基于Creo 創建參數化鏈輪的 方法及應用

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Creo是美國PTC公司的三維CAD／CAM系統，它提出了真正的全相關性、單一的數據庫和基于特征的參數化造型等概念，已成為當今世界機械設計領域的新標準。Creo Parametric的參數化是指將表示零件或組件的形狀和拓撲關系由賦予它們的特征值來控制，這些特征值可能與其他特征值相關聯。參數化設計是一種使用重要幾何參數快速構建和修改幾何模型的三維建模方法，不同于傳統的設計方法，它存儲了設計的整個過程，能設計出一系列而非單一的形狀和功能上具有相似的產品模型。具有以下特點：

◎ 參數化設計能夠使工程設計人員不需要考慮細節而能盡快草繪出零件圖，并可以通過變動某些約束參數而不必運行產品設計的全過程來更新設計；

◎ 對于形狀大致相似的一系列零件，只需修改參數，即可生成新的零件，從而大大提高了零件設計效率，在成組技術中利用這些手段是很有益的；

◎ 參數化設計將圖形尺寸與設計條件(或約束條件)相關聯，即將圖形尺寸看作設計條件的函數，當設計條件發生變化時，圖形尺寸便作相應的變化。

一、鏈輪的齒槽廓形及幾何尺寸的計算

滾子鏈與鏈輪的嚙合屬于非共軛嚙合，只要鏈條滾子能夠平穩、自由地進入嚙合和退出嚙合，且嚙合時滾子與齒面接觸良好即可，因此，鏈輪齒形的設計可以有較大的靈活性。國家標準GB/T 1243-2006《傳動用短節距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》中沒有規定具體的鏈輪齒形，僅規定了滾子鏈輪齒槽的齒面圓弧半徑re、齒溝圓弧半徑ri和齒溝角α的最大值和最小值，因此，鏈輪的實際齒槽形狀，應在最大齒槽形狀和最小齒槽形狀的范圍內。目前，最常用的鏈輪端面齒形是是“三圓弧一直線”齒形，也稱作凹齒形，如圖1所示。本文按照“三圓弧一直線齒形”的方法，創建鏈輪的三維建模并對其幾何驅動尺寸進行參數化。

圖1 三圓弧一直線齒形的齒槽形狀

三圓弧一直線齒形的齒槽形狀的幾何參數，主要有分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒側凸緣（或排間槽）直徑、齒溝半角、齒溝圓弧半徑、工作圓弧半徑、工作段圓弧中心角、齒頂圓弧半徑及齒形半角等，其計算公式如表1所示。

表1 鏈輪的計算公式

名稱 代號 單位 計算公式齒側凸緣（或排間槽）直徑df df =d-d1 dg dg≦Pc tg（180 °/z）-1.04h2-0.76 r1 r1=0.5 025d1+0.05 α/2 α/2=5 5-60 °/z M M=0.8 d1sin(α/2) T T=0.8 d 1cos(α/2) r2 r2=1.3 025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3 d1sin(180 °/z) mm dg ≤Pctg（180 °/z）-1.04h2-0.76齒溝圓弧半徑df df =d-d1 dg dg≦Pctg（180 °/z）-1.04h2-0.76 r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3 d1sin(180 °/z) mm df df =d-d1 dg dg≦Pctg（180 °/z）-1 r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) 齒溝半角df df =d-d1 dg dg≦Pctg（180 °/z）-1.04h2-0.76 r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8 d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8cosβ-1.3025)-（ °）df df =d-d1 dg dg≦Pctg（180 °/z）r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z)V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8工作圓弧中心的坐標dg dg≦Pctg（180 °/z）-1.04h2-0.76 r1 r1=0.5 025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8cosβ-1.3025)-mm dg dg≦Pctg（180 °/z）-r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8c dg dg≦Pctg（180 °/z）-1.04h2-0.76 r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8cosβ-1.3025)-mm dg dg≦Pctg（180 °/z）-r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8c工作圓弧半徑 r2 mm dg dg≦Pctg（180 °/z）-1 r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8co γ/2 γ/2=17-64 °/Z 工作段圓弧中心角 β （ °）dg dg≦Pctg（180 °/z）r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z V V=1.3d1sin(180 °/z)r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8 γ/2 γ/2=17-64 °/Z 齒頂圓弧中心的坐標W mm dg dg≦Pctg（180 °/z）-1.r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8cos γ/2 γ/2=17-64 °/Z V mm r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z) V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8cos γ/2 γ/2=17-64 °/Z 齒頂圓弧半徑 r3 mm r3=d1(1.3cosγ/2+ 0.8cosβ-1.3025)-0.05齒形半角 γ/2 （ °）r1 r1=0.5025d1+0.05 α/2 α/2=55-60 °/z M M=0.8d1sin(α/2) T T=0.8d1cos(α/2) r2 r2=1.3025d1+0.05 β β= 18-56 °/z W W=1.3d1cos(180 °/z)V V=1.3d1sin(180 °/z) r3 r3=d1(1.3cosγ/2+0.8 γ/2 γ/2=17-64 °/Z

二、鏈輪的三維模型創建及參數化

1、建模前的準備

鏈輪的三維模型創建與齒輪的三維模型創建方法基本相同，首先啟動Creo Parametric軟件，在主菜單中，點擊新建命令“”或“Ctrl+N”，彈出新建界面（如圖2所示）中，類型選項勾選“零件”，子類型選項勾選“實體”，同時在名稱欄內輸入新建鏈輪的名稱如Sprocket。

為了實現鏈輪的參數化設計，在Creo參數設置界面（如圖3所示）中，應添加鏈輪齒數（z）、配用鏈條的節距（p）、滾子直徑（dz）、內節寬度（b1）和內鏈板高度（h2）等鏈輪的基本參數。

圖2 Creo 新建零件界面

圖3 Creo 參數設置界面

2、鏈輪參數化建模過程

（1）草繪

在“模型”選項卡中，單擊“草繪”工具圖標，進入草繪界面，依次創建鏈輪的分度圓d、齒頂圓da、齒根圓df，完成草會后，依次單擊“工具”和“d=關系”在彈出“關系”對話框中，添加如下關系（如圖4所示）：

圖4 草繪及關系添加

（2）創建鏈輪的齒坯

應用Creo Parametric的“拉伸”命令，使用草繪中已創建的齒頂圓曲線，創建鏈輪的毛坯（如圖5所示）。

（3）草繪鏈輪的齒槽廓線

根據三圓弧一直線齒形的齒槽形狀尺寸關系，草繪鏈輪的齒槽廓線（如圖6所示），并添加如下關系式：

圖6 齒槽廓線

（4）創建鏈輪的齒槽特征

使用草繪的鏈輪齒槽廓線，應用Creo Parametric的拉伸命令，創建鏈輪的單個齒槽，再應用“陣列”命令，創建鏈輪的全部齒槽（如圖7所示），并添加下列關系式：

圖7 鏈輪的齒槽創建

（5）創建鏈輪的軸向及剖面齒廓特征

鏈輪的軸向及剖面齒廓特征主要有齒側半徑rx、齒側凸緣圓角半徑ra、倒角寬度ba及齒寬bf1。使用“旋轉”命令，將輪齒兩齒側的材料進行切除，創建完整的鏈輪并添加如下關系（如圖8所示）：

圖8 軸向及剖面齒廓特征

三、鏈輪的參數化程序設計

Pro/Program是Creo的內置腳本語言，它是一種類似于VBA的非常簡易的高級程序語言，可以實現軟件文檔的自動化。Creo Parametric中的每個模型都包含一個列表，其中有主要設計步驟和在產生新設計規范時可編輯的參數。依次單擊“工具”和“模型意圖”，打開Pro/PROGRAM，對其進行編輯以改變模型的程序運行。程序內容主要由以下五部分組成：

◎ 抬頭：版本信息，此部分內容由軟件自動生成；

◎ INPUT…ENDINPUT：設置輸入提示語句與參數，這部分內容由用戶編輯時自動填入，第一次進行時，此部分呈現空白狀態；

◎RELATIONS…END RELATIONS：設置關系；

◎ADD FEATURE…END ADD：由Creo軟件自動生成。用戶可以添加IF…ENIDF語句，用于判斷該特征的顯示與否；

◎MASSPROP…END MASSPROP：設置質量屬性在上述幾部分中，在RELATIONS…END RELATIONS關系中，通過嵌套條件語句及關系式來控制鏈輪齒槽廓形的幾何參數。

1、交互界面的創建

啟動Creo軟件，打開零件模型Sprocket.prt，進入“程序”編輯，在彈出界面中的在“INPUT…ENDINPUT”語句中增加下列內容：

INPU

鏈號STRING

"請輸入鏈輪對應的鏈號如08A "

齒數NUMBER

"請輸入鏈輪的齒數Z : "

孔徑NUMBER

"請輸入鏈輪的孔徑: "

END INPUT

使鏈輪模型更新時自動提示輸入與鏈輪配套的鏈號、鏈輪齒數及鏈輪總厚度及鏈輪的孔徑等參數。上述程序運行后的界面如圖9所示，通過勾選圖中的參數項即可生成符合設計要求的模型。

圖9 交互界面

2、控制特征的生成

在Creo Pro/Program模塊中，使用用條件語句創建設計分支，在IF…ENDIF語句中嵌套賦值參數關系式，用于控制對應不同鏈號的鏈輪齒槽廓形幾何參數。鏈輪參數化設計的程序控制流程圖如圖10所示。

圖10 鏈輪程序控制流程圖

在RELATIONS…END RELATIONS關系語句的段內，應用嵌套式的IF…ENDIF語句，將鏈輪適用的鏈號及其相關參數和齒廓特征尺寸的賦值與設計條件關聯，建立需要生成的鏈輪的幾何參數賦值的關系，進入“程序”的“編輯設計”，在ADD FEATURE…END ADD語句的開始與結束之間增加IF…ENDIF語句，用來控制符合條件的齒形特征及其它幾何特征的顯示與否。其程序結構如下：

RELATIONS

LH=鏈號

β=18-56/Z

γ=34-128/Z

α=110-120/Z

Z=齒數

D52=孔徑

IF 鏈號=="04C"|鏈號=="04c" /*判斷鏈號

P=6.35

dZ=3.30

b1=3.10

h2=6.02

IF P＜=12.7

bf1=0.93*b1

L=bf1

ELSE

bf1=0.95*b1

L=bf1

ENDIF

ENDIF

?

IF鏈號=="32A"|鏈號=="32a"|鏈號=="160H"|鏈號=="160h"

/＊＊鏈號后綴H標記為ANSI重型系列鏈條，后綴A標記為ANSI標準鏈條

P=50.80

dZ=28.58

b2=48.26

IFP＜=12.7

bf1=0.93*b1

L=bf1

ELSE

bf1=0.95*b1

L=bf1

ENDIF

?

IF鏈號=="72B"|鏈號=="72b" /＊＊鏈號后綴B標記源自ANSI歐洲標準

P=12.7

dZ=7.92

b1=7.85

h2=12.07

IFP＜=12.7

bf1=0.93*b1

L=bf1

ELSE

bf1=0.95*b1

L=bf1

ENDIF

ENDIF

D=P/SIN(180/Z)

COT=COS(180/Z)/SIN(180/Z)

DA=P*(0.54+COT)

DF=d-2*0.5025*dZ-0.1

γ1=γ/2

r1=0.5025*dZ+0.05

r2=1.3025*dZ+0.05

r3=dZ*(1.3*COS(γ/2)+

0.8*COS(β)-1.3025)-0.05

M=0.8*dZ*SIN(α/2)

T=0.8*dZ*COS(α/2)

W=1.3*dZ*COS(180/Z)

V=1.3*dz*SIN(180/Z)

α1=α/2

P30=Z

D27=360/Z

/*鏈輪軸向齒廓特征

ba=0.1*p

rx=1.1*p

d104=180/z

/＊鏈輪齒側凸緣特征

ra=0.04*p

s=1.2*bf1

dg=p*cot-1.04*h2-0.76

END RELATIONS

將上面創建的鏈輪模型作為通用模型，每次創建新的鏈輪時，只要將上面建立的模型打開，點擊“再生”命令，在彈出的菜單管理器中點擊“輸入”，按照Creo Parametric系統信息欄的提示輸入相應的鏈輪的各項參數，即可生成新的鏈輪模型。同時，還可以根據實際情況增加次要參數設置，建立企業內部的常用件模型庫，從而使建模更加方便和省時。

四、結論

根據國家標準GB/T 1243-2006給出的鏈輪及鏈條的參數，在Creo Parametric軟件環境中，應用Pro/Program工具，創建了適合煙草機械行業的鏈輪的通用參數化模型，可以方便快捷地創建不同型號的鏈輪三維模型和工程圖。這種參數化模型構建方法，解決了不同型號鏈輪三維模型創建中需要多次重建的問題，體現了參數化設計的優越性。實踐證明，該方法實用有效，對其它結構相似的常用零件的參數化通用模型的建立具有借鑒意義。