基于ProE的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析毕业论文

PAGEPAGE38…….……………….………………毕业论文 基于Pro/E的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析装订线……………….…….………….………….…毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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目录摘要 31绪论 51.1课题研究意义 51.2课题研究CAD发展概述 51.2.1CAD技术发展历程 51.2.2CAD的发展趋势 61.3本课题研究的内容 72蜗轮蜗杆参数化设计基础 72.1蜗杆传动机构简介及类型 72.2圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 82.3参数化特征造型技术简介 93基于Pro/E的蜗轮参数化建模 103.1Pro/E的参数化建模简介 103.2蜗杆的参数化建模 123.2.1零件分析 123.2.2创建蜗杆 133.3蜗轮的参数化建模 193.3.1零件分析 193.3.2蜗轮的参数化建模 204蜗轮传动机构的运动仿真 304.1Pro/E运动仿真简介 304.2Pro/E平台机构运动仿真的步骤 304.3蜗轮蜗杆机构运动仿真的具体步骤 314.3.1蜗轮蜗杆机构的虚拟装配 314.3.2蜗轮蜗杆机构的运动仿真 325总结 33参考文献 34致谢 34ContentsAbstract 41Introduction 51.1Thesignificanceofthisresearch 51.2DevelopmentofresearchonCADproject 51.2.1CADtechnologydevelopment 51.2.2ThedevelopmenttrendofCAD 61.3Thecontentsofthisresearchproject 72Basicwormgearparametricdesign 72.1Introductionandtypeofwormgear 72.2Themainparametersandgeometricdimensionsofacylindricalwormdrive 82.3Theparametricfeaturemodelingtechnology 93ModelingofwormgearparametersbasedonPRO/E 103.1ParametricmodelingofPro/E 103.2Parametricmodelingofworm 123.2.1Partanalysis 123.2.2Createaworm 133.3Parametricmodelingofwormgear 193.3.1Partanalysis 193.3.2Parametricmodelingofwormgear 204Motionsimulationofwormgeartransmissionmechanism 304.1IntroductionthePro/Emotionsimulation 304.2ExercisePro/Eplatformsimulationsteps 304.3Thespecificstepsofmechanismmovementsimulationofwormgearworm 314.3.1Thevirtualassemblyofthewormgear 314.3.2Motionsimulationofwormgear 325Summary 33Referencedocumentation 34Conveythanks 34基于Pro/E的蜗轮蜗杆参数化建模及运动仿真分析冯海明（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）摘要：蜗杆传动是最重要的齿轮传动之一，它由蜗杆和蜗轮组成，主要用于传递交错轴之间的回转运动和动力，通常两轴交错角为90°。传动中一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。由于蜗杆传动具有传动比大、结构紧凑、传动平稳和噪声较小等优点，广泛应用于各种机器和仪器中。但是蜗轮蜗杆的齿面属于复杂造型，利用Pro/E强大的参数化设计等功能可以保证齿形的精确性。同时通过机构的运动仿真，动态观看运动仿真的啮齿和运动情况，测试机构的有关运动性能的参数，有利于机构优化和提高设计效率。关键词：Pro/E蜗轮蜗杆参数化设计运动仿真BasedonPro/EofthewormgearandwormofparameterizedmodelingandmotionsimulationanalysisHaimingFeng(Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofSAbstractthewormdriveisoneofthemostimportantgeartransmission,Itismadeupofwormandwormgear，Mainlyusedfortransferbetweencrisscrossaxisrotarymotionandpower,UsuallytwoaxialstaggerAngleis90°.Generalwormisactiveintransmission,wormgearisafollower.Becauseofwormdrivewithlargetransmissionratio,compactstructure,smoothtransmissionandlessnoise,etc,arewidelyusedinvariouskindsofmachinesandequipment.Butthewormandwormwheeltoothsurfacebelongstocomplexmodeling,usingPro/Eisapowerfulfunctionsuchasparametricdesigncanguaranteeaccuracyoftoothprofile.Atthesametime,throughthemechanismmotionsimulation,dynamicwatchmovementsimulationofrodentsandmovement,onsportsperformanceparametersofthetestfacility,tooptimizeandimprovethedesignefficiency.Keywords:Pro/E；wormgearandworm；parametricdesign；movementsimulation1绪论1.1课题研究意义蜗杆蜗轮传动中，蜗杆推动蜗轮实现减速、增扭的定速比传动。由于蜗杆外行曲面比较复杂，无法用机械制图的方法精确描述其曲面形状，因此在产品开发设计中，通常由设计人员根据经验确定。应用传统方法对其绘制时，不仅过程繁琐、效率低，而且在产品的开发设计中存在着一定的自由性，加工出的产品经常会存在各种缺陷，不能满足实际应用的要求。随着CAD和优化设计技术的发展，应用先进的虚拟制造技术，可以达到精确的造型和可靠地质量。针对蜗杆类零件曲面形成的特点，若能利用计算机对蜗轮蜗杆机构进行辅助设计，对蜗轮蜗杆本体进行辅助制造，就成为当前蜗轮蜗杆机构研究的主要趋势，所以，采用CAD软件，优化蜗轮蜗杆的设计参数、并对其进行虚拟装配和运动仿真，不仅能更直观的描述产品，而且在产品设计阶段对产品的缺陷、相关零件的装配关系、空间干涉等情况进行分析与检验，从而有效提高设计的效率，缩短产品的设计周期。本文正是针对蜗轮蜗杆零件进行参数化设计、虚拟装配和运动仿真的研究，希望可以为空间复杂构件的参数化设计、虚拟装配和运动仿真提供一般性的研究方法。1.2课题研究CAD发展概述CAD是计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)的简称，是工程技术人员以计算机为工具，用自己的专业知识对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。它以提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本为主要目的。CAD技术是20世纪全球高科技领域杰出的工程技术之一，是跨世纪的国家关键技术。CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。1.2.1CAD技术发展历程 CAD技术起步于20世纪50年代，1950年美国麻省理工学院研制出可以显示简单图形的图形设备“旋风1号”，50年代末美国Gerber公司研制出平板绘图仪，Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪，这些研究成果为CAD技术的发展提供了最基本的物质基础，整个50年代CAD技术还刚刚萌芽，只是处于被动式的图形处理阶段。进入60年代，CAD技术开始蓬勃发展起来，1962年麻省理工学院的Sutherland发表的博士论文《SKETCHPAD—一种人机对话系统》，为CAD技术的发展和应用打下了理论基础，1966年出现了第一台实用的图形显示装置，同一时期还出现了许多商品化的CAD设备，如美国IBM公司推出的商品化计算机绘图设备等。从70年初期开始，CAD进入了早期实用阶段，1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，随着各种廉价的图形输入设备的相继问世，CAD逐步走进中小企业。从80年代至今，CAD技术的发展突飞猛进，一方面小型机及微型机的性能不断提高，价格不断下跌，诸如大型数字化仪、自动绘图机等计算机外围设备己经成为CAD的一般配置,为推动CAD技术向更高水平发展提供了必要的条件，另一方面，基于小型机和微机的软件技术也迅速提高，大量成熟的商品化软件不断涌现，又促进了CAD技术的发展，CAD技术得到了越来越广泛的应用。目前，流行的CAD技术基础理论主要是以PRO/E为代表的参数化造型理论和以SDRC/I-DEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。国内对CAD技术的研究，开始于20世纪70年代初期，研究工作主要集中在高等学校和科研院所，研究内容主要是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘图进入80年代以后，我国的CAD技术的研究得到了较快的发展，在二维交互绘图系统、三维造型和几何设计、有限元分析、数控编程等方面都取得了很多成果，不少自主版权的软件己经在国内行业中得到推广应用。但从总体上来说，我国的CAD软件，无论是从产品开发水平方面，还是从商品化、市场化程度方面，都与发达国家存在着不小的差趾，主流的CAD软件基本上都是国外产品。1.2.2CAD的发展趋势随着CAD技术的不断研究、开发与广泛应用，对CAD技术提出越来越高的要求，因此CAD从本身技术的发展来看，其发展趋势是参数化、三维化、智能化、网络化、集成化和标准化日。具体表现为:1.参数化参数化既能为用户提供设计对象直观、准确的反馈，又能随时对设计对象加以修改，同时减少设计中的疏忽，从而在很大程度上提高机械设计的效率。参数化是实现机械设计自动化的前提和基础。2.智能化现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐渐被计算机的智能化处理所替代。将人工智能引入CAD系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、听觉和语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的。3.三维化随着三维图形技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图，并且在三维模型的基础上可以方便地进行虚拟装配、干涉检查、有限元分析和运动分析等应用。4.集成化集成化就是向企业提供一体化的解决方案，其出发点是企业各个环节是不可分割的，必须统一考虑。计算机辅助设计所产生的三维模型将最大限度地被后续的分析、加工、工艺和仿真所利用。5.网络化网络化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资。不同设计人员可以在网络上方便地交换设计数据。6.标准化随着CAD系统的集成化和网络化，指定各种产品设计、评测和数据交换标准势在必行，如建立符合STEP标准的全局产品数据模型等。1.3课题研究的内容课题主要包括以下研究内容：(1)系统分析蜗轮蜗杆机构的结构。设计参数化特征造型技术、(2)分析了Pro/E平台产品设计的基本思路，提出了蜗轮蜗杆的数学模型，通过基于Pro/E平台的蜗轮蜗杆零件三维建模过程，归纳出蜗轮蜗杆零件三维实体建模时的基本思路和方法(3)利用所总结的蜗杆蜗轮零件三维实体建模的经验，以参数化设计思想作为指导，紧紧抓住蜗轮蜗杆零件三维建模这条主线，依托蜗轮蜗杆零件的数学方程式，运用条件语句将变参设计融入到零件整体建模过程中。(4)设计初步条件，对设计完成的零件进行变参造型，进而进行虚拟装配和运动仿真，针对运动仿真中出现的干涉问题提出行之有效的解决方案。2蜗轮蜗杆参数化设计基础2.1蜗杆传动机构简介及类型蜗轮蜗杆传动用于传递交错轴间的回转运动和动力，通常两轴交错角为90°。蜗杆类似于螺杆，有左旋和右旋之分，除特殊要求外，均采用右旋蜗杆；蜗轮可以看成是一个具有凹形轮缘的斜齿轮，其齿面与蜗杆齿面相共轭。在蜗杆传动中，一般以蜗杆为主动件按形状的不同，蜗杆可分为：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆又可分：（1）普通圆柱蜗杆：阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）；渐开线蜗杆（ZI蜗杆）；法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）；锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）（2）圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）2.2圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸中间平面：通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面（蜗杆的轴面，蜗轮的端面）。蜗杆、蜗轮的参数和尺寸大多在中间平面（主平面）内确定。圆柱蜗杆传动的主要参数：1.模数m和压力角α通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面，称为中间平面。由于蜗轮是用与蜗杆形状相仿的滚刀，按范成原理切制轮齿，所以ZA蜗杆传动中间平面内蜗轮与蜗杆的啮合就相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。蜗杆传动的设计计算都以中间平面的参数和几何关系为准。它们正确啮合条件是：蜗杆轴向模数ma1和轴向压力角αa1应分别等于蜗轮端面模数mt2和端面压力角αt2[1]。圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算设计蜗杆传动时，一般是先根据传动的功用和传动比的要求，选择蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2，然后再按强度计算确定中心距a和模数m，上述参数确定后，即可根据表2-1计算出蜗杆、蜗轮的几何尺寸。名称计算公式蜗杆蜗轮d1=mqd2=mz2ha=mha=mhf=1.2mhf=1.2mda1=m（q+2）da2=m（z2+2）df1=m（q-2.4）df2=m（z2-2.4）pa1=p12=px=πmc=0.20m蜗杆分度圆直径，蜗轮分度圆直径齿顶高齿根高蜗杆齿顶圆直径，蜗轮喉圆直径齿根圆直径蜗杆轴向齿距，蜗轮端面齿距径向间隙中心距a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2)表2-1圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算2.3参数化特征造型技术简介参数化设计(ParametricDesign)，也称为尺寸驱动(Dimension-Driven)，是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数。自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题。机械设计是一个创造性的活动，是一个反复修改、不断完善的过程。同时，对很多企业，设计工作往往是变型或系列化设计，新的设计经常用到己有的设计结果。据不完全统计，零件的结构要素90%以上是通用或标准化的，零件有70%-80%是相似的。在参数化设计技术出现以前，传统的CAD使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持初步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对己有图形的修改，不能有效地支持变化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计中存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。在这种情况下参数化设计方法应运而生。参数化设计以约束造型为核心、以尺一寸驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造型，而不必在设计时专注主于产品的具体尺寸;参数化设计方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型;对己有设计的修改，只需变动相应的参数，而无需运行产品设计的全过程。与传统的自由约束的设计方法相比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争力。参数化技术经过十多年来的发展，己经成为CAD技术的重要分支，也成为CAD技术研究和产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。现代主流CAD软件，如PRO/E,solidworks,UG等都实现了参数化。蜗轮及蜗杆机构常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇工作的场合。蜗轮蜗杆的机构特点：1.可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。2.两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。4.具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。5.传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。6.蜗杆轴向力较大。为了保证蜗轮齿面的精确性，以Pro/E为平台对蜗轮蜗杆进行参数化建模设计及运动仿真分析。3基于Pro/E的蜗轮蜗杆参数化建模3.1Pro/E的参数化建模简介

参数化设计方法使设计者构造模型时可以集中于概念设计和整体设计，充分发挥创造性，提高设计效率。其主要思路如图3-1所示，通过对产品建模特征的解析，从特征中抽象出特征参数，再对特征参数进行分析，得到参数模型。根据模型信息建立参数间关联与约束，并确定某些参数为设计变量，进而建立由设计变量驱动的零件族。零件分析零件分析建模策略参数建模零件特征参数特征创建特征设计变量设计驱动特征参数参数关系及约束建模更新图3-1建模流程图参数化设计是Pro/E重点强调的设计理念。参数是参数化设计的核心概念，在一个模型中，参数是通过“尺寸”的形式来体现的。参数化设计的突出特点在于可以通过变更参数的方法来方便的修改设计意图，从而修改设计意图。关系式是参数化设计中的另外一项重要内容，它体现了参数之间相互制约的“父子”关系。所以，首先要了解proe中参数和关系的相关理论[2]。一、参数的含义参数有两个含义：

一是提供设计对象的附加信息，是参数化设计的重要要素之一。参数和模型一起存储，参数可以标明不同模型的属性。例如在一个“族表”中创建参数“成本”后，对于该族表的不同实例可以设置不同的值，以示区别；二是配合关系的使用来创建参数化模型，通过变更参数的数值来变更模型的形状和大小。二、参数的设置

在零件模式下，单击菜单“工具”——参数，即可打开参数对话框，使用该对话框可添加或编辑一些参数。

1.参数的组成

(1)名称：参数的名称和标识，用于区分不同的参数，是引用参数的依据。注意：用于关系的参数必须以字母开头，不区分大小写，参数名不能包含如下非法字符：！、”、@和#等。(2)类型：指定参数的类型a)整数：整型数据b)实数：实数型数据c)字符型：字符型数据d)是否：布尔型数据。(3)数值：为参数设置一个初始值，该值可以在随后的设计中修改(4)指定：选中该复选框可以使参数在PDM（ProductDataManagement，产品数据管理）系统中可见(5)访问：为参数设置访问权限。a)完全：无限制的访问权，用户可以随意访问参数b)限制：具有限制权限的参数c)锁定：锁定的参数，这些参数不能随意更改，通常由关系式确定。(6)源：指定参数的来源a)用户定义的：用户定义的参数，其值可以随意修改b)关系：由关系式驱动的参数，其值不能随意修改。(7)说明：关于参数含义和用途的注释文字(8)受限制的：创建其值受限制的参数。创建受限制参数后，它们的定义存在于模型中而与参数文件无关。(9)单位：为参数指定单位，可以从其下的下拉列表框中选择。2.增删参数的属性项目

可以根据实际需要增加或删除以上9项中除了“名称”之外的其他属性项目三、关系的概念

关系是参数化设计的另一个重要因素。关系是使用者自定义的尺寸符号和参数之间的等式。关系捕获特征之间、参数之间或组件之间的设计关系。可以这样来理解，参数化模型建立好之后，参数的意义可以确定一系列的产品，通过更改参数即可生成不同尺寸的零件，而关系是确保在更改参数的过程中，该零件能满足基本的形状要求。如参数化齿轮，可以更改模数、齿数从而生成同系列、不同尺寸的多个模型，而关系则满足在更改参数的过程中齿轮不会变成其他的零件。四、关系式的组成

关系式的组成主要有：尺寸符号、数字、参数、保留字、注释等。符号类型

系统会给每一个尺寸数值创建一个独立的尺寸编号，在不同的模式下，被给定的编号也不同。3.2蜗杆的参数化建模3.2.1零件分析蜗杆是和蜗轮配合使用的一种重要传动件，该传动机构可以实现大的减速比，本例将以上面蜗轮的参数化设计过程为基础，分析蜗杆的建模过程。蜗杆由轮齿、蜗杆主体特征等基本结构特征组成。蜗杆零件进行三维实体参数化设计的基本思路是：拟定可变参数，根据出设条件进行相关的几何参数的计算，初步确定参数值；在编辑器中设定各参数并加入部分关系式，在利用“方程式”生成螺旋体中加入变参；通过进一步添加关系式实现导程参数化；通过添加条件语句实现选项参数化；通过添加关系式在生成蜗杆实体中加入变参。最后，对设计好的蜗杆三维实体进行特征参数的修改。如果蜗杆能按照既定的条件变参的话，说明设计成功；否则，说明设计有问题，要认真查找原因，直至设计成功。蜗杆建模的具体操作步骤如下：蜗杆参数化设计的计算及创建新零件文件参数的输入螺旋体的生成导程参数化实现多头蜗杆创建蜗杆轴实体蜗杆的变参3.2.2蜗杆的参数化建模1.蜗杆参数化设计的计算及创建新零件文件：本设计拟对蜗杆模数、蜗杆头数、蜗轮齿数、蜗杆分度圆直径、蜗杆旋向等参数实施变参设计，初定m=2.5，z1=1，z2=30，d1=28。文件新建→【输入零件名称:wogan,取消使用缺省的选中记号，然后单击确定按钮】→【选择公制单位mmns_part_solid后单击确定按钮】→【基准坐标系ＰＲＴ＿ＣＳＹＳ＿ＤＥＦ及基准面RIGHT、TOP、FRONT显示在画面上】2.参数的输入→【打开记事本，在工具/程序下的INPUT和ENDINPUT之间以及RELATION和ENDRELATION之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本】如图3-2INPUTMNUMBER;模数Z1NUMBER;蜗杆头数Z2NUMBER;蜗轮齿数DIA1NUMBER;蜗杆分度圆直径（标准系列值）LEFTYES_NO;旋向，YES表示左旋，否则为右旋ENDINPUTRELATIONSDIA2=M*Z2 ;蜗轮分度圆直径L=(11+0.06*Z2)*M ;蜗杆有效螺旋线长度ENDRELATIONS图3-2程序记事本对话框在根据信息窗口提示，各参数赋初值如下M=2.5；Z1=1；Z2=30；DIA1=28旋向暂不输入，后期处理。各参数的建立和赋值结束。如图3-3消息输入对话框3-3消息输入对话框3.生成螺旋体[3]在螺旋扫描对话框进行螺旋扫描特性的设置，完成之后，在轮廓创建画面绘制轮廓直线。在工具/关系对话框中输入sd3=L；sd4=L/2；sd1=DIA1/2。随后转入导程设定，在导程设定窗口输入M*PI*Z1。在进入截面绘制画面中绘制截面图形。在工具/关系对话框中输入sd16=1.20*M；sd14=M；sd15=M*PI/2-2*M*TAN(20)，完成螺旋体的创建，创建后的螺旋体如图3-4所示。图3-4生成的螺旋体4.导程参数化上述造型过程中，各参数除导程外均已实现参数化，下面对导程实施参数化。→【打开记事本，找到记录扫描螺旋实体的如下段落：伸出项：螺旋扫描主阵列尺寸：:其中d33=7.85PITCH为描述导程的参数】→【在RELATION和ENDRELATION之间添加：d33=M*PI*Z1→存盘退出在信息窗口输入z1为2进行变参，变参结果如图3-5所示。图3-5变参后的螺旋体5.实现多头蜗杆首先创建回转轴线，然后实施阵列结果如图3-6所示。图3-6阵列后的螺旋体在阵列完成后，在工具/关系对话框中输入p18=z1，然后打开记事本，找到记录螺旋体阵列的如下段落：其中d32=90描述的是阵列角度，在ENDADD在RELATION和ENGRELATION之间添加d32=360/z1，保存文件并退出。6.创建蜗杆轴实体点击拉伸图标→【在弹出的工具面板上点击图标，以设置减材料创建实体方式→放置→定义】→【弹出草图对话框，选择绘图平面:RIGHT平面，参照平面：TOP，方向：LEFT→Sketch】→【绘制如图3-7所示的圆】图3-7绘制草图→【工具/关系→上述尺寸值将变为参数符号，弹出关系对话框，对照图，参数符号sd0对应直径，输入sd0=DIA1-1.25*2*M→OK】 →【点击图标→设定深度为：表示双向对称→填入尺寸100→点击图标，完成的的特征如图所示】→【工具/关系→尺寸值100将变为参数符号→输入d21=L+40→OK→点击图标→结果如图3-8所示】图3-8生成的蜗杆(7)蜗杆的变参如图3-9所示的对话框中对创建的蜗杆进行变参，其结果如图3-10和3-11所示图3-9变参对话框M=3.5;Z1=1;Z2=40;DIAI=35.5;LEFT=Y图3-10变参蜗杆M=6.3;Z1=2;Z2=40;DIAI=40;LEFT=N图3-11变参蜗杆3.3蜗轮的参数化建模3.3.1零件分析蜗轮蜗杆机构常用来传递两90。轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。蜗轮蜗杆机可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑，两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构，蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小、具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁。因此将以上面齿轮的参数化设计过程为基础，分析蜗轮的建模过程。蜗轮外形如图3-12所示，由轮齿、蜗轮主体特征等基本结构特征组成。图3-12蜗轮模型蜗轮零件进行三维实体参数化设计的基本思路是：拟定可变参数，根据初设条件进行相关几何参数的计算，在编辑器中设定各参数并加入部分关系式，在生成蜗轮毛坯中加入变参，利用“方程式”生成轮齿中加入变参。最后，对设计好的蜗轮三维实体设定条件进行变参。如果蜗轮能按照既定的条件变参的话，说明设计成功；反之，说明设计有问题，要认真查找原因，直至设计成功。蜗轮建模的具体操作步骤如下：创建新的零件文件及相关参数的设定蜗轮轮坯的创建创建单个轮齿形成所有齿轮蜗轮的变参3.3.2蜗轮的参数化建模创建新的零件文件[4]File/New→【输入零件名称:wolun取消Usedefaulttemplate的选中记号，然后单击OK按钮】→【选择公制单位mmns_part_solid后单击ＯＫ按钮】→【基准坐标系ＰＲＴ＿ＣＳＹＳ＿ＤＥＦ及基准面ＲＩＧＨＴ、TOP、FRONT显示在画面上】参数的输入→【打开记事本，在INPUT和ENDINPUT之间以及RELATION和ENDRELATION之间添加输入参数如下，然后存盘，并退出记事本】如图3-13所示INPUTMNUMBER;模数Z1NUMBER;蜗杆头数Z2NUMBER;蜗轮齿数DIA1NUMBER;蜗杆分度圆直径（标准系列值）LEFTYES_NO;旋向，YES表示左旋，否则为右旋BNUMBER;蜗轮宽度ZXKJNUMBER;中心孔径ENDINPUTRELATIONSGAMMA=ATAN(Z1/Q)BETA=GAMMAALPHA_T=ATAN(TAN(ALPHA)/COS(BETA))S=PI*Z1*MD0=M*Q/2D1=M*(Q+Z2+2*X2)/2D2=360/(4*Z2)-180*TAN(ALPHA_T)/PI+ALPHA_TD3=M*Z2D4=D3+2*MD5=D3*COS(ALPHA_T)D6=D3-2.4*MD8=ASIN(M*Q*TAN(BETA)/D5)D10=ASIN(M*Q*TAN(BETA)/D5)D12=2*D1D13=M*Q/2D16=360-BETAD20=D3+2*(1+X2)*MIFZ1<=1D21=D20+2*MENDIFIFZ1>1IFZ1<=3D21=D20+1.5*MENDIFENDIFIFZ1>3D21=D20+MENDIFD22=BD23=M*(Q-2)/2D26=MD42=0.38*MD54=0.38*MD55=360/Z2D85=360/Z2P86=Z2-1D137=360/(2*Z2)ENDRELATIONS图3-13程序记事本对话框→【Enter→SelectAll,根据信息窗口提示，各参数赋初值如下】如图3-14图3-14消息输入窗口对话框M=2.5Z1=1Z2=30DIA1=28LEFT=NOB=24ZXKJ=30至此，各参数的建立和赋值结束。创建蜗轮轮胚点击“创建回转体”图标。→【默认弹出的工具面板各项设置→Placement→Define】→【弹出Sketch对话框后，选择绘图平面：RIGHT，参照平面：TOP，方向：LEFT→Sketch】→【进入绘图平面】→【绘制如图所示的截面图形（尺寸及各种约束关系如图），要注意图中的两条虚线均为基准参考线，其绘制方式为首先绘制出直线→高亮显示→右键点击空白处→Construction即可，其中水平虚线为蜗杆中心位置线，斜虚线是为了建立倒角线的基准】→【实施参数化:Tools/Relations→弹出Relations对话框】→【图中各尺寸分别对应参数符号如图3-15】图3-15绘制草图→【在对话框中输入：sd18=WLWJ/2sd20=ZXKJ/2sd17=Bsd14=Asd19=R2sd16=GAMA→OK】→【连续点击图标→，所形成的齿轮胚实体如图3-16】图3-16齿轮胚实体创建单个轮齿(1)创建参考面点击图标→【弹出参考面创建对话框→点选基准面FRONT→在偏距栏内填入51.5，表示蜗轮蜗杆的中心距→生成参考面DTM1】→【实施参数化：模型特征树对应项呈高亮显示→右键单击该项→Edit→图中将显示偏置距离51.5】→【Tools/Relations→上述尺寸值将变为参数符号，如图3-17，并弹出Relations对话框，对应参数符号d10输入：d10=A→OK结束】图3-17创建参考面(2)创建蜗杆坐标系点击图标。→【弹出坐标系创建对话框→按住Ctrl键，点选基准面TOP、RIGHT、DTM1→OK生成坐标系CS0】(3)创建蜗轮坐标系点击图标。→【弹出坐标系创建对话框→按住Ctrl键，点选基准面TOP、RIGHT、FRONT→点选对话框中Orientation并设置各选项→OK】（4）绘制线段ad点击“曲线绘制”图标。→【FromEquation→Done】→【选择刚创建的蜗轮坐标系CS1】→【选择坐标类型为柱面坐标Cylindrical】→【进入方程编辑器。输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器】r=DF2/2+t*(DA2A/2-DF2/2)ALFAI=acos(DB/2/r)theta=(tan(ALFAI)*180/pi-ALFAI)z=0→【点击OK，第一段曲线完成，如图3-18所示，其中ALFAI的表达式表示压力角随r从齿根变化到齿顶。】图3-18绘制线段ad和bc（5）绘制线段bc点击“曲线绘制”图标。→【FromEquation→Done】→【选择刚创建的蜗轮坐标系CS1】→【选择坐标类型为柱面坐标Cylindrical】→【进入方程编辑器。输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器】r=DF2/2+t*(DA2A/2-DF2/2)ALFAI=acos(DB/2/r)theta=-(tan(ALFAI)*180/pi-ALFAI)-（360/Z2-FAIF)z=0→【点击OK，第二段曲线完成，如图3-18】（6）绘制图中线段点击“草图绘制”图标，→【出现草图绘制对话框→绘图平面选TOP，参考面选RIGHT，定向平面选RIGHT→Sketch→进入绘图环境】→【绘制两段圆弧，注意必须通过已有曲线端点】→【点击图标→OK结束】（7）绘制图中螺旋线段→【FromEquation→Done】→【选择蜗杆坐标系CS0】→【选择坐标类型为直角坐标系Cartesian】→【进入方程编辑器。输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器】y=-t*z1*pi*m/4z=R1*cos(90*t)x=-R1*sin(90*t)（8）绘制图中螺旋线段→【FromEquation→Done】→【选择蜗杆坐标系CS0】→【选择坐标类型为直角坐标系Cartesian】→【进入方程编辑器。输入曲线方程表达式如下，然后保存文件，退出编辑器】y=t*z1*pi*m/4z=R1*cos(90*t)x=-R1*sin(90*t)→【点击OK，螺旋线完成，如图3-19】图3-19螺旋线的生成（9）切出第一段半齿槽点击“变截面扫描”图标。→【点选图标，表示要创建的是实体】→【点选图标，表示要去除材料】→【点选图标Options→选择Constantsection，表示截面为恒定】→【点选一段螺旋线,表示扫描轨迹线】→【点选图标，表示要创建扫描截面】→【点选图标，表示要利用已有线段创建截面】→【依次点选各线段如图3-20】图3-20扫描轨迹线段→【连续点击图标→，所形成的半齿槽如图3-21（左）】（10）切出另一段半齿槽重复上述步骤，只是扫描轨迹选择另一段螺旋线，可得另一段半齿槽，如图3-21（右），至此，单个齿槽切制完成。图3-21生成的齿槽4.形成所有齿轮（1）创建回转轴线创建回转轴线。将模型特征树中对应项移至所有特征之前。（2）两段半齿槽合并成组按照Ctrl键，选模型特征树中两段齿槽的对应项，使其高亮显示。→【右键点击选中项→Group→包含两个齿槽的特征组形成，如图3-22】(3)阵列形成多齿点击模型特征树中齿槽组特征项，使其高亮显示→【点击“阵列”图标】→【在左上方选择框中选择轴】→【在模型树中点选基准轴特征→显示阵列数目为4，角度为90°，方向如图所示→接受这些选项，点击图标，结束如图3-23】图3-22合并成组图3-23阵列轮齿实施参数化→【右键点击模型树中对应阵列的特征项Pattern1→该特征项及各齿槽呈高亮显示→Edit→图中将显示与阵列相关的一系列尺寸。→【Tools/Relations→上述尺寸值将变为参数符号，并弹出Relations对话框，对照图，参数符号p79对应阵列数，d76对应角度值，输入→OK】→【点击图标→CurrentValues→形成蜗轮，如图3-24】图3-24生成的蜗轮5.蜗轮的变参对蜗轮的变参如图3-25所示图3-25变参后的蜗轮Q=10;M=2.5;Z2=31;Z1=1;ALPHA=20;B=22.5;X2=-0.54蜗轮传动机构的运动仿真4.1Pro/E运动仿真简介运动仿真是机构设计的一个重要内容，通过仿真技术可以实现机构的设计与运动轨迹的校核。在Pro/E环境下进行机构的运动仿真分析。它不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程，而是以实体模型为基础，集设计与运动分析于一体，实现了产品设计、分析的参数化和全相关，反映了机构的真实运动情况，运动仿真结果可以制成AVI动画文件，观看非常方便[5]。在Pro/E中进行机构仿真有两种方法：一是Mechanism（机构设计）功能，它可以通过用户对各种不同运动副的连接设定，使机构按照实际的运动要求进行运动仿真；二是Pro/MECHANICAMOTION功能，该模块是一个完整的三维实体，静力学、运动学、动力学仿真与优化设计工具，利用模块可以快速创建机构虚拟模型并能方便的进行分析，从而改善机构设计，节省时间，降低成本。4.2Pro/E平台机构运动仿真的步骤在Pro/E软件平台的机构运动仿真时[6]，首先，在机构设计之前，必须绘制机构简图和零件草图，进行初步的计算和尺寸设定；其次，根据计算结果，对相关零件进行三维实体造型设计；再次，在Pro/E的组装模块下，完成相关零件的组装；最后，当建模和组装成功后，在pro/E的机构分析模块下设定初始条件、驱动条件载荷和状态。如果机构设计正确无误，则运动仿真和分析将顺利完成。否则，就会出现错误，此时，应该详细检查机构尺寸、组装方式或动力状态。如果一切顺利可进一步设置分析条件对机构进行更为全面的分析。4.3蜗轮蜗杆机构运动仿真的具体步骤4.3.1蜗轮蜗杆机构的虚拟装配用Pro/E软件中的装配模块对各零部件进行二维实体装配的顺序一般是：首先建立总装任务；再在其下面建立相应于各组件或部件的装配任务；然后，把各零件从相应的库中调出，把相关零件装配成部件，再把相关部件装配成组件；最后把各组件装配成整机。（1）装配环境设置在新建对话框中选取组件，然后取消缺省，选取mmns_asm_design,确定。（2）创建基准轴因为没有固定件，采用下列方式。一是先为蜗轮蜗杆间的轴中心距建好组建文件本身的参照面和基准轴，以方便对齐；二是在平移时，让蜗轮的前视面和组建文件的基准面ASM-FRONT对齐，蜗杆的基准面与组建文件本身的基准面ASM_RIGHT对齐即可。（3）装配蜗轮和蜗杆将蜗轮和蜗杆分别用“销钉”连接型组装进来如图4-1图4-1装配后的蜗轮蜗杆在装配中，特别是复杂零部件的装配，零部件间的干涉是很难避免的，过去往往要到零部件加工结束后，实际装配时才能发现。这不仅造成经济损失，更重要的是延误了研制周期。现在应用了Pro/E中的装配模块，能非常容易的发现零部件之间的干涉，及时对相关零件作修改，把问题消灭在设计过程中。4.3.2蜗轮蜗杆机构的运动仿真在Pro/E的机构模块下，通过设置齿轮副、伺服电机、分析参数的检查蜗轮蜗杆的运动情况，针对出现的干涉问题提出行之有效的解决方法。最后将机构的运动状态制作成视频动画。（1）进入机构设置齿轮副在“属性”选项卡中设置“齿轮比”，选取“用户定义的”选项，然后在“齿轮1”和“齿轮2（2）蜗轮蜗杆的干涉分析首先，在机构中做干涉分析如图4-2所示，从图可以看出蜗轮蜗杆在运动时存在干涉，从前面蜗轮蜗杆的创建来看，这个干涉不是设计问题产生，而是因为主动轮和从动轮间的不正确对齐而生成。因此，应重新对齐主动轮与从动轮，具体做法：先设置图形对齐约束，以控制齿对齿的运动。然后再将设置结果做成快照。在设置前，将先前做的齿轮副设置删除，否则它会干涉约束的操作。经过重新调整发现，机构的干涉明显减少。图4-2蜗轮蜗杆的干涉（3）制成蜗轮蜗杆视频动画如图4-3图4-3蜗轮蜗杆动画5总结在Pro/E环境下，不仅实现了蜗轮蜗杆的参数化精确实体造型，而且实现了机构的运动仿真，有利于机构快速设计与优化，提高工作效率，为蜗杆、蜗轮零件的后续工作，如有限元分析、加工刀具的设计等创造了条件，通过进一步的开发可以建成机构的虚拟设计，制造及仿真平台。参考文献[1]杨可桢，程光蕴.机械设计基础.高等教育出版社.1999年6月第4版.[2]孙桓,陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2002.[5]李燕.基于Pro/E的齿轮三维参数化特征造型设计[J].制造技术与机床,2003(7).[3]詹友刚主编.Pro/ENGINEER中文野火版3.0数控加工教程.北京：机械工业版社2007.7.[4]周凯红,王元勋,李春毖.格利森圆弧螺旋锥齿轮副的实体造型方法[J].计算机仿真,2003(8).[5]刘海芳.基于Pro/E的渐开线齿轮参数化设计[J].机械设计与制造,2004(1).[6]高秀华,李炎亮,邓洪超,等.机械三维动态设计仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2003.致谢本文是在张开兴老师和各位同学的大力帮助之下完成的，他们严谨的治学态度、渊博的学识、敏锐的思维及求实的作风；和热心的帮助给我留下了深刻的印象，并时刻激励着我、鞭策着我，将使我终身受益。在此论文脱稿之际，谨向我的老师和各位同学表示最衷心的感谢，并致以崇高的敬意。最后，在即将离校之际，我还要向在学习和生活上给予我支持、理解和关怀的家人表示衷心的感谢，对培养我的母校表示真挚的敬意，同时也向百忙中评阅和评议本论文的老师们表示诚挚的谢意。

冯海明2013年6月10日基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统HYPE