1、本科毕业论文（20 届）基于 Pro/E 的齿轮减速器三维造型及参数化设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文II摘要经过四十多年的发展，CAD 技术有了长足的进步，已从二维绘图 CAD 向三维 CAD过渡，市场上已有成熟的三维 CAD 软件。三维 CAD 设计的关键是三维建模，三维模型包括线框、表面、实体以及现在最流行的基于特征的造型和参数化造型。基于特征的参数化实体造型就是这些造型技术的综合。本文就齿轮减速器进行三维造型和关键零部件的参数化设计。本课题将基于特征的参数化实体建模方法应用到齿轮减速器关键零件的计算机辅助设计
2、中，使得用户可以更方便的设计出系列产品的不同型号或对原产品进行改进。本文由以下几个部分组成：课题背景引述，齿轮减速器的三维造型技术特征，装配造型及二维工程图技术，渐开线直齿圆柱齿轮的三维参数化设计及齿轮库创建，轴的参数化设计以及两个齿轮之间的装配。本课题完成后，它可提高开发不同规格系列齿轮和轴的设计效率。关键词：齿轮减速器；基于特征；参数化；实体造型；Pro/E本科生毕业论文IIIBased on Pro/E gear reducer modeling and parametric designAbstractAfter forty years of development，CAD techn
3、ology has made great progress，from two-dimensional to three-dimensional CAD drawing CAD transition of The market has matured three-dimensional CAD software。Three-dimensional CAD design， the key is three-dimensional modeling，three-dimensional model including， wireframe，surface ，solid，and now the most
4、 popular feature-based modeling and parametric modeling。parametric feature-based solid modeling is the modeling technology integration。In this paper，Gear Modeling and key components of three-dimensional parametric design。This issue will feature based parametric solid modeling method applied to the g
5、ear reducer computer-aided design of key parts，so users can more easily design a series of different types of products or to improve the original product。This consists of the following components: background issues cited，gear reducer technical characteristics of three-dimensional modeling，assembly m
6、odeling and engineering drawing techniques，involute spur gear and three-dimensional parametric design library created gear，the axis parameters design and assembly between the two gears。Upon completion of this project，it can improve the development of different specification series gear and shaft des
7、ign efficiency。Keywords: gear reducer；feature-based；parameter ；solid modeling；Pro/E本科生毕业论文IV目 录第一章 绪论 .51.1 CAD 技术发展历程、现状和趋势 .51.2 选题的意义 .51.3 参数化设计和三维造型技术的优势 .61.4 三维参数化 CAD 技术对齿轮减速器创新设计的作用 .61.5 本课题研究的内容 .61.6 本章小结 .6第二章 齿轮减速器的三维造型技术特征 .72.1 线框造型及曲面造型技术 .72.2 实体造型技术 .72.2.1 实体模型的分类 .72.2.2 实体模型在计算
8、机中的表示方法 .72.2.3 实体造型的不足 .82.3 特征造型技术 .82.3.1 特征的定义 .92.3.2 特征的分类 .92.4 齿轮减速器主要零部件基于特征的三维造型 .92.5 本章小结 .14第三章 装配造型及二维工程图技术 .153.1 装配造型 .153.1.1 装配造型的基本概念 .153.1.2 零件装配设计基本流程 .153.1.3 装配过程中常用的配合方法 21 .153.1.4 齿轮减速器的装配过程 .153.1.5 分解（爆炸）图 .163.2 齿轮减速器齿轮的工程图 .17本科生毕业论文V3.3 本章小结 .17第四章 渐开线直齿圆柱齿轮的三维参数化 .18
9、设计及齿轮库创建 .184.1 渐开线直齿圆柱齿轮的三维参数化设计 .184.2 用族表的方式建立齿轮模型库 .254.3 本章小结 .25第五章 轴的参数化设计以及两个齿轮轴之间的装配 .265.1 轴的参数化设计 .265.2 两个齿轮轴之间的装配 .285.3 本章小结 .29第六章 结论及展望 .306.1 总结 .306.2 研究展望 .30参考文献 .32附图 1 减速器装配图 .33附图 2 减速器分解图 .34本科生毕业论文VI第一章 绪论计算机辅助设计（简称 CAD）是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。它是计算机科学和
10、工程设计学科相结合而形成的新兴技术，是计算机工程中最有影响的应用技术之一。它的迅速发展和广泛应用，给古老的工程设计和制造业带来了勃勃生机，使传统的产品设计方法与生产组织模式发生了变革。CAD 技术主要应用于下列几个方面：二维图形处理代替传统的手工绘图；将图形和符号存入图库以便在其它图形中调用；进行工程分析如有限元分析、优化设计、物理特性计算和数据管理和数据交换等；进行参数化设计，减少设计人员工作量，缩短产品设计研发周期；利用三维造型技术以实现装配、运动仿真和干涉检查。利用 CAD 技术可促进设计工作的规范化、系列化和标准化，提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本，加快产品更新换代的速度 1。
11、目前，我国制造业在世界制造业产值中占 10%。在总量上成为仅次于美、日的世界第三大制造国 2。但同时，我国并非制造业的强国，根本原因在于新产品的开发力差，创新能力不足，产品开发周期长，企业对市场的快速响应能力差。CAD 技术可以为企业缩短产品设计周期，增强市场竞争力，参与国际市场竞争提供了强有力的竞争手段，已经产生，并将产生巨大的社会，经济效益。正是由于这一点，我们国家提出以信息化带动工业化的方针，发达国家更是未雨绸缪；美国“21 世纪企业制造战略” ，日本“智能制造系统”德国“制造 2000”都利用信息技术促进制造业的现代化，所以对这一领域的研究也备受瞩目3。1.1 CAD 技术发展历程、现
12、状和趋势CAD 技术的研究起步于 20 世纪 50 年代后期，先后经历了二维绘图、线框造型、曲面造型、实体造型、参数化设计等几个发展阶段。经过 40 多年的发展，传统的 CAD 技术已渐趋成熟，并且在制造业等行业中获得了广泛的应用。由于二维绘图在许多情况下，不能完全表达其设计意图，现在人们能够在软件的支持下，直接由思维中的三维模型开始设计， 有了表达全部几何参数和设计构想的可能， 使整体设计过程能够在三维模型中分析与研究， 并能使用统一的数据，因而能够更好地完善其设计构想，从而使设计方案理想化。进入20世纪80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖的算法：“参数化实体造型方法” 。
13、其特点是：基于特征、完全约束、全数据相关尺寸驱动设计修改。Pro/E 是第一个采用参数化技术的CAD软件，它第一次实现了尺寸驱动零件设计修改。参数化造型技术的实质是实现人机交互式的智能化设计。参数化造型设计的主要内容是在不同的集合元素或特征信息之间建立尺寸关联或集合特征约束关系，特别适合于通用零件或本科生毕业论文7机器的设计 4。1.2 选题的意义减速器是介于原动机和工作机之间传递动力、增大转矩的装置，应用极为广泛。由于其结构复杂，设计中的计算过程繁琐、容易出错；零件尺寸或设计要求发生变化时，必须重新绘制其对应的零件模型，减速器的设计上消耗了大量的人力物力 5。目前，在我国的减速器设计制造行业
14、中，实现产品的设计的三维化，参数化成为主要研究方向。研究的目的是要加速减速器新产品开发的速度，并把最新 CAD 技术推广应用到减速器的设计开发当中，以提高减速器制造行业的整体 CAD 水平。1.3 参数化设计和三维造型技术的优势在 CAD 软件中进行的三维特征造型可以直接利用二维图形，通过拉伸、旋转、扫描、抽壳等方法生成具有关联和约束的三维模型；还可以直接利用修改工具在实体上进行简单的工艺造型，如倒圆角和倒角。好的 CAD 软件都提供特征库定义和相应的管理功能，设计者可以将常用的特征形状及信息方便的保存在特征库中，从而提高设计效率。但 CAD系统自身提供的特征模型库往往有一局限性，要想得到完备
15、的特征库，设计者可以设计自己的特征库。在特征造型过程中，常以特征树的形式记录产品的设计过程。特征树是特征的顺序和关系记录零件的每个特征模型的数据信息，使零件设计中的修改和编辑更加得心应手 6 。1.4 三维参数化 CAD 技术对齿轮减速器创新设计的作用创新设计是各大减速器制造商保持竞争的关键因数之一。为了更好的占领市场份额，各大减速器制造商对新产品的开发越来越重视。当然，精度越高，相应的风险和回报也越高。如何去充分利用好宝贵的开发资源，用尽可能低的成本，更高的效率推出新产品，就显得尤为重要。好的产品需要科学的策划，而科学的策划需要先进的设计和制造技术。减速器设计的智能化、快捷化已成为行业发展的
16、迫切需要 7。在新产品开发中遇到的问题和困难，一般包括以下几个方面：开发的产品无市场竞争力可言；没有把握好上市时机；企业的开发能力不足；资源分配的不合理性，资源过剩等等。从中可以看出产品开发的周期、速度，以及如何利用企业的已有资源和设计经验对企业的重要性 8。而三维参数化 CAD 技术可以很好的解决以上问题，最终成为减速器创新设计的最好选择。 1.5 本课题研究的内容本课题研究内容包括两部分：1基于 Pro/E 对减速器各零部件三维造型，利用三维通用软件的二维、三维绘图相互关联技术，实现减速器工程图纸的自动更新。2基于 Pro/E 采用程序参数化建立减速器关键零部件 -齿轮和轴的三维参数化设计
17、，本科生毕业论文8以实现齿轮和轴的参数化设计。1.6 本章小结本章介绍了 CAD 的概念，论述了 CAD 的发展历程，CAD 参数化设计从二维参数化设计到三维参数化设计的转变。这些内容有助于了解 CAD 技术的最新发展趋势。第二章 齿轮减速器的三维造型技术特征造型技术在 CAD 技术中是一项重要内容，它是 CAD 技术与其它计算机应用技术有别的重要特征。当前，造型方法主要有线框造型、曲面造型、实体造型及特征造型 9。本课题主要研究实体造型及特征造型。2.1 线框造型及曲面造型技术线框造型是 CAD/CAM 发展中最早被应用的，线框模型是由物体上的点、直线和曲线组成，是三维实体的轮廓描述，没有面
18、和体的特征。曲面造型用于一些复杂曲面的零件表面，其模型较复杂。通常通过拉伸、旋转、扫描等方法来构造曲面模型。通过各种编辑工具来对曲面进行修改。2.2 实体造型技术2.2.1 实体模型的分类实体模型的种类很多，通常我们把它分为：分解模型、边界表示模型和构造实体几何表示。随着科技的发展，近年来很多大型 CAD 系统都采用把多种模型混合起来表示的方法，这就是混合造型系统。不同实体造型系统采用不同的实体模型，不同的实体模型其内部数据结构和构造方法也不相同，不过无论哪种造型系统都可以提供完整的实体模型。2.2.2 实体模型在计算机中的表示方法现实中物体都是三维的连续的实体，但计算机却不这样表示，那计算机
19、要如何来表示呢，当然方法有很多，通常的表示方法是以下几种。1边界表示法边界表示法简称 B-Rep 法。它是通过点，点再通过三个坐标值来表示。网状的数据结构。如图 2.2.1 所示的物体。 本科生毕业论文9图 2.2.1 网状数据结构图2构造立体几何表示法构造立体几何法简称 CSG 法，这是一种通过布尔运算来表示的方法。 数据结构为树状结构，如图 2.2.2 所示:图 2.2.2 树状结构图运用 CSG 法可以很方便对实体进行局部的修改。例如在物体上倒圆等，如图 2.2.3 所示:图 2.2.3 通过附加体倒圆3混合表示法混合模式就相当于是在 CSG 树结构上扩充边界的方法，如图 2.2.4 所
20、示:图 2.2.4 混合模式结构本科生毕业论文102.2.3 实体造型的不足实体造型中存在着无实体制造加工信息的不足，如零件的材料信息，公差信息，技术要求等，当 CAD 系统向 CAM 系统传递的实体信息时出现不完整。2.3 特征造型技术特征造型可以提供产品定义的高层次描述，使产品设计在更高层次上进行，以便更好地把产品设计意图贯彻到后续过程，并及时得到反馈意见。特征造型必然要面向产品并行设计，并且作为并行设计系统体系结构的核心模块 10。一个理想的特征造型系统应具有如下功能：（1）方便设计过程； （2）为产品并行设计提供集成化产品信息模型； （3）支持产品设计过程。 Pro/E 的零件模块是通
21、过特征造型来实现零件的三维造型设计的，特征是几何体的参数化表示，通过特征操作简单灵活，同时便于修改，是符合设计者思维习惯的设计方法。目前先进的三维 CAD 软件均采用特征造型技术。2.3.1 特征的定义特征造型是以特征库中的特征或用户定义特征的实例为基本单元，建立产品特征模型，从而完成产品设计。2.3.2 特征的分类从产品整个生命周期来看，可分为：设计特征、分析特征、加工特征、公差及检测特征和装配特征等；（STEP 产品模型）从产品功能上，可分为：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征；从复杂程度上讲，可分为：基本特征、组合特征和复合特征。 一般把形状特征与装配特征叫做造型特征，因为它们是实际构造出产品外形的特征 1112。2.4 齿轮减速器主要零部件基于特征的三维造型本课题中圆柱齿轮减速器由传动零件（齿轮） 、轴、轴承、箱体及其附件等近几十个零件组成 131415，其结构见图 2.4.1 所示:
