佛新崗 郭紅星 白鈺枝 雷 蕾

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

基于Pro/E的齒輪減速器的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)

佛新崗 郭紅星 白鈺枝 雷 蕾

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

鑒于傳統(tǒng)齒輪減速器設(shè)計(jì)過(guò)程中教師檢查工作量大，開(kāi)發(fā)了一套基于 Pro/E軟件的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件。給出了軟件開(kāi)發(fā)的流程和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，使用該軟件能大大提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，加快教師的檢查速度，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

Pro/E；減速器；參數(shù)化設(shè)計(jì)

1 引言

在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)進(jìn)行齒輪減速器的設(shè)計(jì)。由于齒輪減速器的設(shè)計(jì)過(guò)程中有兩類關(guān)鍵零件——齒輪及軸，其設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，通常為了實(shí)現(xiàn)給定的傳動(dòng)比等要求，需要對(duì)同一設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行多次試算及驗(yàn)算，每調(diào)整一次參數(shù)或調(diào)整某一參數(shù)都要進(jìn)行一次設(shè)計(jì)計(jì)算，直到參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求為止，重復(fù)勞動(dòng)較多，過(guò)程繁瑣。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將研究如何開(kāi)發(fā)出一套適用于機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)用的圓柱齒輪及軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。軟件開(kāi)發(fā)完成后只需在簡(jiǎn)單的操作界面上輸入或選擇所需的設(shè)計(jì)參數(shù)，即可完成齒輪及軸的強(qiáng)度計(jì)算和校核工作，最終還可輸出所設(shè)計(jì)齒輪及軸的三維示意模型。本設(shè)計(jì)軟件能大大加快教師的檢查速度，是十分有意義的一項(xiàng)工作。

2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

Pro/E是美國(guó)PTC公司于1989年推出的CAD/CAM/CAE軟件，它具有通用性、參數(shù)化以及實(shí)體造型功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)汽車、機(jī)械和模具等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。Pro/E軟件在提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、分析、制造功能的同時(shí)，也為用戶提供了多種二次開(kāi)發(fā)工具。在Pro/E下進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是企業(yè)建設(shè)CAD項(xiàng)目，提高企業(yè)效益的一項(xiàng)重要途徑。Pro/Toolkit 是Pro/E自帶的基于C語(yǔ)言的功能最為強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具，它提供了大量的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)，能使外部應(yīng)用程序（客戶應(yīng)用程序）安全有效地訪問(wèn)Pro/E的數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序[1]。通過(guò)C語(yǔ)言程序與 Pro/E 的無(wú)縫集成，客戶和第三方能在Pro/E系統(tǒng)中添加所需的功能。所以本文在 Visual C++平臺(tái)上利用 C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)基于 Pro/E 的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)軟件。

3 軟件開(kāi)發(fā)的工作流程

以齒輪減速器為設(shè)計(jì)內(nèi)容的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的一般過(guò)程[2]是：（1）根據(jù)工作機(jī)的功率計(jì)算出電機(jī)的工作功率，再根據(jù)電機(jī)的工作功率進(jìn)行電機(jī)的選擇；（2）根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及工作機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出總傳動(dòng)比并進(jìn)行傳動(dòng)比的分配；（3）根據(jù)所分配的傳動(dòng)比進(jìn)行傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算；（4）裝配草圖的設(shè)計(jì)，其中包括軸、軸承及鍵的校核計(jì)算；（5）裝配工作圖的設(shè)計(jì)；（6）零件工作圖的設(shè)計(jì)；（7）編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。本軟件針對(duì)上述（1）-（4）中所涉及到的電機(jī)的選擇，傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及軸的校核計(jì)算進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，軟件的工作流程如圖 1 所示。

圖1　軟件開(kāi)發(fā)的工作流程

4 軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1圖表功能的實(shí)現(xiàn)

在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中會(huì)有大量的圖表要查。程序不能自動(dòng)查表和圖，必須在人為操作下完成。對(duì)于人為操作，我們不希望手工查圖冊(cè)，所以我們將所需要的圖表掃描成圖片，并將圖片嵌入到軟件的對(duì)話框中，以按鈕的形式打開(kāi)對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)查表及圖的功能。如圖 2(a)所示，為了查詢不同材料的許應(yīng)應(yīng)力。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中[3-4]，將齒形系數(shù)與應(yīng)力校正系數(shù)列于表 10-5，所以在軟件界面上規(guī)劃一個(gè)按鈕 ，點(diǎn)按此鈕可顯示齒形系數(shù)與應(yīng)力校正系數(shù)表如圖 2(b)所示。查到所需的數(shù)據(jù)后，將所需數(shù)據(jù)輸入到軟件界面的對(duì)話框中，這樣解決了查圖表的問(wèn)題。

圖2（a）　不同材料的許應(yīng)應(yīng)力

圖2（b）　齒形系數(shù)與應(yīng)力校正系數(shù)

4.2齒輪設(shè)計(jì)校核模塊的開(kāi)發(fā)

齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算是比較復(fù)雜的一個(gè)過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要滿足傳動(dòng)比的要求，又要滿足強(qiáng)度及中心距的要求，所以要多次進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和試算后才能得到滿足要求的齒輪。學(xué)生需要一天的時(shí)間以完成齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。教師給每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不一樣，且每個(gè)學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的參數(shù)也不相同，這給教師檢查學(xué)生的工作帶來(lái)了極大的不便，因此開(kāi)發(fā)了齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊。教師只需將學(xué)生設(shè)計(jì)所得的最終數(shù)據(jù)輸入到軟件中，軟件自動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并將設(shè)計(jì)結(jié)果輸出，如圖 3 所示。

圖3　齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算界面

4.3軸校核計(jì)算模塊的開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)軸的校核模塊首先要解決軸段不定的問(wèn)題。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中，一般將軸設(shè)計(jì)成為 5-7 段的階梯軸，如圖 4所示。這樣做既可滿足課程設(shè)計(jì)的要求，又簡(jiǎn)化了強(qiáng)度計(jì)算中軸段不定帶來(lái)的麻煩，也使得三維實(shí)體建模更為方便。

圖4　軸的校核界面

4.4齒輪三維示意模型的開(kāi)發(fā)

常用齒輪的齒廓曲線是漸開(kāi)線，而對(duì)于本軟件，精確地畫漸開(kāi)線沒(méi)有實(shí)際意義，因?yàn)楸拒浖饕糜跈z查設(shè)計(jì)及校核計(jì)算參數(shù)是否正確，三維模型只是一個(gè)示意性的模型，在課程設(shè)計(jì)中不做要求，所以用樣條曲線代替漸開(kāi)線來(lái)畫齒廓曲線。齒輪的結(jié)構(gòu)有許多種，如腹板式、輪輻式等，本軟件只生成實(shí)心式齒輪的三維模型。如需要特定結(jié)構(gòu)的齒輪，可在軟件生成的實(shí)心齒輪的基礎(chǔ)上進(jìn)一步操作形成各種結(jié)構(gòu)形式的齒輪。圖 5 為軟件生成的齒輪的三維示意模型。

4.5軸三維示意模型的開(kāi)發(fā)

軸的三維建模通過(guò)在圖 4 所示的軸的校核界面中已經(jīng)輸入了各段軸的軸徑和軸段長(zhǎng)度。軸的各軸段可由軸徑圓按軸段長(zhǎng)度進(jìn)行拉伸得到。至此完成軸的三維示意模型建模，如圖 6 所示。至于軸的具體結(jié)構(gòu)，如軸端倒角，軸段圓角等可在所生成的示意模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步操作形成所需的軸。

圖5　齒輪的三維示意模型

圖6　軸的三維示意模型

5 小結(jié)

本文研究了齒輪減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法及關(guān)鍵零部件的二次開(kāi)發(fā)要點(diǎn)。本軟件可用于減速器設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)的選擇，齒輪及軸強(qiáng)度及校核計(jì)算的檢查，并可輸出齒輪及軸的三維實(shí)體模型。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明將機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)與機(jī)械CAD/CAM軟件應(yīng)用實(shí)訓(xùn)整合為機(jī)械設(shè)計(jì)課程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以提高實(shí)訓(xùn)成效，有助于解決實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)輔助實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以降低教師準(zhǔn)備工作量，使教師專注于學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)與CAD應(yīng)用能力培養(yǎng)，有助于提高實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)質(zhì)量。使用三維CAD軟件可以方便地檢查設(shè)計(jì)缺陷,有助于提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理性、圖樣完整性和規(guī)范性。

[1] 張繼春.Pro/ENGINEER二次開(kāi)發(fā)實(shí)用教程[M].北京:北京大學(xué)出版社,2003:1-49,351-353.

[2] 宋寶玉,王連明. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2008:1-3,87-107.

[3] 吳立軍,陳波. Pro/ENGINEER 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2003.

Based on Pro/E gear reducer parameterization design system of research and development

In view of the traditional gear designing course teachers to check the workload and developed based on Pro/E software of computer aided training system software. The key technology of software development process and development is given. Practice has proved that the use of the software can greatly improve the ability of students to design, speed up the examination of teachers, reform the traditional teaching method and improve teaching quality.

Pro/E; Gear Reducer; Parametric Design

TH 138.9

A

1008-1151(2015)06-0078-03

2015-05-10

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度自選科研課題立項(xiàng)項(xiàng)目（14XK-ZY004）。

佛新崗（1981－），男，陜西富平人，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造教研室講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控加工。