数字化设计 ｌｇｌＬａｌ Ｊ一，ｃ ｌｇＩｌ豳豳黼 豳豳豳豳豳 豳豳豳鞠豳豳豳豳豳豳—豳鞫瞄豳 。 本文介绍了在Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ环境中利用 “工具”中的“参数”和“关系”命令建立二级齿轮减速器传动 系统的参数化实体模型，并在“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ” 喜块中进行机构运动仿真。在“Ｍｅｃｈａｎｉｃａ”模块中进行结构分 析，这些都为进一步优化提供了依据。 二级齿轮减速器 传动系统的 参数化建模及机 构仿真 口郑州电力高等专科学校毛汝生赵东辉 Ｐ ｒｏ／Ｅ ＮＧＩＮ Ｅ Ｅ Ｒ软件的特点是建立 一、 齿轮传动系统参数化 （２）选择“工具”一“关系“，添加 实体造型、单一数据库和基于特征的 模型的建 ：立 下列关系式：ｄ＝ｍ＊ｚ，ｄｂ＝ｍ＊ｚ＊ｃｏｓ（ａｎｇｌｅ） 造型与参数化设计等，代表了当前ＣＡＤ／ ＣＡ 应用软件先进的技术。齿轮传动是 机械传动中应用最广泛的一种传动形Ｉ．标珀 圆柱齿轮参数及相应关系（１）参 故有齿数ｚ、模数ｍ、压力角 ｄ ＝ｍ （Ｚ＋２ ｈ ），ｄ ｆ＝ｍ Ｚ一 ｍ （ｈ ＋ｃ） ｄｏ＝ｄｆ ｄ１＝ｄ ｂ ｄ２＝ｄ ｄ３＝ｄ 。接 ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｇｌｅ（２０。）、齿＃Ｅｐ、齿 着利用“插入基准曲线”命令，从“方 式，可以用于传递两轴之间的运动和 项圆直径ｄ 、齿根圆直径ｄ 、分度圆直 程”一“选取”一“柱坐标”，打开 动力。运用Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ￣，Ｉ￣，我们可 径ｄ及基圆 直径ｄｂ。 以在真实的齿轮传动装置建造前建立 【 ）爹 数间的关系有：ｄ ｍ ｚ，记事本，填写下列关系：ｘ＝ｔ＊ｓｑｒｔ（（ｄ／ ｄｂ） 一１），ｙ＝１８０／ｐ１，ｒ＝Ｏ．５＊ｄｂ＊ｓｑｒｔ（１＋ｘ￣）， 整个机械系统的虚拟样机，并通过各 ｐ 兀 ｍ， ｄ ｂ ｄ Ｃ ０ Ｓ（Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔｈｅｔａ＝ｘ＊ｙ—ａｔａｎ（ｘ），ｚ＝Ｏ。再点击“保 种仿真分析对其进行工作性能预估和 结构优化。 Ｐ ｒ。／Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ的关系工具 “Ｒｅ］ａｔ１。ｎ”包括数学关系和程序语 ， ｇ ｌ ） ｍ ｚ＊ｃｏｓ（ｐｒｅｓｓｕ ｒｅ ａ ｎｇｌｅ）， ｄａ—ｍ （ ＋２・Ｉ ，ｄｒ＝ｍ （ｚ一２．５）。 ２＿并４用 关系式制作齿轮的具体步骤 存”一“退出”，就建立了渐开线。 ３』手《用渐开线建立齿轮的轮廓 选择“插入”一“特征”一“复 ，，… 。 绘四个圆，然后选择“工 制”一“镜像”（“旋转”），复制 １所示。 的主要作用是将设计意图转化 数”，填写齿轮参数，如 渐开线，然后利用“拉伸”命令制作 第一个齿轮齿，如图２所示。 成尺寸符号“Ｓｙｍｂｏ ｌｉｃ Ｄ１ｍｅｎｓｉｏｎ”、 数值参数“Ｐａ ｒａｍｅｔｅ ｒ”及其他语法ＤＥＳＣＩ￣ＩＰ… 字符串 回 “ＳｙｎｔａＸ”，经设计变动后依然保持８０ＤＥＬＥＤ ＢＹ 字符串 回原有的关联性。它可以存在于２Ｄ截ＰＴＣ＿ＣＯ￣… 字符串 ｌ墨墨置暇Ｉ 团 面“ＳｋｅｔＣｈ”、特征“Ｆｅ ａｔＵ ｒｅ”、 ｚ 整数 ５５ 口零件“Ｐａ ｒｔ”及装配组件“Ａｓｓｅｍｂｌｅ ＂ 实数 ２ Ｏ００００Ｏ 口 Ｉ — Ｉｉｉ Ｉｌ 全 用户定义的 唣 全 用户定义的 ｌ 全 用户定义的１ｉｎ￣ｉ ａｎ 唣 全 用户定义的齿数 ｌ 全 用户定义的桓数 一 Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ”等中，作为表达设计意 ＾ＮＧＩ卫 图的一种手段。 实数 实数 实数 ２０．“ＭＰ ｒｏ／Ｅ Ｎ ＧＩ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ的机构运动模块 Ｃ 态，“Ｍｅｃｈａｎｉｃａ”结构分析模块使我 ｅｃｈａ ｎ１ ｓｍ”使机构由静态变为动 ００００００ ００００００ ０２５００００ １．．口 ｌ 全 用户定义的压力角 。 口舌ｌ 全 用户定义的齿顶高系数 口 ｌ 全 用户定义的齿间隙系数 Ｅ二］ ●崔！迫定 关系 分度圃直径 实数ｌｌＯ．Ｏ０００ＯＯ 们对结构运动学、动力学、热传导和 ＤＢ 耐用性等性能进行测试，并据此优化 ＤＡ 设计。它把建立物理原型的需要降到 ＤＦ 实数 实数 实数 １０３．３６６１８８ 圈 ●填定 关系 Ｉ１４ ００００００ １０５．００００００ 基圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 口 口 ●锁定 。关系 ●锁定 关系 最小，提高了创造性，并有助于在更 Ｂ ６６ ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化・ＷＷＷ ｉｃａｄ ＣＯｒｎ ｃｎ 实数 ０．Ｏ００００Ｏ 口 ｌ 全 用户定义的齿厚 Ｄｉｇｉｔａｌ Ｄｅｓｉｇｎ 数字化设计 干涉体积有多大等。根据仿真结果 对所设计的零件进行修改，直到不 产生干涉为止。 １．创建机构 既然组件要运动，那么在组装 时组件就不能完全被约束，而是要部 分被约束。不过，部分约束不是组装 不完全，而是根据各组件的运动形态 及彼此间的相对运动情况，通过各 种连接的设定来各组件的自由 度。在Ｐ ｒｏ／ＥＮＧＩ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ ２．０中提供了多 ４刑用阵列命令得到齿轮坯 种连接形式，如刚性（Ｒ１ ｇ １ ｄ）、销 执行陈列命令，得到齿轮轮坯 钉（Ｐｊｎ）、渭动杆（Ｓ］１ｄｅｒ）、圆柱 （Ｃｙ］１ ｎｄｅｒ）、平面（Ｐ］ａｎ ａ ｒ）、球 如图３所示。 （Ｂａｌ１）和轴承（Ｂｅａｒｉｎｇ）等。 （１）启动Ｐ ｒｏ／Ｅ Ｎ ＧＩ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ后，点击 “文件”一“新建”一“组件”（子 类型是设计），然后在“名称”对 ２，机构仿真 话框中输入名称，再去掉“使用缺 （１）从菜单栏中依次选择“应用 省模板”，最后单击“确定”。在 程序”一“ＭｅＣｈ ａ ｎ Ｓｍ”选项，进入 出现元件放置对话框后，点击“连 “Ｍｅｃｈａ ｎ１ ｓｍ”工作环境。单击菜单 接”一“自动”一“缺省”，最后放 栏中的“Ｍｅｃｈａ ｎ１ ｓＩｌｌ”一“连接”选 置好减速器下箱体（托架）。 项，此时系统将弹出“连接组件”对 （２）单击特征操作按钮的“增加 话框。单击对话框中的“运行”按 组件”，此时系统弹出“打开”对话 钮，检查装配的连接情况。若连接成 框，选择元件进行“连接装配”（选 功，系统将弹出“连接成功”对话 用的是“销钉连接”）。 框，单击对话框中的“是”按钮，确 至此齿轮基本完成。至于本文用 （３）剩下元件的组装步骤和上～步 认检查结果。若连接不成功，则可根 到的斜齿轮建模方法与上述步骤基本一 步骤（２）的基本一样。至于最后的螺 据系统的提示，找出原因，直到连接 致，比较特殊的一点是，在建立齿轮轮 栓、螺母和垫圈就用“放置”命令来 成功。 廓时要用到“混合”这个高级命令。 装配。 （２）单击特征操作按钮区的“齿轮 最终组装好的二级圆柱齿轮减速 副”按钮，打开齿轮副对话框；单击 二、机构的运动学分析和 器如图４和图５所示。 “新建”按钮，打开齿轮副定义对话 仿真 在装配时应该注意一个问题：齿 框，接受系统默认的名称和传动类型。 Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥ ＥＲ Ｗ１］ｄｆｉｒｅ的运动 轮首先和轴建立子装配，约束可以选 选择高速齿轮的连接作为连接轴，系统 学分析模块“Ｍｅｃｈａｎ１ｓｍ”可以进行 择齿轮轮毂与轴的台阶面配合和轴线 自动选取齿轮的主体和减速器下箱体 装配的运动学分析和仿真。这样可 对齐的方式，同时还要建立一个与键 （托架），在“节圆直径”栏的输入框 以使得原来在二维图样上难以表达 的约束，这样才可以使齿轮在运动过 中输入数值。单击齿轮副定义对话框中 和设计的运动变得非常直观和易于 程中与轴一起转动。此时的齿轮应该 的“齿轮２”选项卡，显示有关齿轮２的 修改，并且能够大大简化机构的设 是完全约束，然后再调入总的运动组 对话框。选取中速齿轮的连接为连接 计开发过程，缩短开发周期，减少 装图，这时运动方式不会出现问题。 轴，系统自动选择主体和减速器下箱体 开发费用，同时提高产品质量。在 但若在总装图中依次调入零件进行齿 （托架），在“节圆直径”栏的输入框 Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ Ｗ１１ｄｆｉｒｅ中，运动仿 轮装配，仍按照上述约束，那么在进 中输入直径，如图６所示。 真的结果不但能以动画的形式表现 行机械运动仿真时，就会出现过约 （３）单击“确定”按钮，然后按照 出来，还以参数的形式输出，从而 束，机构无法运动，解决问题的方法 上一步｛２）中的步骤建立另外一个齿 可以获知零件之间是否存在干涉、 是必须去掉一个约束。 轮副。 ＣＡ［３／ｃＡＭ与制造业信息化・２００８年第１ １期 数字化设计 Ｄｉｇｉｔａｌ Ｄｅｓｉｇｎ 析对话框。 发的有限元软件，该软件可以实现与 （６）结果分析及显示：单击特征 Ｐｔｏ／Ｅ ＮＧＩ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ的完全无缝集成。同其 操作按钮区的“测量”按钮，打开测 他有限元软件相比，绝大部分有限元 量结果对话框，接受“图形类型”栏 分析软件的几何建模功能比较弱，这 中系统默认的“测量与时间”；再单 些有限元软件通过ＩＧ ＥＳ格式或者ＳＴＥＰ （４）单击特征操作按钮区的“伺服 击对话框中的“创建新测量”，在对 格式进行数据交换，而这样做最大的 电动机”按钮，打开伺服电动机对话 话框的“类型”栏中选取“速度”； 弊端在于容易造成数据的丢失，因 框；单击“新建”按钮，打开伺服电 再在驱动齿轮轴上选择一点，接受 此常常需要花费大量的时间与精力 动机定义对话框，接受系统默认的名 系统默认的评估方法“每一时间步 进行几何模型的修补工作。使用Ｐ ｒｏ／ 称，在模型窗ＩＺ］中选取连接轴作为伺 距”。单击测量定义对话框中的“确 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ恰好可以克服这一点，该软 服电动机驱动对象。选取完成之后， 定”按钮，完成测量定义，返回测量 件直接利用Ｐｒｏ／ＥＮＧＩ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ的几何模型 模型中显示一紫色箭头，表示运动的 结果对话框。用同样的方法，再新建 进行有限元分析。因此，可以说Ｐ ｒｏ／ 方向，参考对象呈绿色显示，被驱动 另外两个轴上点的测量。测量结果如 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ软件可以真正使我们将精力 对象（高速轴）呈蓝色显示。 图８所示。 集中在设计工作中，在设计初期就将 设计和分析结合起来，从而实现智能 设计。 Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ模块是 单击伺服电动机定义对话框中 的“轮廓”按钮，在“规范”栏中选 择“速度”选项。选择对话框中的 “当前”项，默认当前轴的位置为零 立件∞三、结构分析 Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ是美国ＰＴＣ公司开 视田∞橹式啦） 位置。在“模”栏中选择“常数”， 表示驱动器以常数形式运行。在“速 赫 鼍口 囤 置 度”栏中输入２００。单击伺服电动机定 义对话框中的“测量”按钮，查看电 动机的工作曲线，如图７所示。单击 “确定”按钮完成驱动器的定义。 （５）单击特征操作按钮区的“分 析”按钮，打开分析对话框：单击 “新建”按钮，打开分析定义对话 框，接受系统默认的分析名称和运动 分析类型，以及显示时间格式。单击 “运行”按钮，可以观察齿轮机构运 动情况。单击分析定义对话框中的 “确定”按钮，同时把运行结果存入 数据集。单击“关闭”按钮，退出分 ６８ ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化・ｗｗｗ ｉｃａｄ ｃｏｒｎ ｃｎ DigitalDesign数字化设计Pro／MECHANICA软件强大的结构分析软件包，它可以使我们对设计模型在真、实环境下的结构性能进行评估和优化。研究MECHANICA进行有限使用Pro／元分析的基本步骤如下。(1)打开已经建好的齿轮模型零件(2)进入Pr0。MECHANICA模／“块中序“”，在菜单上选择“应用程，一Me”chan，1”ca单击”C0ntlnue按钮选择系统进入Pro／“MECHANICA环境：St。ructure，系统进入结构分析主界面(3)定义材料属性，依次单击”““属，性”一“材料，”一“Assign”一Part”选取模型义的定l。单击Close“按钮，完成材料果在St”“一插入”一“Resu”ltWindow“”。W1]dflre”2O环境中利用．“工具”中”“StdYu”dySelection“中的”Desig，n的“参数和“关系，”命令建立系统Mec(4)添加约束。(5)添加基本应力(6)建立。u下方单击，浏览”按钮。选参数化实体模型“在“han1s，Ill择完成后，”单击“0Pen按钮”以后模块中进行机构运动仿真Mec在分析任务“进行有“根据需要显示的结果来选取不同的选项，hanica。”模块中进行结构分析的至于其他的机械产品设限元计算。单击，分析na一分d最后单击，“OKandShow。按钮即方法与步骤析与设计De“”在u“A”]YSesan可显示结果如图9所示计，可以参照此方法进行。r稠s1gn一St“d1es”对话框中选择tic”……F1FNeweta，以后四、结束语，只需点击“Clos即可。。本文以机械行业中应用广泛的齿选择“(7)显示计算结果结轮减速器为例ENGINEER介绍了在Pro／CAD／CAM与制造业信息化2008年第11期69
