毕业设计（论文）-圆锥齿轮设计系统的开发（全套图纸）

本科毕业设计题目： 圆锥齿轮设计系统的开发 院 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2016 年 5 月 I摘要 随着圆锥齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展 ,用小型 CAD 软件对圆锥齿轮三维基体和齿面进行参数化虚拟造型设计已成为设计者的迫切需求 。为此, 在三维机械设计 CAD 软件环境下,应用 Visual Basic 开发了圆锥齿轮三维实体参数化造型设计系统, 来解决圆锥齿轮三维实体参数化造型设计这一难题。 本次设计的题目是圆锥齿轮设计系统的开发，研究了圆锥齿轮结构的尺寸关系，在掌握圆锥齿轮三维造型方法的基础上采用外部程序实现参数化驱动自动生成实体齿轮模型，并且在主流操作平台上熟练掌握常用的软件工具进行圆锥齿轮的编程。关键词：圆锥齿轮，参数化，造型，模型全套图纸，加全套图纸，加 153893706 IIABSTRACT With the rapid development of bevel gear with the wide application and rapid prototyping and virtual manufacturing technology, with a small CAD software of bevel gear three dimensional matrix and the tooth parameters of virtual modeling design has become a designers urgent demand. To this end, in the three-dimensional mechanical design CAD software environment, the use of Basic Visual development of the bevel gear 3D parametric modeling system, to solve the three-dimensional solid cone gear modeling design of the problem. The topic of this design is the development of bevel gear design system of the size dependence of the bevel gear structure, in the mastery of bevel gear 3D modeling method based on the external program driven automatically generated entity model of gear parameters, and the main operation platform master commonly used software tools for bevel gears of programming. Keywords: bevel gear, parameterization, modeling, model III目目 录录摘要 .IABSTRACT.II1 引言 .1 1.1 课题的来源与研究的目的和意义.1 1.2 本课题研究的内容 .2 1.3 圆锥齿轮的介绍 .3 1.4 国内外圆锥齿轮的发展概况.62 圆锥齿轮的三维建模 .8 2.1 圆锥齿轮三维参数化建模 .10 2.1.1 建立渐开线齿廓曲线 .13 2.1.2 直齿锥齿轮的建立 .153 系统结构 .174 关键功能实现 .18 4.1 齿轮参数化建模过程 .19 4.2 程序关键功能实现 .22 4.2.1 主程序进入流程 .23 4.2.2 对话框与具体实现方法 .25 4.2.3 建立模型方法 .26 4.2.4 读取模型参数方法 .265 设计总结 .28结论 .30致谢 .31参考文献 .32 11 1 引言引言1 1. .1 1 课课题题的的来来源源与与研研究究的的目目的的和和意意义义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。 大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界 2大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。 目前, 国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化的研究较为成熟 ,对复杂的三维实体的参数化造型研究尚不多见, 特别是象圆锥齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体参数化设计更为少见。本课题以 Solidworks 为开发平台 , 以 VB为编程语言, 攻克了圆锥齿轮三维实体参数化造型的难关 , 开发了圆锥齿轮三维参数化设计系统。该系统不仅包含三维实体参数化造型 ,而且还包含了强度计算, 为后续的有限元分析、机构仿真、数控加工、模具制造提供了必要条件。1 1. .2 2 本本课课题题研研究究的的内内容容 本论文主要是对圆锥齿轮开发系统进行设计，在设计过程中，了解圆锥齿轮的建模过程和二次开发过程等。 其主要研究内容如下： （1）熟悉圆锥齿轮的啮合规律及结构尺寸关系。 （2）完成通用齿轮的三维造型，在学会所需开发工具的基础上，设计主程序实现参数化驱动。 （3）优化算法控制精度与计算效率。 （4）圆锥齿轮的三维图的绘制、CAD 零件图的绘制。 （5）说明书的编写和整理。1 1. .3 3 圆圆锥锥齿齿轮轮的的介介绍绍 3 锥齿轮,分度曲面为圆锥面的齿轮。分圆弧锥齿轮和直齿锥齿轮。主要用在两传动轴成一定角度的地方，最常用的是两轴成 90的地方。支撑轴承中必须有推力或向心推力轴承；其它同圆锥齿轮的应用。1 1. .4 4 国国内内外外圆圆锥锥齿齿轮轮的的发发展展概概况况新中国成立后，当时基本上没有生产齿轮的能力，经过第一、二个五年计划的努力。我国初步形成了一套包括汽车、机床、重型机械。电站设备、石油化工与通用设备等机械制造能力，同时，齿轮制造业也随着发展起来。到 1963 年左右。我国不仅已能成批生产齿轮，而且一般规格的齿轮机床与刀具、量仪也能由国内制造。后来，国家新建和改建了一大批齿轮与齿轮箱的专业厂与专业车间。进一步扩大了齿轮配套的生产能力，到 70 年代末，已基本上形成我国齿轮制造工业的完整体系。圆锥齿轮在机械产品中应用广泛，品种、规格繁多。长期来，在齿形上以采用渐开线齿形为主。在一般设计中较多采用中碳钢（或中碳合金钢）调质处理的齿轮（也称软齿面齿轮）。很少采用低碳合金钢经渗碳淬火处理的齿轮（也称硬齿面齿轮）。在工艺上，对于如汽车、拖拉机工业中大批生产的中、小模数齿轮；通常采用滚（插）齿一剃（挤）齿一热处理一珩齿工艺。对于冶金、矿山、起重运输、通用等机械中所用的大、中模数齿轮，一般采 用调质处理一滚齿工艺；对于电站、石油化工、冶金、船用等机械中的高速齿轮多数采用调质处理-滚齿-剃齿工艺，但近年来，滚齿-渗碳-淬火处理一磨齿工艺逐渐发展起来。1959 年以后针对当时渐开线齿轮齿面接触强度差、工艺水平低、质量差的薄弱环节，我国从苏联引进了圆弧齿轮的科技成果，利用轴向共轭代替端面共轭和利用圆弧齿轮齿面接触强度比较高的特点，代替了不少机械产品的渐开线齿轮，70 年代末，在一系列高速与低速传动中成功地应用单圆弧齿轮的基础上，采用双圆弧齿轮代替单圆弧齿轮，使抗弯强度提套 40%60%,工艺上改善了，应用范围获得了进一步扩大。在传统齿轮的基础上，为了消除对轴的横向力，发明了圆锥齿轮。 国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点为达到齿轮装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载能力。各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代 4表的特殊齿形。英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。 由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了。如高速齿轮的传递功率为 1000-30000kw。齿轮圆周速度为 20200ms（1200-12000rmin），设计工作寿命为 5X104-10X104 小时；轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到 20m/s，甚至3050m/s。传递扭矩达 l00200t.m,要求使用寿命在 2030 年以上。这些齿轮的精度等级一般在 38 级。并对平稳性与噪声有较高的要求。对于高速齿轮在圆周速度超过 100ms 时，由于运转中的热效应 要求在设计时对产生的热变形进行修正，使齿轮在工作时达到一个正常的啮合状态。特别对于高速重载齿轮，更要加以考虑。其次，对于低速重载齿轮 如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。这种对齿轮轮齿修形的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。在齿轮制造技术方面重点是进行硬齿面加工，尤其是大型硬齿面齿轮的切切与热处理工艺的发展，如超硬切齿、滚内齿、成形磨齿、大模数齿轮珩齿、弹性砂轮抛光、轮齿修。为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国人 Frank Humphris 最早发表了圆弧齿形。1926 年，瑞土人 Eruest Wildhaber 取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955 年，苏联的 MLNovikov 完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。1970 年，英国 RolhRoyce 公司工程师 RM.Studer 取得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。斜齿轮有对轴上的横向力，为消除这种力，把一个齿轮作成对称方向的相反的斜齿轮，来消除这种力，看上去像个人字，简称圆锥齿轮。2 2 圆圆锥齿轮的三维建模锥齿轮的三维建模 52 2. .1 1 圆圆锥锥齿齿轮轮三三维维参参数数化化建建模模2 2. .1 1. .1 1 建建立立渐渐开开线线齿齿廓廓曲曲线线 建立包含齿轮基本参数,内容如下： 大端模数：11m 齿数：24Z,21Z a 压力角：20 齿数比：1/21z 分锥角：b=arctan(Z1/Z2)45 齿顶高系数 ha0. 高变位系数：1x=2x 大端分度圆直径：mezde 外锥距：eR=de/bsin2 齿宽系数：取 3.0width 齿宽：bwidtheR 实际齿宽系数：2984.0e 中点模数：e)0.5-(1memm 中点分度圆直径：)5.01 当量齿轮基圆直径：aXbcos 大端齿顶高：mexha)11(大端齿根高：hf2.1(-1xme 齿根角：)/arctan 齿顶角：a=f（采用等顶隙收缩齿） 顶锥角：ba=b+a 根锥角：bf=b-F当量齿轮顶圆直径：haXdvXdvXa2当量齿轮根圆直径：hfXdvXdvXfSolidworks 系统默认变量： 6齿厚对应的圆心角：180/z1c 参数化是一种基于特征、尺寸约束、数据相关、尺寸驱动设计修改的技术。因此,如果需要绘制不同齿轮参数的齿轮,只需在此文件中修改齿轮的基本参数值,然后在 Solidworks 中重新导入,即可生成参数不同的齿轮渐开线。 首先在 Solidworks 中输入直齿锥齿轮的各参数生成渐开线.具体方法如下:从“工具表达式”中输入参数;从“插入曲线规律曲线”进入对话框,然后点击规律函数对话框的“确定“按钮,设置以 t 为自变量,横坐标为 xt 的因变量;同理,分别设置以 t 为自变量,纵坐标为 yt、第 3 个坐标为 zt 的因变量,再选择原点作为参考点,即可生成渐开线,见图 3-3。之后，在 X-Y 平面内绘制当量齿顶圆与两段渐开线相交所得的圆弧，以及连接坐标原点与渐开线的另两个端点，形成大端俯视截面草图。如图 3-4。 7 2 2. .1 1. .2 2 直直齿齿锥锥齿齿轮轮的的建建立立 1.根据所输入的参数中当量齿轮分度圆半径，当量齿轮齿根圆半径，当量齿轮齿顶圆半径，分锥角，顶锥角，在不同的平面内绘制出如图 3-5 的草图。 82.根据齿宽 b 的尺寸参数创建一平面，利用方法：“编辑曲线修剪”，完成最后齿形轮廓，如图 3-6。 3.利用方法“插入扫掠扫掠”，令线 1，2，3 为截面线串，线 4 为引导线串，创建出一个齿的外形，如图 3-7。 4.绕图 3-6 中 1 线作为环绕轴，截面是在大端平面内为当量齿轮齿根圆半径的一平面，创建出的一个中间的锥体，如图 3-8。 9 105.生成上图齿将锥体和一个齿作布尔运算和，将创建出来的一个齿按所选定的齿数作圆周阵列，即而创建出锥齿轮的最初的形状，如图 3-9。 11 6.根据结构设计需要，经添加锥体，创建基准面，经修剪体切除顶锥多余的部分，以及根据与轴配合的孔径尺寸建孔，最后完善的直齿锥齿轮如图 3-10。3 3 系系统统结结构构系统名称为 GBGEAR，即国标齿轮的意思。工程下包含 STDAFX 和GBGEAR 两个头文件，其包含文件再包含系统标准包含文件及资源。具体结构如图3-1 所示： 12文件结构如图 3.2 所示。 13 144 4 关关键键功功能能实实现现 4.14.1 齿轮参数化建模过程齿轮参数化建模过程1.建立各参数。 2.在关系中加入运算齿根圆等四个圆半径的公式。 153.草绘四个圆，并加入关系。4.加入计算渐开线偏移角的关系。计算偏移角是为了使渐开线最终围成的齿位于正中间，再加入位于齿隙正中的参考平面后，可便于装配时定位，以达到良好的仿真效果，并减少干涉。5.加入基于圆柱坐标系的渐开线，再镜像。 16 方程：6.拉伸齿根圆，厚度为 b。7.绘制齿形草绘，并加入关系。 17 8.加入参考平面，并加入关系。该参考平面用于装配时定位初始角度。设计的圆锥齿轮如下图所示： 18 4.24.2 程序关键功能实现程序关键功能实现4.2.1 主程序进入流程主程序进入流程由于 Pro/Toolkit 应用程序工作模式有两种同步模式（Synchronous mode）和异步模式（Asynchronous mode）。而同步模式又包含两种模式动态链接库模（DLL）和多进程模式（Multiprocess mode）。我们这次是针对同步模式中的动态链接库模式（DLL）。 简单地说，就是 Solidworks 通过 protk.dat 文件寻找 dll 和 text 的目录，然后通过 dll 中的 user_initialize()函数进入二次开发程序。其中 text 目录用于供程序读取菜单栏，通知信息等文字数据。主程序进入函数流程如图 4.8。 19 步模式（Asynchronous mode）。而同步模式又包含两种模式动态链接库模式（DLL）和多进程模式（Multiprocess mode）。我们这次是针对同步模式中的动态链接库模式（DLL）。 简单地说，就是 Solidworks 通过 protk.dat 文件寻找 dll 和 text 的目录，然后通过 dll 中的 user_initialize()函数进入二次开发程序。其中 text 目录用于供程序读取菜单栏，通知信息等文字数据。主程序进入函数流程如图 4.8。 命令传入状态函数源代码： 20 在命令处理事件添加函数 ProCmdActionAdd 中调用了 CyGear 函数，将函数加载至工具栏按钮。 CyGear 函数： CYGEAR 函数中创建了一个 DLGGEAR 对象，该对象由 DLGGEAR.CPP 及DLGGEAR.H 支持，用于显示对话框，及完成相关命令。4.2.2 对话框与具体实现方法 在资源文件 GBGear.rc 中，新建了一个 IDD_DIALOG1 对话框资源。并添加控件，布局如图。 21 为对话框添加类 DlgGear。在 DlgGear.h 头文件中，可以找到枚举型 IDD 变量，即为引用了对话框资源。 224.2.3 建立模型方法 在按钮中加入 OnBnClicked 函数处理按下事件，建立模型。 SetGear 为一个自定函数，传入 ProMdl 类型的形参，在函数内将该模型参数设置为全局变量中定义的各参数值，并再生模型，激活窗口。下面为 SetGear函数流程图： 23 其关键函数只有 ProObjectwindowCreate 和 ProWindowActivate，但因为前者需要传入模型名字与类型的形参，所以在其前加入 ProMdlNameGet 和 ProMdlTypeGet函数。4.2.4 读取模型参数方法 作为一个齿轮生成系统，如果生成的齿轮不能通过该系统修改，实在是件糟糕的事。如果修改后，丢失了其他特征（例如孔，键槽，凸台等），则修改也失去意义。所以，我们为系统加入了读取模型参数的方法，将数据读取后反应至对话框上的控件，让对话框和建立该齿轮时的状态相同，便于用户更改。 下面是读取模型参数的流程图： 24 值得一提的是，Pro/Toolkit 开发的程序是需要解锁的，否则只能在开发该程序的计算机运行。解锁过程在官方文档中叙述相当详细，在此不再赘述。 25