1、.装订线.山 东 农 业 大 学毕 业 论 文基于 Pro/E 的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析院 部 机械与电子工程学院 专业班级 机械电子工程专业 届 次 2013 届 学生姓名 冯海明 学 号 20091192 指导教师 张开兴 老师 二 O 一三 年 六 月 十 日1目录摘要 .31 绪论 .51.1 课题研究意义 .51.2 课题研究 CAD 发展概述 .51.2.1CAD 技术发展历程 .51.2.2CAD 的发展趋势 .61.3 本课题研究的内容 .72 蜗轮蜗杆参数化设计基础 .72.1 蜗杆传动机构简介及类型 .72.2 圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 .82.3 参数化
2、特征造型技术简介 .93 基于 PRO/E 的蜗轮参数化建模 .103.1 PRO/E 的参数化建模简介 .103.2 蜗杆的参数化建模 .123.2.1 零件分析 .123.2.2 创建蜗杆 .133.3 蜗轮的参数化建模 .193.3.1 零件分析 .193.3.2 蜗轮的参数化建模 .204 蜗轮传动机构的运动仿真 .304.1PRO/E 运动仿真简介 .304.2PRO/E 平台机构运动仿真的步骤 .304.3 蜗轮蜗杆机构运动仿真的具体步骤 .314.3.1 蜗轮蜗杆机构的虚拟装配 .314.3.2 蜗轮蜗杆机构的运动仿真 .325 总结 .33参考文献 .34致谢 .342Cont
3、entsAbstract .41Introduction .51.1 The significance of this research .51.2 Development of research on CAD project.51.2.1 CAD technology development.51.2.2 The development trend of CAD.61.3 The contents of this research project .72 Basic worm gear parametric design .72.1 Introduction and type of worm
4、 gear .72.2 The main parameters and geometric dimensions of a cylindrical worm drive.82.3 The parametric feature modeling technology .93 Modeling of worm gear parameters based on PRO/E.103.1 Parametric modeling of Pro/E .103.2 Parametric modeling of worm .123.2.1 Part analysis .123.2.2 Create a worm
5、 .133.3 Parametric modeling of worm gear .193.3.1 Part analysis .193.3.2 Parametric modeling of worm gear.204 Motion simulation of worm gear transmission mechanism .304.1 Introduction the Pro/E motion simulation .304.2 Exercise Pro/E platform simulation steps.304.3 The specific steps of mechanism mo
6、vement simulation of worm gear worm.314.3.1 The virtual assembly of the worm gear.314.3.2 Motion simulation of worm gear.325 Summary .33Reference documentation.34Convey thanks.343基于 Pro/E 的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析冯海明（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：蜗杆传动是最重要的齿轮传动之一，它由蜗杆和蜗轮组成，主要用于传递交错轴之间的回转运动和动力，通常两轴交错角为 90。传动中
7、一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。由于蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、传动平稳和噪声较小等优点，广泛应用于各种机器和仪器中。但是蜗轮蜗杆的齿面属于复杂造型，利用 Pro/E 强大的参数化设计等功能可以保证齿形的精确性。同时通过机构的运动仿真，动态观看运动仿真的啮齿和运动情况，测试机构的有关运动性能的参数，有利于机构优化和提高设计效率。关键词：Pro/E 蜗轮蜗杆 参数化设计 运动仿真4Based on Pro/E of the worm gear and worm of parameterized modeling and motion simulation analysisHaiming Fe
8、ng(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract the worm drive is one of the most important gear transmission, It is made up of worm and worm gear，Mainly used for transfer between crisscross axis rotary motion and power, Usually two
9、 axial stagger Angle is 90 . General worm is active in transmission, worm gear is a follower. Because of worm drive with large transmission ratio, compact structure, smooth transmission and less noise, etc, are widely used in various kinds of machines and equipment. But the worm and worm wheel tooth
10、 surface belongs to complex modeling, using Pro/E is a powerful function such as parametric design can guarantee accuracy of tooth profile. At the same time, through the mechanism motion simulation, dynamic watch movement simulation of rodents and movement, on sports performance parameters of the te
11、st facility, to optimize and improve the design efficiency.Keywords: Pro/E ；worm gear and worm； parametric design； movement simulation51 绪论1.1 课题研究意义蜗杆蜗轮传动中，蜗杆推动蜗轮实现减速、增扭的定速比传动。由于蜗杆外行曲面比较复杂，无法用机械制图的方法精确描述其曲面形状，因此在产品开发设计中，通常由设计人员根据经验确定。应用传统方法对其绘制时，不仅过程繁琐、效率低，而且在产品的开发设计中存在着一定的自由性，加工出的产品经常会存在各种缺陷，不能满足实
12、际应用的要求。随着 CAD 和优化设计技术的发展，应用先进的虚拟制造技术，可以达到精确的造型和可靠地质量。针对蜗杆类零件曲面形成的特点，若能利用计算机对蜗轮蜗杆机构进行辅助设计，对蜗轮蜗杆本体进行辅助制造，就成为当前蜗轮蜗杆机构研究的主要趋势，所以，采用 CAD 软件，优化蜗轮蜗杆的设计参数、并对其进行虚拟装配和运动仿真，不仅能更直观的描述产品，而且在产品设计阶段对产品的缺陷、相关零件的装配关系、空间干涉等情况进行分析与检验，从而有效提高设计的效率，缩短产品的设计周期。本文正是针对蜗轮蜗杆零件进行参数化设计、虚拟装配和运动仿真的研究，希望可以为空间复杂构件的参数化设计、虚拟装配和运动仿真提供一
13、般性的研究方法。1.2 课题研究 CAD 发展概述CAD 是计算机辅助设计(Computer Aided Design)的简称，是工程技术人员以计算机为工具，用自己的专业知识对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。它以提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本为主要目的。CAD 技术是 20 世纪全球高科技领域杰出的工程技术之一，是跨世纪的国家关键技术。CAD 技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。1.2.1CAD 技术发展历程CAD 技术起步于 20 世纪 50 年代，1950 年美国麻省理工学院研制出可以显示简单图形的图形设备“旋风
14、1 号” ，50 年代末美国 Gerber 公司研制出平板绘图仪，Calcomp 公司研制出滚筒式绘图仪，这些研究成果为 CAD 技术的发展6提供了最基本的物质基础，整个 50 年代 CAD 技术还刚刚萌芽，只是处于被动式的图形处理阶段。进入 60 年代，CAD 技术开始蓬勃发展起来，1962 年麻省理工学院的 Sutherland 发表的博士论文 SKETCHPAD 一种人机对话系统 ，为 CAD 技术的发展和应用打下了理论基础，1966 年出现了第一台实用的图形显示装置，同一时期还出现了许多商品化的 CAD 设备，如美国 IBM 公司推出的商品化计算机绘图设备等。从 70 年初期开始，CA
15、D 进入了早期实用阶段，1970 年美国 Applicon 公司第一个推出完整的 CAD 系统，随着各种廉价的图形输入设备的相继问世，CAD 逐步走进中小企业。从 80 年代至今，CAD 技术的发展突飞猛进，一方面小型机及微型机的性能不断提高，价格不断下跌，诸如大型数字化仪、自动绘图机等计算机外围设备己经成为 CAD 的一般配置,为推动 CAD 技术向更高水平发展提供了必要的条件，另一方面，基于小型机和微机的软件技术也迅速提高，大量成熟的商品化软件不断涌现，又促进了 CAD技术的发展，CAD 技术得到了越来越广泛的应用。目前，流行的 CAD 技术基础理论主要是以 PRO/E 为代表的参数化造型
16、理论和以 SDRC / I-DEAS 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。国内对 CAD 技术的研究，开始于 20 世纪 70 年代初期，研究工作主要集中在高等学校和科研院所，研究内容主要是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘图进入 80 年代以后，我国的 CAD 技术的研究得到了较快的发展，在二维交互绘图系统、三维造型和几何设计、有限元分析、数控编程等方面都取得了很多成果，不少自主版权的软件己经在国内行业中得到推广应用。但从总体上来说，我国的 CAD 软件，无论是从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面，都与发达国家存在着不小的差趾，主流的 CAD 软件基本
17、上都是国外产品。1.2.2CAD 的发展趋势随着 CAD 技术的不断研究、开发与广泛应用，对 CAD 技术提出越来越高的要求，因此 CAD 从本身技术的发展来看，其发展趋势是参数化、三维化、智能化、网络化、集成化和标准化日。具体表现为:1.参数化参数化既能为用户提供设计对象直观、准确的反馈，又能随时对设计对象加以修改，同时减少设计中的疏忽，从而在很大程度上提高机械设计的效率。参数化是实现机械设计自动化的前提和基础。2.智能化现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐渐被7计算机的智能化处理所替代。将人工智能引入 CAD 系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判
18、断的能力，以及智能化的视觉、听觉和语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的。3.三维化随着三维图形技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图，并且在三维模型的基础上可以方便地进行虚拟装配、干涉检查、有限元分析和运动分析等应用。4.集成化集成化就是向企业提供一体化的解决方案，其出发点是企业各个环节是不可分割的，必须统一考虑。计算机辅助设计所产生的三维模型将最大限度地被后续的分析、加工、工艺和仿真所利用。5.网络化网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资。不同设计人员可以在网络上方便地交换设计数据。6.标准化随着 CAD 系统的集成化和网络化，
19、指定各种产品设计、评测和数据交换标准势在必行，如建立符合 STEP 标准的全局产品数据模型等。1.3 课题研究的内容课题主要包括以下研究内容：(1)系统分析蜗轮蜗杆机构的结构。设计参数化特征造型技术、(2)分析了 Pro/E 平台产品设计的基本思路，提出了蜗轮蜗杆的数学模型，通过基于 Pro/E 平台的蜗轮蜗杆零件三维建模过程，归纳出蜗轮蜗杆零件三维实体建模时的基本思路和方法(3)利用所总结的蜗杆蜗轮零件三维实体建模的经验，以参数化设计思想作为指导，紧紧抓住蜗轮蜗杆零件三维建模这条主线，依托蜗轮蜗杆零件的数学方程式，运用条件语句将变参设计融入到零件整体建模过程中。(4)设计初步条件，对设计完成
20、的零件进行变参造型，进而进行虚拟装配和运动仿真，针对运动仿真中出现的干涉问题提出行之有效的解决方案。82 蜗轮蜗杆参数化设计基础2.1 蜗杆传动机构简介及类型蜗轮蜗杆传动用于传递交错轴间的回转运动和动力，通常两轴交错角为 90。蜗杆类似于螺杆，有左旋和右旋之分，除特殊要求外，均采用右旋蜗杆；蜗轮可以看成是一个具有凹形轮缘的斜齿轮，其齿面与蜗杆齿面相共轭。在蜗杆传动中，一般以蜗杆为主动件按形状的不同，蜗杆可分为：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆又可分：（1）普通圆柱蜗杆：阿基米德蜗杆（ZA 蜗杆） ；渐开线蜗杆（ZI 蜗杆） ；法向直廓蜗杆（ZN 蜗杆） ；锥面包络蜗杆（ZK 蜗
21、杆）（2）圆弧圆柱蜗杆（ZC 蜗杆）2.2 圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸中间平面：通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面（蜗杆的轴面，蜗轮的端面） 。蜗杆、蜗轮的参数和尺寸大多在中间平面（主平面）内确定。圆柱蜗杆传动的主要参数：1.模数 m 和压力角 通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面，称为中间平面。由于蜗轮是用与蜗杆形状相仿的滚刀，按范成原理切制轮齿，所以 ZA 蜗杆传动中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合就相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。蜗杆传动的设计计算都以中间平面的参数和几何关系为准。它们正确啮合条件是：蜗杆轴向模数 ma1 和轴向压力角 a1 应分别等于蜗轮端面模数 mt2 和端面压力角 t2
22、1。圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算设计蜗杆传动时，一般是先根据传动的功用和传动比的要求，选择蜗杆头数 z1 和蜗轮齿数 z2，然后再按强度计算确定中心距 a 和模数 m，上述参数确定后，即可根据表 2-1 计算出蜗杆、蜗轮的几何尺寸。9名称计算公式蜗杆 蜗轮蜗杆分度圆直径，蜗轮分度圆直径齿顶高齿根高蜗杆齿顶圆直径，蜗轮喉圆直径齿根圆直径蜗杆轴向齿距，蜗轮端面齿距径向间隙d1=mq d2=mz2ha=m ha=mhf=1.2m hf=1.2mda1=m（q+2） da2=m（z2+2）df1=m（q-2.4） df2=m（z2-2.4）pa1=p12=px= mc=0.20m中心距 a=0.5(d1
23、+d2)=0.5m(q+z2)表 2-1 圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算2.3 参数化特征造型技术简介参数化设计(Parametric Design)，也称为尺寸驱动(Dimension-Driven) ，是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数。自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数化设计是 CAD 技术在实际应用中提出的课题。机械设计是一个创造性的活动，是一个反复修改、不断完善的过程。同时，对很多企业，设计工作往往是变型或系列化设计，新的设计经常用到己有的设计结果。据不完全统计，零件的结构要素 90%以上是通用或标准化的，零件有 70%-80%是相似的。在参数化设计技术出现以前，传统的 CAD 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统
