基于UG的直齿圆锥齿轮的参数化、可视化设计

引 言

计算机的进步与制造业的发展总是相辅共荣。越来越多的应用软件被推广与普及，如CAD/CAM、UG等一些辅助设计软件的广泛应用，就大大加快了机械零件的设计过程，缩短了产品的设计和制造周期。UG是一个在二维和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的用途进行再利用。

Unigraphics(简称UG）是当前世界上最先进和紧密集成、面向制造业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件。它为制造行业产品开发的全过程提供解决方案，功能包括：概念设计、工程设计、性能分析和制造。它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了如汽车、航天航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产效率。随着计算机性能的提高，现在在微机上就可以使用UG，这样UG的适用范围更加广阔，三维设计已经不是人们的奢侈品，会越来越多成为设计工程师的首选。

而在面对零部件批量设计的需要时，UG就不仅仅停留在制图、建模、装配、出图等基本功能的运用上。而应实现可编辑、参数驱动等功能。

本文的设计是采用CAD数字化的思想，运用电子表格与UG的智能化接口，抽取相关零部件的参数信息，再被用来更新零部件前做手工处理。再结合电子表格的目标搜索功能，可以对设计进行进一步的优化。

使用电子表格的前提是模型必须是参数化的，参数之间必须是相关的。通过抽取并编辑表达式中的参数达到控制模型的目的，而其中实用的内部函数为工程计算提供了强 大的引擎。完整使用电子表格技术，则需要依赖表达式、内部函数和用户自定义函数三者的有机结合，其工作的实质就是对模型参数的驱动以更新模型。

本文以一对啮合的直齿锥齿轮在UG中的参数化、可视化设计为例。

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基于UG的直齿圆锥齿轮的参数化、可视化设计

第一章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.1.1课题研究的目的

齿轮作为最重要的基础传动部件被广泛地应用于机械、冶金、石化、煤炭、水电等行业。在齿轮箱设计和生产过程中,需要大量的分析、计算和绘图工作,采用现代设计方法可彻底改变过去依靠手工计算和绘图时的效率低、易出错等局面,使齿轮设计人员借助计算机及相应软件可迅速、高效、准确地进行设计方案的确定、比较、分析和绘图;为生产企业以高技术、高质量、低成本占领市场提供技术保障。

另外在传统圆柱齿轮设计中,对于齿轮的强度校核过程和设计过程主要是通过人工设计完成,计算繁琐,容易出现设计误差和错误,设计周期长且难以实现优化设计，此次设计即是针对圆柱齿轮的参数化设计而进行的,可极大地提高设计的精度和效率并实现其优化设计。 1.1.2 课题研究的意义

渐开线齿轮是各种机械传动设备中常用的零件,在设计制造中工程设计人员经常需要对齿轮齿形进行精确的造型。由于其复杂性,有一些软件(如Solidworks,AutoCAD)没有提供齿形的精确造型功能。UG作为通用三维CAD/CAM系统在功能上完全能够满足机械产品的设计要求,但是在系统操作的人性化和易用性方面并非完全尽人意。为此,本文应用了UG的工具参数表达式、参数关系和对外输出接口,建立了基于UG的渐开线齿轮参数化设计模型,来解决齿轮精确造型快速化方面的难题。系统的开发具有如下意义:1保证了齿形造型的精确性。2造型速度快,避免了传统手工造型的复杂繁琐过程。3为后续的齿轮CAE、CAM等提供了精确的三维实体。4对UG参数化建模的有益探索。

1.2本课题在国内的研究现状及分析 1.2.1国内CAD的应用现状

如果让我们调查一下国内企业中CAD的应用，会得出如下结论，很多所谓CAD应用很好的企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。但是如果我们只是停留在这个阶段，就失去了CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。如果真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽然传统的制图方法是通过二维视图来描述三维实体，但这种描述做不到进一步的结构分析、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，更有甚者，二维视图的描述经常出现二意性和理解错误，因为人们只是按着一些规定在想象三维的模样，限于这种描述方法的缺陷，必须找到更先进的、更合理的三维设计手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容为一体。当然这个目标要有一个过程，但现在我们必须明确。其实，很早就有了先进的解决办法，那就是采用在图形工作站上使用三维CAD软件，只所以采用工作站是因为当时的微机还不能胜任这项工作，也确实有很多企业看到这种先机，于是不论

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基于UG的直齿圆锥齿轮的参数化、可视化设计

系统是多么昂贵，不惜血本买进大量的工作站系统，事隔几年，一些企业叫苦不迭，因为血本并未带回效益。但回过头来看，我们发现，这种思想是对的，只是这个想法未变成现实，因为买来的工作站系统在闲置，一个静止的机器怎能去创造效益呢？ 究其原因有很多，但最主要的原因是工作站上的系统软件和CAD软件使用起来太复杂，并不能使每个设计人员都能掌握，因此，一旦熟悉操作、使用的（经过培训）技术人员流失，系统马上进入瘫痪，再培养人员是几年以后的事情，转眼到了系统该更新的时候了。是否是我们的设计人员水平低呢？不是，我们的设计水平是够的，是我们的CAD系统太复杂了，不可能在有限的时间内让技术人员既精通本专业，又精通另外的计算机专业。所以必须使系统软件和CAD软件的使用更简单更容易，只有这样CAD才能真正得到普及，这也是CAD产业发展、普及的一个方面。

1.2.2 分析

目前，虽然制造业的厂家均已完成“甩图板”工作，在产品设计中应用二维CAD图形绘制工具----AutoCAD或是基于AutoCAD平台的二次开发软件，实现计算机制图并做一些技术文档的编制工作。但是，随着软件应用时间的增长，企业各部门都保存有大量的DWG格式的产品图纸文件。在设计过程中，由于二维CAD软件存在局限性，不能完整地表达产品的设计信息。所以，要达到真正意义上的计算机辅助设计，则必须要使用三维CAD软件，完成诸如零部件的装配干涉检查，有限元分析，机构的运动仿真，数控加工代码的生成。只有运用三维CAD设计软件，才能在产品设计初始阶段全面了解产品的外观、性能，从而避免产品设计中出现的低级错误

1.3 我国制造业的发展形势

目前,随着CAD/CAE/CAM/CAPP技术的逢勃发展,计算机越来越成为人们从事机械设计与制造的重要手段。计算机辅助产品造型是所有上述工作的基础。因为只有精确的产品造型,才能对产品的装配与干涉进行检验。基于上述可以总结出我国CAD/CAE/CAM的发展趋势:

1. 新产品使用基于特征建模的三维造型来进行设计；

2. 在计算机上完成产品整机的总装配，进行干涉检查和动力学分析；

3. 重要零件在计算机上进行有限元刚度、强度分析、模态分析、产品的形状优化设计；

4. 建立各单位自己的三维常用零件库，尽量避免重复劳动，提高设计效率； 5. 对于有数控加工工序的零部件自动生成加工代码。 1.4锥齿轮制造业的现状及特点

随着机械工业的不断发展，圆锥齿轮同圆柱齿轮一样，也已广泛地应用于机械工业中，形成一种重要的基础行业。

1.4.1概述

齿轮传动是当前机械传动中的基本形式之一，在机器制造业及仪器仪表制造业占有很重要的地位。平行轴间的齿轮传动用圆柱齿轮，相交（或有一较小的偏置量）轴间的传动则主要由圆锥齿轮来完成。圆锥齿轮在机械装置中的作用，主要是完成动力传递和运动传递，根据使用目的的不同，与圆柱齿轮一样，有传动速比恒，传动平稳，齿廓面应有足够的接触精度等要求，为达到上述目的，要求

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轮齿相对于回转中心分度均匀，齿廓面的齿形形状要准确（圆锥齿轮的齿廓曲线理想的形状应为球面渐开线）；为保证接触精度，轮齿的齿宽方向应保证一定的几何精度，在轮齿的齿厚上，为补偿上述有关误差和啮合时润滑油的储存，应有恰当的侧隙，因此齿厚尺寸亦应严格控制。

1.4.2直齿锥齿轮的工作特点及应用

制造容易，成本低；对安装误差和变形很敏感，为减小载荷集中可制成鼓形齿；承载能力低；噪声大。

多用于低速、轻载而稳定的传动，一般速度vm≤5m/s;对大型锥齿轮，当用仿形加工时，vm≤2m/s; 磨削加工的锥齿轮vm≤75m/s。

1.5 Unigraphics介绍

Unigraphics （简称UG）是一个集CAD/CAE/CAM于一体的软件系统，是美国 EDS 公司的主要产品．UG软件从CAM发展而来，20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了为解决自动编程系统的数控小组，后来发展为CAD/CAM一体化的UG软件，20世纪90年代被EDS公司收并，为美国通用汽车公司服务。因此，UG软件有着航空和汽车两大制造产业的应用背景，这对其本身的发展和软件的适用性有深远的影响。

Unigraphics 软件具有强大的三维设计能力，设计人员可以方便地设计,分析零件，构造出零件精确的三维模型，然后再采用Drafting应用程序生成所需要的视图，也可以用Manufacturing应用程序加入制造信息，并生成刀具位置源文件(CLSF)，大多数数控机床可用来直接加工。

目前，Unigraphics软件广泛应用于全球的航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化领域，如美国通用汽车公司、日本顶尖汽车零部件制造商DENSO公司等在全球汽车行业领先的公司都使用这种软件，美国的航空业安装了1000套以上的UG软件，俄罗斯航空业90%以上使用UG软件，还有飞利浦公司、吉利公司、3M等公司。在中国，UG软件已拥有许多用户，在航空、汽车、模具和家电了；领域得到广泛应用，成为我国高档CAD/CAE/CAM系统的主流产品

三十多年来，制造商们一直在探索更好的方法用于计算机辅助技术自动化产品开发过程，计算机辅助设计与制造技术已经大大地减少了几何建模与工程图纸建立所需的时间。但是为了实现自动化“从艺术到制品”的开发周期，必须捕捉和应用完全的决策过程。

知识驱动的自动化是下一代机械CAD特点，它捕捉、分配和再使用每一个产品开发部门的工程专业知识。

机械产品开发过程正面临下列4个重要方面的转变：从串行工程转变到扩展企业范围的并行协作工程（利用UG/Teamcenter ——企业协同解决方案）

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