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1、 目录第1章 设计准则11.1 设计背景11.1.1 齿轮工业介绍11.1.2 国内外发展状况11.2 综合分析设计目的2第2章 CATIA的参数化齿轮设计42.1 CATIA V5R20软件简介42.1.1 图标功能介绍(基本概念、基本界面介绍)42.1.2 产品结构、文档与工作台（菜单工具组）Workbench42.2 齿轮参数化设计52.2.1 参数与公式的设置52.2.2 新建零件62.2.3 定义原始参数62.2.4 定义计算参数72.2.5 核查已定义的固定参数与计算参数82.2.6 定义渐开线的变量规则82.2.7 制作单个齿的几何轮廓102.2.8 创建整个齿轮轮廓172.2.
2、9 创建齿轮实体182.2.9.1 创建直齿轮182.2.9.2 创建斜齿轮18第3章 建立齿轮零件库213.1 相关术语的介绍213.2 齿轮命名方法223.3 齿轮设计表的建立233.4 齿轮Catalog的目录建立253.4.1 Catalog的建立253.4.2 章节(Chapters)的建立253.4.3 类(family)的建立263.4.4 关键字(keywords)的建立273.4.5 添加齿轮到Catalog283.5 齿轮库的使用方法293.6 齿轮库的管理30第4章 结论与展望314.1 结论314.2 存在的不足314.3 展望31致 谢33参考文献34摘要：齿轮是依靠
3、齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平直接影响到齿轮产品的质量。本文针对齿轮在机械设计中应用的广泛性和通用性，根据机械零件中有关齿轮的设计原理，利用CATIA V5 的参数化函数设计功能建立各种类型齿轮的三维模型；并结合CATIA V5的知识工程，利用 CATIA V5的Catalog库功能，建立了一套较完整的齿轮库。该齿轮库能够在机械设计中进行直接调用，为机械设计工作提供了极大的便利。关键字：齿
4、轮，CATIA，参数化设计，零件库第1章 设计总则1.1 设计背景1.1.1 齿轮工业介绍齿轮常见于现代工业设备中，它甚至通过家用车辆和家用器械渗入到寻常百姓的日常生活中。因此，齿轮作为工业的象征，被画在我国庄严的国徽上。50年代我国齿轮工业几乎从零起步，第一个五年计划期间我国开始发展齿轮制造业，至60年代中期奠定了初步基础，在不同行业中建立了若干具有代表性的齿轮制造车间。70、80年代后，通过国家重点投入和数量可观的技术引进，以及改革开放政策的深入贯彻，我国齿轮工业又有了新的发展，形成了一个门类齐全，颇具规模的工业。1.1.2 国内外发展的状况二十一世纪是一个高速发展的世纪，我国的各行各业正
5、以惊人的速度向世界看齐，特别是机械制造业正以一个前所未有的速度在向前发展。在面向装配设计过程中，为提高设计效率，减少重复劳动，缩短产品开发周期，建立三维零件库是必不可少的一个重要环节。在基于 CATIA V5、PRO/E、UG 为平台的三维参数化机械产品的设计中，标准件、常用件，它们在结构、尺寸方面都已标准化或部分重要参数已标准化、系列化了，为了避免设计人员花费大量时间来进行这些重复性的工作，提高设计效率和产品的开发速度，降低产品的开发成本，并实现组件快速、准确的装配，按我国的有关设计标准，通过利用 CATIA V5 中的 Catalog、PRO/E 中的族表、UG中的 Part famili
6、es 等开发工具来建立标准件、常用件的三维参数化图库尤为重要和必要。为此，许多企业经常自己建立一些小型的标准件库或专业零件库。从制造业全行业的角度来看，这样做不仅导致大量人力、物力和时间被耗费在重复的工作中，而且由于各单位条件限制及使用目的不同，很难建立一个完整、通用的零件库，对于因标准改变等情况引起的零件库更新也无法很好地解决。网络环境及其开发技术的飞速发展为企业共享零件库服务提供了手段，在开发网络环境下 ASP.NET 技术与 Web 数据库技术相结合的虚拟零件库及相应的 ASP 服务平台，将能够使企业以较少的资金得到范围更加广泛、分类更加精细的零件库服务，达到支持网络化设制造和企业间技术
7、协作，提高企业产品创新能力和开发效率的目的。例如，杭州新迪数字工程系统有限公司开发的：三维资源在线网 。在这个平台上，设计人员可以轻松找到我们国家现有的各类标准件、行业常用件以及供应商产品目录，动态配置、预览、并最终下载这些三维产品实体模型。设计人员在机械设计中齿轮是最常用的零件，但是齿轮的曲线形状复杂在很多软件中是不能直接生成的，需要设计人员一步一步地操作，过程极其繁琐，设计的效率很低，因此对于齿轮库的建模提出了要求。1.2 综合分析以及设计目的本文对目前国内外在这方面的研究情况作了简单的调研，并查阅了大量的相关文献，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
8、维实体的参数化的造型研究还不多见，特别是像齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体的参数化的造型设计更为少见。其原因，一是齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面是运用低档 CAD 软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计。随着虚拟制造技术的迅速发展，用大型通用的CAD软件对齿轮的三维实体进行参数化虚拟造型设计已成为设计者的迫切需要。 CATIA V5、PRO/E、UG 等提供的二次开发工具给三维实体造型提供了极大的方便，它可以避免对三维实体的重复造型，极大地提高设计效率。在计算机辅助设计与图形学学报2005年8月第17卷第8期李原基于 CATIA V5 的标准件库设计与实
9、现对基于 CATIA V5 软件的航空产品标准件库的关键技术和实现方案进行研究，提出一种基于 CATIA V5 的标准件库实现方法，对基于CAA-API 的标准件实体建模、零件参数表设计、基于Catalog 的标准件层次结构设计，以及标准件的数据库存储模式设计等创建标准件库的关键技术进行了描述，开发了标准系统标准件库，覆盖国标、航标、企标、军标的紧固件、机体构件、系统构件、管路系统构件、电气操纵构件等零件类型。目前为止，国内对齿轮 CAD 已作了一定的工作，如郑州机械研究所开发的“齿轮传动 CAD 集成系统”，天津大学毕玉玲开发的“仪表圆弧齿轮 CAD 模型”。但是多数是二维系统，燕山大学路鼓
10、、陈修龙开发虽然是三维的系统，但是仅限于圆锥齿轮。还有一些齿轮方面的专家基于 SUN 工作站以 I-DEAS MS5 为支撑软件建立了一套齿轮的参数化造型系统程序，可以实现内外齿轮的参数化造型，但这些软件功能也仅限于直齿轮。而且针对机械设计中通用齿轮研究与建模尚处于空白，齿轮库建立会使我们更多的精力放在产品的核心零部件以及它们之间的接口上。综上所述，基于 CATIA V5 的齿轮库建模有重大的理论和实际意义。CAD 是目前世界上最流行的计算机辅助设计软件平台，它以功能强大、操作简便、支持多平台以及体系结构开放等优点得到了工程界的广泛应用特别是 CATIA V5 允许用户对其进行扩充和修改即二次
11、开发极大限度地满足了用户的特殊要求。 CATIA V5 是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的 CATIA V5 系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA V5 产品基于开放式可扩展的 V5 架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA V5 解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的
12、数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA V5 系列产品已经在七大领域里成为首选的 3D 设计和仿真解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。CATIA V5 软件以其强大的曲面设计功能在飞机、汽车等设计领域享有很高的声誉。与 PRO/E、UG 相比，CATIA V5 提供了更加丰富的建库工具以满足用户的需求。CATIA V5 采用统一的数据库，集三维实体、曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析等，特别是其全参数化和相关功能强大的实体造型技术为一体，为设计提供了很大的方便。因此，本课题选择 CATIA V5 为操作平台
13、，使用方便、操作简单。只要通过鼠标拖曳悬着的齿轮即可获得直齿轮的实体，也可通过简单的复制到设计环境中，就形成独立的实体，与齿轮库脱离关系，因此可以利用该齿轮实体进行设计。本课题研究的重点是对直齿轮进行简单设计，并完成齿轮库的建立。第2章 catia的参数化齿轮设计2.1 CATIA V5R20软件简介2.1.1 图标功能介绍(基本概念、基本界面介绍)CATIA软件的用户界面分为五个区域：顶部菜单区(Menus)左部为产品/部件/零件树形结构图，或称为“历史树”(Tree & associated geometry)中部图形工作区(Graphic Zone)右部为与选中的工作台相应的功能菜单区(
14、Active work bench toolbar)下部为标准工具菜单区(Standard Toolbars)工具菜单下为命令提示区(Dialog Zone)2.1.2 产品结构、文档与工作台（菜单工具组）Workbench产品结构（Product Structure）：将客户产品逻辑性地组织起来的一种结构形式，用户可以在这种结构内浏览并选择不同的元件作为工作对象，这是启动 CATIA 时进入的缺省模式。文档（Document）：一个文件，用来管理并保存用户产生的与某工作相关的数据。Part是存储CATIA模型数据的基本文件，通常以 *.CATPart 为后缀。工作台（Workbench）：产
15、生某种指定类型构件（component）的一系列菜单工具组，即完成CATIA某类功能（或产品模块）的菜单集合。例如，零件(Part)菜单是实体设计模块的构件（ Part Design component），二维图菜单 （drawing） 是二维图设计模块构件（Drafting component），产品菜单(Product)是装配设计模块的构件（Assembly component）。CATIA 的菜单工具组位于屏幕右侧。点中右部菜单区最上部的图标，即出现一个大的图标集合（favorite workbenches lists），可从中选择所需的工作台 Workbench以获得实现相关功能的菜单
16、工具组；也可从顶部菜单区 Start 的下拉菜单中点选所需的工作台Workbench。2.2齿轮参数化设计2.2.1 参数与公式的设置2.2.2 新建零件依次点击点击按钮 现在零件树看起来应该如下：2.2.3 定义原始参数 点击按钮，如图下所示：这样就可以创建齿轮参数：1. 选择参数单位（实数，整数，长度，角度）2. 点击按钮3. 输入参数名称4. 设置初始值（只有这个参数为固定值时才用）现在零件树看起来应该如下： （直齿轮） （斜齿轮）多了个参数：b分度圆螺旋角2.2.4 定义计算参数大部分的几何参数都由z,m,a三个参数来决定的，而不需要给他们设置值，因为CATIA能计算出他们的值来。因此
17、代替设置初始值这个步骤的是，点击按钮然后就开始编辑公式：2.2.5 核查已定义的固定参数与计算参数通过历史树（如下图所示）检查已定义的参数和关系是否正确：2.2.6 定义渐开线的变量规则上面我们已经定义了计算参数的公式，现在我们需要定义出能得到齿廓渐开线上的点的X，Y坐标的公式。平常我们画图也是给一系列渐开线上的点坐标x0,y0,x1,y1，在这里，CATIA提供了一个方便的工具来完成它：变量规则。为了创建一个规则，点击按钮，并且输入规则名称，如下所示：然后就可以给渐开线上的X和Y坐标编辑两条规则公式：xd= rb * ( cos(t * PI*1rad) +sin(t * PI*1rad)
18、* t * PI )yd= rb * (sin (t * PI*1rad)-cos(t * PI*1rad) * t * PI )在CATIA的公式编辑器里的注意事项：三角函数功能中使用角度，而不是数字，因此我们必须使用角度常量，如1rad 或者 1degPI代替数字2.2.7 制作单个齿的几何轮廓点击，定义轴系统为了与实体相区别，利用几何图形集来完成齿形轮廓线的绘制整个齿轮是单个齿的圆形循环，下面将说明如何制作一个单齿：1 定义参数，常量与公式（已做）。2 插入5个点，其位置由xd(t)和yd(t)规则函数来定义： 在XY平面上任意定义5个点（如下） 代入xd(t)和yd(t)规则，从t=0
19、到t=0.4编辑点的H、V坐标：（大部分齿轮的渐开线变量不会超过0.4）下面以t=0.2的渐开线点为例，编辑其V坐标：点击 计算得到不同变量t对应的点的H、V坐标3 做一条包含5个渐开线点的样条曲线点击4 朝齿轮的中心外插样条曲线： 渐开线曲线的终点在基圆上，基圆半径rb= rp * cos( 20 )rp*0.94。 当z图标，在表格中找到合适的齿轮。如下图3.22目标齿轮 图3.22浏览查找目标齿轮3)可以通过过滤器快速的找到目标齿轮。过滤器中有齿轮所有的关键字，给关键字设定一个范围或一个数值，找到相应的范围的齿轮或者目标齿轮。如图3.23 库浏览器的过滤器。图3.23 库浏览器的过滤器4
20、)点击右键，选择“引用文档”选项，即打开所需的齿轮。如果需要装配，进入装配环境进行相应的装配。如图3.24 从齿轮库中打开的直齿轮。图3.24 从齿轮库中打开的直齿轮3.6 齿轮库的管理一个完整的齿轮库，如图3.25所示由“基本齿轮模型”、“设计表格”、“Catalog文件”组成，企业内部需要有专人管理和维护。建议以下面所示的目录结构组织磁盘文件。做好的零件库放到企业服务器的专门目录中，设好权限，供设计人员使用。图3.25齿轮库的文件第4章 结论与展望4.1 结论1)本文运用CATIA V5对直齿轮和斜齿轮进行三维建模并建立其齿轮库。此文着眼于齿轮，工程技术人员可根据所需设计的总成，利用 CA
21、TIA V5 的查询功能，快速、方便的从齿轮库中调用设计中所需齿轮。2)选择 CATIA V5 知识工程中的参数化设计功能，建立齿轮、斜齿轮、锥齿轮、蜗轮三维参数化模型，通过以模数、齿数、压力角等参数为输入条件，绘制齿轮的三维模型。利用表格数据来驱动模型;利用规则和检验控制特征来驱动模型。通过Excel表导入一系列的参数，可自动生成一系列的新的齿轮三维模型，达到齿轮三维模型的设计自动化。3)利用 Catalog 添加类的功能，将齿轮三维模型导入 Catalog 中，最终完成齿轮库的建立。该齿轮库是与 CATIA V5 版木无缝连接、直接集成的应用系统，采用参数化设计手段，占用存贮空间小，具有开
22、放性的接口，扩充容易。内容不仅涵盖了目前常用的设计标准，适用于其他机械设计中。只要补充相关齿轮，就可以满足其它需求。4)本次设计中，以直齿轮、斜齿轮作为基准齿轮，建立Excel表，导入 Catalog 中基准齿轮系列，从建立的齿轮库中可直接调用齿轮，并完成基准齿轮的相关工程图。4.2 存在的不足1)由于搜集的资料有限，只能整理出国内部分厂家生产的齿轮参数，导致此齿轮库的数据可能存在不完整性。2)在实际的设计中每个齿轮的内轮廓都各有不同，例如有些齿轮键槽是凹的，一些齿轮键槽是凸的。这样齿轮库中的齿轮不能直接调用，因此本文建立的齿轮库只能作为一个初始的库，即设计人员可以从齿轮库中调用所需的齿轮，但
23、需要对其内轮廓进行再修饰。3)建立的齿轮库种类比较齐全，数量太多，查询起来还是不太方便。4.3 展望1) 结合 Visual Basic 提供的引用对象功能，将 CATIA V5 的库文件加入程序框架，引用 CATIA V5 的类对象和函数等进行二次开发，二次开发的专用程序页面，将大大提高查询效率，也是将本课题向更高层次迈进。2)采用类似的方法，在设计过程中选择不同的参数，可以建立比如螺母、垫片、销钉等的标准件库，并对每类零件生成独立的Part文件和设计表，通过在库文件中添加相应章节，并进行更名，可以将这些标准件进行入库，即可形成完整的齿轮设计标准件库。CATIA V5的Formula、DesignTable和Catalog功能为用户提供了良好的应用接口，使用这些功能将不需要进行复杂的程序开发，就可以开发出适合本行业、本单位使用的各类标准库及特征库，应用好这些库文件，将为设计工作提供极大的便利。3)但随着标准件库的扩展，如何有效管理日益增长的海量数据是各行业需要共同考虑的问题；网络环境及其开发技术的飞速发展为企业共享零件库服务提供了手段，在开发网络环境下 ASP.NET 技术与 Web 数据库技术相结合的虚拟零件库及相应的 ASP 服务平台，将能够使企业以较少的资金得到范围更加广泛、分类更加精细的零件库服务，达到支持
