毕业设计91基于proe的减速器可视化设计系统13.docx
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毕业设计91基于proe的减速器可视化设计系统13
1绪论
1.1研究背景
当今，世界减速器技术有了很大的发展，总的发展趋势是向六高、两低、两化方向发展。
六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率；两低即低噪声、低成本；两化即标准化、多样化[1]。
20世纪70～80年代，世界上减速器技术有了很大的发展，且与新技术革命的发展紧密结合。
通用减速器的发展趋势如下：
（1）高水平、高性能。
圆柱齿轮普遍采用渗碳淬火、磨齿，承载能力提高4倍以上，体积小、重量轻、噪声低、效率高、可靠性高。
（2）积木式组合设计。
基本参数采用优先数，尺寸规格整齐，零件通用性和互换性强，系列容易扩充和花样翻新，利于组织批量生产和降低成本。
20世纪60年代的减速器大多是参照苏联20世纪40～50年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于当时的设计、工艺水平及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距。
改革开放以来，我国引进一批先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进技术和科研攻关，逐步掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。
材料和热处理质量及齿轮加工精度均有较大提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB179－60的8～9级提高到GB10095－88的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在4～5级。
部分减速器采用硬齿面后，体积和质量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了较大提高，对节能和提高主机的总体水平起到很大的作用。
减速器是一种用途十分广泛且比较典型的机械装置，针对减速器的设计方法也不拘一格。
在减速器的传统设计中，原有的几何模型是设计者利用固定的尺寸值得到的，零件的结构形状不能灵活地改变，一旦零件尺寸发生改变，必须重新绘制其对应地几何模型。
建立可视化系统，可以利用它的参数化设计，一种使用参数快速构造和修改几何模型地造行方法，利用这个技术进行设计时，图形的修改非常容易，用户构造几何模型时可以集中概念和整体设计，因此可以充分发挥创造性，提高设计效率。
由于以实体造型为核心的系统不能用完整的产品模型来支持产品开发的全过程，为了实现从设计开始就建立一种通用产品设计模型，并完整的描述产品的几何结构，为产品开发的后继过程提供充足的信息，以提高信息复用程度和产品开发自动化、可视化程度，缩短产品开发周期。
基于Pro/ENGINEER便于交互及其强大的二维、三维绘图功能，采用Top-Down自顶向下设计，先确定总体思路、设计总体布局，然后设置零部件，最后完成一个整体的设计。
齿轮减速器的体积，重量及其承载能力主要取决于传动参数的选择，设计问题一般是在给定传动比和输入转矩的情況下，确定行星轮的个数、各轮的齿数，模数和齿宽等参数。
在选择设计参数时采用了很多设计方法，优化设计、模糊设计和可靠设计等。
减速器作为独立的驱动元部件，由于应用范围极广，其产品必须按系列化进行设计，以便于制造和满足不同行业的选用要求。
针对其输入功率和传动比的不同组合，可获得相应的减速器系列。
在以往的人工设计过程中，在图纸上尽管能实现同一机座不同规格的部分系列表示，但其图形受到极大限制。
采用Pro/ENGINEER的Pro/TOOLKIT二次开发工具，在VC++6.0的友好界面下来实现这一过程，不仅能完善上述工作，建立真实的三维模型，设计完全可视化，方便设计操作，而且使系列产品的技术数据库，图形库的建立、查询成为可能；使设计速度加快。
1.2国内外可视化发展现状
在实际研究工作中，计算机技术具有不可替代的作用，并己成为研究的基本平台之一。
可视化技术在现时中的重要作用是由科学研究的特性所决定的。
科学研究的一般过程是对实际的抽象化，用精练的数字信息代表真实过程，再对这些数字信息进行研究的而得到具有结论性意义的数据结果。
应该注意的是，所得到的数据结果本身并没有直接揭示蕴涵其中的规律性，最终还必须有研究者去解释数据结论，从中总结出可以运用于实际的一般性规律。
这一过程是重要的，但显然也是枯燥的、困难的。
因为数据所代表的实际意义不会明显的表露，研究者面对数据，尤其是大量数据时，往往会淹没于数据之中，难于理解、提炼和解释其中规律，因此，研究者期望一种辅助工具帮助他们实现数据的有效分析，可视化系统正是这样一种工具，因为可视化的实质是抽象数据的具体化过程，它把数字信息转化为形象、直观的图形，将数据本身的现实意义通过二维或三维图形等手段直接返还到研究者眼前，使数据的内在意义得以充分体现，使研究者从形象化的模型中获得灵感和洞察力，同时也激发了研究者的创造性思维。
[26]
1.2.1可视化概念
科学计算可视化（VisualizationInScientincComputingVISC）技术简称可视化，是80年代后期被提出并得到发展的一门新兴技术，90年代初在美国著名国家实验室及高等学校中己从研究阶段发展到应用阶段。
计算机技术的飞速发展，特别是超级计算机的广泛应用，涉及到天体物理、生物学、气象、数学、空气动力学、医学图象等领域的大量数据，这对人脑分析解释这些数据的能力提出了挑战。
为此，1986年10月，美国国家科学基金会（NationScienceFoundation）的科学计算分组就图形学、图象处理及工作站等方面的问题展开讨论会，会议认为图形学与成像技术应用于计算科学将会发展成为一个全新的技术领域一科学可视化，简称VISC（VisualizationinScientinComputing）。
1957年1月美国国家科学基金会（NDF）组织有关专家召开了科学可视化（VISC）讨论会，形成了正式的VISC报告，从而为VISC这一门交叉学科的形成与发展奠定了基础。
可视化是涉及计算机图形学、图象处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个方面的一个崭新的技术领域。
在工程设计领域，可视化仿真或科学计算可视化被称为对科学计算或仿真计算所获得的数据进行可视化加工、三维图形显示和动画显示，并可通过交互的改变参数来视察计算结果的全貌及其变化。
由于科学计算可视化对各门学科和工程技术的发展有着极其重要的意义及实用价值，因而这种技术在一开始就得到人们的极大重视。
科学计算可视化的基本思想是：
从准备数据、实施计算到表达结果都用图形或图象来完成或表现，最后结果还可以用具有真实感的动态图形模拟来描述。
实现科学计算可视化可以大大加快数据的处理速度；可以在人与数据、人与人之间实现图象通讯；可以观察到传统的科学计算中不可能或不能观察到的现象和规律；可以了解过程中发生的变化，并可以通过改变参数对计算过程实现引导和控制，使科学计算和工程设计方式发生根本变化。
1.2.2国内外可视化设计的发展现状
计算机可视化动态模拟是近几年发展起来的一门新型学科。
针对某一研究项目用户根据某些初始条件和理论分析建立相关的数学模型，运用计算机这一先进工具编制相应的软件模拟其真实的运动情况。
通过模拟数据结果对照已有的真实试验测试结果，可以验证该动态模拟基于的数学模型建立得是否正确；并且即而推广到尚无真实试验结果的未知领域，通过动态模拟得到所需的数据或结论。
国际上在80年代中期就对可视化技术重要性有了充分认识，1987年美国计算机成像专家对美国国家基金会提交的“科学可视化报告”指出：
“科学可视化对科学生产力和重大科学突破将产生巨大影响，这种影响可与巨型机相比拟。
”由于认识的充分性和现实的需要，国外于90年代兴起了开发利用可视化技术的热潮，可视化系统软件开发也获得了很大的发展，现有多种技术较成熟的软件系统问世。
相比之下，我国的可视化应用起步较晚，可视化系统水平基本上还停留在各个单位为辅助项目设计而临时开发这一原始阶段上，设计时还往往受到开发平台限制，难以完成国外软件的多种功能，实现上以后置处理型居多，图形工具多是三维非真实处理。
其中比较成功的有上海交大机器人研究所开发的ROSIDY可视化系统，用于工业化机器人图形仿真；清华大学自动化系开发的IMSS，用于制造系统性能分析的一体化制造仿真。
目前，在可视化应用中借助的仅是计算机的图形处理能力和图形表示直观的特点，真正的分析仍是由人工完成的。
随着高性能工作站和可视化技术的发展，图形处理算法将更多的由硬件实现，可视化软件将与人工智能技术结合产生智能化的可视化软件，并被作为包含在工作站中的基本软件系统提供给用户，研究人员可望获得一种硬件和软件、计算与人工智能和可视化技术高度结合的理想的工作环境，从而大大减轻分析人员的劳动强度，缩短产品的设计周期。
1.2.3可视化设计的三个层次
按照模拟执行与结果图像的相结合程度将可视化研究分为三个层次：
后置处理、跟踪、控制。
在后置处理中，图形显示是在数据后产生的，与数据源之间没有交互。
其优点是如果用户第一次未看清楚，可以很方便的再重复显示。
在这一层次上很多研究人员已经做了大量的工作，如流体力学、有限元计算结果的后置处理等等。
跟踪是图形显示与计算过程同时进行。
其特点是：
第一，计算的中间结果及最后结果都能及时显示，因而对计算中的错误可以及早发现，如果有必要，可以停止执行。
由于计算需要大量的时间，图像结果可以收集在工作窗口中，用户可以在执行其它任务时检查其结果；第二个特点是关于数据文件的存储。
当采用跟踪技术时，图像直接从数据中产生，某些情况下数据无需写入存储器之中。
跟踪技术的优点还有，用户使用效率高；等待计算结果所需的时间少。
缺点是数据有可能仅在计算时才能得到。
为改善此问题，可要求系统提供存取数据的能力，以便用户随时去用检查结果。
在跟踪差错及实时监视中，交互技术十分必要。
控制（又称驾驭）则应该在计算过程中对参数进行修改，对数值模拟进行直接的控制和引导。
现在已能实现的“控制”实例是驾驶模拟。
已建立的数学模型可准确地计算出车辆对一系列内部作用力和外部作用力的反应，根据实时反应的最新信息确定车辆在三维世界中的位置，然后用一系列视觉手段来保证计算达到要求。
为了实现适用范围较广的控制结构，必须使用工具箱。
图形工具箱包括扩展的交互技术灵活的图像绘制及支持大型数据集的交互；提供联结用户与计算模型的结构；提供三维数据输入、大量数据的输入及公共单元的输出手段及动画功能等。
在此阶段用户可以根据需要进行下述处理：
重画图像或采用动画功能；比较多幅图像和多动画系列；进行较快和光滑的动画播放；停止模拟等等。
1.2.4可视化发展的趋势
科学计算与图象、图形有着紧密的联系。
人们不仅仅满足于单纯的有了数据后进行图形显示，还希望从计算模型的建立和原始数据的准备开始就通过图象和图形来实现。
计算过程能由人来驾叹，计算结果不仅图形化，而且能通过分析处理获取更多有用的信息。
这一切的关键所在是图形显示与数据处理的紧密结合，即所谓视算一体化（Visual-ComputingIntegration）。
这一技术可以概括如下[6]：
任何一项计算从开始获取数据就依靠图象或图形来实现。
如通过作图建模的方法，对摄录或扫描图象处理的方法，或其它物理手段（如射线、超声、磁共振等）。
计算模型不仅在几何上用图形表示，物理量也可用灰度及颜色表示。
计算过程及中间结果还应形象地用图形模拟，以图线、图形及动画等形式表现出来。
这一过程还应是一个紧密的人机交互过程：
计算机不断进行数据加工，用图形或图象显示其过程，而且通过分析判断，智能地反应出信息。
而人们则一方面可对计算过程和结果有一个全面形象的了解，追踪计算过程，洞察发生的问题，加深对计算过程和结果的理解。
并由此获得启发，建立新概念，悟出解决问题的思路和方法。
另一方面可以根据计算机分析判断所反馈的信息，通过对图形的修改，改变参数，实时地干予和引导计算过程，朝着预期的方向发展。
最后结果除了用图形、图象、颜色和动态模拟来描述外，还应提供多种手段，通过对图形的处理，获取更多更直接有用的信息。
这一技术是从表示大量科学计算数据使其可视而发展起来的，但实际上其意义已超过了“可视”这一范筹。
因为这一技术的关键在于图形与计算的有机结合，故使用“视算一体化”的术语较为贴切。
[6]
但是这项技术的引入是一件有相当难度的工作。
其复杂性在于它涉及到计算机科学的多个方面，如软、硬件技术，图形显示。
计算机图形学，数据结构特别是图形数据结构，以及专业问题。
因此它是一门边缘科学。
开发此类软件必须由专业人员与计算机人员协同工作，并以专业人员为主导，这是由于视算一体化软件必须紧密结合专业需要的原则决定的。
专业人员必须掌握计算机软、硬件知识到一定深度，成为复合型人才，亲自动手。
而计算机人员则在较为深入的计算机技术工作上发挥作用。
1.3论文内容概述
1.3.1选题的目的及意义
随着三维图形技术和计算机技术的发展，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。
传统的设计交互造型不仅效率低而其容易出错，为提高效率，提出了建立参数化模板库的方法，通过引入基于特征的参数化造型的思想，建立常用的典型零部件模板库，在设计计算完成后，通过参数化驱动从而得到所需的模型并且将材料信息等物料信息自动加入到模型中。
并且，在三维模型的基础上可以进行零件装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计工作。
建立三维实体模型以后，还可以根据需要由该模型方便地生成传统加工过程所用的工程图。
机械产品的设计从产品构思、概念表达、结构设计、性能分析到最终的产品加工是一个非常复杂的过程，这种设计过程的复杂性、多样性和灵活性就要求设计自动化必须走参数化可视化的道路，从而提高机械设计的效率，这也是机械设计师梦想的事情。
本文研究的可视化系统主要针对张家口煤机厂项目，该厂以往减速器的设计，都是重复的建立三维模型，工作量很多，而且重复性劳动很多，因此，采用特征造型和参数化技术进行齿轮减速器可视化设计，能够更好地缩短设计周期，提高齿轮减速器的设计、制造质量。
目前，三维CAD技术在减速器设计方面的应用主要集中在以下几个方面：
减速器产品的三维实体造型、产品的可靠性分析等方面，而对整体的比较全面的三维参数的可视化设计目前尚处于探索阶段。
本文开发的减速器（不包括箱体）三维参数的可视化设计系统利用Pro/ENGINEER平台的强大二次开发接口技术，成功地实现了设计的修改、参数的获取以及部件的装配。
不仅提高设计效率，缩短产品的开发周期，解放设计人员，提高设计质量，对机械产品的三维参数化可视化设计有一定的参考价值。
需要说明的是行星减速器的设计不同于普通的定轴减速器，它的传动参数的选择受到诸多条件的限制（装配、同心、邻接、强度、结构和工艺），所以在进行参数化设计时，也相对复杂，在实现它的可视化时，也主要是以零部件为单位，先实现部件轴系的可视化，然后利用装配关系生成新的结构相同的减速器，来应对不同功率和传动比的需要。
1.3.2论文的主要过程
本论文的主要工作有：
1.确定系统设计方案
根据该行星减速器的特点和可视化设计的要求，确定系统的开发方法，选择系统开发的软硬件环境。
2.确定系统的总体结构
对系统进行任务分解，确定系统总体结构，进行合理的模块划分。
3.利用Pro/ENGINEER建立参数化的零部件模型库，实现参数化装配。
4.以VC++6.0和Access为开发工具，建立系统数据库。
5.通过ODBC将数据库与VC相连，实现数据与Pro/ENGINEER的交互。
6.用Pro/ENGINEER的二次开发工具Pro/TOOLKIT和VC设计一个友好的用户交互界面。
1.4本章小节
本章着重讨论了减速器的设计发展在国内外发展的状况，根据现状提出可视化设计的意义；在对可视化的概念、发展及其在机械设计上的应用等相关说明中，说明了减速器可视化设计作为一种设计方向的重要性，最后叙述了本论文选题的目的、意义，希望通过Pro/ENGINEER二次开发等技术实现减速器的可视化设计及需要完成的主要工作。
2可视化系统的总体设计方案
2.1减速器结构简述
减速器是一种在原动机与工作机之间用来降低转速的独立传动装置，其类型很多，传动级数和传动的布置形式也是多样的。
本系统便是以运用到刮板运输机传动装置的二级行星减速器为例，进行减速器的参数化设计。
本文的行星齿轮减速器是张家口煤矿机械厂所开发设计的减速器产品，主要针对该减速器开发研制计算机辅助设计的可视化系统。
该系统以原样机（60JSCD）2K-H型机构为基础，当高速轴由电动机驱动时，太阳轮回转，带动行星轮转动，驱动行星架座输出。
其结构如图2.1所示
图2.1减速器结构图
该行星减速器主要由传动零件（齿轮）、轴承、箱体及其附件组成。
2.2系统开发软件的选择
随着信息时代及全球经济一体化进程的到来，企业必须具备新产品的开发、研制及创新能力，有自己的便于更新的产品设计平台，才能不断快速地推出适应市场需求、满足顾客需要的新产品，才能在激烈的市场竟争中生存下来。
随着微机版三维CAD系统的日趋完善、Windows操作平台的日益普及和微机性能价格比的不断提高，企业大范围使用三维CAD技术的时机已经成熟。
从长远的观点来看，三维CAD技术必然会很大程度替代二维CAD技术。
实践也证明，三维CAD技术的应用对加速新产品开发、提高产品质量、缩短产品研制周期、降低产品成本起着关键的作用，它是支持企业增强创新设计、提高市场竞争力的强有力手段，也是企业在工程技术领域实现企业信息化的重要举措。
那么如何正确选择一款适合企业实际的三维CAD软件就成了企业信息化的一个重要方面。
2.2.1典型三维造型软件介绍
CAD技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD软件。
近年来，由于个人计算机的性能迅速提高，已具有较强的图形处理能力和支持多处理机及并行处理的能力。
基于PentiumX芯片，运行WindowsNT的高档PC系统，其性能己接近传统的工作站，而价格却远远低于后者，所以基于PC的CAD系统的市场份额正逐渐提高，工作站和微机平台CAD软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。
UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品，它将参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起。
AutoCAD是二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。
AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。
AutoCAD提供AutoLISP.ADS.ARX作为二次开发的工具。
在许多实际应用领域（如机械、建筑、电子）中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上己开发出许多符合实际应用的软件。
MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。
它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。
由于该软件与AutoCAD同时出自Autodesk公司，因此两者完全融为一体，用户可以方便地实现三维向二维的转换。
MDT为AutoCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择。
SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。
图形界面友好，用户上手快。
该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。
DEASMasterSeries5是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。
它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。
I-DEAS是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。
I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等可提高产品性能的高级分析功能。
Pro/ENGINEER系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的产品。
PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念己成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。
利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/ENGINEER软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。
2.2.2软件二次开发的选择
为推广应用以D技术，许多企业纷纷购置了昂贵的计算机硬件和CAD支撑软件系统。
由于这些商品化的以D软件一般都是通用化软件，基本上覆盖整个机械行业各个方面的工作，而用户在应用时都具有自身行业的特色，因此，用户在引进商品化的CAD软件后，通常需要那些既掌握计算机应用技术又懂得产品设计的人员针对本行业的特点对支撑软件进行修改和扩充，开发出实用性更强的CAD应用软件，即所谓的二次开发。
二次开发的目的是设计一个软件系统或称之为设计工具来辅助具体的机械设计。
二次开发不同于一般的软件开发，主要在于它不是从底层开始的软件设计，而是在已有的软件上进行的开发，所以二次开发的最大特点就是继承性。
二次开发后的软件功能在很大程度上取决于支撑软件本身的功能和开放程度。
因此，支撑软件的选择非常关键。
首先，软件应当由可靠的、较大规模的公司生产，防止由于软件公司的倒闭使我们失去长期而可靠的技术支持。
其次，应当选择大家比较熟悉的，功能齐全、性能优良，且本身又在不断进步的软件。
如：
具有标准的图形格式，符合国际、国内标准，方便与其它软件的交换：
具有windows98、windowsNT及工作站等多种版本，支持从微机到工作站多种硬件平台，实现功能完全一样，并在网络和数据上达到无缝集成。
最后，也是最重要的性能，就是支撑软件的开发性，或者说二次开发的能力。
可以从两方面考虑，一方面开发功能是否齐全，接口是否简单；另一方面开发语言是否为通用的高级语言，编译环境是否优良。
此外，根据本论文是进行行星减速器的可视化设计，所以选择支持软件时，除了要具备以上的基本条件外，还应该具备以下三点：
（1）完善的三维实体建模功能，模型应具有良好的继承性和可控制性；
（2）良好的参数化设计特性；
（3）能够实现与第三方程序无缝连接。
综上所述，结果本论文决定选用的软件是美国PTC公司的机械设计自动化软件Pro/ENGINEERWildfire。
该软件自1988年问世以来，10多年间成为全世界及中国地区最普及的3DCAD/CAM系统软件。
Pro/ENGINEER集合了零件设计、产品组合、模具开发、钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体，是一个全方位的3D产品开发软件。
Pro/ENGINEER已经成为世界3DCAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽机车、航天、家具、玩具等各行业。
2.3Pro/ENGINEER的参数设计化特性
本论文的减速器可视化设计系统，实际是对减速器参数化造型设计的可视体现，因此要求开发软件本身有较高的参数化设计特性，这里我们先介绍Pro/ENGINEER的参数化设计的特性：
（1）3D实体模型（Solidmodel）
3D实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现之外，借助于系统参数（Systemparameters），用户还可以随时计算出产品的体积、面积、重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，并补足传统的面结构、线结构的不足。
用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上情况，设计物理参数，并减少许多人为计算时间。
（2）单一数据库（Singledatabase）
Pro/ENGINEER可随时修改由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标注工程图尺寸。
不论在3D还是2D图形上作尺寸修改，其相关的2D图形或者3D实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，并避免反复修正的耗时性。
由于采用单一数据库，
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