本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：基于SOLIDWORKS的齒輪參數(shù)化實體模型設(shè)計姓名：王 騫學號：083004010420班級：機械四班年級：08級專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化系部：機械工程系指導教師：常 虹老師完成時間：2012年5月16日作者聲明本畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導師的指導下由本人獨立撰寫完成，沒有剽竊，抄襲，造假等違反學術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，文中均已表明。因本畢業(yè)論文（設(shè)計）引起的法律結(jié)果完全有本人承擔。畢業(yè)論文（設(shè)計）成果歸武昌工學院所有。特此聲明 作者專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 作者學號：083004010420 作者簽名： 年 月 日基于SOLIDWORKS的齒輪參數(shù)化實體模型設(shè)計署名：王騫(Wang qian)Based on of SOLIDWORKS the gear parametric solid modeling2012年5月16日摘 要漸開線齒輪由于能保證特定傳動比、受力方向不變等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于各種通用機械中，但因其齒廓形狀和輪體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變而成為三維造型技術(shù)的難點。常規(guī)齒輪設(shè)計過程煩瑣：齒輪輪廓線的生成需要大量的計算過程；輪廓線的繪制，需要通過關(guān)系式控制；齒輪種類較多，不同類別繪制方法不同。本論文主要論述了基于SOLIDWORKS開發(fā)平臺，進行齒輪參數(shù)化實體模型設(shè)計的過程，應(yīng)用其工具包開發(fā)了齒輪參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，通過創(chuàng)建的對話框修改齒輪參數(shù)，例如模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、壓力角、變位系數(shù)等，可以得到相應(yīng)的漸開線齒輪，從而滿足設(shè)計要求。實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)可以大幅度提高工作效率。該系統(tǒng)的建立方法亦可應(yīng)用于其他零件的參數(shù)化設(shè)計關(guān)鍵詞：SOLIDWORKS；齒輪；參數(shù)化設(shè)計；建模Abstract Involute gear due to the difficulty to ensure specific transmission ratio, the force direction constant, etc., are widely used in a variety of general machinery, but because of its complex and changing the shape of the tooth profile and wheel structure a three-dimensional modeling techniques. There are some inefficient aspects in gear design, such as a lot of work should be needed in process of getting the gear profile; it is hard to draw the gear profile without equation; Different kind of gear needs several kinds of methods to build. It isbased on SOLIDWORKS platform. Through changing the gear parameters in the application interface, such as modulus, number of teeth, tooth width, pressure angle, variable coefficient, etc, the corresponding involute gear to meet the design requirements can be gotten. The application shows that the system can greatly improve efficiency. The establishment of the system method can be applied to other parts， is not confined to the parameters of gear design.Keywords：SOLIDWORKS;Gear;Parametric Design;Modeling目 錄1 緒 論11.1 本課題的研究目的與意義11.2 機械CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用21.3本課題研究內(nèi)容與開發(fā)思想42 基于SOLIDWORKS的齒輪類零件三維參數(shù)化建模62.1開發(fā)平臺與工具簡介62.2 齒輪零件的特征描述72.3 參數(shù)化設(shè)計技術(shù)概述83 齒輪建模過程113.1漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)設(shè)計113.2齒輪參數(shù)間的計算關(guān)系113.1齒輪參數(shù)化設(shè)計基本思路113.4直齒圓柱齒輪建模過程113.5 創(chuàng)建其它齒輪(斜齒輪，錐齒輪)204 總結(jié)與展望22致謝23參考文獻241 緒 論1.1 本課題的研究目的與意義齒輪是多參數(shù)驅(qū)動的標準機械零件, 在SOLIDWORKS中由于沒有機械零件的標準庫, 齒輪的設(shè)計步驟多、工作量大。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)所構(gòu)造的產(chǎn)品模型都是幾何圖素（如點、線、圓等）的簡單堆疊，僅僅描述了設(shè)計產(chǎn)品的可視化形狀，而不包含設(shè)計者的設(shè)計思想，因此難以對產(chǎn)品模型進行改動，并生成新的產(chǎn)品實例。目前很多企業(yè)為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大部分產(chǎn)品的設(shè)計都是改進型設(shè)計，大約70%的新產(chǎn)品的設(shè)計都要重新利用原來的產(chǎn)品模型，于是參數(shù)化設(shè)計的概念在這樣的背景下應(yīng)運而生。近年來隨著三維設(shè)計軟件的應(yīng)用越來越普遍，齒輪的三維建模成為設(shè)計中經(jīng)常要進行的工作。齒輪的三維實體精確建模對于齒輪的有限元分析、動力學分析、數(shù)字樣機和系統(tǒng)仿真來說是必不可少的。齒輪的三維建模較為復(fù)雜, 涉及到很多公式和建模技巧,，特別是對于錐齒輪、斜齒輪以及渦輪蝸桿來說, 建模過程十分繁瑣, 提高齒輪的設(shè)計效率具有重要的實際工程意義； 另一方面, 三維CAD軟件SOLIDWORKS功能十分強大, 采用了較為先進的技術(shù), 如全參數(shù)化實體建模技術(shù)，數(shù)據(jù)全相關(guān)等， 現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于機械和電子領(lǐng)域, 有著廣泛的用戶群。SOLIDWORKS是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的三維實體造型系統(tǒng)，其參數(shù)化特征造型在保證幾何、拓撲關(guān)系不變的情況下，以單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)模型的快速再生；它的二次開發(fā)接口使用戶可以在自己開發(fā)的程序中對零件進行各種操作和控制，從而實現(xiàn)程序化設(shè)計。本課題使用的研究方法是參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計也叫尺寸驅(qū)動，是CAD技術(shù)在實際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。所謂參數(shù)化設(shè)計即是在設(shè)計中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式是確定的，它需要根據(jù)某些具體的條件和具體的參數(shù)來決定產(chǎn)品某一結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計出不同規(guī)格的產(chǎn)品。其本質(zhì)是對統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品通過修改尺寸來生成新規(guī)格的產(chǎn)品，利用計算機來進行參數(shù)化CAD設(shè)計，只需在計算機上輸入機械零件的幾個關(guān)鍵參數(shù)，就會準確地、自動地生成工程樣圖。在參數(shù)化設(shè)計中，一般用一組參數(shù)來定義幾何圖形的尺寸數(shù)值并約定尺寸關(guān)系，提供給設(shè)計者進行幾何造型使用。參數(shù)化設(shè)計一般用于設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)形狀比較固定，可以有一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，參數(shù)的求解較簡單，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯式對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動。以SOLIDWORKS為開發(fā)平臺，開發(fā)齒輪三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng), 只需改變齒輪的相關(guān)參數(shù),如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒寬等, 系統(tǒng)即可自動實現(xiàn)齒輪的設(shè)計變更, 提高了設(shè)計效率。在SOLIDWORKS環(huán)境下可以根據(jù)齒輪傳動的基本規(guī)律和漸開線齒形的生成原理來進行漸開線齒輪的精確造型，同時還能實現(xiàn)齒輪的參數(shù)化建模，從而實現(xiàn)了齒輪系列化設(shè)計，使設(shè)計人員從繁重的繪圖工作中解脫出來。使用SOLIDWORKS進行的齒輪參數(shù)化造型具有如下意義：（1）利用方程創(chuàng)建出精確的漸開線曲線，提高漸開線齒輪的精確性。（2）通過改變相關(guān)參數(shù)及關(guān)系式，能夠快速建立產(chǎn)品的參數(shù)化模型，確定主要參數(shù)和修改定型，避免了手工造型的復(fù)雜繁瑣過程，為后續(xù)機構(gòu)運動學、動力學仿真分析及零件數(shù)控加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。（3）給齒輪在機械設(shè)計、制造及CAE中帶來很大方便。1.2 機械CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)技術(shù)，是綜合地利用計算機的工程計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理功能和人的經(jīng)驗與判斷能力結(jié)合，形成一個專門系統(tǒng)，用來進行各種圖形設(shè)計和圖形繪制，對所設(shè)計的部件、構(gòu)件或系統(tǒng)進行綜合分析與模擬仿真實驗。它是近十幾年來形成的一個重要的計算機應(yīng)用領(lǐng)域。在汽車、飛機、船舶、集成電路、大型自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，CAD技術(shù)有愈來愈重要的地位，在有關(guān)設(shè)計計算模塊與繪圖模塊的參數(shù)接口及程序化繪圖研究也具有重要的價值。在CAD軟件發(fā)展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即Computer Aided Drawing(or Drafting)，而非現(xiàn)在我們經(jīng)常討論的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內(nèi)容。CAD技術(shù)以二維繪圖為主要目標的算法一直持續(xù)到70年代末期，以后作為CAD技術(shù)的一個分支而相對單獨、平穩(wěn)地發(fā)展。早期應(yīng)用較為廣泛的是CAD/CAM軟件，近十年來占據(jù)繪圖市場主導地位的是Autodesk公司的AutoCAD軟件。在今天中國的CAD用戶特別是初期CAD用戶中，二維繪圖技術(shù)逐漸再向三維方向發(fā)展。三維CAD技術(shù)在幾十年的發(fā)展過程中，大致經(jīng)歷了四次飛躍：曲面造型技術(shù)、實體造型技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)、變量化技術(shù)。1）曲面造型技術(shù)進入70年代，正值飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展時期。飛機及汽車制造中遇到的大量自由曲面問題，隨著貝賽爾算法的提出，使得人們在用計算機處理曲線及曲面問題時變得可以操作，開發(fā)出了以表面模型為特點的自由曲面造型技術(shù)，推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA。曲面造型系統(tǒng)的出現(xiàn)，標志著計算機輔助設(shè)計技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實現(xiàn)以計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時也使得CAM技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎(chǔ)，改變了以往只能借助油泥模型來近似準確表達曲面的落后的工作方式，使產(chǎn)品開發(fā)手段比舊的模式有了質(zhì)的飛躍，新產(chǎn)品開發(fā)速度大幅度提高。2）實體造型技術(shù)隨著技術(shù)的進步，計算機輔助工程分析(CAE)的需求日益高漲，CAE要求能獲得形體的完整信息，由于表面模型技術(shù)只能表達形體的表面信息，而線框和曲面造型對形體的表述都不完整，則難以準確表達零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等。基于對CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)發(fā)展的研究，提出了實體造型技術(shù)。由于實體造型技術(shù)能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達，給設(shè)計帶來了驚人的方便性。3）參數(shù)化技術(shù)20世紀80年代中期，CAD技術(shù)的研究又有了重大進展，此時提出了參數(shù)化實體造型技術(shù)。它的主要特點是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。參數(shù)化技術(shù)徹底克服了自由緘默的無約束狀態(tài)，由尺寸決定實體造型的幾何形狀。尺寸驅(qū)動已經(jīng)成為當今造型系統(tǒng)的基本功能。如果想修改零件形狀的話，只需修改一下尺寸的數(shù)值就可以實現(xiàn)形狀上的改變。由于參數(shù)化技術(shù)的成功應(yīng)用，使得它很快成為CAD業(yè)界的標準，許多軟件廠商紛紛追趕。由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度下降，參數(shù)化技術(shù)充分體現(xiàn)出其在通用件、零部件設(shè)計上存在的簡便易行的優(yōu)勢。4）變量化技術(shù)針對參數(shù)化系統(tǒng)的局限，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進的實體造型技術(shù)變量化技術(shù)。變量化造型技術(shù)保留了參數(shù)化技術(shù)基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改的優(yōu)點，但是在約束定義方面做了一定的改變。變量化造型技術(shù)將所需定義的尺寸“參數(shù)”進一步區(qū)分為形狀約束和尺寸約束，而不僅僅是用尺寸來約束全部幾何。通常在新產(chǎn)品開發(fā)的概念設(shè)計階段，設(shè)計者首先考慮的是設(shè)計思想及概念，并將其體現(xiàn)在某些幾何形狀之中。但是這些幾何形狀嚴格的尺寸定位關(guān)系并不能在設(shè)計的初始階段完全確定，所以希望在初始階段能夠允許欠尺寸約束的存在。 變量化技術(shù)為CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機遇。隨著世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和科學技術(shù)的騰飛，市場不斷國際化全球化，各行各業(yè)的競爭日益激烈。企業(yè)要想在殘酷的競爭中生存下來謀求發(fā)展，就要想方設(shè)法提高競爭力。縮短新產(chǎn)品的研發(fā)和開發(fā)時間，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低研發(fā)成本，進行創(chuàng)新性設(shè)計，只有這樣，才能滿足市場不斷變化的需求。在這樣的形勢下，企業(yè)為了自身的生存和發(fā)展，增強市場競爭力，越來越多地采用CAD技術(shù)。事實上，參數(shù)化技術(shù)和變量化技術(shù)已經(jīng)成為了當今主流CAD軟件的兩大流派。兩種造型理論相互依存，共同發(fā)展。我國CAD技術(shù)的引進是從60年代開始的，最早起步于航空工業(yè)，最近幾年發(fā)展很快，現(xiàn)已在機械、電子、建筑、汽車、服裝等行業(yè)逐步進入實用階段。CAD技術(shù)最早起步于航空工業(yè)，最近幾年發(fā)展很快，現(xiàn)已在機械、電子、建筑、汽車、服裝等行業(yè)逐步進入實用階段。其中，以機床、汽車、飛機、船舶等應(yīng)用最為廣泛。一個產(chǎn)品的設(shè)計過程要經(jīng)過概念設(shè)計、詳細設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個階段。概念設(shè)計主要解決產(chǎn)品的造型外觀，在滿足功能的前提條件下，使產(chǎn)品外觀精致美觀。詳細設(shè)計是要確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，各個零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以又稱為部件設(shè)計，包括各零件的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析主要包括有限限元分析，將對各部件及產(chǎn)品整體的結(jié)構(gòu)進行力學性能、熱學性能的分析。仿真模擬則主要是對產(chǎn)品進行裝配模擬，運動機構(gòu)模擬，進行干涉、碰撞分析等等。CAD技術(shù)可以說貫穿于整個設(shè)計過程，從產(chǎn)品方案的選擇到整機的可生產(chǎn)性、可維持性和可循環(huán)利用性等進行全面設(shè)計，因此在機械制造中廣泛應(yīng)用。1.3本課題研究內(nèi)容與開發(fā)思想1)零件結(jié)構(gòu)拆分及特征尺寸確定零件特征造型過程中，應(yīng)按其本身的功能和建模的特點，將零件拆分為相應(yīng)各個結(jié)構(gòu)，并分別找出建立其實體模型的基本特征。為使所建立的模型盡量反映零件的基本特征,一些不重要的或不具有普遍性的細節(jié)，如倒角等可省略，以免加大參數(shù)化的工作量。2)創(chuàng)建實體模型零件上的特征主要通過參數(shù)和幾何約束關(guān)系來相互關(guān)聯(lián), 尺寸之間的關(guān)系分為2 種: 一種是自定義的各種外部參數(shù)和零件的被約束尺寸的關(guān)系; 另一種是模型內(nèi)部特征之間的內(nèi)部約束關(guān)系, 它是指零件的幾何元素之間約束關(guān)系, 例如: 平行、垂直、相切、同心等。在創(chuàng)建模型時, 這些幾何約束關(guān)系同時被創(chuàng)建, 當模型被修改時, 這些關(guān)系可以自動保持設(shè)計者的意圖不變。一個特征往往有多種創(chuàng)建方法, 在設(shè)計時必須考慮好如何表達該特征與其它特征的關(guān)系。3)定義特征參數(shù)建立模型后, 所定義的所有零件尺寸由系統(tǒng)自動按照建立的先后順序命名為相應(yīng)的內(nèi)部標識尺寸。在復(fù)雜模型上, 則需要找出尺寸間的2 種對應(yīng)關(guān)系: 即內(nèi)部標識尺寸和外部模型上各個數(shù)值之間的對應(yīng)關(guān)系;內(nèi)部標識尺寸和將要命名的外部參數(shù)之間的關(guān)系。這2 種關(guān)系綜合在一起就體現(xiàn)了外部參數(shù)和零件上被約束尺寸的關(guān)系。命名參數(shù)時, 參數(shù)名稱要力求簡單易懂, 必要時可再加入簡單注釋。4)輸入特征參數(shù)將已定義好的參數(shù)輸入零件設(shè)計列表的“輸入部分”,并在關(guān)系定義部分定義出與零件各部分尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系, 同時還可在關(guān)系定義部分定義同一零件不同尺寸的相互約束關(guān)系。同一零件的各部分需要協(xié)同變化的, 也需要在這里列出。5)修改特征參數(shù)可用2 種方法來修改參數(shù): 一是根據(jù)所附提示, 選擇每項參數(shù)的名稱, 并逐項修改; 二是將所有需要修改的參數(shù)生成數(shù)據(jù)文件, 通過讀入文件的方式一次性全部修改。第一種方法速度較慢, 可以在調(diào)試程序、輸入變量的時候使用; 第二種方法效率較高, 當程序編制完2 基于SOLIDWORKS的齒輪類零件三維參數(shù)化建模2.1開發(fā)平臺與工具簡介隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，三維造型技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。漸開線齒輪由于能保證特定傳動比、受力方向不變等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于各種通用機械中，但因其齒廓形狀和輪體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變而成為三維造型技術(shù)的難點。SOLIDWORKS為解決這一難題提供了方便。SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當初的目標是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設(shè)計系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設(shè)計軟件至今，至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，Solidworks被法國達索（Dassault Systemes）公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計技術(shù)、先進的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構(gòu)的近145，000名學生通過SolidWorks的培訓課程。Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學易用。 對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設(shè)計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。 在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領(lǐng)導者。” 在強大的設(shè)計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。此軟件使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。參數(shù)化造型就是通過參數(shù)化建模來構(gòu)造產(chǎn)品的幾何模型, 通過參數(shù)化造型設(shè)計不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,并且可以進行現(xiàn)有產(chǎn)品的系列化設(shè)計。齒輪是應(yīng)用最為廣泛的通用機械零件，廣泛用在各種傳動中，如減速器、傳動裝置和汽車的變速箱等。直齒圓柱齒輪是制造其它齒輪的基礎(chǔ), 也是最通用的齒輪。對于這些需要經(jīng)常使用的通用機械零件, 如果每次都要設(shè)計計算，工作量大而且繁瑣，屬于重復(fù)無效勞動。因此, 正確的方法應(yīng)該是建立參數(shù)化的通用模型，設(shè)計新的齒輪時，根據(jù)需要輸入齒輪的參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒輪寬度等數(shù)據(jù)，就可以自動生成新的齒輪。齒輪類零件是組成機器的重要部分，是最常用的機械零件，也是機械產(chǎn)品中運動部件設(shè)計的核心。但是齒輪類零件的設(shè)計與繪圖是十分繁瑣且重復(fù)性很大的工作，傳統(tǒng)的人工設(shè)計方法費時費力，且容易出錯，設(shè)計人員將大量的時間和精力花費在一些重復(fù)性的工作上，缺乏更多的時間去進行創(chuàng)造性設(shè)計，導致產(chǎn)品開發(fā)周期長、產(chǎn)品質(zhì)量差、市場競爭力弱等后果，然而，CAD技術(shù)推動了幾乎一切領(lǐng)域的設(shè)計革命，對加速工程建設(shè)和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強企業(yè)的市場競爭能力與創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用。在實際應(yīng)用中，由于用戶的設(shè)計要求及生產(chǎn)條件的多樣性，這些CAD軟件往往難以完全適應(yīng)，因此，在具體CAD應(yīng)用中還需要進行二次開發(fā)，以滿足用戶的需求，使其更符合企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計需要。2.2 齒輪零件的特征描述 2.2.1 齒輪的基本參數(shù)我們利用漸開線方程生成齒輪的一個齒廓, 當用極坐標來表示漸開線時, 其方程式為：式中k 為漸開線在點K 的壓力角, k 為展角，如圖2-1所示：普通的漸開線齒輪有7個基本參數(shù)影響齒輪的形狀和尺寸：模數(shù)m，齒數(shù)z ，壓力角alpha，齒頂高系數(shù)ha*，頂隙系數(shù)c*，變位系數(shù)x*，螺旋角beta。這些參數(shù)中，z可任意變化，調(diào)整x*， beta參數(shù)可得到變位齒輪和斜齒輪；如果改變ha*，c*可以得到短齒、正常齒齒輪；壓力角alpha的改變可以滿足某些特殊齒輪的要求?？傊瑸榱诉_到齒輪的各項技術(shù)要求，就要考慮齒輪各個參數(shù)的改變，這些參數(shù)與齒輪尺寸、形狀、位置之間以各種方程式關(guān)聯(lián)，每個參數(shù)的改變都會引起齒廓形狀的改變。圖2-1 齒輪的漸開線輪廓2.2.2 齒輪結(jié)構(gòu)類型齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。（1）齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造，因此現(xiàn)代使用的齒輪中，漸開線齒輪占絕對多數(shù)，而擺線齒輪和圓弧齒輪應(yīng)用較少。在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較??；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉(zhuǎn)矩相同的情況下軸承的負荷增大，因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標準化，一般均采用標準齒高。變位齒輪的優(yōu)點較多，已遍及各類機械設(shè)備中。（2）按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸輪。圖2-2 圓柱齒輪圖2-3 錐齒輪圖2-5 蝸輪蝸桿（3）按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪。（4）按輪齒所在的表面分為外齒輪、內(nèi)齒輪。（5）按齒廓曲線可分為漸開線齒輪、擺線齒輪、圓弧齒輪。2.3 參數(shù)化設(shè)計技術(shù)概述參數(shù)化設(shè)計(parametric design)是一種設(shè)計方法，其基礎(chǔ)是尺寸驅(qū)動的幾何模型。與傳統(tǒng)的設(shè)計不同，尺寸驅(qū)動的幾何模型可以通過更改尺寸達到更改設(shè)計的目的。這意味著，設(shè)計人員一開始可以設(shè)計一個草圖，稍候再通過精確的尺寸完成設(shè)計的細節(jié)。參數(shù)化設(shè)計一般是指設(shè)計圖形拓撲關(guān)系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進行約束。參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯示的對應(yīng)，不同的參數(shù)值驅(qū)動產(chǎn)生不同大小的幾何圖形。參數(shù)化設(shè)計是規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設(shè)計的一種簡單，高效、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品設(shè)計方法。特別適合與系列化產(chǎn)品設(shè)計及標準件庫的建立等。1)參數(shù)化設(shè)計的理論方法參數(shù)化設(shè)計技術(shù)以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征，允許設(shè)計者首先進行草圖設(shè)計，勾畫出設(shè)計輪廓，然后輸入精確尺寸值來完成最終的設(shè)計。與無約束造型系統(tǒng)相比，參數(shù)化設(shè)計更符合實際工程設(shè)計習慣，因為在實際設(shè)計的初期階段，設(shè)計人員關(guān)心的往往是零部件的大致形狀和性能，對精確的尺寸并不十分關(guān)心，特別是在系列化設(shè)計中，參數(shù)化造型技術(shù)的優(yōu)點就更加突出。設(shè)計過程可視為約束滿足的過程，設(shè)計活動本質(zhì)上是通過提取產(chǎn)品有效的約束來建立其約束模型并進行約束求解。設(shè)計活動中的約束主要來自功能、結(jié)構(gòu)和制造三個方面。功能約束是對產(chǎn)品所能完成的功能的描述；結(jié)構(gòu)約束是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度等的表示；制造約束是對制造資源環(huán)境和加工方法的表達。在產(chǎn)品設(shè)計過程中將這些約束綜合成設(shè)計目標，并將它們映射成為特定地幾何/拓撲結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)化為幾何約束。所謂幾何約束就是要求幾何元素之間必須滿足某種特定的關(guān)系。將幾何約束作為構(gòu)成幾何/拓撲結(jié)構(gòu)的幾何基準要素和表面輪廓要素，可以導出各種形狀結(jié)構(gòu)的位置和形狀參數(shù)，從而形成參數(shù)化的產(chǎn)品幾何模型。產(chǎn)品的幾何約束主要包括拓撲約束和尺寸約束兩方面。拓撲約束是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定性描述，它表示幾何元素之間的固定聯(lián)系，如對稱、平行、垂直、相切等，這些關(guān)系擬抽象為點、邊、面間等九類有向關(guān)系，每一類關(guān)系有相應(yīng)的謂詞，包括“相同”、“平行”、“垂直”、“相交”、“偏移”等。尺寸約束則為特征/幾何元素間相對位置的定量表示，如各種距離、兩線夾角、圓的半徑等。尺寸約束是參數(shù)化驅(qū)動的對象，其不僅可以變動，而且需要標注和顯示。尺寸約束可表征為一組基本參數(shù)且具有與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次相對應(yīng)的層次性。產(chǎn)品特征模型中高層約束是形狀特征之間的形位關(guān)系；幾何元素之間的約束，則是低層約束的封裝；高層約束需通過低層約束來實現(xiàn)。參數(shù)驅(qū)動中約束方程的求解或尺寸鏈的推導是難點，如何保證在各種情況下都得到穩(wěn)定的解，尚未得到完全的解決。目前，解決參數(shù)驅(qū)動中約束的方法主要有如下幾種：基于幾何約束的變量幾何法、基于幾何推理的人工智能法、基于構(gòu)造過程的構(gòu)造法、基于輔助線法。上面幾種方法目前應(yīng)用較為廣泛，但幾何推理法采用謂詞描述約束，而且采用專家系統(tǒng)進行推理求解，效率低，難以滿足交互繪圖的要求。構(gòu)造法通過對造型過程的紀錄，記下幾何元素的生成順序及其相互間的關(guān)系，當用戶修改參數(shù)時，系統(tǒng)按原來的造型順序和幾何元素之間的關(guān)系重新構(gòu)造設(shè)計過程，構(gòu)造法能夠克服前面兩種方法的不足，但要求用戶嚴格遵守一定的造型順序，缺乏靈活性。2)基于特征的參數(shù)化設(shè)計基于特征的參數(shù)化設(shè)計將基于特征的設(shè)計和參數(shù)化設(shè)計有機的結(jié)合起來，使用較完整的帶有語義的特征描述方式，使特征本身就包含參數(shù)化變動所需的成員變量和成員函數(shù)，將面向?qū)ο蟮募夹g(shù)應(yīng)用于特征的描述，在造型中使用參數(shù)化，隨時調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸，并因此帶動特征自身的變動，實現(xiàn)產(chǎn)品基于特征的參數(shù)化設(shè)計。基于特征的參數(shù)化三維造型技術(shù)是CAD的關(guān)鍵技術(shù)，也是機械產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展趨勢。目前主要有兩種參數(shù)化建模方法：尺寸參數(shù)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)化，尺寸參數(shù)化是指零部件的大小可以改變而形狀不能改變，例如眾多軟件系統(tǒng)中的基本圖元，而結(jié)構(gòu)參數(shù)化是指既可以改變大小也可以改變形狀，建模過程中根據(jù)實際需要可選擇尺寸參數(shù)化或結(jié)構(gòu)參數(shù)化造型。參數(shù)化設(shè)計的最大優(yōu)點是系統(tǒng)自動記錄建立幾何形體的整個歷程，換句話說，系統(tǒng)不僅記錄建立的幾何形體，同時也記錄設(shè)計意圖，即幾何間的關(guān)系。當改變參數(shù)時，幾何關(guān)系保持不變。作為一個基于特征的三維輔助設(shè)計軟件，利用幾何約束實現(xiàn)了尺寸驅(qū)動，設(shè)計者可以在設(shè)計過程中預(yù)先定義設(shè)計變量，再通過簡單的算術(shù)表達式定義幾何尺寸，幾何尺寸也可以以變量的形式加入到算術(shù)表達式中，以驅(qū)動其它尺寸。對標準件來說，其結(jié)構(gòu)尺寸均己標準化、系列化，國家標準對其有著明確的規(guī)定。在造型過程中，就某一特定類型的標準件而言，我們只需改變其設(shè)計變量的值，就可得到不同規(guī)格的同類零件模型。因此，設(shè)計變量的應(yīng)用，使得標準件模型庫建立的繁雜工作變得簡單了。3 齒輪建模過程此次齒輪類零件的造型較多，但建模原理大體相同，因此下面以齒輪傳動零件中的直齒圓柱齒輪為例。（只研究直齒輪、斜齒輪、錐齒輪）3.1漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)設(shè)計模數(shù)M、齒數(shù)Z、壓力角ALPHA、齒寬B、齒輪齒頂高系數(shù)H_N、頂隙系數(shù)C_N、變位系數(shù)X_N、軸孔直徑DK。3.2齒輪參數(shù)間的計算關(guān)系齒頂高：ha=m*(h_n+x_n) 齒根高：hf=m*(h_n+c_n-x_n)分度圓直徑：d=m*z 基圓直徑：db=d*cos(alpha)齒頂圓直徑：da=d+2*m*(h_n+x_n) 齒根圓df=d-2*m*(h_n+c_n-x_n)漸開線的參數(shù)方程：r=db/2 theta=t*45 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 z=03.1齒輪參數(shù)化設(shè)計基本思路（1）設(shè)置齒輪基本參數(shù) （2）繪制四個圓并添加關(guān)系式 （3）創(chuàng)建基準曲線漸開線 （4）鏡像漸開線 （5）創(chuàng)建一個齒槽輪廓實體 （6）陣列齒槽輪廓 3.4直齒圓柱齒輪建模過程設(shè)計步驟如下：（1）開始一個新零件，以“零件1.SLDPRT”名稱保持文件。（2）添加方程式，定義參數(shù)，添加整體變量。1）單擊“工具”工具欄中的“方程式”按鈕，系統(tǒng)彈出“方程式”對話框。2）單擊按鈕，系統(tǒng)彈出“添加方程式”對話框，如圖2-103）在文本框內(nèi)輸入方程 m=3 ，單擊按鈕，方程式便自動添加到方程式對話框中。4)）重復(fù) 步驟2）和步驟3）逐一添加 z=20，d=m*z，p=pi*m，B=10*m方程式，如圖2-11。完成方程式添加后，單擊方程式對話框中的按鈕。系統(tǒng)在FeatureManager特征設(shè)計樹中會添加以上方程式文件夾。(齒厚一般為10倍的模數(shù)，所有B=10*m)圖 2-10 “添加方程式”對話框圖2-11 添加方程式后的“方程式”對話框5）單擊特征設(shè)計樹，展開方程式文件夾，如圖2-12所示。（3）以齒根圓繪制齒輪基本。1）在上插入草圖1。2）在原點繪制一個圓，并標注尺寸（如圖2-13）。并將尺寸屬性欄中的“主要值”下的尺寸名稱改為“df”(如圖2-14)。 圖2-12 FeatureManager特征設(shè)計樹圖 2-13 草圖1圖 2-14 修改尺寸名3）雙擊尺寸數(shù)字下的尺寸線，在彈出的“修改”對話框中單擊下列列表，選擇“添加方程式”（如圖2-15）。系統(tǒng)彈出“添加方程式”對話框，在“df草圖1 =”后面輸入“m*(z-2.5)”,然后回車，單擊按鈕，退出“方程式”對話框。此時的尺寸標注變?yōu)閳D2-16所示。圖 2-15 尺寸“修改”對話框圖 2-16 添加方程式后的尺寸標注4）退出草圖1.5）單擊特征工具欄中的“拉伸凸臺基臺”按鈕，單擊繪圖區(qū)的圓，系統(tǒng)彈出“拉伸”屬性，將深度改為20mm，終止條件設(shè)置為“兩側(cè)對稱”后確定6）單擊FeatureManager 特征設(shè)計樹的按鈕，顯示出其尺寸，以便修改名稱和添加方程式（圖2-17）7）添加方程式。單擊按鈕，雙擊拉伸深度尺寸20的尺寸線控制點，彈出“修改”對話框。單擊下列表，選擇“添加方程式”，在“D1拉伸1 =”后輸入“B”，單擊“確定”按鈕，完成對拉伸深度尺寸的方程式添加。圖 2-17 特征尺寸（4）繪制齒輪。1）選取圓柱的上表面，進入草圖，過圓心做一條豎直的中心線，再過圓心做一條中心線，與豎直中心線的夾角為4.5（因為齒數(shù)是20, 故過分度圓的齒形和齒槽為18，半個齒槽為4.5）。并為其添加方程式“草圖2 = 360/(z*4)”2）過圓心做一個圓，直徑為60，（并為其添加方程式“d草圖2 = d”）這就是分度圓，我們知道，標準齒輪的壓力角為20，其實嚴格意義上，應(yīng)該是分度圓上的壓力角為20，過圓心再做一條中心線，與剛才做的線夾角為20。3）過A點做ACOB ，交于C點，因為基圓半徑rb=m*Z/2cos20,即分度圓半徑乘20角的余弦。因此以O(shè)C為半徑做的圓即為基圓。A點是齒廓上與分度圓的交點，顯然它是漸開線上的一點，因ACOB，故AC相切于基圓，AC被稱為漸開線的發(fā)生線。如圖2-18所示圖2-18 AC為漸開線的發(fā)生線4) 根據(jù)漸開線的性質(zhì)，漸開線是從基圓上某一點開始，且從這一點到C點的弧長等于AC。假定此點為D，即弧CD=A C（直線），由于AC已知，D點唯一確定，標注AC尺寸顯示為10.26, 因AC尺寸已由已知尺寸確定，標注時，電腦出現(xiàn)一個提示框，是否將該尺寸設(shè)為從動，點確定。5) 用點命令在基圓上任意點一點，標注此點與C點的弧長，并修改為10.26，（為此數(shù)值添加方程式“r2草圖2 = d*sin( 20 )/2”）至此，D點被確定。標注CD間弧長時，直接選取兩點時顯示的是弦長，你會發(fā)現(xiàn)一個箭頭，這時在基圓上點一下，即顯示為弧長。6）做中心線連接OD，過O點做一中心線，標注其與OD的夾角，修改為40，此線與基圓交與E點，過E點做一條中心線EF，運用幾何約束使其垂直于OE，標注DE的弧長，此弧長為已確定尺寸20.10（主要值改為“r3草圖2”），因而又出現(xiàn)是否設(shè)置為從動尺的對話框，點確定。7）標注EF的長度，修改為 20.10（為此數(shù)值添加方程式“r4草圖2 = r3草圖2”），發(fā)現(xiàn)此點被唯一確定。顯然此點也為漸開線上一點。8）點樣條曲線工具，連接F、A、D三點，此曲線即為所求的漸開線。若要更精確，可多設(shè)幾個角度，最好使被確定的點在齒頂圓范轉(zhuǎn)內(nèi)，但最后一個點要在齒頂圓外面.(如圖2-19所示)圖2-19 畫好齒輪漸開線9）齒根圓角，即指齒根朝上的圓弧面，那是由刀具保證的，這里采用簡易畫法，不做研究。送圓形O點作一條直線到D點。10）以中心線為軸，鏡像齒輪漸開線和直線OD。11）畫出齒頂圓。并添加方程式“da草圖2 = (z+2)*m”最終草圖如圖2-20所示12）單擊確認按鈕，退出草圖2。并拉伸，系統(tǒng)彈出“拉伸”屬性，將其深度改為30，終止條件設(shè)置為“兩側(cè)對稱”后確定?！驹斠姡?）5），6），7）】圖 2-20 完成后的草圖圖2-21 拉伸所選擇的區(qū)域（5）陣列輪齒1）選擇“視圖” “臨時軸”命令，開啟臨時軸的顯示。2）對進行“圓周陣列” 數(shù)量20（其實隨便）。如圖 2-223）單擊特征設(shè)計樹中圖標，顯示出其尺寸，以便修改名稱和添加方程式。4）雙擊20（齒數(shù)既陣列數(shù)量），將其尺寸名稱改為“Z”，并為其添加“D1陣列(圓周)1 = Z”的方程式。5）完成參數(shù)m=3，z=20，齒輪的模型設(shè)計?？梢愿淖兲卣鳂浞匠淌降哪?shù)和齒數(shù)得到不同的齒輪。如圖2-23圖2-24 右鍵點擊方程式圖 2-22 “圓周陣列”屬性（6）改變模數(shù)和齒數(shù)得到不同的齒輪。在特征樹方程式 m=3 上右鍵，選擇“編輯方程式”（圖 2-24 所示），可以編輯改變模數(shù)，將m和z的值改為m=2,z=24，回車兩次。單擊“重建模型”按鈕，齒輪變?yōu)樾碌男螤?。如圖2-25。圖2-23 已完成的直齒輪圖 2-25 m=2 z=24的齒輪3.5 創(chuàng)建其它齒輪(斜齒輪，錐齒輪)3.5.1斜齒輪的創(chuàng)建斜齒輪和直齒輪的不同點有2個：（1）螺旋角度，螺旋線的確定1）不是直接畫出齒根圓并拉伸。是先在前視面畫出分度圓，并拉伸。2）再在上視面過原點