基于CAD/CAM技术的齿轮机构参数化设计与运动仿真的研究

孟爱英，潘志德

（浙江工业职业技术学院数字控制分院，浙江 绍兴 312000）

齿轮机构因其结构紧凑、传递动力大、效率高、寿命长、可靠性好和工作平稳等优点，广泛应用于机床、钢铁、矿山、工程机械等行业。Pro/E软件作为国际市场上高端的三维CAD/CAM 工程软件之一，在业界享有极高的声誉并具有很高的市场占有率。Pro/E的最大特点和最强的优势可归纳为全参数化、全相关、基于特征的实体建模。

1 齿轮机构特征造型设计

具有齿轮机构最常见的设备就是变速箱，变速箱是一种在原动机与工作机之间用来改变转速的独立传动装置，其类型很多，最常用的是以圆柱齿轮为传动零件的圆柱齿轮变速箱。本文以齿轮变速箱为例来说明齿轮传动机构特征造型设计的方法与步骤。

（1）特征分析。针对要建立的齿轮机构实体,应进一步分析齿轮传动机构包括哪些零件，搞清零件是由哪些结构和特征组成，它们之间的相互关系如何。根据Pro/E创建实体的特点，确定特征的创建顺序，每个特征怎样利用Pro/E来建立，更值得注意的是，在完整、详尽地表征出实体的时候，应使特征参数尺寸数量和完成步骤尽可能地少，建立的特征尽可能简单。不同的建模顺序虽然可以构造出同样的实体,但构造出来的实体却具有不同的稳定性、可修改性、可理解性。通常实体零件越复杂，其稳定性、可修改性及可理解性就越差。

在满足技术要求的前提下，应尽量简化圆柱齿轮和齿轮轴实体的特征结构。在零件实体建模过程中，能用单个体素定义特征时，应尽量使用单个体素。最后根据分析结果利用Pro/E的各种高效功能，如:拉伸、旋转等创建三维实体模型。

（2）特征建模途径。基于特征的三维实体建模是Pro/E最重要的功能之一，需要在专门进行实体造型的零件模块中进行，该模块可以制作出具有复杂外形和内腔，形状近乎任意的三维实体，形成过程快速，实体尺寸能够精确控制。Pro/E中三维实体的建构方式主要有：拉伸、旋转、扫描和混合等。除建构草绘型特征外，Pro/E还可对模型进行倒角、倒圆角、创建拔模斜度及修饰特征等。

（3）齿轮参数化特征造型。齿轮是机械行业中应用最广泛的零件之一，是齿轮传动机构的关键部分。齿轮轮齿精确的三维造型是齿轮机构动态仿真、NC加工、干涉检验以及有限元分析的基础。Pro/E在三维特征建模方面功能强大，利用其内部开发工具结合关系式功能可以很精确控制轮齿的齿廓曲面形状以及对齿轮实现整体尺寸驱动。应用造型功能强大的Pro/E软件来实现齿轮参数建模，可运用方程式控制齿廓的渐开线形状，通过参数设置来实现参数驱动建模。

模型能用于生成数控加工程序，单一数据库使用户做的每一处修改都会自动反应到全部相关位置。①齿轮建模 首先通过输入齿轮基本参数(模数m、齿数z、压力角α、螺旋角β和变位系数X等)和输入关系式控制齿廓的精确形状，接着拉伸出一个轮齿，然后利用复制和阵列命令生成其余轮齿，最后输入结构特征参数(轴孔半径、辐板厚度、轮缘厚度等)构造出齿轮的轴孔、键槽等结构特征，一个完整的参数化齿轮模型就建立完毕。齿轮几何尺寸的关系表达式如下:d=mz；db=dcosα；da=d+2mha；df=d-2m(ha+c)

D0=d；D1=db；D2=da；D3=df。 ②重定义齿轮参数 需要重新定义齿轮参数时，只需调用“工具|参数”和“工具|关系”命令就可修改，然后用“重生成”命令使改变参数后的齿轮重新生成。通过这种方法建立的齿轮模型，既保证了渐开线齿廓的正确形状，又使齿轮模型可以根据参数的改变而改变。

（4）机构其他零件实体建模。对于箱体、轴等模型，在建模过程当中需要大量地使用系统提供的建模特征。零件特征分析后，进入Pro/E的零件模块，根据零件特点，选择合适的构建方式，进入草绘环境，然后根据零件的基准平面选择合适的坐标参考面，完成二维草绘的绘制。特征造型可以采用拉伸、旋转等命令实现。三维建模是机构仿真的基础，三维实体模型包括非常丰富的设计内容。在创建模型过程中，要灵活应用模型编辑和修改工具，不断完善设计内容。

2 齿轮机构的运动仿真分析

齿轮的三维实体模型参数化设计完成之后，应利用Pro/E软件的机构运动仿真模块Mechanism进行运动仿真分析，并测量齿轮机构运动仿真中的参数(如位置、速度、加速度或力等)，然后以图形的形式，显示这些测量结果，使设计人员能够更加简便、直观地了解设计结果。在Pro/E软件环境的齿轮机构运动仿真过程中，关键步骤是需要建立两个“销钉”连接和一个“齿轮副”连接。

（1）装配变速箱。在Pro/E的标准装配模块中，首先把变速箱以常规装配约束类型中的缺省方式装配，这是保证齿轮机构运动的基础框架，也是创建“销钉”连接的前提。

（2）创建“销钉”连接。将两个齿轮按照Pro/E软件运动仿真环境的要求，分别在“装配约束”类型中”预定义”连接中以“销钉”连接方式，装配到第一步中创建的变速箱上，这是齿轮机构进行运动仿真的必要条件。

（3）添加“齿轮副”连接。在Pro/E软件装配环境的机构模块中，为第二步添加进来的两个齿轮创建“齿轮副”连接。注意：在定义“齿轮副”连接中，是通过定义两齿轮节圆直径来控制两齿轮的速度比的。在此过程中，设计人员需严格按软件要求来做，才能保证齿轮机构的运动仿真分析顺利完成，完成的齿轮机构如图1所示。

图1 直齿轮单级减速模拟机构

（4）创建伺服电机。为了完成齿轮机构的运动仿真分析，最后还需为其创建伺服电动机来驱动机构进行运动。此外，分析的结果，可以保存为回放文件，方便设计人员后期查看齿轮机构的运动仿真结果。创建完成的伺服电机在10 S内的运动轮廓如图2所示。

图2 伺服电机运动轮廓

3 结语

有别于传统齿轮机构的设计，Pro/E提供了一种更为简易且快捷的优化设计方法，更为重要的是，在其机构环境中，可以对虚拟三维模型进行全方位的运动仿真分析。设计人员据此可以高效、直观地获取设计流程中的各种信息，从而发现设计中潜在的缺陷和不足，缩短了设计周期，提高了经济效益。