Pro/ENGINEER軟件是美國(guó)PTC公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)解決方案，其強(qiáng)大的三維處理功能、先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和簡(jiǎn)單實(shí)用的操作受到許多設(shè)計(jì)者推崇。其CAD輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的實(shí)體模型化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)所建立的幾何圖素簡(jiǎn)單堆疊的模型不同，Pro/ENGINEER的CAD系統(tǒng)建立的模型可以深刻地體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的思想，不但可以真實(shí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可視化模型，而且可以適應(yīng)提高重復(fù)型、改進(jìn)型設(shè)計(jì)效率以及參數(shù)化、信息全相關(guān)的要求。

　　一、參數(shù)化建模原理及分析

　　參數(shù)化設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)者構(gòu)造模型時(shí)可以集中于概念設(shè)計(jì)和整體設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高設(shè)計(jì)效率。其主要思路如圖1所示，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品建模特征的解析，從特征中抽象出特征參數(shù)，再對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行分析，得到參數(shù)模型。根據(jù)模型信息建立參數(shù)間關(guān)聯(lián)與約束，并確定某些參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)而建立由設(shè)計(jì)變量驅(qū)動(dòng)的零件族。

　　通過(guò)參數(shù)化的方法建立零件，可以方便零件族的實(shí)現(xiàn)及其管理操作，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中大量重復(fù)、改進(jìn)型設(shè)計(jì)效率的提高。參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)于形狀大致相似的一系列零部件，只需修改相關(guān)參數(shù)，便可生成新的零部件，從而大大提高設(shè)計(jì)效率。

　　零件族由一個(gè)模板和用來(lái)驅(qū)動(dòng)模板的表格組成，模板含有生成零件族成員的全部特征，族表反映模板設(shè)計(jì)變量值、表達(dá)式關(guān)系及零件屬性等的更改。零件族成員是一系列結(jié)構(gòu)相似的零件，對(duì)模板的修改將自動(dòng)更新零件族的所有成員。在Pro/ENGINEER中建立的零件族實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：

　　(1)族表。先建立一個(gè)通用零件為父零件，然后在其基礎(chǔ)上對(duì)各參數(shù)(如尺寸，特征參數(shù)，組件等)加以控制，生成派生零件;

　　(2)程序建模。Pro/ENGINEER具有開放的體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的二次開發(fā)工具，允許開發(fā)者根據(jù)客戶的特殊需要來(lái)進(jìn)行擴(kuò)充和修改。利用Pro/ENGINEER建模時(shí)，Pro/Program會(huì)產(chǎn)生特征程序，它記錄著模型樹(model tree)中包括各個(gè)特征的建立方法、參數(shù)設(shè)置、尺寸以及關(guān)系式約束等在內(nèi)的每個(gè)特征的詳細(xì)信息，可以通過(guò)修改和添加特征的program來(lái)生成基本參數(shù)相同的模型庫(kù)。

　　圖1 參數(shù)化建模思路

　　二、直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模

　　直齒圓錐齒輪是機(jī)械工業(yè)中廣泛使用傳遞兩相交軸之間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要基礎(chǔ)零部件，它的繪圖工作繁雜費(fèi)時(shí)。而這類零件大部分具有相似的結(jié)構(gòu)和形狀，在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和圖紙繪制過(guò)程中，不可避免要反復(fù)修改，進(jìn)行零件形狀、尺寸的綜合協(xié)調(diào)和優(yōu)化。因此，應(yīng)用參數(shù)化建模技術(shù)有非常重要的經(jīng)濟(jì)效用和現(xiàn)實(shí)作用，對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率和保證設(shè)計(jì)質(zhì)量也具有重要意義。

　　1.零件解析

　　首先進(jìn)行直齒圓錐齒輪的建模特征解析。直齒圓錐齒輪相交兩軸間定傳動(dòng)比的傳動(dòng)，在理論上由兩圓錐的摩擦傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圓錐齒輪除了有節(jié)圓錐之外，還有齒頂錐、齒根錐以及產(chǎn)生齒廓球面漸開線的基圓錐等。圓錐齒輪的齒廓曲線為球面漸開線，但是由于球面無(wú)法展開成為平面，以致在設(shè)計(jì)甚至在制造及齒形的檢查方面均存在很多困難，本文采用背錐作為輔助圓錐(背錐與球面相切于圓錐齒輪大端的分度圓上，并且與分度圓錐相接成直角，球面漸開線齒廓與其在背錐上的投影相差很小)。基于背錐可以展成平面，本文相關(guān)參量的計(jì)算均建立在背錐展成平面的當(dāng)量齒輪上進(jìn)行。

　　基于以上的分析和簡(jiǎn)化確定建立該模型所需的參數(shù)：

　　(1)分度圓錐角δ：分度圓錐的錐角的1/2即為分度圓錐角;

　　(2)外錐距R：圓錐齒輪節(jié)錐的大端至錐頂?shù)拈L(zhǎng)度;

　　(3)大端端面模數(shù)m;

　　(4)分度圓直徑d：在圓錐齒輪大端背錐上的這個(gè)圓周上，齒間的圓弧長(zhǎng)與齒厚的弧長(zhǎng)正好相等，這一特點(diǎn)在后面建模過(guò)程中得到利用;

　　(5)齒高系數(shù)h*、徑向間隙系數(shù)c*、齒高h(yuǎn);

　　(6)壓力角：圓錐齒輪的壓力角是指圓錐齒輪的分度圓位置上，球面漸開線尺廓面上的受力方向與運(yùn)動(dòng)方向所夾的角，按照我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)一般取該值為20°。

　　2.建模策略

　　根據(jù)零件解析中所得到的基本模型參數(shù)抽象建模特征所需的特征參數(shù)。在直齒圓錐齒輪中抽象得到的特征參數(shù)有，alpha(壓力角，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定值為20)、delta(分度圓錐角)、m(錐齒輪模數(shù))等，如圖2所示。

　　圖2 特征參數(shù)設(shè)定

　　在特征參數(shù)中確定設(shè)計(jì)變量，Z：直齒錐齒輪齒數(shù);M：直齒錐齒輪模數(shù);Z_ASM：配合齒輪的齒數(shù)(分度圓錐角δ需要由Z和Z_ASM來(lái)確定);CX徑向間隙系數(shù);HAX齒高系數(shù);B齒寬;X變位系數(shù)等。

　　建立其余特征參數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間約束關(guān)系，如圖3所示用工具中的關(guān)系來(lái)約束。

　　圖3 特征參數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的約束關(guān)系

　　3.參數(shù)建模

　　根據(jù)前面的分析，使用背錐上的當(dāng)量齒輪進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。首先由大端面的相關(guān)參量以及由大端面相關(guān)參量推算出來(lái)的小端面相關(guān)參量，建立大端面和小端面的分度圓、齒根圓、齒頂圓等，并運(yùn)用設(shè)置的相應(yīng)特征參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)尺寸。運(yùn)用漸開線方程式在笛卡兒坐標(biāo)系下驅(qū)動(dòng)曲線命令建立漸開線，并運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系驅(qū)動(dòng)尺寸進(jìn)行鏡像，分別得到大小端面的漸開線齒形。如圖4所示。

　　運(yùn)用混合命令首先建立一個(gè)齒，再運(yùn)用復(fù)制和陣列的方法，建立所有的輪齒特征;最后運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具建立齒輪的基體，這樣直齒圓錐齒輪的主體部分就建立完成。如圖5所示，建立新圖層curve將所有的輔助線條納入其中，并將該層隱藏，得到如圖6顯示的模型。

　　圖4 建立圓直齒錐齒輪的大小端面的齒形

　　圖6 直齒圓錐齒輪主體模型

　　三、參數(shù)化直齒圓錐齒輪庫(kù)的建立

　　利用Pro/ENGINEER系統(tǒng)中的族表功能建立直齒錐齒輪模型庫(kù)，如圖7所示，提取相關(guān)的設(shè)計(jì)變量或關(guān)鍵尺寸、特征等進(jìn)行編輯、定義和修改，即可完成模型庫(kù)的建立。在Pro/ENGINEER的主菜單中選擇【工具】/【族表】，將設(shè)置的設(shè)計(jì)參量提取到族項(xiàng)目中，建立控制模型庫(kù)的電子表格，在族表中可以根據(jù)需要更改相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量數(shù)據(jù)，并且通過(guò)編輯再生將模型自動(dòng)重建。

　圖7 提取參數(shù)到族表項(xiàng)目中

　　本文中直齒錐齒輪的模型庫(kù)通過(guò)族表功能建立了一個(gè)嵌套的控制數(shù)據(jù)表格，如圖8所示的第一層數(shù)據(jù)，以直齒錐齒輪模數(shù)中第一系列大端模數(shù)為該族項(xiàng)目的具體參數(shù)，并對(duì)所有的實(shí)例進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。如圖9所示，以第一系列大端模數(shù)為具體參數(shù)系列，模型就會(huì)自動(dòng)重新建模。點(diǎn)擊族表面板中的打開按鈕就可以打開相應(yīng)實(shí)例。

　　圖9 實(shí)例驗(yàn)證

　　通過(guò)插入實(shí)例層表或者打開初始模型建立其族表，對(duì)模數(shù)為3的初始齒輪建立子族表，如圖8所示(在類型中有一個(gè)文件夾圖表)。如圖10所示，選取壓力角、齒高系數(shù)、齒數(shù)等作為其族項(xiàng)目。這種模型庫(kù)的建立方法，有利按照設(shè)計(jì)者的意圖形成標(biāo)準(zhǔn)化的模型庫(kù)。

　　圖10 第二層嵌套族表

　　通過(guò)Pro/ENGINEER族表功能建立了直齒錐齒輪的模型庫(kù)，用戶可以選擇族表中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的實(shí)例，也可以在其中新建一個(gè)實(shí)例輸入相應(yīng)的控制參量具體值;通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，就可以自動(dòng)生成用戶所需的模型。

　　四、基于Pro/Program的二次開發(fā)

　　利用Pro/Program對(duì)Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)不需要重新撰寫設(shè)計(jì)步驟，只需加入幾個(gè)相關(guān)語(yǔ)法指令就可以讓整個(gè)零件或組件變得彈性化與多樣化，其主要思想是利用Pro/Program的模塊功能來(lái)接收、換算和傳遞用戶輸入的有關(guān)參數(shù)，通過(guò)改變特征的尺寸及特征之間的關(guān)系來(lái)達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。

　　利用Pro/Program進(jìn)行二次開發(fā)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)變量的確定，通過(guò)參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的修改，應(yīng)用編程的方法進(jìn)行參數(shù)的輸入控制，以便達(dá)到快速設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的目的。針對(duì)本文中直齒圓錐齒輪的二次開發(fā)，只需要在程序編輯器的INPUT和END INPUT語(yǔ)句之間輸入以下內(nèi)容。

　　M NUMBER

　　"請(qǐng)輸入大端模數(shù);enter the number of m:"

　　Z NUMBER

　　"請(qǐng)輸入齒數(shù);enter the number of z:"

　　Z_ASM NUMBER

　　"請(qǐng)輸入配合齒數(shù);enter the number of z_asm:"

　　B NUMBER

　　"請(qǐng)輸入齒長(zhǎng);enter the number of b:"

　　X NUMBER

　　"請(qǐng)輸入變位系數(shù);enter the number of x:"

　　CX NUMBER

　　"請(qǐng)輸入徑向間隙系數(shù);enter the number of cx:"

　　HAX NUMBER

　　"請(qǐng)輸入齒高系數(shù);enter the number of hax:"

　　ALPHA NUMBER

　　"請(qǐng)輸入壓力角;enter the number of alpha:"

　　確認(rèn)修改并保存退出，關(guān)閉文字編輯器，確認(rèn)信息欄列出現(xiàn)的提示信息："Do you want to incorporate your changes into the model?"，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)“GET INPUT”菜單，點(diǎn)擊“Enter”，就會(huì)出現(xiàn)“INPUT SEL”菜單，系統(tǒng)就會(huì)提示輸入設(shè)計(jì)變量具體數(shù)值，確定后模型將會(huì)自動(dòng)重建。

　　五、結(jié)論

　　Pro/ENGINEER軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，采用本文的方法可以精確地生成參數(shù)化控制的直齒圓錐齒輪模型及其模型庫(kù)。通過(guò)使用Pro/ENGINEER關(guān)聯(lián)性功能、族表以及Program二次開發(fā)工具，可以方便地實(shí)現(xiàn)直齒圓錐齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)特征建模，及其參數(shù)化模型庫(kù)的建立，這不僅提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，也為直齒圓錐齒輪進(jìn)一步開發(fā)有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)控加工等其他功能模塊奠定了基礎(chǔ)。