渐开线蜗杆磨削运动仿真研究毕业论文.doc

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1、陕西理工学院毕业设计论文 题 目 渐开线蜗杆磨削运动仿真研究 所在学院 机械工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化机自 095 班 陕西理工学院毕业设计论文 渐开线蜗杆磨削运动仿真研究渐开线蜗杆磨削运动仿真研究 摘要：现代工业产品对蜗杆蜗轮副在承载能力、传动效率和传动精度等方面提出了更高的要求。为满足这些 要求，一方面是采用机械性能更好的材料和必要的热处理，另一方面是提高加工精度，如采用磨削加工来提高蜗杆 螺旋面的形状精度和降低表面粗糙度值。因此蜗杆磨削的设计和研究有着重要的实际意义。本文主要研究渐开线蜗 杆的磨削仿真，探讨了蜗杆、砂轮零件的实体建模，砂轮磨削蜗杆的运动仿真等问题。论文首先

2、在深入研究微分几 何和空间啮合原理的基础上，选定一组符合国家标准的蜗杆参数在pro/e中建立蜗杆的实体模型。然后，系统的研 究了渐开线蜗杆的磨削加工工艺，根据已知的蜗杆齿面形状和包络原理，求得了砂轮廓型，并进一步在pro/e建立 了砂轮的实体模型。 关键词：啮合分析 法向直廓蜗杆 磨削 加工仿真 实体建模 陕西理工学院毕业设计论文 Study on the grinding motion simulation of the involute worm Hu Kaihua （Grade9,Class05,Mchanical Design Manufacturing and Automation，

3、Mechanical Engineering institute.，Shaan xi University of Technology，Han zhong 723003，Shaan xi） tutor: Hou hongling Abstract：Nowadays，worm gearing which has higher performance in bearing capacity,transmission efficiency and transmission precision is needed in modem industry productsIn order to meet t

4、his demand,two measures can be taken to deal with it；one is to adopt new material with higher strength and to take heat treatment on surface，the other is to enhance the manufacture accuracy,such as to improve worm shape precision or to deduce its surface rough nessSo，worm grinding technology researc

5、h and development has important and real meaningIn this dissertation，involute worm has been researched，and the way how to modeling the worm gearing and grinding wheel with high accuracy and how to simulate worm gearing grinding with smooth motion also been discussedFirstly,surface equation of straig

6、ht sided normal worm is built on the basis of differential geometry and spatial meshing theory and on the basis of selected a set of worm parameters meet the national standards in the pro/e worm entity model is set up. Then, the system of involute worm grinding process is studied, according to the k

7、nown worm tooth surface shape and envelope principle, type sand contour are obtained, and further established the entity model of grinding wheel in pro/e. Key words: meshing analysis, involute worm , Grinding, Processing simulation, Entity modeling 陕西理工学院毕业设计论文 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权

8、说明 原创性声明原创性声明 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

9、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： 陕西理工学院毕业设计论文 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权

10、书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 陕西理工学院毕业设计论文 目目 录录 1 绪论 .1 1.1 引言 1 1.2 课题研究的目的和意义 2 1.2.1 课题研究的目的2 1.2.2 课题研究的意义2 1.3 与本课题相关的国内外研究动态.2 1.3.1 典型蜗杆的发展

11、2 1.3.2 齿轮啮合理论的发展4 1.3.3 蜗杆传动的发展趋势 .5 1.4 本课题的主要工作.5 1.4.1 主要问题6 1.4.2 解决问题的思路与方法6 1.5 论文的组织结构.6 2 渐开线蜗杆啮合理论 .7 2.1 螺旋面及其法线表达式.7 2.1.1 圆柱螺旋面的形成及其表达式7 2.1.2 一般螺旋面的法线表达式7 2.2 蜗轮蜗杆啮合方程式的建立.8 2.3 渐开线蜗杆齿面方程式 9 陕西理工学院毕业设计论文 3 渐开线蜗杆的建模 12 3.1 建模原理 .12 3.2 三维造型软件 ProE13 3.3 渐开线蜗杆实体建模思路 .16 3.4 渐开线蜗杆三维实体的创建1

12、7 3.4.1 参数的选取.17 3.4.2 蜗杆实体建模.18 4 磨削研究及实体表示 28 4.1 蜗杆加工工艺28 4.2 齿面磨削工艺要求 .29 4.3 渐开线蜗杆磨削方法选择 .29 4.3.1 渐开线蜗杆齿形磨削存在的问题.30 4.3.2 渐开线蜗杆齿形的磨削方法.30 4.3.3 磨削方法比较.32 4.4 砂轮表面参数方程32 4.5 砂轮的三维建模35 5 结构仿真与运动分析 38 5.1 砂轮蜗杆机构的虚拟装配38 5.2 砂轮蜗杆机构的运动仿真41 5.3 干涉拟合曲线45 6 总结 51 陕西理工学院毕业设计论文 6.1 全文总结 .51 6.2 研究展望 .51

13、参考文献 52 致 谢 54 陕西理工学院毕业设计论文 第 1 页 共 54 页 1 1 绪论绪论 1.1 引言 蜗杆传动是传递空间交错轴之间运动和转矩的一种机构，两轴线之间的夹角可为 任意值，但最常用的是两轴在空间互相垂直，轴交角为90。按蜗杆分度曲面的形状 不同，蜗杆传动可分为：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆传动 又可分为：普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动，其中普通圆柱蜗杆的齿面一般是 在车床上用直线刀刃的车刀车制而成的(ZK型蜗杆除外)。根据车刀安装位置的不同， 所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。根据不同的齿廓曲线，普通圆 柱蜗杆可分为：阿基米德圆柱蜗杆

14、(ZA蜗杆)、法向直廓圆柱蜗杆(ZN蜗杆)、渐开线圆 柱蜗杆(ZI蜗杆)和锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆)等四种。 图1.1 渐开线蜗杆 定义：齿面为渐开螺旋面的圆柱蜗杆，其端面齿廓是渐开线。渐开线蜗杆（ZI 蜗杆）， 此蜗杆端面为渐开线，相当于一个少齿数（齿数等于蜗杆头数）、大螺旋角的渐开线 圆柱斜齿轮，ZI 蜗杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削加工。刀刃顶面应与基圆 陕西理工学院毕业设计论文 第 2 页 共 54 页 柱相切，其中一把刀具高于蜗杆轴线，另一把刀具则低于蜗杆轴线。刀具的齿形角应 等于蜗杆的基圆柱螺旋角。这种蜗杆可以再专用机床上磨削。 1.2 课题研究的目的和意义 1.2.1 课

15、题研究的目的 本研究课题为“渐开线蜗杆磨削运动仿真的研究” 。主要研究渐开线蜗杆磨削加工 技术、磨削过程的实体建模和运动仿真。 1.2.2 课题研究的意义 现代工业产品对蜗杆蜗轮副在承载能力、传动效率和传动精度等方面提出了更高 的要求。为满足这些要求，一方面是采用综合机械性能更好的材料和必要的热处理， 另一方面是提高制造精度，如采用磨削加工来提高蜗杆螺旋面的形状精度和降低表面 粗糙度值。因此蜗杆磨削的设计和研究有着重要的实际意义。本课题是数控加工的前 期准备工作，通过对所加工物体的实体建模和运动仿真，就能在实际加工前发现诸如 传动副零件几何结构，制造环境资源，传动副啮合特性等的设计不当，保证产

16、品开发 设计一次成功；在确保产品功能，产品质量和尽可能低的制造成本的前提下，可以有 效地缩短开发周期，因此，本课题的研究具备可观的潜在经济效益。 1.3 与本课题相关的国内外研究动态 1.3.1 典型蜗杆的发展 蜗杆传动最早的研究应是古希腊学者阿基米德，据亚历山大时代的 Pappus 与 Hieron 的记载，当时出现了一个蜗轮与九个齿轮的省力装置，使得人们可以用 130 公 斤的力量举起 26 吨的重物，大约放大 200 倍的效能。根据 Pappus 的记载，阿基米德 曾经利用前述装置，以仅仅少数奴隶就将一艘大战舰推入海中，并引起当时社会巨大 的回响。理解各种省力装置的巨大效能之后，难怪阿基

17、米德会说：只要给我一个适合 的支点，我可以搬动整个大地。 另外，前述的 Hieron 和 Vitruvius 曾在自己的著作中提及以蜗轮作为测量距离的 量程机构，可见在当时齿轮传动的准确性已为人所熟知。 陕西理工学院毕业设计论文 第 3 页 共 54 页 中世纪(文艺复兴)的时候，齿轮逐渐和时钟结下了密不可分的关系，主要是因为 教堂仪式的进行需要较为精确的时间，故为了宗教权威所需，促进了机械与天文学科 的进步；当时达芬奇曾发明以水力驱动，并透过数套蜗轮与螺杆获得充分减速的铁棒 压延机，同时还发明了类似现代鼓形蜗轮“Hind ley worm”的齿轮。 就这样，经过中世纪文艺复兴初期对齿轮与机械

18、机构的不断构思，到了 17 世纪的 时候，已经开始进入对齿轮技术的细部掌握，亦即开始展开对齿形理论的研究。 1765 年英国人 Hind ley 首次提出弧面蜗杆传动“Hourglass Worm Gearing”；此 后经过一百多年，到 1928 年美国人做了重大改进，逐步发展到今天，成为目前世界著 名的“Cone Worm”。1922 年美国研制成被誉为威氏蜗杆“Wildhaber Worm”的平面直 齿蜗杆传动；五十年代，日本人发展了此项技术，就是平面蜗杆传动“Plana Worm”。 1953 年西德尼曼(Nieman)教授为蜗杆传动做出重大贡献，发明了凹圆弧齿圆柱蜗杆传 动，就是现在

19、的“Cavex worm”。20 世纪 60 年代初我国开始引进，研制平面一次包络 环面蜗杆传动，并成功地应用于冶金、机床行业。1971 年首都钢铁公司机械厂在制造 斜齿平面蜗轮副的基础上又创造了我国第一套平面包络环面蜗轮副，1977 年命名为首 钢 SG71 型蜗杆副，获得国家发明二等奖。平面二次包络环面蜗杆传动具有承载能力大、 传动效率较高和蜗杆可以磨削等优点，现已大量应用于冶金、造船、采矿、机械、建 筑、天文等行业，受到普遍欢迎。至于法向直廓蜗杆，由于其端面上的齿廓为延伸渐 开线，轴向剖面上的齿廓为凸形曲线，齿或齿槽在法向剖面为直边齿廓。可以用砂轮 端面磨削齿形。因而能够制造啮合平稳、耐

20、磨性好、且传动效率高的高精度蜗杆蜗轮。 这种齿廓的蜗杆副，广泛应用于各种精密机械传动的分度元件。在机床工业中，用作 各种齿轮加工机床、刻线机、分度转台等的分度蜗杆蜗轮重庆机床厂研制的 YG3780 型蜗轮母机即是法向直廓蜗杆的一个应用典范，曾获得 1978 年的全国科学大会奖。近 二十年来，蜗杆传动的研制取得了较大的进展，出现了各种新型的蜗杆传动与变态蜗 杆传动，如滚锥、指锥或球面的二次包络环面蜗杆传动，曲率可控点接触蜗杆，超环 面行星蜗杆传动等已经达到相当的水平。尤其是利用计算机技术与图形功能参考蜗杆 传动的啮合状态、齿面接触状态进行分析，对参数进行优化等方面的研究都取得了突 破性的进展。据

21、不完全统计，目前蜗杆传动的技术水平已达到： 陕西理工学院毕业设计论文 第 4 页 共 54 页 表 1-1 目前蜗杆参数 蜗杆传递功率Pl=10290kW 蜗轮输出转矩T=2000kNm 蜗杆传递的圆周力FI=800kN 蜗杆传动的中心距a=2000mm 蜗杆转速N=40000rmin 蜗杆圆周速度=69ms 蜗杆头数ZL=13 蜗杆传动效率 =0.98 1.3.2 齿轮啮合理论的发展 LaHire，Poncellent和Camus最先制定了平面啮合中求共轭齿廓的包络曲线法和 旋转曲线法。LEuler提出了圆柱齿轮的渐开线啮合，这种啮合后来在工业中获得了 非常广泛的应用。杰出的法国几何学家TO

22、liver和俄国学者XH的著作奠定了空间啮 合理论的基础。TOliver提出了求共轭齿面的普遍法包络曲线法。但是，他虽然 论证了利用辅助曲面得到线接触和点接触共扼曲面的可能性，却局限于一种几何模式。 这一论断后来XH加以纠正，XH的巨大贡献在于他建立了齿轮啮合原理的理论基础。 在XH之后，一些学者如由JI李特文研究了齿轮啮合的解析法，并简化成所谓的 运动学法。运动学法的主要特点是：互为包络的两齿面，在其接触点处的相对运动速 度矢量 垂直于齿面法线矢量，即。国内的一些学者如严志达、吴大任、骆vn0* vn 陕西理工学院毕业设计论文 第 5 页 共 54 页 家舜、王树人、吴序堂等利用相对微分理论

23、研究了齿轮啮合问题，并建立了齿轮啮合 理论的数学基础，为推动我国啮合理论的研究起到了十分重要的作用。陈惟荣分析了 共轭曲线的奇异点和根切界限点之间的关系。曹存昌提出了空间螺旋啮合中啮合点和 接触点三维坐标的计算方法。 1.3.3 蜗杆传动的发展趋势 研究蜗杆加工的可视化和仿真理论，包括运动的仿真，数控加工的仿真等，使蜗 杆的研究可视化，是深入研究啮合理论等的基础应用工具；改善蜗杆副啮合瞬时接触 线的形状，增大齿面接触点处诱导曲率半径；在共轭齿面做出“人工油涵”，为连续 充分供油创造条件；合理选择材料及热处理方法；合理选择润滑油种类及润滑方式； 考虑散热问题等。目前，蜗杆传动的发展趋势主要表现在

24、对改善蜗杆传动质量的途径 与措施的研究： (1) 研究蜗杆加工的可视化和仿真理论，包括运动的仿真，数控加工的仿真等，使蜗 杆的研究可视化，是深入研究啮合理论等的基础应用工具。 (2) 研究砂轮修整技术及修整对加工精度的影响。 (3) 改善蜗杆副啮合瞬时接触线的形状，增大齿面接触点处的诱导曲率半径。近年出 现的各种新型蜗杆传动及变态蜗杆传动，都是朝着这方面努力的结果。 (4) 在共轭齿面做出“人工油涵”，为连续充分供油创造条件，使共轭齿面具备形成 动压油膜的条件。 (5) 重视正式使用前的低速轻载跑合工序和跑合规律的研究。 (6) 其它趋势有：a 优化设计参数；b 降低蜗杆、蜗轮齿面的粗糙度：c

25、 合理选择蜗杆、 蜗轮的材料及热处理方法；d 合理选择润滑油的种类、粘度及润滑方式：e 考虑箱体散 热及通气问题；f 采用挖窝或“声传动”等办法，除去蜗轮齿面上接触线不理想的区域： g 采用非对偶法加工蜗轮轮齿，以控制啮合区；h 使线接触的共轭齿面变为可控点接触 的共轭齿面。以上这些趋势是未来蜗杆研究的主要方向，本文主要研究的就是第一类 趋势中的运动仿真。 1.4 本课题的主要工作 陕西理工学院毕业设计论文 第 6 页 共 54 页 1.4.1 主要问题 本课题主要研究渐开线蜗杆的磨削仿真，探讨蜗杆、砂轮零件的实体建模，砂轮 磨削蜗杆的运动仿真等问题。 1.4.2 解决问题的思路与方法 首先在

26、深入研究微分几何和空间啮合原理的基础上，选定一组符合国家标准的蜗 杆参数在软件下建立蜗杆的实体模型。研究蜗杆的磨削加工工艺，根据已知的蜗杆齿 面形状和包络原理，求出砂轮廓型及回转曲面的方程，并建立砂轮的实体模型。最后 实现砂轮磨削蜗杆的运动仿真。 1.5 论文的组织结构 全文共由 6 章组成，论文的主要内容和组织如下： 第 1 章 绪论部分简要介绍了研究背景、研究内容、研究目的意义。 第 2 章 渐开线蜗杆啮合理论及曲面方程的建立。 第 3 章 介绍了实体模型的建立方法，并利用 pro/e 建立了渐开线蜗杆的实体模型。 第 4 章 对渐开线蜗杆的磨削加工过程进行了深入的研究，并在选择了合适的砂

27、轮外 形的基础上，建立了砂轮的实体模型，以便于后面的磨削加工仿真应用。 第 5 章 动画与运动分析。 第 6 章 对全文的研究工作进行总结，并对今后的工作进行展望。 陕西理工学院毕业设计论文 第 7 页 共 54 页 2 渐开线蜗杆啮合理论 2.1 螺旋面及其法线表达式 2.1.1 圆柱螺旋面的形成及其表达式 设在空间有一个固定的坐标系（）,一段空间曲线的坐标表达式：zyxO, )( )( )( 00 00 00 u u u zz yy xx （2-1） 上式中为参变数。u 令曲线一方面绕轴等速转动，同时又沿着轴等速移动，这样的运动称为螺旋运zz 动。此时该曲线在空间形成的轨迹曲面就是等升距圆

28、柱螺旋面，以下简称螺旋面， 称为螺旋面的母线，利用矢量回转公式可得右旋螺旋面的坐标表达式为： puzz uyuxy uyuxx )( cos)(sin)( sin)(cos)( 01 001 001 （2-2） 式中: -参变数，它表示母线从起始绕轴转过的角度。z -螺旋参数，它的意义为母线绕轴转过单位角度时，沿轴线方向移动的pz 距离。 2.1.2 一般螺旋面的法线表达式 设螺旋面上一点的矢径为，其法矢量为，该点两参数曲线的切线矢量，由rn r u r , 高等数学矢量运算可知： 陕西理工学院毕业设计论文 第 8 页 共 54 页 knjnin zyx u z u y u x kji r u

29、 r n zyx111 111 111 （2-3） 根据行列式运算可知： 11 11 1 zy u z u y nx 1111 y u zz u y 11 11 1 xz u x u z ny 1111 z u xx u z 11 11 1 yx u y u x nz 1111 x u yy u x 由偏导计算可知： )( cos)(sin)( sin)(cos)( 0 1 00 1 00 1 uz u z uyux u y uyux u x 由以上运算可得一般螺旋面的法线表达式为： 0 000 000 1 0001 1 )sincos( )cossin( yyxxn yzyxpn xzyxp

30、n x y x （2-4） 2.2 蜗轮蜗杆啮合方程式的建立 已知蜗杆齿面是螺旋面，且蜗杆及蜗轮都不沿轴线移动，两轮只作转动，为 单自由度的空间啮合，独立的运动参数是蜗杆的角速度，而蜗轮的角速度， 1 1212 i 陕西理工学院毕业设计论文 第 9 页 共 54 页 ，则啮合方程式为（见吴序堂“齿轮啮合原理” P150 式 3-74）： 1212 i sin)(cos1 ( )sinsincos(sin)sincossin)(cos( 121111121 111111211111121 zyx zyxzy nainxnyi nynzaninxanzi （2-5） 本计算中两轴的交错角，啮合方程

31、式可以简化为： 0 90 1211111 111121 111121 11 )( )( sincos zyx zy xz nainxnyW nynziV nznxiU WVU （2-6） 把螺旋方程式（2-2）及其法线方程式（2-4）代入啮合方程式（2-6） ，经过简单的运 算可以得到： WVU)sin()cos( 11 )( )( )( 0000 21 000000 2 000000 2 yyxxa i p W yyxxyxPV yyxxxypU （2-7） 2.3 渐开线蜗杆齿面方程式 渐开线蜗杆的齿面是渐开螺旋面。本文采用端截形渐开线作螺旋运动而产生渐开 螺旋面的方法来推导齿面方程式。为

32、了适应各种实际情况,我们取齿槽对称轴(图 2.1) 作为蜗杆的坐标轴。在起始的端面中,右侧和左侧的渐开线方程式为 cos()sin( )sin()cos( r r b b y x（2-8） 陕西理工学院毕业设计论文 第 10 页 共 54 页 图 2.1 蜗杆坐标轴 式中： “土”号的选取定为:右侧齿面方程式中 y 取“+”号 左侧齿面方程式中 y 取“一”号。 符号说明见下表。 表 2.1 符号参数名称符号参数名称 rb 基圆柱半径 绕蜗杆轴线的回转角 渐开线展开角 q 螺旋参数 r 节圆半径 b基圆柱螺旋升角 齿槽对称线 x 与的夹角 x a 中心距 e 端面齿槽宽度 z 蜗杆头数 t 端

33、面齿形角 轴间角 n 法向齿形角 节圆柱螺旋升角 p 螺旋面的导程 Mn 法向模数 dmax 砂轮的最大直径 Sn 节圆柱上的法向齿厚 上式中 sin2 , sin , 2 , sinr e r p tg tg tg smsm nnnnn t 如果将蜗杆端截形沿蜗杆轴线 z 向右旋，而轴线 Z 与轴线 X，Y 构成右手系，则右、 陕西理工学院毕业设计论文 第 11 页 共 54 页 左齿面的方程式为 （2-9） n b tb b b b b rrtgtgq qz y x rr r r coscoscos,cos, )cos()sin( )sin()cos( 式中： 图 2.2 为蜗杆右侧的渐开

34、螺旋面。它的坐标轴与上述是一致的。由渐开螺旋面的 几何构成法可知:当基圆柱的切平面 v。绕基圆柱纯滚动时，在 v 切平面上的斜 AB 就形 成渐开螺旋面。渐开螺旋面上任一点 M 的法线必位于基圆柱切平面 v 内，且垂直于 AB。设法线的单位向量为 e，则它在坐标轴上的分量为： 图 2.2 蜗杆溅开螺旋面 （2-10） b z b y b x e e e cos )cos(sin )sin(sin 陕西理工学院毕业设计论文 第 12 页 共 54 页 3 渐开线蜗杆的建模 3.1 建模原理 表示一个形体，有两种模型：数据模型和过程模型。数据模型以数据文件的形式 存在，完全以数据描述，可进一步分为

35、线框模型、表面模型、实体模型等，实现方法 包括特征表示、空间分割表示、推移表示、边界表示、构造实体几何表示等。线框模 型将形体表示成一组轮廓线的集合，其特点是简单、处理速度快，是真实物体的高度 抽象，但与形体之间不存在一一对应关系，不适合真实感显示；表面模型将形体表示 成一组表面的集合，形体与其表面一一对应，适合于真实感显示：实体模型用来描述 实体，主要用于 CADCAM，包含了描述一个实体所需的较多信息，如几何信息、拓扑 信息。过程模型以一个过程和相应的控制参数描述，以一个数据文件和一段代码的形 式存在，例如：用一些控制参数和一个生成规则描述的植物，包括粒子系统、L 系统、 迭代函数系统、F

36、BM 等 fill” 。由于实体模型最适合于 CADCAM 中形体的实现，所以 本论文讨论的是数据模型中的实体模型的建模。实体就是具有一定的形状、具有封闭 的边界(表面 1、内部连通、占据有限的空间、经过运算后，仍然是有效的物体的形体。 实体模型是数据模型的一种，所以适用于数据模型的表示方法也适用于实体模型，常 见的实体建模表示方法有特征表示法，空间分割表示法，推移表示，边界表示法，构 造实体几何表示法。特征表示法用一组特征参数表示一组类似的物体，特征包括形状 特征、材料特征等，适用于工业上标准件的表示。空间分割表示法可细分为空间位置 枚举表示，八叉树表示，单元分解表示等三种表示法，前两种表示

37、不能精确表示物体， 后一种表示不唯一，物体的有效性难以保证。推移表示是将物体 A 沿着轨迹 P 推移得 到物体 B，称 B 为 sweep 体；其特点是表示简单、直观，但作几何变换困难，对几何运 算不封闭。构造实体几何表示法将物体表示成一棵二叉树，称为 CSG 树；表示简单、 直观，也是物体的构造方法，可用作图形输入手段，容易计算物体的整体性质，物体 的有效性自动得到保证；但表示不唯一。不能直接用于显示，且求交计算麻烦。各种 陕西理工学院毕业设计论文 第 13 页 共 54 页 表示法之间没有本质上的优劣之分，只是适用的范围不同，本论文实现实体建模的表 示法是边界表示法，下面着重介绍边界表示法

38、。边界表示法简称 Breps 法。它的基 本思想是一个实体可以通过它的面的集合来表示，而每一个面又可以用边来描述，边 通过点，点通过三个坐标值来定义，多边形平面和样条曲面是边界表示的典型例子。 边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的所有几何信息和拓扑信息， 将面 F、边 E、顶点 v 的信息分层记录，利用欧拉公式 V-E+F=2 建立层与层之间的联系。 其优点是能精确表示物体，表示能力强，几何变换容易，适于显示处理；缺点是表示 复杂，有效性难以保证，集合运算复杂。选定了适合的表示方法，如边界表示法；其 具体的实现方法主要有两种。一种是应用计算机高级语言，如 C、C+等，和事先推导

39、的模型表面数据矩阵或数据库；直接对操作系统(如 Windows 等)的图形接口和图形库 (如 Open/GL 等)进行开发设计，运行时不依托于其他的图形软件；这种方法的优点是 避开其他软件功能的限制，设计者有很大的自主性，然而这种方法需要的基础理论知 识繁多，且程序设计较困难，开发周期长，不适于一般的机械产品设计人员另一种方 法是借助现有的三维图形软件直接建模，并可通过编程来扩大其功能，即通常所说的 二次开发。相对前一种方法而言，该方法具有与具体建模方法无关，程序编制简便， 开发周期短等优点，且可利用三维软件的缩放、旋转、着色等常用功能，而无需对这 些功能重新编制程序，因此是大多数机械设计人员

40、选择的方法。目前常用的三维图形 软件，如 CATIA、ProE、UG 等一般都是采用上面所叙述的边界表示法来表示形体， 在这里我们采用 ProE 来建模。 3.2 三维造型软件 ProE （1） ProE 简介 1985 年，PTC 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988 年， V10 的 Pro/ENGINEER 诞生了。经过 10 余年的发展，ProENGINEER 已经成为三维建 模软件的领头羊。目前已经发布了 ProENGINEERproewildfire50。PTC 的系列软件 包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能 仿真、制造和

41、产品数据管理等。ProENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成 最紧密的产品开发环境。 （2）ProE 的主要特性 a 全相关性 陕西理工学院毕业设计论文 第 14 页 共 54 页 ProENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进 行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设 计图纸以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失， 并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 b 基于特征的参数化造型 ProENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这

42、些特征是一 些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、 圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用 c 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征 通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸，还包括非几何属性)，然后修改参 数，很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 d 数据管理 加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须 允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专 门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 ProENGINEER 独特的全相 关性功能，因而使之成为可

43、能。 e 装配管理 ProENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入” 、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复 杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 f 易于使用 菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还 提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 （3） ProE 的功能 ProEngineer 是做模具设计最好的软件，是三维建模的领头羊。在中国使用的 ProE 软件都是汉化的，存在很多漏洞，需要进一步修复及加强。ProE 是一套由设 计至生产的机械自

44、动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的 实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 a 参数化设计和特征功能 ProEngineer 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员 陕西理工学院毕业设计论文 第 15 页 共 54 页 采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随 意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的 简易和灵活。 b 单一数据库功能 ProEngineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CADCAM 系统 建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自

45、一个库，使得每 一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设 计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如， 一旦工程详图有改变，NC(数控)工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动， 也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合， 使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能 更好地推向市场，价格也更便宜。 （4） ProE 的工作模式 a 模型类型 在 ProE 中，可以使用装配模型、零件模型、和绘图模型。在 ProE 中，每一 个模型均伴随着一个文件。系统会根据下列伴随

46、在模型名称后的扩展名自动辨识出模 型的类型(辨识它是装配、零件还是绘图类型)。当创建类型时，系统会根据所选取的 类型，自动给模型增加扩展名。当打开模型时，可以过滤出模型的类型。处于不同的 工作模式， 可以创建或检索不同的模型类型。 草图模式(Sketcher Mode)：允许创建一个参数化的草图模型。 零件模式(Part Mode)： 允许创建一个三维模型。 装配模式(Assembly)： 允许创建一个将零件组装配在一起的三维模型。 在 ProE 中，也可以已开始先构造零件或其他类型的模型，然后在复制信息到另一蜗 轮蜗杆参数化设计及运动仿真个模型中。 b 建模准则 无论在 ProE 中建立什么

47、模型，都会有一个共同的思路，既设计意图(Design intention)。用 ProE 所提供的工具可以准确地体现产品模型的设计意图。 1)记录设计准则 在尚未开始创建模型之前，应该规划好要生成的模型的设计准则，是后续工作在 陕西理工学院毕业设计论文 第 16 页 共 54 页 创建每一个特征时都能依此准则，及共同参考所谓的设计意图。 特征的次序(Order of Features)。 特征类型(Feature Type)。 特征的形式(Feature Form)。 特征的复制(Feature Duplication)。 2)使用 ProE 作为参数化建模工具 在设计的过程中，ProE 可随时修改模型(装配、零件与绘图)。当进行设计准则 规划时，无论对模型作任何尺寸上的修改，设计意图依旧保持不变。ProE 的一个主 要功能就是生成父子(ParentChild Rel