基于特征的齒輪三維參數化建模

2013-05-22  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

 袁衛華
關鍵字:齒輪 參數驅動建模 CAD
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本文針對現有齒輪設計手段的不足,講CAD/CAE技術引入齒輪設計開發領域。本文運用proe軟件建立了一個三維參數驅動圓柱齒輪模型,此模型既保證了齒廓的漸開線形狀,有使其能夠根據輸入的一些關鍵參數而改變尺寸和形狀。本文提出的基于參數驅動思想的設計方便是我們的設計工作實現智能化,快速化,對于提高設計質量,縮短設計周期,降低產品成本,快速滿足市場需求具有重要的意義

    現代產品的設計開發要能迅速地適應市場變化。傳統齒輪設計方法設計效率低,參數修改不能自動反應到產品的圖樣中。
   
    本文努力尋求-種能支持產品設計自動化的現代設計方法,借助計算機及相應軟件迅速、高效、準確地進行參數驅動設計分析,改變傳統齒輪建模方法效率低、易出錯的局面,提高產品設計效率、陣低產品成本、縮短設計周期、快速滿足市場需求。在傳統的齒輪圖樣繪制過程中,齒廓的漸開線形狀往往用圓弧或樣條曲線近似代替,這種設計圖紙不能直接用于數控編程與數控加工,而且當齒輪的某一參數發生變化時就需要繪制圖紙,這給設計帶來很大的不方便,效率較低。本文考慮借助proe強大的三維造型功能、易于實現齒輪參數驅動、可自動生成加工程序等優點,用漸開線方程來控制齒輪齒廓的漸開線形狀以及對齒輪實現整體尺寸驅動,實現三維參數驅動建模。
   
    proe是被廣泛使用的CAD優秀軟件,作為新一代的產品造型系統,proe它有強大的三維建模功能和二次開發工具。 其設計思想先進。 proe提出的單-數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念改變了機械CAD/CAE/CAM的傳統觀念,這種全新的概念已成為當今世界機械領域的新標準。
   
    1 設計思路
   
    為了實現只須輸入一些關鍵參數〈如模數、齒數、壓力角、螺旋角、變位系數等齒輪基本參數和輸孔半徑、輻板厚度、輪緣厚度等結構特征參數) 。系統就能夠自動生成齒輪模型,在構造齒輪造型前,要把這些關鍵參數設置為可以輸入的參數,井設置數學關系式計算出其它相關數據〈如分度圓半徑、齒輪圓半徑等) 。
    
    建立參數驅動齒輪模型的步驟為;置可輸入參數→添加基本圓的數學關系式→生成漸開線齒廓曲線→生成一個輪齒→復制生成第二個輪齒→陣列生成其它輪齒→建立齒輪的結構特征。
   
    2 設置可輸入參數
   
    首先在proe中建立一個新文件。單擊"文件|新建|零件,輸入零件名稱gear,不勾選"使用缺省模板,單擊"確定"按鈕,在彈出的選項菜單中,選擇公制單位"mms_part_solid",單擊"確定按鈕。這時基準坐標系PRT_CSYS_DEF及基準面RIGHT、TOP、FRONT顯示在界面上。
   
    然后用"工具|參數"命令定義齒輪的六個基本參數〈模數M、齒數Z、壓力角PRSANGLE、齒頂高系數HA、齒隙系數C、齒寬WIDTH)并賦給一定的初始值;定義齒輪的4個基本圓參數〈分度圓D、基圓DB、齒頂圓OA、齒根圓DF),不用賦初始值,因為這4個參數應由關系式控制。
   
    3 添加基本圓的數學關系式
   
    用繪制任意尺寸的4個基本圓曲線,用"工具|關系命令,在彈出的窗口中添加齒輪各幾何尺寸的關系表達式,為以后的齒輪造型提供參數化控制,關系式如下:
    d=m.z
   
    db=d.(cos(prsangle))
   
    da=d+2.m.he
   
    df=d-2.(ha+c).m
   
    width=faib.d
   
    DO=d
   
    Ol=db
   
    02=da
   
    D3=df
   
    注意:后4個關系式等號左側是通過(從屏幕中插入尺寸符號)在屏幕上分別拾取4條曲線獲取的,而不是直接輸入的
   
    4 生成漸開線齒廓曲線
   
    用創建基準曲線,將出現一個曲線選項菜單,選擇“從方程”選項,打擊“完成”按鈕,這時會提示選擇坐標系,選擇零件的默認坐標系.接著選擇Cartesian坐標,系統將彈出一個記事本文件rel.ptd。把漸開線方程輸入到此文件中后,就能生成漸開線形狀的曲線.漸開線方程如下:
   
    x=t.sqrt((da/db)2- 1)
   
    y=180/pi
   
    r=O.5.db.SQrt(l+x2)

    theta=x . y-atan(x)
   
    z=o
   
    生成的漸開線輪廓如圖1所示.

   圖1 生成單側漸開線齒廓

    接著把這條單側齒廓線鏡像復制,并倒出齒根圓角,加上齒頂圓、齒根圓部分就生成了一個完整的輪齒輪廓曲線,如圖2所示.
 

圖2 生成完整的輪齒齒廓

    5 生成一個輪齒
   
    用"拉伸命令建立一圓柱齒輪毛拯,通過“ ”命令使毛坯的直徑與齒頂圓重合,拉伸寬度用參數width控制.結果如圖3所示.

圖3 拉伸創建的第1個齒輪特征

    6 復制生成第二個輪齒
   
    在陣列出其它輪齒前,首先必須用復制命令復制出第二個輪齒.單擊“復制”圖標.任意輸入兩個齒間的角度,最后通過“關系”窗口將此參數改為"360/z" (其中z為定義的齒數多數) .
   
    7 陣列生成其它輪齒
   
    選取上面復制出的第二個輪齒特征.單擊"陣列"圖標,用鼠標選取兩齒間的角度作為第1方向上的陣列驅動尺寸,為并用關系式控制驅動尺寸為"360/z",陣列特征數目為"z-I",就生成了所有的輪齒.這時齒輪的基本模型造型就完成了.
   
    8 建立齒輪的結構特征
   
    利用proe軟件建立齒輪結構特征是比較容易的.挖出軸孔及鍵槽,添加相關參數控制,以使用戶能修改軸孔及鍵槽的尺寸.最終生成的齒輪如圖4所示.
 

   圖4 建立齒輪的結構特征

    9 小結
   
    通過這種方法建立的齒輪模型,既保證了漸開線齒廊的正確形狀,又使齒輪的尺寸可以根據參數的輸入或改變而改變.當需要重新定義齒輪參數時.只需調用"工具|參數"和"工具|關系"命令就可修改,然后用"重生成"命令便改變參數后的齒輪重新顯示在屏幕上.
   
    本文針對齒輪這類復雜零件要實現三維參數驅動建模,選擇了proe軟件,它造型功能強大,可通過方程式控制齒廓的開線形狀,通過參數設置來實現參數驅動建模,模型能用于生成數控加工程序,而且單一數據庫使用戶傲的每一處修改都會自動反應到全部相關位置.齒輪建模首先通過設置多數和輸入方程式控制齒廓的精確形狀.接著拉伸出一個輪齒,然后利用復制和陣列命令生成;it余輪齒,是后構造出齒輪的軸孔、鍵槽等結構特征.一個完整的參數化齒輪模型就建立完畢.以后用戶只需修改參數即可重新生成新的齒輪.

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