基于Pro/ENGINEER的齿轮减速器实体造型设计及数控加工

　　一、引言

　　减速器是应用于原动机和工作机之间的独立传动装置，具有结构紧凑、传动效率较高、传递运动准确可靠、使用维护方便和可成批生产等特点。

　　传统的减速器手工设计通常采用二维工程图表示三维实体模型的做法。这种做法不仅不能以三维实体模型直观逼真地显现出减速器的结构特征，而且对于一个视图上某一尺寸的修改，不能自动反映在其他对应视图上。同时，用这种方法生成的模型几何数据不能直接用于计算机数控加工(CNC)、模具设计、有限元分析和机构运动分析中。并且要做大量分析与计算，因而费工费时，设计效率低。

　　Pro/ENGINEER作为参数化CAD/CAM软件系统的代表，实现了产品零件从概念设计到制造全过程的一体化，提供了以参数化特征实体造型为基础，部件间的关联设计、共享数据库和专家系统知识等技术，是集产品设计、分析和制造一体化的CAD/CAE/CAM软件平台。它使产品在CAD/CAE/CAM各单元系统之间实现了数据的自动传递与无缝转换和集成，在CAE/CAM系统顺利接受CAD系统建立的三维模型，基于统一数据库基础上同步更新。同时，它保证产品、模具设计、产品及模具的数控加工的刀具轨迹及NC加工代码数据自动更新，避免了重复产品设计建模和NC数控编程的工作，实现了CAD/CAE/CAM数据的全相关性设计。

　　随着社会以及工业技术的不断发展，当前数控加工机床不断普及、数控加工技术日益成熟，现有标准减速器也可以充分利用CAD/CAM软件进行几何造型建模，利用上述数控设备加工，这对现有标准减速器生产质量和效率的提高，有很大的现实意义。

　　二、直齿圆柱齿轮三维实体模型创建

　　1.技术要求及软件选用

　　以一级圆柱齿轮减速器作为研究对象，通过运动分析、力学分析等，计算得出的结构性能参数列入表中，其结构简图如图1所示。

　　该减速器主要由主动齿轮轴系、从动齿轮轴系、机座及其附件等组成。

　　减速器实体造型建模设计，选用具有实体特征造型、参数化和单一数据库功能的Pro/ENGINEER Wildfire3.0软件作为设计平台。

　　2.减速器零件造型设计

　　一般将减速器的零件分为五类，如图2所示。

　　在进行零件造型设计时，可按零件的不同类型进行分类设计。三维建模是数控加工的基础，三维实体模型包括非常丰富的设计内容。在创建三维模型之前，首先进行零件模型结构分析，其次策划在Pro/ENGINEER系统中进行零件建模时应用特征的规划，确定建模方法，最后再进行具体的零件造型设计。在创建模型过程中，要灵活应用模型编辑和修改工具，不断完善设计内容。虽然圆柱齿轮减速器零件较多，但多为回转类零件(轴和齿轮)，建模方法比较简单。利用旋转(Revolve)建模法，根据需要作必要的拉伸(Extrude)、剪切(Cut)或孔(Hole)的处理，就可以得到所需的零件三维模型。

　　3.减速器装配设计

　　零件装配设计就是依照一定的顺序把满足特定关系的元件装配成组件的过程。减速器的装配设计先实现高、低速轴部件的装配，然后再进行总装配。箱座部件、总装配结果如图

　　3、图4所示。

　　三、Pro/ENGINEER的数控加工编程

　　1.数控加工编程功能简介

　　在产品的数控加工编程方面，Pro/ENGINEER软件提供了功能强大的数控编程模块Pro/NC。该CAM模块和CAD模块集成在一起，具有强大的数控加工编程和后置处理功能。其CAM模块可分别对各种加工机床的各种加工方式进行数控加工编程。能产生生产过程规划，提供参数化的刀位轨迹生成，并计算加工时间。所具有的数控车削、铣削和线切割加工编程功能，支持车削中心、5轴铣削中心和4轴线切割数控加工，具备完整关联性，对任何设计更改，能自动生成加工程序和资料。利用CAM模块生成的刀具轨迹文件称为CLData(Cutter Location Data)，通过NcCheck进行仿真加工检测切削状况，提供的Vericut模拟功能可以模拟材料的去除过程，为用户进行切削过程快速校验和刀具轨迹优化设计提

　　供指导，以预测误差和干涉过切。产生的CL刀位文件经Ncpost或Gpost后置处理产生NC代码。其提供的后置处理程序能满足如Fanuc、Heidenhain、Simense、Mitsubishi、Mazak、Agie和Charmilles等数控系统。用户可以通过修改Option File文件(机床配置文件)和FIL File文件(数控机床系统接口文件)，产生适合自己数控机床系统的后置处理程序。

　　2.数控加工编程流程

　　数控编程是指根据被加工零件的技术要求、几何形状、尺寸及工艺要求来确定加工方法和加工路线，进行工艺参数、切削参数(主轴转速、刀具进给量、切削深度等)及辅助功能(主

　　轴正反转、冷却液开关等)的设置，通过数值计算获得实际加工时的刀具轨迹，然后按数控机床所采用的代码及程序格式，输出工件的数控加工程序的过程。数控加工编程的功能模块一般包括图形几何造型、刀具轨迹设计、刀具轨迹编辑、加工仿真、后置处理及全数据关联参数化驱动修改等功能模块。利用Pro/NC进行数控程序的编程流程与实际加工的逻辑思维是相似的，图5为利用Pro/ENGINEER进行数控编程的流程图。

　　利用Pro/NC模块进行数控编程时，要求遵循一定的逻辑步骤来设计加工所需的刀具轨迹。其过程是：首先设计加工所需的制造模型(产品与毛坯);然后建立包含加工机床、刀具、夹具和加工坐标系等内容的制造工程数据库(加工环境设置)，其定义可在刀具轨迹设计规划之前完成，也可在进行刀具轨迹设计的同时进行;选择被加工的几何对象(点、轮廓、曲面或实体)和加工方式，如体积铣削、曲面铣削等，根据具体的加工方式确立合适的切削工艺参数，如步距、深度和主轴转速等制造参数，系统根据加工对象和加工方式及切削工艺参数进行数值计算生成需要的刀具轨迹;为了提高刀具轨迹的设计质量，通过仿真加工Vericut功能检测刀位轨迹不合理之处;通过后置处理程序对CLData文件经Gpost或Nepost后置处理，生成相应数控机床系统NC加工程序代码。

　　3.数控加工编程实例

　　这里利用Pro/ENGINEER对箱座进行数控编程与仿真加工，当箱座模型更改时，相应的数控加工程序数据、刀具轨迹和NC代码都随之更新。实现了产品设计与制造数据的全相关设计制造一体化。图6、图7、图8为减速器箱座数控加工的编程实例。

　　四、结束语

　　本文以圆柱齿轮减速器为对象，基于具有实体特征造型、参数化和单一数据库功能的Pro/ENGINEER软件平台实现了减速器快速、准确的建模和装配设计。三维实体模型直观、逼真地显现了减速器各零件的详细结构和形状，便于进行干涉检查，有效缩短了产品的设计时间，提高了设计效率。文中介绍了基于Pro/ENGINEER软件平台箱体的数控加工方法和过程，演示了刀具轨迹路径，形象地模拟出了现实加工过程，展示了NC加工效果。

　　以上工作不仅为圆柱齿轮减速器数控加工自动编程提供了参考模型，而且为其进行参数

　　化设计奠定了基础。现有标准减速器亦可以充分利用CAD/CAM软件进行几何实体造型建模，以便利用数控现代制造技术进行自动化加工生产，这对现有标准减速器生产质量和加工效率的提高也有着很重要的现实意义。