分類號： TH132 .46 密 級： 公 開 U D C： 單位代碼： 10424 工程碩士學位論文 基 于 UG 的 減速器計算機輔助設計 高 愛 紅 申請學位級別： 工程碩士 領域名稱： 機 械 工 程 校內導師姓名 ： 任 濟 生 職 稱： 教 授 校外導師姓名： 李 淮 職 稱： 高級工程師 山 東 科 技 大 學 二零零 七 年 四 月 論文題目： 基 于 UG 的 減速器計算機輔助設計 作者姓名： 高 愛 紅 入學時間： 2004 年 4 月 領域名稱： 機 械 工 程 研究方向： 機械 設計 及理論 校內導師： 任 濟 生 職 稱： 教 授 校外導師： 李 淮 職 稱： 高級工程師 論文提交日期： 2007 年 5 月 論文答辯日期： 2007 年 5 月 授予學位日期： _ The CAD for reducer based on UG A Dissertation submitted in fulfilling the requirements of the ENGINEERING MASTER DEGREE from Shandong University of Science and Technology by Gao Aihong Intramural Supervisor:Professor Reng JiSheng Outer university Supervisor: High-level Engineer Li Huai College of mechanical and electricity engineering May 2007 聲 明 本人呈交給山東科技大學的這篇 工程 碩士學位論文，除了所列參考文獻和世所公認的文獻外，全部是本人在導師指導下的研究成果該論文資料尚沒有呈交于其它任何學術機關作鑒定 工程 碩士生簽名： 日 期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfilling the requirements of the engineering master degree in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced documents of acknowledge. This dissertation has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date: 山東科技大學碩士學位論文 摘要 摘 要 隨著科學技術和國民經濟的發展，漸開線圓柱齒輪減速器的需求量越來越多，質量要求也越來越高，傳統的減速器設計方法已不能滿足用戶的要求。為了適應社會的 發展，本文利用 C 語言和 Visual C+作為工具，以 UG 為平臺， 在已有的理論基礎下，采用現代設計、實體建模 、 UG 參數化設計等技術，提出了減速器的一種設計方法。本論文主要完成如下工作： 1.對減速器設計中所需要的計算公式、線圖、表格等，進行了程序化處理，設計時由計算機按照設計的需要自動檢索，利用輔助設計完成減速器設計中大量煩瑣和重復性的工作； 2.利用 UG 作 圖環境下的參數化建模功能， 對減速器主要零部件的三維建模作了詳細介紹； 3.利用 UG 進行減速器的虛擬裝配，采用“自底向上”的裝配方法，形成了減速器的總體結構； 4.從已建立的三維模型自動生成平面工程圖，體現了產品設計的新思路； 5.利用 Visual C+開發環境進行 UG 的二次開發，可自動生成齒輪的漸開線曲線。 關鍵詞： UG，減速器，參數化設計 ， Visual C+、 虛擬裝配 、 實體建模 、 C語言 山東科技大學碩士學位論文 摘要 ABSTRACT Companying the developing of the technology and economy, the more and more quality and quantity are required on the involute cylindrical gear reducer; therefore, the traditional design methods for the reducer can not be satisfied for the clients requiring. In order to fit for the societys developing, this article is using the language C and Visual C+ as a tool, using the UG as a platform, using the exiting theory as a base, standing on the existing theory foundation, adopting the modern design method, modeling solid body and parameterizing UG designing technic, then puts forward a reducer s designing method. This dissertation mainly finished the work as below: 1. Programming the formulas, charts, and matrixes used in reducer designing, and then when in designing, the computer can follow the design s requiring to search automatically, to utilize the CAD to accomplish a lot of miscellaneous work in reducer design. 2. Using the modeling solid body and parameterizing of the UG chart, then explain the 3D modeling used in the main parts of a reducer. 3. Utilizing the “ from bottom to top” assembling method of the UG s virtual assembling method to form a reducer s whole structure. 4. From the built 3D module, it can automatically create a 2D plan drawing, which materializes a new opinion in a product s design. 5. Utilizing the development condition of the Visual C+ to secondly develop the UG, then the involute curve can be automatically created. KEY WORDS: UG， reducer， parameterizing design, Visual C+, virtual assemble, entity modeling, and C language 山東科技大學碩士學位論文 目錄 目錄 1 緒論 . 1 1.1 CAD技術概述 . 1 1.2 本課題研究背景及主要內容 . 6 1.3 小結 . 7 2 參數化與特征建模理論 . 8 2.1幾何模型 . 8 2.2特征造型技術 . 10 2.3參數化造型技術 . 14 2.4 小結 . 17 3 UG 及二次開發技術 . 18 3.1 UG軟件概述 . 18 3.2 UG二次開發相關技術 . 21 3.3 小結 . 23 4 齒輪減速器的計算機輔助設計 . 24 4.1 減速器設計的現狀 . 24 4.2減速器的發展趨勢 . 25 4.3 減速器設計的方法與步驟 . 27 4.4 齒輪傳動的設計計算 . 28 4.5 小結 . 38 5 減速器中零件的三維建模 . 39 5.1螺栓設計 . 39 5.2 漸開線圓柱齒輪的造型設計 . 40 5.3 箱體設計 . 43 5.4 軸的模型設計 . 45 5.5 小結 . 47 6 減速器的裝配設計 . 48 6.1 減速器 的裝配規范 . 48 6.2 UG裝配概述 . 49 6.3 減速器裝配的過程 . 50 6.4 建立減速器的裝配爆炸視圖 . 53 6.5 小結 . 54 7 減速器的工程圖 . 55 7.1 概述 . 55 7.2 參數的預設置 . 57 7.3 減速器的裝配圖生成 . 57 山東科技大學碩士學位論文 目錄 7.4 減速器的零件圖生成 . 57 7.5小結 . 59 8 總結 . 60 致謝 . 61 參考文獻 . 62 碩士研究生期間發表的論文和參加的工作 . 64 山東科技大學碩士學位論文 目錄 Contents 1 Preface . 1 1.1 The CAD technic summarize . 1 1.2 The background and main contents in this dissertation . 6 1.3 Brief summary . 7 2 The parameterizing and characterize modeling theory . 8 2.1 Geometric modeling . 8 2.2 Characterize modeling technic . 10 2.3 Parameterize modeling technic . 14 2.4 Brief summary . 17 3 UG and the secondly develop technic . 18 3.1 The summarize of the UG software . 18 3.2 UG and the related secondly develop technic . 21 3.3 Brief summary . 23 4 The gear reducers CAD . 24 4.1 The situation of the reducer design . 24 4.2 The developing trend of the reducer . 25 4.3 The reducer designing methods and steps . 27 4.4 The designing calculation of the gear transmitting . 28 4.5 Brief summary . 38 5 The reducer parts 3D modeling . 39 5.1 Bolt design . 39 5.2 Involute cylindrical gear modeling design . 40 5.3 The case design . 43 5.4 Shaft modeling design . 45 5.5 Brief summary . 47 6 Reducers assembly design . 48 6.1 Reducers assembly specification . 48 6.2 The summarize of the UG assembly . 49 6.3 The process of the reducer assembly . 50 6.4 To set up a reducers assembly explosion view . 53 6.5 Brief summary . 54 7 The reducers engineering drawing . 55 7.1 Summarize . 55 7.2 The parameters pre-set . 57 7.3 The create of the reducer assembly drawing . 57 7.4 The create of the reducer parts . 57 7.5 Brief summary . 59 8 Summing-up . 60 Thanks . 61 References . 62 The labors and published dissertations in the graduate studying period . 64 山東科技大學碩士學位論文 緒論 1 1 緒論 1.1 CAD 技術概述 1.1.1 CAD 技術的基本概念 計算機輔助設計（ Computer Aided Design ， CAD）是產品設計人員在 CAD 系統的輔助之下，根據產品的設計程序進行設計的一項新技術，是人的智慧和創造力與計算機系統功能的巧妙結合。設計人員通過人機交互操作的方式進行產品設計的構思和論證、產 品的總體設計、技術設計、零部件設計，有關零件的強度、剛度、熱、電、磁的分析計算 、 工程圖紙的輸出，以及技術文檔和有關技術報告的編制 等 。然而， 需聲明的是 CAD技術不能代替人的設計行為，而只是實現這些行為的先進手段。 CAD 技術是一項綜合性的高新技術，該技術的應用和發展正在引起一場深刻的產品設計和制造的技術革命，并對產品結構、產業結構、管理模式、生產方式，以及人才知識結構等產生重大影響。 目前 CAD 技術的鮮明優點已經被越來越多的人們所公認。世界上發達國家不僅將CAD 技術應用于機械、電子、航空航天、汽車、船舶等一系 列產品和工程設計領域，而且迅速向其它工業產業領域發展。 在當前經濟發展的新形勢下，產品更新換代速度加快，從電子技術到重型機電行業強烈提出了縮短開發周期，提高產品質量，減少開發費用等要求。在這種形勢下， CAD技術發揮著越來越重要的作用。 1.1.2 CAD 技術發展歷程 在 CAD 軟件發展初期， CAD 的含義僅僅是圖板的替代品，即：意指 Computer Aided Drawing(or Drafting)而非現在我們經常討論的 CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內容。 CAD技術以二維 繪圖為主要目標的算法一直持續到 70年代末期，以后作為 CAD技術的一個分支而相對單獨、平穩地發 展。早期應用較為廣泛的是 CAD 軟件，近十年來占據繪圖市場主導地位的是 Autodesk公司的 AutoCAD軟件。在今天中國的 CAD用戶特別是初期 CAD用戶中，二維繪圖仍然占有相當大的比重。 1.1.2.1 第一次 CAD技術革命 曲面造型系 統 山東科技大學碩士學位論文 緒論 2 三維 CAD 系統 是 20 世紀 60 年代出現 的，該系統 只是簡單的線框式系統 ，它 只能表達基本的幾何信息，不能有效表達幾何數據間的拓撲關系。由于缺乏形體的表面信息，在該系統中， CAM及 CAE 均無法實現。 20 世紀 70 年代， 是 飛機和汽車工業的蓬勃發展時期 ， 此間飛機及汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，當時只能采用多截面視圖 和 特征緯線的方式來近似表達所設計的自由曲面。 由于 三視圖方法表達 缺乏 完整性 ， 設計完成后，經常發生制作出來的樣品與設計者 的 想象有很大 出入， 甚至 是 完全不同。 設計者對自己設計的曲面形狀能否滿足要求 也不能 保證，所以還經常按比例制作油泥模型，作為設計評審或方案比較的依據。這樣 的制作過程大大拖延產了產品的研發時間， 因此， 要求更新設計手段的呼聲越來越高。 此時法國人提出了貝賽爾算法，使得人們在用 計算機處理曲線及曲面問題時變得可行 ，同時也使得法國的達索飛機制造公司的開發者們，能在二維繪圖系統 的基礎上，開發出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統 CATIA。它的出現，標志著計算機輔助設計技術從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實現以計算機完整描述產品零件的主要信息，同時也使得 CAM技術的開發有了現實的基礎。曲面造型系統 CATIA 為人類帶來了第一次 CAD 技術革命，改變了以往只能借助油泥模型來近似準確表達曲面的落后的工作方式。 在這個時期， CAD 技術價格極其昂貴，軟件商品化程度 也很低。只有少數幾家受到國家財政支持的軍火商，在 70 年代冷戰時期才有條件獨立開發或依托某廠商發展 CAD 技術。 1.1.2.2第二次 CAD技術革命 實體造型技術 20世紀 80年代初， CAD 系統價格依然 昂貴 ， 一般企業難發接受， 這使得 CAD技術無法擁有更廣闊的市場。為使自己的產品更具特色，在有限的市場中獲得更大的市場份 額，以 CV、 SDRC、 UG 為代表的系統開始朝各自的發展方向前進。 20 世紀 70 年代末到 80 年代初，由于計算機技術的 迅速發展 ， CAE、 CAM 技術也 相應 有了較大發展。 SDRC公司由美國宇航局支持及合作， 開發出了許多專用分析模塊，用以降低巨大的太空實驗費用，同時在 CAD技術方面也進行了許多開拓 ； UG則著重在曲面技術的基礎上發展 CAM技術，用以滿足麥道飛機零部件的加工需求； CV和 CALMA 則將主要精力都放在 CAD市場份額的爭奪上。 盡管 有了表面模型， CAM 的問題可以基本解決。但由于表面模型技術只能表達形體的表面信息，難以準確表達零件的其它特性，如質量、重心、慣性矩等，對 CAE 十分不利，最大的問題在于分析的前處理特別困難。基于對于 CAD/CAE一體化技術發展的探索，山東科技大學碩士學位論文 緒論 3 SDRC 公司于 1979 年發布了世界上第一個完全 基于實體造型技術的大型 CAD/CAE 軟件I -DEAS。由于實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助于統一CAD、 CAE、 CAM 的模型表達，給設計帶來了 很大 的方便性 ， 它代表著未來 CAD 技術的發展方向。可以說，實體造型技術的普及應用標志 CAD發展史上的第二次技術革命。 實體造型技術既帶來了算法的改進和未來發展的希望 的同時 ，也帶來了數據計算量的極度膨脹。在當時的硬件條件下，實體造型的計算及顯示速度很慢，在實際應用中做設計顯得比較勉強。由于以實體模型為前提的 CAE本來就屬于較高層次技術，普及面較窄， 反映還不強烈；另外，在算法和系統效率 方面存在著 矛盾，許多贊成實體造型技術的公司并沒有下大力 氣 去開發，而是轉去攻克相對容易實現的表面模型技術。各公司的技術 因此 再度分道揚鑣。實體造型技術也就此沒能迅速在整個行業全面推廣開。推動了此次技術革命的 SDRC 公司 也 失去了一次大飛躍的機會。在以后的 10年里，隨著硬件性能的提高，實體造型技術又逐漸為眾多 CAD系統所采用。 在這段技術起伏跌宕時期， CV公司最先在曲面算法上取得突破，計算速度提高較大。由于 CV提出了集成各種軟件，為企業提供全方位解決方案的思路，并采取了將軟件的運行平臺向價格較低的小型機轉移等有利措施，一躍成為 CAD領域的領 導者，市場份額上升到第 1位，兼并了 CALMA公司，實力迅速膨脹。 1.1.2.3第三次 CAD技術革命 參數化技術 在 CV公司業績 大幅提高 以及實體造型技術逐漸普及之時， CAD技術的研究 也 有了重大進展。 20世紀 80年代中期， 在 CV公司 內部，有人 提出了 參數化實體造型方法 。這是一種比無約束自由造型更新潁、更好的算法。從算法上來說，這是一種很好的設想。它主要的特點是：基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。 但這 時的參數化技術方案還處于的初級 發 展 階段，很多技術難點有待于攻克 ， CV 公司 內部 對 是否馬上投資發展這項技術 有很大的 爭論 ，由于 參數化技術核心算法與以往的系統有本質差別，若采用參數化技術，必須將全部軟件重新改寫，投資及開發工作量很大 。 當時 CAD 技術主要應用在航空和汽車工業，這些工業中自由曲面的需求量非常大，參數化技術還不能提供解決自由曲面的有效工具 (如實體曲面問題等 )，更何況當時 CV的軟件在市場上幾乎呈供不應求之勢，于是， CV公司內部否決了參數化