都是相互獨立進行，其中強度計算方法有很多種，優(yōu)化方法也有幾種，設計時容易產(chǎn)生重復工作，于是產(chǎn)生了設計一套集成這些功能的系想法，來完成集成這些設計功能，簡化齒輪的設計任務，提高設計效率確度。</p><p>　　另外在傳統(tǒng)齒輪設計中，對于齒輪

32、的強度校核過程和設計過程主要是通過人工設計完成，計算繁瑣，易于出現(xiàn)設計誤差和錯誤，設計周期長且難以實現(xiàn)優(yōu)化設計，此次設計是針對齒輪的參數(shù)化設計而進行的，可以極大地提高設計的速度和效率并實現(xiàn)優(yōu)化設計。</p><p>　　漸開線齒輪是各種機械運動設備中常用的零件，在設計制造中工程設計人員經(jīng)常需要對齒輪齒形進行精確的造型。由于其復雜性，有一些軟件（如Solidworks,AutoCAD）沒有提供精確造型功能,并且齒輪

33、的精確造型要求是最重要的一個環(huán)節(jié)，其直接關系到齒輪的齒合，影響到機械傳動以及機械的使用壽命等等方面，因此為了快速準確的生成齒輪零件的三維模型，我們利用UG軟件可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構。UG具有功能強大、性能穩(wěn)定以及兼容性好、交互性強等特點,近年來在我國機電產(chǎn)品輔助設計和制造領域得到廣泛應用。UG作為通用的三維CAD/CAM系統(tǒng)在功能上完全能夠滿足機械產(chǎn)品的設計要求，但是在系統(tǒng)操作的人性化和易用性方面并非完全盡人意。為此，本文

34、應用了UG的工具參數(shù)表達式、參照關系和對外輸出接口，建立了基于UG的漸開線齒輪參數(shù)化設計模型，來解決齒輪精確造型快速化方面的難題。系統(tǒng)的開發(fā)具有以下意義：</p><p>　　1.保證了齒形造型的精確性</p><p>　　2.造型快速，避免了傳統(tǒng)手工工作的繁瑣過程</p><p>　　3.為后續(xù)的齒輪CAE.CAM等提供了精確的三維實體</p>&l

35、t;p>　　4.對基于UG的齒輪參數(shù)化設計和建模進行了有益探索</p><p>　　1.4 論文研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新</p><p>　　建立齒輪的三維模型有多種方法，而大多數(shù)建模軟件在繪制漸開線時采用樣條曲線擬合的方法，近似漸開線。而UG軟件中的公式曲線功能繪制的漸開線時完全精確的，并且可以進行參數(shù)化設計，通過改變公式中設置的齒輪模數(shù)m、齒數(shù)z、壓力角a，進行參數(shù)化設計，設計各種型

36、號的齒輪，達到設計要求。</p><p><b>　　2 UG參數(shù)化設計</b></p><p><b>　　2.1前言</b></p><p>　　計算機輔助造型技術已在產(chǎn)品設計、工程分析、快速成型等技術領域獲得了廣泛應用。在應用CAD/CAM技術設計、制造齒輪產(chǎn)品時，齒輪的三維實體造型是一個瞬需解決的技術難題，如齒輪造

37、型精度不高，將直接影響有限元分析、虛擬樣機設計的仿真結果，并影響到齒輪產(chǎn)品的CAM制造精度。目前，對工程中最常用的漸開線圓柱直齒輪的三維造型理論與方法已進行了大量研究，并取得了較為成熟的研究成果(如基于UG軟件的3種生成方法、基于CAXA軟件的生成方法等)。對于結構更為復雜的斜齒輪，由于其齒面為螺旋漸開線齒廓曲面，因此三維造型難度更大，目前主要采用二次開發(fā)法和加工模擬法來實現(xiàn)其造型(如基于AutoCAD軟件的造型方法、基于Solid E

38、dge軟件的造型方法等)。其中，二次開發(fā)法對設計人員技術水平要求較高，造型過程煩瑣，適用范圍也受到一定限制；加工模擬法需要模擬刀具和輪坯兩個模型的范成運動并進行全程布爾運算，生成的文件較大，設計周期較長。</p><p>　　在采用集成化軟件UG進行齒輪設計的過程中，我們將UG的三維參數(shù)化造型、表達式處理、自由曲面掃描等功能有機結合起來，通過 UG 軟件的表達式功能來實現(xiàn)齒輪的參數(shù)化設計，從而避免了復雜的編程處理

39、，大大降低了工作量；通過改變其中的驅動參數(shù)或表達式值即可實現(xiàn)零件的相應改變，從而實現(xiàn)了完全的參數(shù)化建模。</p><p>　　2.2 UG的參數(shù)化設計技術</p><p>　　UG參數(shù)化設計技術（又稱尺寸驅動幾何技術）的基本思想，是和幾何約束共同構成，完備的約束模型通過尺寸對幾何形的某些控制元素加以約束，構成幾何元素以完整的表示。UG的全參數(shù)功能無需用戶編程，直接利用設計變量來控制模型的形

40、狀和大小。UG設計者從產(chǎn)品要求和功能上入手，對產(chǎn)品的每個零件建立了最佳模型。零件和裝配可統(tǒng)稱為模型，所以三維實體造型包括三維零件造型和裝配造型兩個部分。在產(chǎn)品的設計過程中零件不單單是孤立的幾何元素。從設計制圖、數(shù)控加工、分析和裝配都存在相關性。相關性設計為我們提供了非常方便的修改產(chǎn)品的方法，減少了重復性的工作，保持了信息的一致性，是支持并行設計的基礎軟件之一。應用現(xiàn)代UG技術，對產(chǎn)品進行參數(shù)化建模，可以用參數(shù)建立起零件內(nèi)各個特征之間的相

41、關關系和不同部件中幾何體的相關關系。通過對部件的關鍵參數(shù)進行調(diào)整，達到優(yōu)化性能的目的。同時，通過設計時設定的相關參數(shù)，實現(xiàn)相關部件的關聯(lián)改變，可以有效的減少設計改變的時間及成本，并維護設計的完整性。產(chǎn)品設計包括零件設計和裝配設計，在設計產(chǎn)品時可以先設計產(chǎn)品的每一個零件然后在進行裝配設計，這是一種自底向下的設計方法。二是自頂向下的設計方法，即從</p><p>　　當設計人員在進行齒輪的計算機輔助設計時，利用UG軟

42、件的表達式(Expression )工具并結合解析算法，可較好保證計算精度并減小編程工作量；利用矩陣變換方式可提高對稱輪廓的設計精度；利用單齒陣列操作可減小計算量，生成較小的零件文件；建立的方程重復利用率高，只需改變其中部分參數(shù)即可生成新的曲線，提高了設計效率。該方法不僅可應用于產(chǎn)品的有限元分析和虛擬裝配，而且還可用于計算機輔助教學。此外，應用該方法可顯著提高計算機輔助加工精度。</p><p>　　2.3 UG

43、在參數(shù)化設計方面的優(yōu)點</p><p>　　UG系統(tǒng)最典型的特點是參數(shù)化，體現(xiàn)參數(shù)化除使用尺寸參數(shù)系統(tǒng)控制外，還在尺寸間建立數(shù)學關系式。使其保持始終相對的大小，位置或約束條件。在零件模式下，系統(tǒng)允許建立特征之間的關系式，使零件中不同特征產(chǎn)生關聯(lián)，此時創(chuàng)建的參數(shù)關系式或為零件關系式。UG的參數(shù)化設計是通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改己定義好的零件參數(shù)，自動完成對圖形中相關部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅

44、動，其參數(shù)驅動的方式便于用戶修改和設計。用戶在設計輪廓時無需準確的定位和定形，只需勾畫出大致輪廓，然后通過修改標注的尺寸值來達到最終的形狀，或者只需將鄰近的關鍵部分定義為某個參數(shù)，通過對參數(shù)的修改實現(xiàn)對產(chǎn)品的設計。UG的參數(shù)化設計極大的改善了圖形的修改手段，提高了設計的柔性，在概念設計、動態(tài)設計、實體造型、裝配，公差分析與綜合、機構方針、優(yōu)化設計等領域發(fā)揮著越來越大的作用，體現(xiàn)出很高的應用價值。</p><p>

45、　　(1)支持設計過程的完整階段 </p><p>　　傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)基于幾何模型設計，所能處理的只能是圖形元素的幾何信息，而UG系統(tǒng)可以記錄幾何形體的精確坐標信息，大量豐富的具有實際工程意義的集合拓撲和尺寸約束信息、功能要求信息，其應用能支持設計過程的完整階段，適用于產(chǎn)品的詳細設計階段。(2)支持快速的設計修改和有效地利用以前的設計結果 傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)只記錄了產(chǎn)品的幾何坐標信息。這樣一來，即使一個

46、很小的設計修改也往往會引起整個設計模型的刪除或重畫，導致放棄以前大量設計工作，這不僅效率低而且難以保證設計約束的前后一致性。而UG具有很好的關聯(lián)性，通過對關鍵部分定義為參數(shù)，通過對參數(shù)的修改實現(xiàn)對產(chǎn)品的設計。(3)很好地支持設計的一致性維護工作 UG系統(tǒng)可以記錄下設計對象內(nèi)部元素間相互關系，在修改設計時，某局部的改動能自動反映到相關部分的變動，需要設計人員逐步進行修改，這樣，往往可以保證設計要求在設計反復時可靠地得到保證。(

47、4)符合工程設計人員的習慣 傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)面向具體的幾何形狀，使工程設計人員過多地局限于某些設計細節(jié)，而在應用UG時工程設計人員只需通過對原型的不斷定義和調(diào)整，逐步細化達到最佳的設計結果的。(5</p><p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　UG軟件是當今世界上較為先進的一款三維制圖軟件，利用UG的表達式功能并結合解析算法分析進行參

48、數(shù)化設計并建立三維模型快速方便，可以極大的減少設計人員的工作量，縮短工作周期，還可以對漸開線齒輪機構進行運動仿真，從而校核漸開線齒輪的設計、裝配以及傳動是否合理，提高產(chǎn)品響應市場的能力，其豐富的數(shù)據(jù)接口，可以為后續(xù)的有限元動力學分析提供精確的三維模型，實現(xiàn)CAD系統(tǒng)和CAE系統(tǒng)的無縫鏈接，大大提高分析效率。</p><p>　　3 齒輪三維建模方法</p><p><b>　　3

49、.1前言</b></p><p>　　齒輪的三維建模，既可以用齒輪設計計算所得到的各種數(shù)據(jù)進行三維實體造型，也可以通過對話框直接輸入齒輪的有關參數(shù)，如模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、變位系數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒側間隙、齒輪厚度、和齒輪的精度等等，進行三維實體模型設計，齒輪輪齒建模有多種方法：</p><p>　　（1）根據(jù)齒輪的有關參數(shù)，在工作平面上生成齒輪的全部齒形，然后根據(jù)拉伸命令進行整體

50、拉伸生成齒輪模型。如圖3-1：</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　?。?）根據(jù)齒輪的有關參數(shù)，先生成單個齒形，在拉伸成三維實體造型，然后再繞中心點進行旋轉拷貝最后聯(lián)合成一個整體。如圖3-2：</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　　（3）按齒輪

51、的有關參數(shù)先生成齒輪的齒坯和齒槽輪廓，并將齒槽輪廓拉伸成三維實體，相當于生成了一把加工齒輪的刀具，然后將齒槽輪廓實體繞齒輪中心進行旋轉拷貝，再用齒坯減去齒槽實體從而生成齒形，這種生成齒輪的三維實體的方法與加工齒輪的方式相同。如圖3-3：</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　對于漸開線圓柱齒輪，不管采用哪種齒輪建模方法，都需要生成漸開線齒形

52、輪廓。但在實際開發(fā)過程中，生成的并不是真正的漸開線齒廓，而是一條關鍵點在漸開線上的樣條曲線，因為多數(shù)CAD系統(tǒng)無法直接生成漸開線。</p><p>　　生成齒輪的齒形輪廓的方法是，先根據(jù)齒輪參數(shù)和漸開線方程式計算出漸開線上的各點，再用樣條曲線擬合這些點，從而生成一條近似漸開線的齒槽輪廓。由于各種齒輪建模方法都是用樣條曲線作為齒形輪廓，因此生成齒輪方式不同，則數(shù)據(jù)計算量的多少也不相同，生成齒輪的速度也不一樣，所生成

53、的齒輪文件大小也有差別。由于第一種方法是對全部齒形輪廓進行整體拉伸，其運算量最大，運行的速度最慢，生成的零件文件最大；第二種方法和第三種方法增加了合并的步驟，其速度較第三種方法慢；因此，第三種方法生成齒輪的速度最快，零件文件最小。本文正是基于第三種方法的以直尺圓柱齒輪為列介紹UG的參數(shù)化建模方法。</p><p>　　3.2提取齒輪的約束條件</p><p>　　這里以直齒輪為例，分析約束

54、參數(shù)的提取過程，該方法可以擴展到其它產(chǎn)品模型約束參數(shù)的提取中。根據(jù)用戶在設計直齒輪圖樣時的需求，結合齒輪設計的關鍵尺寸約定，這里得到直齒輪的主要參數(shù)有:齒數(shù)z，模數(shù)m，分度圓壓力角a，齒頂高度h,頂隙系數(shù)c。這些是齒輪繪制時的常用參數(shù)，約定了這些變量，一個直齒輪便定制好了且是唯一的。3.3建立漸開線輪廓表達式</p><p>　　如圖3-4所示，當一直線BK沿一圓周作純滾動時，直線上任意點的軌跡AK，就是該圓的

55、漸開線。這個圓稱為漸開線的基圓，它的半徑用rb表示，直線BK為漸開線的發(fā)生線，角度Øk為漸開線AK段的展角。</p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　A為漸開線在基圓上的起點，K為漸開線上的任意點，它的向徑用rk表示，漸開線AK段的展角用Øk表示。又當此漸開線作為齒輪的齒廓并且與其共軛齒廓在點K齒合時，側此齒廓在點K所受正

56、壓力的方向（即齒廓曲線在該點的法線）與齒輪繞O點回轉時點K的速度方向線（沿aK方向）之間所夾的銳角，稱為漸開線在點K的壓力角，以ak表示。</p><p>　　由圖3-4可見rk=rb/cosak,又因</p><p>　　tgak=BK/rb=rb(ak+Øk)/rb=ak+Øk</p><p>　　可以得到:Øk=tgak-

57、6;k。</p><p>　　由上式可知，展角ak是壓力角的函數(shù)，又因該函數(shù)是根據(jù)漸開線的特性推導出來的，故稱其為漸開線函數(shù)，通常用invak來表示Øk,即Øk=tgak-ak綜上所述可得漸開線的極坐標參數(shù)方程式為：</p><p>　　rk=rb/cosak;</p><p>　　Øk=tgak-ak;</p><

58、p>　　當用直角坐標來表示漸開線時，其方程式為：</p><p>　　x=rbsinurb-ucosu; </p><p>　　y=rbcosu+rbusinu</p><p>　　式中u為漸開線在k點的滾動角，u= Øk+ak </p><p>　　3.4漸開線輪廓繪制</p><p>　　本文根據(jù)下

59、列參數(shù)繪制直齒圓柱齒輪：模數(shù)4；齒數(shù)24；壓力角為標準的20°；齒輪厚為35；孔徑45；鍵槽14*3</p><p>　　由上列數(shù)據(jù)計算齒輪參數(shù)：</p><p>　　分度圓直徑=4*24=96</p><p>　　齒頂圓直徑=4*（24+2）=104</p><p>　　齒根圓直徑=4*（24-2.5）=86</p>

60、<p>　　基圓直徑= 4*24*cos20=90.2 </p><p>　　分度圓齒槽角=360°/24/2=7.5</p><p>　　（1）創(chuàng)建圓柱齒坯: 在建模窗口單擊“ 成型特征”工具中的圓柱按鈕。</p><p>　　在對話框類型中選中“直徑、軸、高度”，在直徑和高度對話

61、框中分別輸入104和35，點擊應用。接著在直徑和高度對話框中分別輸入45和35，在布爾運算對話框中選擇求差選項點擊確定。如圖3-5：</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　接著在特征工具條中選中鍵槽按鈕，在打開的對話框中選擇矩形點擊確定，然后選擇zc-yc為鍵槽放置面，選擇Z軸為水平參考線，在打開的如圖3-6對話框中輸入如圖所示的數(shù)值：&l

62、t;/p><p><b>　　圖3-6</b></p><p>　　點擊確定即可生成齒輪齒坯如圖3-7。</p><p><b>　　圖3-7</b></p><p>　?。?）創(chuàng)建漸開線：在工具欄中選擇表達式打開對話框，在名稱和公式對話框中分別輸入如下表達式，</p><p>

63、　　t=0// UG定義的變量</p><p>　　m=2// 齒輪模數(shù)</p><p>　　z=24// 齒數(shù)</p><p>　　r=m*z*cos(20)/2// 基圓半徑</p><p>　　a=0// 起始角</p>

64、<p>　　b=60// 終止角</p><p>　　u=(1-t)*a+t*b// 角度值</p><p>　　xt=r*cos(u)+r*rad(u)*sin(u)// 直角坐標橫坐標</p><p>　　yt=r*sin(u)-r*rad(u)*cos(u)// 直角坐標縱坐標</p>&l

65、t;p>　　其中模數(shù)m，齒數(shù)z，壓力角a可以根據(jù)實際需要設定完成后對話框如圖3-8點擊確定。</p><p><b>　　圖3-8</b></p><p>　　在曲線中選擇規(guī)律曲線按鈕，在彈出的對話框中選中根據(jù)方程按鈕，依次點擊確定，在規(guī)律控制中輸入規(guī)律值為0點擊確定即可生成漸開線如圖3-9</p><p><b>　　圖3-9

66、</b></p><p>　?。?）創(chuàng)建齒槽輪廓線：在漸開線所在的平面創(chuàng)建草圖，以齒輪圓心為圓心創(chuàng)建兩個圓直徑分別86和96，再以圓心為端點畫一條直線連接漸開線和分度圓的交 點, 并選擇“ 編輯|變換|繞點旋轉”將此直線以圓心為中心旋轉3.75度（360/4Z）。再選擇“ 編輯|變換|用直線做鏡像”命令鏡像另一側齒廓線, 再次利用曲線修剪命令對齒頂圓及齒根圓裁減,點擊完成草圖，最終得到齒槽輪廓線如下圖

67、3-10所示。</p><p><b>　　圖3-10</b></p><p>　　3.5完成齒輪的造型</p><p>　?。?）創(chuàng)建圓柱齒槽：拉伸創(chuàng)建好的齒槽輪廓線，并將它與圓柱進行相減的布爾運算結果如下圖3-11所示。</p><p><b>　　圖3-11</b></p>&l

68、t;p>　?。?）再利用圓周陣列形成輪齒，“ 編輯|變換|環(huán)形陣列”命令, 在“ 數(shù)字”文本框中輸入“24”, 在“ 角度增量”文本框中輸入“ 360/24”, 完成陣列操作形成的齒輪如下圖3-12所示。至此已完成齒輪三維建模的全部過程。</p><p><b>　　圖3-12</b></p><p><b>　　3.6本章小結</b>&l

69、t;/p><p>　　齒輪是機械行業(yè)中應用最廣泛的零件之一。齒輪輪齒精確的三維造型是齒輪機械動態(tài)仿真、NC加工、干涉檢驗以及有限元分析的基礎。由于齒輪輪廓線不是標準曲線,有些制圖軟件用計算出輪廓線上的點,再利用樣條曲線擬合生成近似輪廓的方式建模,這樣繪制的輪廓曲線不準確。這里介紹應用UGNX7.0軟件表達式功能通過齒輪漸開線方程精確生成齒輪輪廓的方式對齒輪進行參數(shù)化的設計和三維造型。確定齒輪模型主參數(shù)齒輪結構一般由輪

70、齒、齒槽、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓等組成。而每種結構形成均由一組對應的參數(shù)決定。為了達到齒輪和各項技術要求,就要考慮齒輪每個參數(shù)的改變,這些參數(shù)與齒輪尺寸形狀位置之間以各種表達式關聯(lián),每個參數(shù)的改變都會引起齒輪的形狀發(fā)生改變。將這些參數(shù)提取,通過變量的定義和傳遞進行齒輪實體造型設計,當賦予一組具體參數(shù)值時,得到一個新齒輪,從而實現(xiàn)齒輪設計的參數(shù)化。</p><p><b>　　4 總結</b

71、></p><p><b>　　4.1全文總結</b></p><p>　　齒輪是機械傳動中的主要部件，也是機械制造業(yè)中常見的零件，它廣泛的應用于機械傳動及整個機械領域中。涉及核工業(yè)、鐵道、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通等多個行業(yè)?！褒X輪一小步，中國一大步”。我國重大裝備的動力裝置制造技術一直受制于人的根本原因之一就

72、在于齒輪制造工藝落后。大規(guī)格、高精度錐齒輪主要應用于大型船舶、機車、礦山冶金、能源開采和國防軍工裝備，是先進動力裝置核心部件，而參數(shù)化設計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設計、相似設計都具有較大的應用價值。因此研究齒輪的參數(shù)化設計和強度分析非常的有意義。一方面可以提升齒輪品種數(shù)量以滿足各個行業(yè)對齒輪的不同需求；另一方面可以節(jié)約開發(fā)周期和開發(fā)成本，通過相關計算機軟件對所設計的齒輪在各種情況下的模擬分析，使齒輪的設計和制造更

73、合理、更經(jīng)濟。</p><p>　　目前，在齒輪設計方面主要困難在于漸開線的生成，由于漸開線齒輪齒型比較復雜，而大多數(shù)三維建模系統(tǒng)都不能直接生成齒輪造型，因此，對普通設計人員來說，要對齒輪進行三維造型并不是一件容易的事情。本文正是基于UG7.0介紹了齒輪的參數(shù)化建模過程。在UG集成環(huán)境中繪制齒輪機構，重點是齒廓曲線的繪制，因為齒輪輪廓曲線不是標準曲線，所以其繪制過程有一定的特殊性，UG提供了完美的曲線造型功能，能

74、夠精確的實現(xiàn)齒廓曲線的繪制，實現(xiàn)齒輪的三維精確建模。</p><p><b>　　4.2研究展望</b></p><p>　　國際上，動力傳動齒輪裝置正沿著小型化、高速化、標準化方向發(fā)展，特殊齒輪的應用，行星齒輪裝置的發(fā)展、低振動、低噪聲齒輪裝置的研制是齒輪設計方面的一些特點，為達到齒輪裝置小型化的目的，可以提高現(xiàn)有漸開線齒輪的承載推力。各國普遍采用齒硬面技術，提高硬

75、度以縮小裝置尺寸；也可以運用以圓弧齒輪為代表的特殊齒形。例如英法聯(lián)合研制的艦載直升機主傳動系統(tǒng)采用圓弧齒輪后，使減速器高度大為降低。隨著船舶動力中速柴油機代替的趨勢，在大功率行星齒輪裝置確有成效，現(xiàn)在冶金、礦山、水泥一扎機等大型傳動裝置中，行星齒輪以其體積下、同軸性好、效率高的優(yōu)點而應用越來越多。</p><p>　　由于計算機技術的發(fā)展，促進了各項技術的發(fā)展．同樣，在齒輪的設計、計算方面進展也很快，人們利用計算

76、機能對各種可能的設計方實進行計算、分析和比較，并通過優(yōu)選，取得較為理想的結果．例如在分析齒面接觸區(qū)，求嚙合線與相對速度夾角中，對彈流潤滑計算以及幾何參數(shù)計算等方面編制了程序。還有，在齒輪修形計算與齒輪承載能力計算方面都編有程序．我國已編制了GB3480-83漸開線圓柱齒輪承載能力計算標準的程序軟件,供生產(chǎn)應用．在齒輪加工方面，可以利用計算機控制整個切齒過程．使制造質(zhì)量穩(wěn)定可靠．目前，國內(nèi)在研究應用微機對弧齒錐齒輪的切齒調(diào)整卡進行計算，可

77、對加工偏差及時調(diào)整．使齒面接觸達到比較理想的位置，并大大提高了工效。此外，根據(jù)數(shù)控原理，應用微機對環(huán)面蝸桿螺旋齒面進行拋物線修形，已經(jīng)應用于生產(chǎn)。雖然這方面的工作在國內(nèi)還處于起步階段，但它對提高齒輪制造質(zhì)量和技術水平具有重要意義。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　光陰荏苒，歲月如梭，在不知不覺間大學生活已接近尾聲。在此我想感謝我的母校、親

78、人，我的老師、同學和朋友們，感謝你們四年來為我默默付出。感謝你們四年來給我的關心、鼓勵和幫助，感謝我的室友們，從遙遠的家鄉(xiāng)來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。在大學這段歲月里，得于所有人的幫助我才能順利地完成學業(yè)，其中的點點滴滴所凝聚成的師生、同學間的情誼兄弟般的感情更將是我一生中最為寶貴的精神財富。</p><p>　　在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從

79、開始進入課題到論文的順利完成，有很多可敬的老師、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！</p><p>　　感謝我的導師xx教授，這片論文的每個細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開他的細心指導。他嚴謹細致、一絲不茍的作風將一直是我工作、學習中的榜樣；他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪！</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

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