基于Pro/E的齒輪減速器的參數化設計系統的研發

佛新崗 郭紅星 白鈺枝 雷 蕾

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

基于Pro/E的齒輪減速器的參數化設計系統的研發

佛新崗 郭紅星 白鈺枝 雷 蕾

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

鑒于傳統齒輪減速器設計過程中教師檢查工作量大，開發了一套基于 Pro/E軟件的計算機輔助實訓系統軟件。給出了軟件開發的流程和開發的關鍵技術。實踐證明，使用該軟件能大大提高學生的設計能力，加快教師的檢查速度，改革傳統教學方法，提高教學質量。

Pro/E；減速器；參數化設計

1 引言

在機械設計課程設計中經常會進行齒輪減速器的設計。由于齒輪減速器的設計過程中有兩類關鍵零件——齒輪及軸，其設計過程比較復雜，通常為了實現給定的傳動比等要求，需要對同一設計過程進行多次試算及驗算，每調整一次參數或調整某一參數都要進行一次設計計算，直到參數滿足設計要求為止，重復勞動較多，過程繁瑣。針對上述問題，本文將研究如何開發出一套適用于機械設計課程設計輔助教學用的圓柱齒輪及軸的參數化設計軟件。軟件開發完成后只需在簡單的操作界面上輸入或選擇所需的設計參數，即可完成齒輪及軸的強度計算和校核工作，最終還可輸出所設計齒輪及軸的三維示意模型。本設計軟件能大大加快教師的檢查速度，是十分有意義的一項工作。

2 軟件開發平臺的選擇

Pro/E是美國PTC公司于1989年推出的CAD/CAM/CAE軟件，它具有通用性、參數化以及實體造型功能強等優點，在國內汽車、機械和模具等多個行業得到廣泛應用。Pro/E軟件在提供強大的設計、分析、制造功能的同時，也為用戶提供了多種二次開發工具。在Pro/E下進行二次開發，是企業建設CAD項目，提高企業效益的一項重要途徑。Pro/Toolkit 是Pro/E自帶的基于C語言的功能最為強大的二次開發工具，它提供了大量的C語言庫函數，能使外部應用程序（客戶應用程序）安全有效地訪問Pro/E的數據庫和應用程序[1]。通過C語言程序與 Pro/E 的無縫集成，客戶和第三方能在Pro/E系統中添加所需的功能。所以本文在 Visual C++平臺上利用 C++語言開發基于 Pro/E 的機械設計課程設計輔助教學軟件。

3 軟件開發的工作流程

以齒輪減速器為設計內容的機械設計課程設計的一般過程[2]是：（1）根據工作機的功率計算出電機的工作功率，再根據電機的工作功率進行電機的選擇；（2）根據電機的轉速及工作機的轉速，計算出總傳動比并進行傳動比的分配；（3）根據所分配的傳動比進行傳動件的設計計算；（4）裝配草圖的設計，其中包括軸、軸承及鍵的校核計算；（5）裝配工作圖的設計；（6）零件工作圖的設計；（7）編寫設計說明書。本軟件針對上述（1）-（4）中所涉及到的電機的選擇，傳動件的設計計算及軸的校核計算進行編程開發，軟件的工作流程如圖 1 所示。

圖1　軟件開發的工作流程

4 軟件開發的關鍵技術

4.1圖表功能的實現

在機械設計課程設計中會有大量的圖表要查。程序不能自動查表和圖，必須在人為操作下完成。對于人為操作，我們不希望手工查圖冊，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話框中，以按鈕的形式打開對話框實現查表及圖的功能。如圖 2(a)所示，為了查詢不同材料的許應應力。在機械設計課程設計中[3-4]，將齒形系數與應力校正系數列于表 10-5，所以在軟件界面上規劃一個按鈕 ，點按此鈕可顯示齒形系數與應力校正系數表如圖 2(b)所示。查到所需的數據后，將所需數據輸入到軟件界面的對話框中，這樣解決了查圖表的問題。

圖2（a）　不同材料的許應應力

圖2（b）　齒形系數與應力校正系數

4.2齒輪設計校核模塊的開發

齒輪的設計計算是比較復雜的一個過程。在設計過程中，既要滿足傳動比的要求，又要滿足強度及中心距的要求，所以要多次進行參數調整和試算后才能得到滿足要求的齒輪。學生需要一天的時間以完成齒輪的設計計算。教師給每個學生的設計數據不一樣，且每個學生在設計時所選擇的參數也不相同，這給教師檢查學生的工作帶來了極大的不便，因此開發了齒輪的設計計算模塊。教師只需將學生設計所得的最終數據輸入到軟件中，軟件自動進行設計計算，并將設計結果輸出，如圖 3 所示。

圖3　齒輪的設計計算界面

4.3軸校核計算模塊的開發

開發軸的校核模塊首先要解決軸段不定的問題。在機械設計課程設計中，一般將軸設計成為 5-7 段的階梯軸，如圖 4所示。這樣做既可滿足課程設計的要求，又簡化了強度計算中軸段不定帶來的麻煩，也使得三維實體建模更為方便。

圖4　軸的校核界面

4.4齒輪三維示意模型的開發

常用齒輪的齒廓曲線是漸開線，而對于本軟件，精確地畫漸開線沒有實際意義，因為本軟件主要用于檢查設計及校核計算參數是否正確，三維模型只是一個示意性的模型，在課程設計中不做要求，所以用樣條曲線代替漸開線來畫齒廓曲線。齒輪的結構有許多種，如腹板式、輪輻式等，本軟件只生成實心式齒輪的三維模型。如需要特定結構的齒輪，可在軟件生成的實心齒輪的基礎上進一步操作形成各種結構形式的齒輪。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發

軸的三維建模通過在圖 4 所示的軸的校核界面中已經輸入了各段軸的軸徑和軸段長度。軸的各軸段可由軸徑圓按軸段長度進行拉伸得到。至此完成軸的三維示意模型建模，如圖 6 所示。至于軸的具體結構，如軸端倒角，軸段圓角等可在所生成的示意模型的基礎上進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

本文研究了齒輪減速器參數化設計的方法及關鍵零部件的二次開發要點。本軟件可用于減速器設計時電機的選擇，齒輪及軸強度及校核計算的檢查，并可輸出齒輪及軸的三維實體模型。通過教學實踐證明將機械設計課程設計與機械CAD/CAM軟件應用實訓整合為機械設計課程計算機輔助設計可以提高實訓成效，有助于解決實訓過程中的難點問題。計算機輔助實訓系統的開發可以降低教師準備工作量，使教師專注于學生的機械設計與CAD應用能力培養，有助于提高實訓指導質量。使用三維CAD軟件可以方便地檢查設計缺陷,有助于提高產品結構合理性、圖樣完整性和規范性。

[1] 張繼春.Pro/ENGINEER二次開發實用教程[M].北京:北京大學出版社,2003:1-49,351-353.

[2] 宋寶玉,王連明. 機械設計課程設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2008:1-3,87-107.

[3] 吳立軍,陳波. Pro/ENGINEER 二次開發技術基礎[M].北京:電子工業出版社,2006.

[4] 濮良貴.機械設計[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

西安航空職業技術學院2014年度自選科研課題立項項目（14XK-ZY004）。

佛新崗（1981－），男，陜西富平人，西安航空職業技術學院航空制造工程學院計算機輔助設計與制造教研室講師，工學碩士，研究方向為計算機輔助設計與制造、數控加工。