基于Pro/E的齿轮减速器的参数化设计系统的研发

佛新岗 郭红星 白钰枝 雷 蕾

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

基于Pro/E的齿轮减速器的参数化设计系统的研发

佛新岗 郭红星 白钰枝 雷 蕾

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

鉴于传统齿轮减速器设计过程中教师检查工作量大，开发了一套基于 Pro/E软件的计算机辅助实训系统软件。给出了软件开发的流程和开发的关键技术。实践证明，使用该软件能大大提高学生的设计能力，加快教师的检查速度，改革传统教学方法，提高教学质量。

Pro/E；减速器；参数化设计

1 引言

在机械设计课程设计中经常会进行齿轮减速器的设计。由于齿轮减速器的设计过程中有两类关键零件——齿轮及轴，其设计过程比较复杂，通常为了实现给定的传动比等要求，需要对同一设计过程进行多次试算及验算，每调整一次参数或调整某一参数都要进行一次设计计算，直到参数满足设计要求为止，重复劳动较多，过程繁琐。针对上述问题，本文将研究如何开发出一套适用于机械设计课程设计辅助教学用的圆柱齿轮及轴的参数化设计软件。软件开发完成后只需在简单的操作界面上输入或选择所需的设计参数，即可完成齿轮及轴的强度计算和校核工作，最终还可输出所设计齿轮及轴的三维示意模型。本设计软件能大大加快教师的检查速度，是十分有意义的一项工作。

2 软件开发平台的选择

Pro/E是美国PTC公司于1989年推出的CAD/CAM/CAE软件，它具有通用性、参数化以及实体造型功能强等优点，在国内汽车、机械和模具等多个行业得到广泛应用。Pro/E软件在提供强大的设计、分析、制造功能的同时，也为用户提供了多种二次开发工具。在Pro/E下进行二次开发，是企业建设CAD项目，提高企业效益的一项重要途径。Pro/Toolkit 是Pro/E自带的基于C语言的功能最为强大的二次开发工具，它提供了大量的C语言库函数，能使外部应用程序（客户应用程序）安全有效地访问Pro/E的数据库和应用程序[1]。通过C语言程序与 Pro/E 的无缝集成，客户和第三方能在Pro/E系统中添加所需的功能。所以本文在 Visual C++平台上利用 C++语言开发基于 Pro/E 的机械设计课程设计辅助教学软件。

3 软件开发的工作流程

以齿轮减速器为设计内容的机械设计课程设计的一般过程[2]是：（1）根据工作机的功率计算出电机的工作功率，再根据电机的工作功率进行电机的选择；（2）根据电机的转速及工作机的转速，计算出总传动比并进行传动比的分配；（3）根据所分配的传动比进行传动件的设计计算；（4）装配草图的设计，其中包括轴、轴承及键的校核计算；（5）装配工作图的设计；（6）零件工作图的设计；（7）编写设计说明书。本软件针对上述（1）-（4）中所涉及到的电机的选择，传动件的设计计算及轴的校核计算进行编程开发，软件的工作流程如图 1 所示。

图1　软件开发的工作流程

4 软件开发的关键技术

4.1图表功能的实现

在机械设计课程设计中会有大量的图表要查。程序不能自动查表和图，必须在人为操作下完成。对于人为操作，我们不希望手工查图册，所以我们将所需要的图表扫描成图片，并将图片嵌入到软件的对话框中，以按钮的形式打开对话框实现查表及图的功能。如图 2(a)所示，为了查询不同材料的许应应力。在机械设计课程设计中[3-4]，将齿形系数与应力校正系数列于表 10-5，所以在软件界面上规划一个按钮 ，点按此钮可显示齿形系数与应力校正系数表如图 2(b)所示。查到所需的数据后，将所需数据输入到软件界面的对话框中，这样解决了查图表的问题。

图2（a）　不同材料的许应应力

图2（b）　齿形系数与应力校正系数

4.2齿轮设计校核模块的开发

齿轮的设计计算是比较复杂的一个过程。在设计过程中，既要满足传动比的要求，又要满足强度及中心距的要求，所以要多次进行参数调整和试算后才能得到满足要求的齿轮。学生需要一天的时间以完成齿轮的设计计算。教师给每个学生的设计数据不一样，且每个学生在设计时所选择的参数也不相同，这给教师检查学生的工作带来了极大的不便，因此开发了齿轮的设计计算模块。教师只需将学生设计所得的最终数据输入到软件中，软件自动进行设计计算，并将设计结果输出，如图 3 所示。

图3　齿轮的设计计算界面

4.3轴校核计算模块的开发

开发轴的校核模块首先要解决轴段不定的问题。在机械设计课程设计中，一般将轴设计成为 5-7 段的阶梯轴，如图 4所示。这样做既可满足课程设计的要求，又简化了强度计算中轴段不定带来的麻烦，也使得三维实体建模更为方便。

图4　轴的校核界面

4.4齿轮三维示意模型的开发

常用齿轮的齿廓曲线是渐开线，而对于本软件，精确地画渐开线没有实际意义，因为本软件主要用于检查设计及校核计算参数是否正确，三维模型只是一个示意性的模型，在课程设计中不做要求，所以用样条曲线代替渐开线来画齿廓曲线。齿轮的结构有许多种，如腹板式、轮辐式等，本软件只生成实心式齿轮的三维模型。如需要特定结构的齿轮，可在软件生成的实心齿轮的基础上进一步操作形成各种结构形式的齿轮。图 5 为软件生成的齿轮的三维示意模型。

4.5轴三维示意模型的开发

轴的三维建模通过在图 4 所示的轴的校核界面中已经输入了各段轴的轴径和轴段长度。轴的各轴段可由轴径圆按轴段长度进行拉伸得到。至此完成轴的三维示意模型建模，如图 6 所示。至于轴的具体结构，如轴端倒角，轴段圆角等可在所生成的示意模型的基础上进一步操作形成所需的轴。

图5　齿轮的三维示意模型

图6　轴的三维示意模型

5 小结

本文研究了齿轮减速器参数化设计的方法及关键零部件的二次开发要点。本软件可用于减速器设计时电机的选择，齿轮及轴强度及校核计算的检查，并可输出齿轮及轴的三维实体模型。通过教学实践证明将机械设计课程设计与机械CAD/CAM软件应用实训整合为机械设计课程计算机辅助设计可以提高实训成效，有助于解决实训过程中的难点问题。计算机辅助实训系统的开发可以降低教师准备工作量，使教师专注于学生的机械设计与CAD应用能力培养，有助于提高实训指导质量。使用三维CAD软件可以方便地检查设计缺陷,有助于提高产品结构合理性、图样完整性和规范性。

[1] 张继春.Pro/ENGINEER二次开发实用教程[M].北京:北京大学出版社,2003:1-49,351-353.

[2] 宋宝玉,王连明. 机械设计课程设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2008:1-3,87-107.

[3] 吴立军,陈波. Pro/ENGINEER 二次开发技术基础[M].北京:电子工业出版社,2006.

[4] 濮良贵.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2003.

Based on Pro/E gear reducer parameterization design system of research and development

In view of the traditional gear designing course teachers to check the workload and developed based on Pro/E software of computer aided training system software. The key technology of software development process and development is given. Practice has proved that the use of the software can greatly improve the ability of students to design, speed up the examination of teachers, reform the traditional teaching method and improve teaching quality.

Pro/E; Gear Reducer; Parametric Design

TH 138.9

A

1008-1151(2015)06-0078-03

2015-05-10

西安航空职业技术学院2014年度自选科研课题立项项目（14XK-ZY004）。

佛新岗（1981－），男，陕西富平人，西安航空职业技术学院航空制造工程学院计算机辅助设计与制造教研室讲师，工学硕士，研究方向为计算机辅助设计与制造、数控加工。