基于ProE的减速器产品参数化设计

发布时间:2021-11-29 04:51:13

大连理工大学 硕士学位论文 基于Pro/E的减速器产品参数化设计 姓名:狄子建 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:董惠敏 20081201

大连理工大学硕士学位论文



.要

参数化设计方法具有高效性、实用性的特点,在产品的系列设计、相似设计及专用 CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。与传统设计方法相比,能够减少重复劳动, 提高设计效率,符合现代产品设计需求。减速器作为机械传动装置应用广泛,其结构的 相似性与设计的重复性适合于进行参数化设计。在此背景下,本文结合“机械产品智能 化设计特征状态空间模型及其集成系统"课题,研究基于Pro/E的参数化设计方法,构 建减速器参数化设计系统,并探讨了减速器箱体的*擞呕 首先,研究应用Pro/Toolkit工具进行Pro/E二次开发的通用方法,包括程序接口, Pro/Toolldt菜单,IJI对话框,MFC对话框调用技术,以及资源文件的编写和应用程序 注册运行等,这些是构建产品参数化设计系统的关键技术。研究了数据库访问技术,实 现Pro/Toolkit程序与SQL数据库数据的交互。 其次,应用参数化建模方法以及Pro/Program技术建立模型样板、装配模板,结合 参数驱动程序,实现了参数化设计;建立了_个减速器参数化设计系统,包括零件设计、 标准件调用等模块,实现了一级圆柱齿轮减速器的齿轮设计、轴设计、齿轮强度校核, 生成主要零件模型、装配模型,并建立了标准件库。 最后,探讨箱体的*擞呕8菔导适芰η榭觯约跛倨飨涮褰芯擦Ψ治觯 扑优化分析,改进箱体结构。 文中研究的Pro/E参数化设计方法具有一般性,能够推广应用到其他产品的设计过 程中;减速器参数化设计系统以及*擞呕椒ǖ挠τ茫杂谔岣呒跛倨鞑返纳杓菩 率和质量具有~定意义。 关键词:减速器;参数化设计;Pro/Toolkit;*擞呕

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

Parametric Design of Reducer Product Based

on

Pro/E

Abstract

Parametric design method is efficient and practical.It has great application value in the
series design,similar design of

products,and

special CAD system development.Compared

with traditional design method,it Can decrease the repeated work and improve the

design

efficiency,accords with modem product
design,it is suitable for the the subject of‘‘character

design demand.As



transmission mechanism,

reducer has been applied widely.Considering its similarity of structure and repeatability of

parametric

design method.On this background,combining

with

state

space model

and integrated system

of mechanical product

intelligent design'’,this paper studies the
establishes


parametric design

method

based

on

Pro/E,


reducer parametric design system,and discusses the topology optimization of

reducer box. Firstly,general methods of Pro/E secondary development based Pro/Toolkit is studied,

including

program interface,Pro/Toolkit

menu,calling lYl dialog,MFC dialog,resource files

and

registration,running of application program.These are key technologies of establishing

product

parametric

design system.Database

access

technology

is studied to realize data

exchange between

Pro/Toolkit program

and SQL

server.

Secondly,models and assemble templates are created by

parametric

modeling and

program method,based on which param嘶c drive program.A reducer parametric design
module and standard part module and
SO

design is realized combining、析也parameter

system is established,including part

design

on.It could be used to design a one-stage cylindrical

gear reducer,accomplish the whole process of gear design,shaft

design,gear

strength check

and main

parts modeling and assemble.And



standard part library is created.

At last,topology optimization of a reducer box is discussed.According to the practical force condition,the reducer box structure is improved based
on

static analysis

and

topology

optimization analysis.
The

parametric

design method based

on

Pro/E studied in this paper has

generality,and
improve the

could be applied to the

design

of other products;the application of the reducer parametric

design

system and topology optimization method has certain

significance

to

design efficient and quality.

Key

Words:Reducer;Parametric Design;Pro/Toolkit;Topology

Optimization

大连理工大学学位论文独创性声明
作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外, 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目.:墓量£!!至塑塑婆茎叠独主退过
作者签名:

盔基三叠

日期:丝型年』红月卫日

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学位论文题目:
作者签名:

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‘日期:超呈.年j三月』乙日

导师签名:耋邀气

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日期:丝z

年—L月j汪日

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绪论
课题背景与来源
经过多年的发展,CAD技术已经广泛应用于机械、电子、航天、化工、建筑等行

1.1

业,起到了提高企业设计效率、优化设计方案、减轻设计人员的劳动强度、缩短设计周 期、加强设计的标准化等作用。随着我国CAD应用工程的普及和推广,CAD技术己在 许多企业转化为现实生产力。 传统的二维CAD软件正逐渐被三维CAD软件所替代。三维造型设计取代二维*面 设计是工程设计的趋势。一方面,二维CAD系统对减少产品设计错误,设计更改方面 有较大局限性,而且难以表达复杂形状的零件尤其是具有复杂曲面的零件。另一方面, 三维造型在可视化设计、装配设计、加工仿真以及有限元分析等方面有着*面设计无法 比拟的优越性,是提高设计质量的重要手段。因此三维CAD系统如Pro/E、UG、 SolidWorks等目前已经得到了广泛的应用。 通过CAD软件的二次开发工具可以把商品化、通用化的CAD系统用户化、本地化, 即以CAD系统为基础*台,在软件开发商所提供的开发环境与编程接口基础之上,根 据自身的技术需要研制开发符合相关标准和适合企业实际应用的用户化、专业化、知识 化、集成化软件,以进一步提高产品研发的效率【l】。参数化设计方法就是其重要应用之 一,参数化设计在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的 应用价值,与传统设计方法相比,能够减少重复劳动,提高设计效率,符合现代产品设 计需求。减速器作为机械传动装置应用广泛,其结构的相似性与设计的重复性适合于进 行参数化设计。 基于上述现状,本文结合国家高技术研究发展计划863项目“机械产品智能化设计 特征状态空间模型及其集成系统”,研究Pro/E的二次开发方法,构建减速器产品参数 化设计系统。

1.2国内外相关技术的发展现状
1.2.1

国外CAD技术的发展

CAD技术起步于50年代后期。60年代随着计算机软硬件技术的发展,在计算机屏 幕上绘图变为可行,CAD技术开始迅速发展。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法 ~直持续到70年代末期,至那时起CAD开始实用化,以后的CAD技术作为一个分支

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而相对独立、*稳地发展。在CAD技术约50年的发展历史中,共经历了四次重大的技 术革命[21:

(1)第一次CAD技术革命——曲面造型系统。
70年代,正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此时飞机及汽车制造中遇到了大量 的自由曲面问题。由于三视图表达的不完整性,经常发生设计完成后,制造出来的样品 与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。此时法国人提出了贝塞尔算法,使 人们用计算机处理曲线与曲面问题变得可行,同时也使得法国达索飞机制造公司的开发

者们在二维绘图系统CAD/CAM的基础上,开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方
法,推出了三维曲面造型系统,它的出现,标志着计算机辅助技术从单纯模仿工程图纸 的三视图模式中解放出来,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使

得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革 命,改交了以往只能*似表达曲面的落后的工作方式。此时CAD软件价格极其昂贵,
因此被称为“贵族化”的曲面造型系统。

(2)第二次CAD技术革命——实体造型技术。.

有了表面模型,CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的
表面信息,难以准确表达零件的其他特性,如质量、重心、惯性力矩等,对CAE十分

不利,最大问题在于分析的前处理特别困难。基于对于C觥AE一体化技术的探索,

SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件
——I.DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一

CAD,CAE,CAM的模型表达,给设计带来极大的方便性。它代表着未来CAD技术的
发展方向。实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。但是实
体造型技术带来数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下,实体造型的计算和显示 速度很慢,在实际应用中做设计显得比较勉强,从而使得实体造型技术未能在整个行业 全面推广。许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发它,而是转而去攻克相 对容易实现的表面模型技术。不过在以后的十年里,随着硬件性能的提高,实体造型技 术又逐渐为众多CAD系统所采用。

(3)第三次CAD技术革命——参数化设计技术。
正当实体造型技术逐渐普及之时,CAD技术的研究又有了重大进展。那就是参数 化实体造型方法.该方法具有以下特点:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱 动设计修改。80年代中期,PTC公司推出最早的参数化软件Pro/E。进入90年代,参

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数化技术变得比较成熟起来,充分体现出其在许多通用件、零部件设计上的简单易行的 优势。因而参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

(4)第四次CAD技术革命——变量化技术。 参数化技术的成功应用,使它在90年代前后几乎成为CAD业界的标准。但参数化
技术亦尚有一些不足之处。首先,“全尺寸约束’’这一硬性规定就干扰和制约着设计者 创造力和想象力的发挥。于是一种以参数化技术为蓝本,比参数化技术更先进的实体造 型技术即变量化技术应运而生。变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、 全数据相关,尺寸驱动设计修改的优点,但在约束定义方面做了根本性改变。它的指导 思想是:设计者可以采用先形状后尺寸的设计方式,允许采用不完全尺寸约束,因为系 统分担了很多繁杂的工作,因此只给出必要的设计条件,在这种情况下仍能保证设计的‘

正确性及其效率性。它的成功应用,为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。率
先使用变量化技术的软件是SDRC公司推出的I-DEAS Master Series软件。变量化技术 驱动了CAD发展的第四次技术革命。

CAD技术的发展历程说明,CAD技术一直处于发展和探索之中,并将继续发展下 去。正因为如此,才造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣,在高速发展的现代化工业中
起到重要的作用。
1.2.2

国内CAD技术的发展

我国的CAD技术尽管在研究、开发和推广应用等方面起步比较晚,却也取得了一
定的成绩,但与工业发达国家相比,无论在开发还是应用的广度与深度方面,仍存在较 大差距【31。


我国的CAD技术虽起步于60年代末,几乎与工业发达国家同步,但资金投入不足 及软件商业化程度低的原因导致了CAD基础理论相对落后。在参数化技术方面,我国 仍处于不断完善二维图形参数化技术阶段,而欧美已出现较为成熟的三维参数化CAD
软件系统,它们利用其强大的技术优势基本占领了国际市场和一部分国内市场。国内自

主版权的CAD软件如高华CAD,电子图板CAXA,开目CAD等软件技术含量相对较
低,主要面向国内市场,提供操作简便的二维工程图设计*台。CAD技术的应用可以
起到提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期等 的作用,经过多年的投入和推广,我国CAD技术已经基本广泛应用在机械、电子、航 空、建筑等行业。概括来说,我国CAD技术的差距主要表现在以下四个方面: (1)具有自主版权和设计功能的CAD应用软件较少;
(2)自主开发的CAD应用软件商品化程度较低;

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(3)引进CAD软件的功能尚未得到充分开发和利用;

(4)不同行业和地区间的CAD应用程度参差不齐。
*年来,我国CAD技术的研究也取得了长足的进步,在三维实体造型技术方面达 到了世界先进水*。由于微机功能不断增强,很多设计已经转移到微机上完成,而在微

机*台上开发CAD/CAM软件是一个全新的领域,只要我们能认清自己的优势、了解国
内市场、得到技术支持,并跟踪国际先进CAD技术,遵循各种国际规范,就可以开发 出符合自己*惯、有特色的CAD软件产品。 1.2.3参数化技术的发展现状 目前,参数化技术已成为CAD中最热门的应用技术之一,能否实现参数化设计也

成为评价CAD系统优劣的重要技术指标,这是因为它更符合和贴*现代CAD中概念
设计以及并行设计思想,工程设计人员在设计初始阶段就可快速草拟产品的零件图,通 过对产品形状及大小的约束最后精确成图[41。 自从以PTC公司的Pro/Engineer为代表的基于特征造型的参数化设计(Parametric

Design)系统问世以来,在此基础上实现机械设计的自动化已经变得切实可行。参数化设

计技术是计算机辅助设计技术的一次巨大的飞跃,目前先进的CAD软件大部分实现了
参数化。 参数化技术的研究有着漫长的历史,而构造基于约束的设计系统一直是人们追求的 目标,以使设计对象能随着设计的不断深入,可以逐步施加和修改约束,直至产生最后 的形体。基于约束的设计和造型系统的发展大致可分为如下几个阶段【5】: (1)以交互式与约束技术混合使用为特征的初级阶段。 1963至70年代中期,以Sutherland的Sketehpad为代表,基于约束的交互作图是 这一阶段的主要特征,其约束模型往往是基于数学的,且无解释功能。 (2)以约束满足为特色的发展阶段。 1977年至80年代中期是参数化技术的发展阶段。在这一阶段,人工智能学科中关 于约束满足问题的表达与处理技术为参数化发展提供了坚实的基础,基于约束的参数化 变量设计取得了影响性的发展,主要表现在:①约束表达机制日益丰富;②约束表达与 处理技术日益成熟;③人工智能技术广泛应用于设计。 (3)成熟与应用阶段。 目前,在许多商品化的CAD*台中,基于约束驱动的参数造型功能己很成熟,可 以很好地处理过约束与欠约束问题,可以充分利用交互特性,引导用户逐步确定设计过 程,给出全部设*猓辉市碛没б匀我夥绞胶退承蚨ㄒ寮显际凸こ淘际

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参数化设计技术是新一代智能化、集成化CAD系统核心技术之一,也是当前CAD
技术的研究热点,已经形成了诸如变量几何和几何推理等多种方法。根据用户需求不同, 模型参数化有:二维图形参数化、三视图参数化和三维特征参数化等三种形式嘲。其中 基于特征的参数化技术可以提供很完整的工程信息和灵活的建模操作而成为重要的产 品设计辅助手段。 目前参数化技术已经广泛应用于三维设计软件中,能否实现参数化设计也成为评价 CAD系统优劣的重要技术指标。 而国内基于商业软件二次开发的参数化设计大都处于研究阶段,还没有得到广泛的 应用。*期在这方面的研究有: 王剑松【』7】研究了基于岸桥的大型设备参数化设计,基于Solid 下"式的整体结构零部件参数化设计。 朱瑶洁【8】通过在Pro/Engineer的*台上利用Pro/Program进行二次开发,在原有车型 的基础上,将参数化设计方法运用到客车车身骨架的建模和装配之中。 张晋强【9】以面向对象的编程工具VB6.0为开发工具,利用二次开发技术完成了 SolidWorks设计环境下桥式起重机桥架参数化设计系统的开发。
Edge

ActiveX

Automation技术,结合虚拟样机技术,CAD技术和参数化设计技术,实现了“自上而

1.3课题研究意义和主要内容
1.3.1课题研究意义 由于商用软件的通用性考虑,不会过多考虑在设计具体机械产品时的高效性问题, 也不可能过多关注具体机械产品的特殊性、细节性问题。自然不具备与特定产品、特定 企业密切相关的功能。因此基于某种特定产品对这些软件进行二次开发,使其具备针对

性,就能够迅速提高产品的设计效率。在通用CAD基础上融入专业知识构建专用CAD
系统是当前深化CAD应用的潮流。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统,可 使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来,可以大大提高设计速度,并减少 信息的存储量。 本课题研究Pro/E的二次开发方法,减速器产品参数化设计方法,具有一定的理论 意义和应用价值,对针对其他产品的参数化设计也有一定的参考价值。减速器参数化设 计系统以及*擞呕椒ǖ挠τ茫杂谔岣呒跛倨鞑返纳杓菩屎椭柿烤哂幸欢ɑ
意义。

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1.3.2课题研究的主要内容 本课题研究Pro/E二次开发方法,基于Pro/E的参数化设计方法;构建一级圆柱齿 轮减速器参数化设计系统,构建标准件库;最后对箱体进行*擞呕>咛灏ㄒ韵履 容: (1)研究Pro/E二次开发方法及接口技术。总结了应用Pro/Toolkit工具进行二次开 发的基本步骤,包括编写源文件、环境的配置以及程序的注册和运行等。 (2)在Pro/E环境下,应用参数化建模技术,建立减速器主要零件模型样板与装配 模型样板。 (3)设计系统界面,开发参数化设计应用程序,建立一个减速器参数化设计系统。 解决数据库与开发软件接口技术,建立标准件库,并实现减速器自动装配。 (4)根据减速器实际受力情况,对减速器箱体进行静力分析与*擞呕治觯 分析结果改进箱体结构,减轻箱体重量。

1.4本章小结
本章介绍了课题的背景与课题来源,国内外CAD技术发展现状,以及参数化技术 的发展现状。最后介绍了课题的研究意义与内容。

一6一

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2开发工具与Pro/Toolkit开发框架
二次开发的首要任务是选择一个优良的开发*台。这是因为支撑软件的功能和性 能、适用范围、可靠性、开放性,以及是否有良好的二次开发接口在很大程度上会影响 二次开发的性能。因此,在选择一个优良的CAD软件作为开发*台作为支撑软件时, 应考虑以下几个方面问题: (1)支撑软件是一种通用软件。通用软件要求其功能覆盖面广,能够完成多个行业 所需的基本要求,系统性能良好,功能齐全且可靠; (2)支撑软件必须是开放的体系,具有良好的用户接口。开放的体系是指能向用户 提供嵌入式系统的语言或者可使用的高级语言,用户据此可以编写自己的应用程序,在 应用程序中,用户可以使用系统的二次开发工具来进行自己的应用程序开发; (3)对支撑系统功能的基本要求: ①生成、显示速度快,图形质量高。结构可靠,交互方式多样。 ②具有菜单、工具条、对话框、快捷键等构成友好的工作界面。 ③提供修改系统命令、系统界面和系统配置的手段,便于二次开发。 ④提供通用的转化精度满足要求的数据交换接口。 根据这些条件,本文所选取的开发工具与*台如下: ’(1)Pro/E三维造型软件; (2)Pro/Too]_k.it二次开发工具; (3)VC++6.O编译环境;
(4)SQL Server数据库。
2.1


Pro/Toolkit工具
Pro/Toolkit是Pro/E软件自带的二次开发工具。在Pro/Toolkit中,PTC向用户提供

了大量的C语言函数库,函数采用面向对象的风格。通过调用这些底层函数,用户能方 便而又安全地访问Pro/E的数据库及内部应用程序,进行二次开发,扩展一些特定功能。 Pro/Toolkit中,每个对象都由一个标识符来标识,利用标识符就可以调用所对应的
对象,这个标识符就是对象句柄【l 0。。

句柄是用来标识被应用程序所建立或使用的对象的唯一整数,Windows使用各种各 样的句柄标识诸如应用程序实例、窗口、控制、位图、等对象。句柄和指针的概念不同, 旬柄指一个对象的标识,是稳定不变的;而指针是一个对象的首地址,在Windows中
对象的地址是会改变的。旬柄可以看作是一个指向指针的指针。

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Pro/Toolkit函数命名约定为:<基本对象>+<操作对象>+动作,动作是指对特定的 Pro/Toolkit对象执行的某种操作。常用的动作有以下几种: Get获得,Get用来获取对象的某个数据。这类函数的输入是基本数据对象,输出 是基本数据对象的某一信息。 Set设置,Set用来设置对象的数据值。它也是以基本数据对象作为输入,并输入需 要设置的变量的值。 Visit访问,Visit函数用来访问数据对象内的一组数据集合,如访问Pro/E零件模型 的特征。这类函数的输入参数通常是要被访问的数据对象以及访问的动作函数和过滤函 数。所谓的访问过滤函数就是在访问的过程中对数据进行过滤,把不满足条件的对象去 除掉;访问动作函数对经过滤的对象进行处理。例如在访问模型特征时,可以设置过滤 函数过滤掉那些隐含的特征和隐藏的特征,留下那些没有被隐含的特征和隐藏的特征。 动作函数只处理一些没有被过滤的对象,如获得一些特征的类型或者名称。
2.2

Visual

C++简介

C++是一种面向对象的程序设计语言,是在C语言的基础上发展而来的,所以其语 言保留了很多非面向对象的语言特性,及支持原有编程风格和编程模式。在C++中,面 向对象程序设计的基本特点如下【11】:
(1)抽象

面向对象方法中的抽象是指对具体问题(对象)进行概括,抽出一类对象公共性质并 加以描述。一般来讲,对一个问题的抽象应该包括两个方面:数据抽象和代码抽象。前 者描述某类对象的属性和状态,后者描述某类对象公共行为特征。这样对于一个具体问 题进行抽象分析的结果,就是通过类来描述和实现的。 (2)封装 将抽象得到的数据和代码相结合,形成一个有机的整体,也就是将数据与操作数据 的行为进行有机的结合,这就是封装。通过封装,将一部分成员作为类与外部接口,将 其他的成员隐蔽起来,以达到对数据访问权限权的合理控制,使程序中不同部分之间的 相互影响减少到最低限度.这样可以增强程序的安全性并简化程序的编写工作。
(3)继承

继承是一种方法,CH语言提供了一种继承机制,即新的类可以从已有类那里得到
自己的特性,这样程序员可以在保持原有类特性的基础上,进行更具体、更详细的修改 和扩充。这种继承机制对于已有程序的发展和改进是极为有利的。

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(4)多态 多态是指类中具有相似功能的不同函数使用同一名称来实现。单一接口、多种方法 是多态的形象描述。在C++中,通过重载等技术,程序员能够创建具有相同名字,不同 实现方法的函数等。
Visual

C抖自诞生以来,一直是Windows环境下最主要的应用开发系统之一。Visual
C++

C++不仅是C++语言的集成开发环境,而且与Win32紧密相连,所以,利用Visual 件。而且,Visual

开发系统可以完成各种各样的应用程序开发,从底层软件直到上层直接面向用户的软

C抖强大的调试功能也为大型软件的开发提供了有效的排错手段。

*几年来可视化技术得到了广泛的重视。所谓可视化技术,一般是软件开发阶段的 可视化和对计算机图形技术和方法的应用。Visual C++6.0是一个很好的可视化编程工 具,使用Visual C++6.0环境来开发基于Windows的应用程序大大缩短了开发时间,而 且它的友好界面便于程序员操作。在Visual a_卜6.0环境下开发Pro/Toolkit应用程序是 一种高效的方法。
2.3

Pro/Toolkit二次开发框架
Pro/Toolkit的工作模式

2.3.1

总的来说,Pro/Toolkit应用程序有两种工作模式,即同步模式(Synchronous Mode) 和异步模式(Asynchronous Mode)【loJ。 在同步模式中又分为两种工作模式,一种是标准的使用模式,即动态链接库模式 (DLL模式)。Pro/Toolkit应用程序与Pro/E的集成是通过DLL的使用来实现的。在 DLL模式中,通过编译和pro厂roolkit的VC语言代码生成一个目标文件,该目标文件在 Pro/E启动时与Pro/E连接在一起,就像是Pro/E本身的程序一样。
另外一种模式是多进程模式(Multiprocess Mode),采用这种模式后,Pro/Toolkit

的VC语言代码通过编译和连接后生成可执行程序,这个程序可在Pro/E启动时一起启 动,也可在Pr0/E启动时根据使用者需要启动,启动后的程序是作为Pro/E的一个子程 序来运行的。 在DLL模式中,Pro/Toolkit应用程序和Pro/E之间的信息交换是直接通过函数调 用来实现的。而在多进程模式下,Pro/Toolkit应用程序和Pro/E之间的信息交换是通过 函数进程间的通信机制来实现。多进程模式比DLL模式需要更多的通信开销,尤其是 在Pro/Toolkit应用程序更频繁地调用Pro/Toolkit的库函数时。然而在程序开发阶段采用 多进程模式是有好处的,就是可以将应用程序转载入调试器而不用将整个Pro/E程序载 入调试器。在DLL模式和多进程模式之间进行切换是不需要进行VC语言代码的修改

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的。因此,一般在程序开发阶段采用多进程模式,这有利于程序调试;当程序开发完成 后,一般采用DLL模式来发布,这可以提高程序的运行速度。 异步模式又可分为简单异步模式(Simple
Asynchronous Mode)。
Asynchronous

Mode)和全异步模式饵ull

在简单异步模式中,Pro/Toolkit应用程序包含自己的主函数(Main函数),定义程序 的控制流,并能在程序中调用函数ProEngineerStart0启动Pro/E进程。这使得Pro/Toolkit 应用程序可以开发自己风格的界面,而且该界面是独立于Pro/E界面的。在运行过程中, Pro/E进程“倾听’’从Pro/Toolkit进程中异步发出的请求信息,然后再根据接受到的请 求信息作出相应的回应。然而,在简单异步模式中Pro/E不能激活在Pro/Toolkit应用程 序中的函数,因此不能在Pro/E中添加新的菜单按钮或建立通知机制。但是,在Pro/E 运行时,用户可以交互使用。 全异步模式是简单异步模式的扩展,在全异步模式下,不仅Pro/Toolkit应用程序可 以往Pro/E送请求信息,而且Pro/E进程也可以往Pro/Toolkit进程送请求信息。这意味 着可以像在同步模式下一样定义菜单按钮或建立通知机制。 异步模式相对同步模式来说,代码复杂、执行速度慢,所以一般采用的都是同步模 式。本文采用的是同步模式中的DLL模式。 2.3.2动态链接库的工作原理 动态链接库在windows中是非常重要的,几乎所有的windows API函数都包含在动 态链接库中。在实际用软件时,也经常可看到许多动态链接库。动态链接库有其自身的 优点,加节省内存,支持多语种等功能,而且当DLL中的函数改变后,只要不是参数 的改变,调用这个函数的应用程序并不需要重新编译。这在编程的时候十分有用【11】。 动态链接库允许一个可执行的模块,如DLL或EXE文件,只有在运行时才定位 DLL函数执行码所需要的信息,动态链接库可以在程序调用其中的函数时,才被装入内 存,用过之后又立刻从内存中取消。动态链接库在内存中的一个副本就可以同时给多个 应用程序提供服务。动态链接库技术的应用减少了应用程序对内存和磁盘的空间要求。 对于动态链接库而言,可能有多个进程同时共享它的代码,所以Windows子系统 会把它们装入内存映射文件。在应用程序打开动态链接库时,就把动态链接库的执行代 码映射到使用它的每一个进程的地址空间中,而把动态链接库内的数据为每一个使用这 个动态链接库的应用程序做一个备份。 也就是说,动态链接库内所有的执行代码是共享的,而其中的变量是为每一个使用 它的应用程序备份一份。但是动态链接库中有一些数据让所有调用它的进程共享。

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当应用程序调用动态链接库时,系统首先要为这个动态链接库建立一个文件映射对 象,然后搜寻调用者的地址空间,为这个动态链接库寻找空间,将文件映射到进程的地 址空间中去。如果同时又有另外一个应用程序使用这个动态链接库,系统只是简单地将 这个动态链接库的另一个视图映射到这个进程的地址空间中去。对于使用这个动态链接 库的每一个进程,它都有这个动态链接库的一个映射视图。但是在每一个进程中,这个 动态链接库所映射到的地址可能是不同的。
2.3.3

Pro/Toolkit二次开发步骤

Pro/Toolkit典型开发过程包括编写源文件(C程序、菜单资源文件、信息资源文件、 对话框资源文件等)、程序的编译和连接,以及程序的注册和运行,流程如图2.1所示。 (1)编写源文件 Pro/Toolkit应用程序创建一般过程如下: 在VC中使用CWinApp类生成一个DLL工程,在此工程中加入Pro/Toolkit程序, 程序分为3个部分:头文件包含部分、用户初始化函数部分和用户结束中断函数部分。 头文件部分指定程序所使用对象函数的原型文件,每个应用程序都必须包含的头文件是
“Pro/Toolkit。h”o


Pro/Toolkit应用程序的核心是用户初始化函数user userterminate0,在启动和结束Pro/Toolkit应用程序时调用。
user

initializeO的标准形式为:

extem”C”int userinitialize0 {


ProError status;

……∥用户添加的应用程序
return status;

} 当函数返回值为PRO
TK NO

ERROR时,表示Pro/Toolkit程序初始化成功。

Pro/Engineer运行结束时,Pro/Toolkit调用user_terminate0函数。函数无返回值,标
准形式为:
extern”C”void

userterminate0

{ ……∥用户添加终止代码 )

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userinitializeO和userterminateOi函数在与工程文件名同名的CPP文件中,其格式 固定不变。用户添加的应用程序在后面章节以实例介绍,这里不进行具体介绍。


环境设置

1L l Pro/To。lkit界面设计
1L

应用程序设计卜

编译


‘L:
l注册运行

1L

【结束1
图2.1
Fig.2.I

Pro/Toolkit二次开发流程图

Pro/Toolkit secondary development flowchart

(2)程序的编译和连接 为使程序能够成功编译生成动态连接库文件,需要对VC环境进行一些配置,如指 定包含文件、库文件以及目标文件等过程。 设置包含Pro/Toolkit头文件和库文件: VC主菜单>Tools>Options>Directories>include files中要包含:
.…\PROEWILDFIRE …\PROEWILDFIRE
3.0\PRoTOOLKIT\INCLUDES 3.0\PROTOOLKIT\PROTK APPLSLINCLUDES

大连理工大学颐士学位做
VC主菜单>Tools>Options>Direetories>Library files中要包含:

…州mEWILDFIRE 3呻ROTOOLKⅡⅥ486一N1、OBJ
项目属性设置:VC主菜单>projeet>Settings>Link>General>Object/librarymodules文 本框中要加入:
prolk dlllib libclib

wsoek32lib

mprlib

libedlib

设置强制输出:VC主菜单>projeet>Settlngs>Link>Customize:选中Forcefileoutput。

髓墨册 i:蒜黼i捌i麓辨
篓===…

圈2 2环境配置
Fig 2.2 environment configuration

(3)程序的注册和运行 编译连接成功生成可执行文件后,耍把Pro/q'oolkit应用程序集成到Pro/E系统中, 必须进行注册。也就是向Pm/E系统提供该程序的相关信息,包括可执行文件位置,菜 单资源文件和对话框资源文件及信息资源文件位置等信息。 注册文件内容如下
NAME
EXEC FILE
TE)(T

程序名称
可执行文件路径

Dm

资源文件路径
运行方式 是否允许终止

S11AR411JP

ALLOW STOP
DELAY START REVISION END

是否自动开始运行
版本信息

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

将注册信息写在记事本里,修改扩展名为DAT,将其放在Pro/E工作目录下,就会 自动注册,将DELAY START值设定为FALSE,则会在Pro/E启动时自动运行。放在 其他目录下则需手动注册。方法如下: Pro/E主菜单>工具>辅助应用程序>注册>找到注册文件所在目录,单击 Start/Stop/Delete进行启动、停止、删除操作。 在Pro/Toolkit程序调试过程中,需要频繁进行启动、停止操作,很麻烦。有一个简 单的方法是,将注册文件放在Pro/E工作目录下,DELAY START值设定为TRUE,在 Pro/E启动时自动注册但不运行,然后用映射键功能分别录制启动和停止的快捷键,这 样就可以快速完成这一动作了。

2.4本章小结
本章介绍了应用的开发工具,Pro/Toolkit工具的工作模式,动态链接库的工作原理, 并总结了Pro/Toolkit二次开发的一般方法与步骤,包括编写源文件、环境的配置以及程 序的注册和运行等。

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Pro/E参数化设计方法研究
本章简单介绍参数化技术,重点研究Pro/E参数化设计的思路和实施方法,解决一

些ProFFoolkit二次开发的关键技术问题。
3.1

参数化技术概述
参数化技术以几何约束关系建立产品的参数化模型,修改参数化模型的参数就可以

得到同系列不同尺寸的产品,因此参数化技术适合于全相关设计和系列化设计。参数化 设计使产品的图形模型以尺寸参数与其他设计参数统一起来,以实现产品的自动化设 计,从而提高产品设计的智能化水*。参数化是实现设计自动化的一种有效方法,它通 过对图形进行几何约束建模和几何约束求解来实现,因此参数化技术也是一种智能化图 形技术【l列。 参数化技术的研究始于二十世纪六十年代,Sutherland在开发的Sketchpad系统中, 提出了利用几何约束技术进行图形修改的思想。在早期的CAD技术中,二维绘图与三 维绘图都是采用精确造型的方法。精确造型用固定的尺寸值定义几何元素,几何元素之 问没有相互关联的关系。如果修改几何元素和其属性,则必须进行重新绘制整个图形。 参数化技术则可以自动修改整个图形,它是80年代兴起的第三代CAD系统的重要功能。 第三代CAD技术使参数化设计得到了广泛的应用,产生了一些著名的参数化造型系统, 如Pro/E,UG,SolidWorks等,参数化成为先进CAD系统的必备功能之一。参数化技 术与特征造型的结合与应用使CAD技术逐渐向智能化、集成化与网络化方向发展。参 数化技术是提高图形设计智能化水*的重要技术之一。 参数化设计的相关思想包括: (1)用轮廓体现设计思想。在一般的非参数化的计算机辅助绘图系统中,所有的线 条,如直线、圆弧等各不相干。这样的系统除了帮助设计人员绘制外观漂亮的图形线条 以外,缺乏关心图形(图纸)所表达的真正意义。而参数化设计系统引入了轮廓的概念, 轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成,用来表达实体模型的截面形状或扫描路径。轮 廓上的线段(直线或曲线)不能断开、错位或者交叉。整个轮廓可以是封闭的,也可以 不封闭【131。 (2)尺寸驱动。如果给轮廓加上尺寸,同时明确线段之间的约束,计算机就可以根 据这些尺寸和约束控制轮廓的位置、形状和大小。绘图时设计者可以暂时舍弃大多数繁 琐的设计限制,只需抓住图形的某些典型特征绘出图形,然后通过向图形添加适当的约

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

束条件规范其形状,最后修改图形的尺寸数值,经过系统再生后即可获得理想的图形,
这就是重要的“尺寸驱动”理论【141。

(3)特征造型。特征造型是实体造型方法的一个新发展,特征造型着眼于更好地表 达产品完整的功能和生产管理信息,为建立产品的集成信息模型服务。特征包括了产品 的定义信息、与产品设计和制造有关的技术,其中既有形状信息,又有非形状信息。特 征的引用直接体现了设计意图,使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产[411。 在CAD中要实现参数化设计,参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件 图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元 素之间的*嗽际叵担*行、垂直、相切、对称等;尺寸约束则是通过尺寸标注表 示的约束,如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系, 通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。 在参数化设计系统中,设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足 这些设计要求,不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值,而且要在每次改变这些设计参数 时来维护这些基本关系,即将参数分为两类:其一为各种尺寸值,称为可变参数;其二 为几何元素间的各种连续几何信息,称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的 作用下,系统能够自动维护所有的不变参数。因此,参数化模型中建立的各种约束关系, 正是体现了设计人员的设计意图。 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度,在产品的系列设计、相似设计

及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。目前,参数化设计中的参数化建模
方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法,前者主要用于*面模型的建立,而 后者更适合于三维实体或曲面模型。

3.2零件参数化建模
由于三维模型的创建涉及到草图、基准、曲面和实体等特征,直接利用程序生成三 维模型是比较困难的,参数化程序的设计必然十分复杂,而减速器中主要零件模型是标 准化程度比较高的零件,因此适合于采用三维模型和程序控制相结合的方式。

巨亟困—一匝巫固—一医亟囤
图3.1交互式的参数化设计
Fig.3.1 Interactive parametric design

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三维模型由交互方式建立,根据零件特点和设计要求,建立一组相瓦独立的参数, 运用表达式、Program等手段。使这组参数可以控制三维模型尺寸、形状,再通过 Pro/Toolkit程序检索、修改这组参数,以达到参数化设计的目的。


21参数和表达式的应用 下面以齿轮的建模过程说明在参数化建模中,参数和表达式的应用,其他零件建模

方法与之相同的,不再逐一具体说明。

臣|3 2齿轮多敷
Fig 3.2 Parameters of gear

齿轮模型主体可由以下几个参数决定:齿数,模数,分度圆压力角,螺旋角,变位 系数,齿顶高系数,顶隙系数。 首先应用Pro/E参数功能,建立相应各参数并赋初值: 齿轮建模应用拉伸、基准曲线、阵列几个特征建立方法,建模过程中,需输入的所 有尺寸参数均可由上述参数计算出来.应用“关系”功能,建立各尺寸表达式,建立尺 寸关联关系。本例中,建立表达式如下:
HA=(HAX+X)+MN
HF_fHAX+CX—XpMN

D2MN’Z/COS(BETA)
DA=D+2+HA

DB=D+COS fALPHAl
DF=D-2+HF

D6-(pi()/2+2+x+tan(alpha))/z/pi()+1 80
D7-ASIN r2+B+TAN(BETA)/D) D8=B

基丁Pro/E的减速器产品参数化醴计

DI

1-ASIN(2+B+TAN(BETA)/D)

D20 B D184-HOLE D21_360 BETA IFHAX<1 D40-0 46*MN D52-0 ENDIF IF

46+MN

HAX>-1 38+MN

D40 0

D52-0 38+MN
ENDIF D53 360/Z

D83-360/Z P84-Z_l

D1825366/r2+Z1

用“基准曲线”功能创建渐开线,输入渐开线方程如F
FDB/2
theta=f+45

x=r+cos(theta)+Psin(theta)+theta+pi/180 y一一sin(1heta)-一cos(theta)‘theta*pi/180
z--O

建立的齿轮模型如下:

图3 3齿轮模型
Fig 3.3 Gear model

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3。2。2

Pro/Program参数化建模的应用

以轴的建模过程说明在参数化建模中Pro/Program方法的应用,其他零件建模方法 与之大体相同的,不再逐一具体说明。
‘.

在常用件中的轴的段数与键槽所在轴段不确定,组合起来就有很多的可能性,为了 让模型样板能够适应各种不同需要。应用Pro/Program进行了一些处理。 Pro/E软件对于每个模型都有一个主要设计步骤和参数列表Pro/Program,它是由类 似Basic的高级语言构成,用户可以根据设计需要来编辑模型的Program,可以实现人 机交互、控制特征出现与否以及特征的具体参数。 这里建一个3段到7段的轴,在建模时,增加一个参数N表示轴的总段数,从第四 段开始将轴段逐一拉伸出来,在对应Program中加入“if-end if”控制语句来控制特征出 现与否。
IFN>3 ADD

FEATURE(initial number 8)

内部特征标识111 父项=1(撑1)3(撑2)85(群7)
伸出项:拉伸

数目
1 2

元素名 特征名称

信息

己定义

拉伸特征类型实体

END IF IFN>4

ADD FEATURE(initial number 9)
经过这样的处理,对于3到7段的轴建模时,都可以用这个模型作为模板,只需改 变参数N以及其他尺寸参数就可以了。 对于键槽所在轴段,采用类似方法,在每个轴段上都建立一个键槽,由变量来控制 它出现与否。 通过以上处理就能以一个轴的模型为样板,通过修改变量得到各种段数,并且可控 制键槽位置的轴,大大减少了所需的模型样板数量。

基】pro/E的减速器产晶参数化设计

图3 4可控制的轴模型
Fig 3.4 Controlled shafI model





Pro/Toolkit界面设计

Pro/Toolkit界面设计主要包括菜单设计和对话框的调用,是实现_L|j户交互的关键,
也足Pro/E二次开发的~般性问题。
3 3

1菜单

_蒙单导航是Pro/E系统的特点之一,也是大多软件采用的用户交互方式,Pro/Toolkit 可以修改Pro/E的系统菜单,也可以建立新菜单。Pro/E的系统菜单包括两种,菜单栏 菜单和菜单管理器菜单,本文应用的是菜单栏菜单。


Fig



5菜单结构
Menu sHucmm

3.5

咀图3.5所示的菜单结构为例说明菜单栏菜单的创建过程: (1)编写信息文件Message
txt

该文件内容为添加的菜单条上的名称和提示信息(包括中英文)

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Gearcad
&Gearcad

减速器设计(&G)
撑 Part Part

零件设计
拌 Gear

Gear

齿轮
撑 Design
a a

gear

Design gear 设计齿轮


Standard Standard

标准件
拌 Beating Bearing

轴承
Choose Choose
a a

beating beating

选择轴承


……“雀略

该文件应放置在注册文件中指定的目录下的<texUath>\lallguage子目录中。
(2)编写程序源文件
在主程序中加入:

#include”ProToolkit.h”//程序头文件
#include”ProMenu.h”

革r Pro/E的减速器产品参数化垃¨

ginclude”ProMenuBar h‘’ #incIude”ProMessage h’’
Ⅳinclude”ProI Jtil h” stafic uiCmdAccessState

AccessDefault(uiCmdAccessMode);//定义_泉单町访问性

extem”C”int

user

initialize0//月]户初始化函数


ProError status; ProFileName message—file;

ProStringToWstring(messagefile,"Message txn:Ⅳ定义信息文件
uiCmdCmdId cmd id2,cmd id3,cmd

id4,cmd

id5,cmdid6,cmdid7;Ⅳ菜单执行动

作函数 status2ProMenubarMenuAdd(”Gearcad”,”Gearcad”,“I Jtilflies”,PROBTRUE,messa

ge_file);//在Utilities菜单左侧添加新菜单”Gearcad”
ProMenubamlenuMenuAdd(11Gearcad”,”Part”,”Part“,NULL,PRO
B IRUE,

messagefile);

//存新菜单Gearcad F添加下级菜单“Part

1’

ProCmdActionAdd(”Gear",(uiCmdCmdActFn)Load
AccessDefault,PRO

Dig,uiProe2ndlmmediate, Dig

BTRUE,PRO

B TRUE,&cmd

1dk//设置按钮命令雨数Load


ProMenubarmenuPushbuttonAdd(“Part”,’。Gear”,1。Gear”.”Design
PRO—B一1

gear",NULL,

RUE,cmd—id,message—file);Ⅳ添加命令按钮“Gear”

……//省略部分 (31程序执行结果

蚓3.6菜单烛粜
Fig 3 6

MenH effect

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3 3 2

UI对话框

对话框是实现系统与用户交互的有力工具,Pro/Toolkit提供了建立用户对话框功能, 应用此工具建立的对话框优点是与Pro/E界面风格一致。uI对话框是集成到Pro/Engineer 系统中应用的,因此不能脱离Pro/Engineer环境而单独存在。 uI对话框由对话框资源文件和程序控制两部分构成,因此uI对话框的设计相应的 涉及这两个方面:一是按界面的布局编写资源文件;-是针对对话框的功能编写相应的 控制程序。对话框资源文件定义丁对话框的组成、外观和属性;程序控制用来在 Pro/En2ineer环境中装入对话框资源、显示对话框、设置动作和退出对话框等。 (1)资源文件 对话框资源文件是用来定义和描述对话框外观及其属性的一个文本文件,可用任何 一种支持纯文本格式的文字处理软件编写,文件扩展名为IFeS。该文件应放置在注册文

件中指定的目录下的qext_p础>uanguagehsouwe子目录中。
对话框资源文件包括对话框元件组成、对话框属件定义及元件布局样式的描述等内 容,下面用实例具体说明。 图3.7所示对话框的资源文件如下:
(DiMog Shaft (Components (PushButton OK) (PushButton Cancel)

!对话框名称 1控件声明 !按钮

图3
Fig

7 3.7

uI对话框
UI dialog

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

(Label

Single)

!标签 !子布局

(SubLayout PlanetLayout) ) (Resources (OK.Label (OK.TopOffset (OK.BottomOffset (OK.LeflOffset (OK.RightOffset ……//省略 (Single.Bitmap (.Label (.StartLocation (.Layout (Grid(Rows
Single
1 1

!资源 ”确定”) 4) 4) 4) 4)

!位置

¨E:\protk\text\chinese_cnkresource\shaft.bmp”)

"轴设计”)
5) !初始位置

1)(Cols 1)!栅格(3行2列)
PlanetLayout 1

(Grid(Rows 1)(Cols
OK
Cancel

1)

) ) ) )

(Layout PlanetLayout (Components (Label
d l label)

!子布局

……||镥赂
) (Resources (dl label.Label ”d1”)

……f}雀略
(.Label

”输入参数”)

一24—

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(.Decorated (.Layout

’True)
1 1 l

(Grid(Rows
dllabel

1)(Cols
d1

l l l l 1 1 l 1 1 l 1

1)

..…?ff雀赂
) ) ) )

对话框的资源文件由手工编写,常会出现一些错误,Pro/Toolkit提供了一个检验资 源文件正确与否的工具prodialog._view,位于<protoolkit>\i486nt\obj目录。 使用此工具,需设置系统环境变量PRO_DIRECTORY,值为proewildfire安装目录。

然后在MS—DOS环境下切换至U<protoolkit>ki486nt\obj目录下,执行命令“prodialogview
<资源文件所在目录>\文件名",就会显示对话框,如果有错误,会提示错误所在行。 (2)编写程序源文件
#include

HProMessage.hn}噘蔫头文件

#include¨ProUI.h¨ #include”ProUIDialog.h” #include”ProUIPushbutton.h’’ #include<ProUIInputpanel.h> #include”ProUILabel.h” #include<ProUIRadiogroup.h>

#include”UtilMessage.h”

ProUIDialogCreate(”Gear","Gear”);∥将对话框调入内存 ProUIPushbuttonActivateActionSet(”Gear","ogear",ogear,NULL);//定义按钮激活行为
ProUIPushbuttonActivateActionSet(”Gear","igear",igear,NULL); ProUIPushbuttonActivateActionSet(”Gear","Cancel",Cancel,NULL);

ProUIDialogActivate(”Gear",&㈣;
ProUIDialogDestroy(”Gear”);
3.3.3

//显示并激活对话框

//关闭对话框,释放内存

MFC对话框

由于UI对话框存在一些缺点,如编写非常麻烦,更重要的是,它的功能有限,很 难满足编程实际需要,因此本系统标准件部分应用了功能更加强大,使用更加灵活的 MFC对话框。

丝r Pro/E的减速器产6}参数化设计

Win32将DLL集成到进程中的方法如r一般来说,DLL是磁盘上的文件,它山 全局数据、编译的函数及资源组成,它们成为进程的一部分。DLL编译后,加载到首选 的地址r。如果与其它DI,【_之问没自冲突.则改文件映射到进程的同虚拟地址h
DLL有各种导出幽数,客户程序导出这些函数,Windows在加载DLL时对导入与导出 进行匹配。

MFC对话框调用的原理简单来|兑就是,Pro/E系统凋用Pro/Toolkit程序,然后 Pro/Toolkit程序利用导入导出函数的匹配调用MFC应用程序。 F面以六角头螺栓对话框为例具体说明。
(1)MFC应用程序 新建一个DLL j。程,插入对话框资源,自行设*缑娌⑻砑佣曰翱蚶啵丶

接好变量。






















螺&知r

s面i

眄Ⅲ黝
图3.8
Fig 3.8

MFC对话框
MFC dialog

在此丁程源程序-斗JJu入如下代码: decl8pec(dlIe。pon)BOOL Load61s(float+a)Ⅳ定义导出函数 { AFX—.MANAGE—.STATE(AfxGetStaticModulcState0);
Cls int

6jtjt;

Ⅳ对话框对象

i-jt DoModal0;
return FALSE;

1“l一01

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else



……



∥用户程序

) (2)主程序 在主程序中新建一个头文件import.h,代码如下:
#pragma
once

#include"stdafx.h"

_declspec(dllimport)BOOL Load61s(float宰a);∥导入函数声明

……||镭咯
在菜单对应的动作执行函数中加入代码:
AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState0);

Load61s(b);//调用MFC程序 ……i|箱晦 由于主程序要调用此DLL工程,需要在VC主菜单>Project>Settings>Link>General>
Object/library modules文本框中加入该工程对应的LIB文件,并将编译生成的LIB文件

放在主程序对应DLL所在目录下,并在VC主菜单>Tools>Options>Directories>Library files中包含该目录。此外,DLL文件应放在Pro/E工作目录下,否则将无法定位导出函
数。 3.4

Pro/Toolkit参数化程序设计
Pro/Toolkit参数化设计程序流程如图3.9所示。 具体实施过程如下:’ (1)模型文件的输入 利用Pro/Toolkit函数ProMdlRetrieve0将指定的模型文件装入当前进程,调用

ProMdlDisplay()显示模型,利用ProMdlldGet0获取当前进程中的模型旬柄,为下一步模 型参数检索做准备。其关键代码如下:
inti;

ProMdl

part;

ProMdlRetrieve(L”模型文件路径”\\文件名.prt",PRO_MDL_PART,&part) ProMdlldGet(part,&i);∥获取模型句柄
ProMdlDisplay(part);//,_显示模型。

基于Pro/E的减速器产品参数化设计



图3.9
Fig.3.9

Pro/Toolkit参数化设计流程图

Pro/Toolkit parametric design flowchart

(2)模型文件参数的检索、修改 利用Pro/Toolkit函数实现模型参数的检索,首先必须得到指向该参数对象的指针, 一般有两种方式实现: 若已知用户自定义参数的名称,调用ProParameterlnit 0直接获取该参数名对应的参 数对象指针; 否则调用PorParameterVisit 0函数遍历模型中的全部参数。可以设定相应的过滤条 件将不需要的参数进行过滤。检索出参数对象之后,调用ProParameterValueGetO函数取 得ProParamvalue结构体对象,通过直接访问结构体的成员即可取得参数值。 本系统中为第一种情况,得到参数对象的指针后,调用ProParameterValueSetO对其 进行赋值,再生。关键代码如下:
ProModelitemlnit(part,i,PRO PART,&feature); ProParameterlnit(&feature,L”Z",&paraml);//获取参数对象指针
value 1.type2PRO_PARAM_DOUBLE; value 1.value.d_val=p[O];

ProParameterValueSet(&param 1,&value 1);//赋值

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ProSolidRegenerate((ProSolid)part,PRQ旦3RUE);
(3)模型文件的输出

参数化设计完成的零件模型需要保存,可用ProMdlCopy0在内存中先备份新模型, 然后用ProMdlSave0备份模型,最后用ProMdlErase0拭除备份模型,由于该函数功能 为备份模型,初始模型不会受到影响。其关键代码如下: ProDirectoryChange(L”保存路径”);//更改工作目录 ProStringToWslring((NewName,strFileNarne);//字符类型转换
ProMdlCopy(part,a,&part 1);//备份

ProMdlErase0Iartl);//从内存中拭除

3.5本章小结
本章介绍了参数化技术,研究了零件参数化建模方法,并应用此方法建立减速器零 件模型样板。研究了Pro/E二次开发的一些技术,Pro/Toolkit界面设计,包括菜单设计 和对话框的调用,结合参数化模型样板与参数化程序,实现了参数化设计。

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

4减速器参数化设计系统开发
本章开发一个单级圆柱齿轮减速器的设计系统,实现减速器设计过程,其中应用了 Pro/E参数化设计方法。对于其它机械产品,可应用相同或类似方法进行开发。 其中,设计模块进行减速器各零部件基本参数设计与计算;三维模型生成部分可输 入参数生成常用件(如齿轮)、标准件(如轴承),也可以利用设计模块的设*峁 自动生成减速器各零件模型(包括箱体),并实现自动装配,其中标准件部分建立零件 库,方便调用。

图4.1减速器参数化设计系统
Fig.4.1 Parametric design system of gearbox

系统设计流程如下:

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图4.2系统流程
Fig.4.2

System flowchart

4.1

设计模块
设计模块可以单独编制软件完成,将设*峁4嬖谑菘庵幸怨┑饔茫部梢栽

Pro/Toolkit程序中直接包含设计模块,这样系统集成性更好。 减速器设计包括总体设计、机械结构设计、强度校核等工作。这里只完成了传动件 和其它主要部件的设计,并作了一些简化处理。设计模块为参数化模型的生成提供尺寸、 结构参数,这些设*峁4嬖谙嘤κ橹泄┥扇P褪笔褂谩
4.1.1

齿轮设计

按齿面接触强度设计公式乜朝:

(4.1)

其中,a为齿轮副中心距,以为简化的设计系数;zf为齿数比;K为载荷系数;

丁为额定扭矩,丁=9550×P刀;%为齿宽系数,丸=—0.5—x丝(u—+一1):%一许用接触应力。 其中4已知,U,K,P,n,%,%作为输入参数。由公式:


基j-Prc∥E的臧遽器产品参数化设讨

n 求得接触强度允许最小模数。 按齿根弯曲强度设计公式:

2丽
2aCos口

(4 2)

m。≥A。

/?/m)

(4.3)

其中,%为齿轮副的模数:^为简化的设计系数;K为载荷系数;%为许用接
触应力;k为复合齿形系数,k=kr。。 其中^己知,‘,咋,作为输入参数a%做简化处理?将20-200齿数对应的k 存入数组,供计算时调用。

_
图4.3齿轮设*缑
Fig 4.3

Geardesign interface

据此,又求得弯曲强度允许昂小模数,取两个模数中较大者向上取整,作为推荐模 数值,也可以在此基础上自行修改,

齿宽按B=/7/2’九求得,螺旋角与变位系数默认为零,可以自行设计,齿轮轴孔按
轴设计中配合尺寸确定。齿轮设*缑嫒缤迹矗乘尽
4 1

2齿轮强度校核 (1)承载能力计算

—————————————————奎堕燮堂堡主堂垡笙壅
①按接触强度

安全系数:品=nliIl(%,,品:)≥品曲
系数。

(4.4)

式中品表示接触强度的计算安全系数中的较小值;昂曲表示接触强度的最小安全 小轮和大轮的计算接触应力%。,clrH:分别按下述两式确定:
oHl oH2 2 2

z80H00 KAKvKHBKH% zDoHo心KAK9KH BKHx

(4.5) (4.6)

式中:K。—使用系数; K—动载系数;

‰—接触强度计算的齿向载荷分布系数;
翰口—接触强度计算的齿间载荷分配系数;
乙,zD一小轮及大轮单对齿啮合系数:

%o—-节点处计算接触应力的基本值,N/mm2,用下式计算:

‰一zHZE牢。溉等
式中:互—端面内分度圆上的名义切向力,Ⅳ: 6一工作齿宽,mm,指一对齿轮中的较小齿宽; 碣一小齿轮分度圆直径,mm;

(4.7)

甜一齿数比,“=钐.,zl,Z2分别为小轮和大轮的齿数;
乙一节点区域系数;
名一弹性系数,x/N/mm2; 磊一重合度系数; 乙一螺旋角系数。
式中的“+"号用于外啮合传动;
(3rHO



“一”号用于内啮合传动。
(4.8)



6H‰zwZLZpZRZwZx

式中:‰一计算齿轮的接触极限应力,Ⅳ/聊mz:
%。i。一试验齿轮的接触疲劳极限,N/mm2:


%—接触强度计算的寿命系数;

基于I专olE的减速器产品参数化设计

Z,一润滑剂系数; Zv一速度系数; ZR一粗糙度系数; 乙一工作硬化系数;
互—接触强度计算的尺寸系数。


接触强度的计算安全系数品 品l=—O'H—G1
O-H1

(4.9)

品:=堑
orH2

(4.10)

②按弯曲强度

强度条件:品=血(品。,品:)≥品血
式中:品—弯曲强度的计算安全系数; 品曲—弯曲强度的最小安全系数。 计算齿根应力仃。 计算齿根应力仃,由下式确定:
on


oF水AKvKF8KF口

(4.11) (4.12)

on=oF虬KAKvKFBKF%

式中:砰口一弯曲强度计算的齿向载荷分布系数; 巧口一弯曲强度计算的齿间载荷分配系数;
%ol一小轮齿根应力的基本值,Nlmm2, 听舵—大轮齿根应力的基本值,
其中


%。,2云#耳?乓,易


(4.13)

%吆2看毒品:乓z%
式中:鼻一端面内分度圆上的名义切向力,Ⅳ; 弓一载荷作用于单对齿啮合区外界点时的齿形系数;

(4.14)

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K一载荷作用于单对齿啮合区外界点时的应力修正系数;

匕一螺旋角系数;

O'FG=crfhm岛%匕删7'krE
式中:仃m—计算齿轮的弯曲极限应力,N/mm2;

(4.15)

咋lim—试验齿轮的弯曲疲劳极限,N/mm2;

岛—试验齿轮的应力修正系数,取岛=2.0;

‰—弯曲强度计算的寿命系数;
艺胛一相对齿根圆角敏感系数;

‰r一相对齿根表面状况系数;
r一弯曲强度计算的尺寸系数。
弯曲强度的计算安全系数& 品1:—O'F—G1 一
(4.16)

咋1

品2:—O'F—G2
O'F2

(4.17)

(2)安全系数的选择 不同的使用场合对齿轮有不同的可靠度要求。齿轮工作的可靠性要求是根据其重要 程度、工作要求和维修难易等方面的因素综合考虑决定。此处,选取最小安全系数首先 考虑齿轮现状,然后再根据标准提供的最小安全系数来选择符合实际情况的最小安全系 数。可以看出所取的原始数据越准确,计算方法越精确,计算结果与实际情况偏差越小, 所需的安全裕量就可以越小,经济性和可靠性就更加统一。对于安全系数的选取可以参 考表4.1进行选取。
表4.1安全系数表
Tab.4.1 The safety factor table

最小安全系数 使用要求

sF豳

sH幽

(3)强度计算所需输入参数

基丁Pro/E的减速器产品参数化设计

①齿轮结构参数 首先判断齿轮为实心结构或幅板结构,幅板结构齿轮计算啮合刚度时需要齿轮轮缘 厚度和幅板厚度参数。 ②材料相关参数 齿轮的材料相关参数包括:材料名称以及其热处理类别、材料密度、利料的屈服强 度、材料齿面硬度。 @其它参数 齿轮精度等级、齿轮的齿而粗糙度、使用系数世。、40"C时润滑油的名义运动粘度、 是否进行齿端修缘、轴承跨距、小齿轮齿宽中点至轴承跨距中点的距离s。 其他系数通过公式计算求得,齿轮强度校核界面如下。

图4.4齿轮校核界面
Fig 4.4 Gear checkinterface





3轴设计 初步确定轴的直径时,通常不知道支反力的作用点,不能决定弯矩的大小与分布情

况,因而不能按轴所受的具体载荷确定轴的直径。但在进行轴的结构设计莳,已经可以 求得轴所受扭矩,囡此按轴所受的扭矩初步计算轴所需直径“…,再按轴上零件装配和定 位要求,从晟小轴径起逐一确定各轴段直径。 轴的扭转愠度条件为:

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9550000





II



三%

(4.18)

由上式可得轴的直径

抡瓣0.2[筹rr
、『



】?刀

4辑
”、『刀

Q、 住埘 f4


其中4为轴的许用切应力确定的系数,作为输入参数。阶梯轴径向结构尺寸的变化 主要取决于轴上零件的安装、定位、受力状况及对轴表面粗糙度、加工精度的要求。









d6

雪7
1『




d4







d2

c3 I。 ——I童

l ci



图4.5一个简单轴结构
Fig.4.5 A simple shan strucmre

径向尺寸的确定。如图4.5所示,d4,d7对应轴段安装齿轮和轴承,用轴肩定位, 这类轴肩除用于轴上零件定位外,还可能要承受轴向力,因此轴肩高度需要大一些。d3, d7两轴段与滚动轴承配合,需符合滚动轴承的标准,若不符合,给出提示信息,其他 直径变化可取l~3
mm。

轴向尺寸的确定。各轴段轴向尺寸取决于零件上零件的轮毂宽度,为保证轴向定位 和固定可靠,与齿轮、联轴器等零件相配合的轴段长度一般应比与其相配合的轮毂长度 稍短一点,一般在轴的末端面与轮毂端面之间留2----4
mm。

在轴的设*缑嬷校鲜鲎钚≈峋丁⒕断虺叽纭⒅嵯虺叽缈悸墙ィ魑踔担 设计人员可以在此基础上进行修改。但与齿轮配合段轴长度等不可修改。
轴设*缑嫒缤肌

基rFro/E的减速器产品参数化设计

词垂
图4.6轴设*缑
Fig 4.6 Shaft d铝ign interface 4 1

4轴承选择与箱体设计 本例中轴承选择了深沟球轴承,只需根据对应轴径确定轴承尺寸。为尽量使设计过

程简单化,箱体设计过程中的尺寸要求在建模过程中以表达式方式考虑进去,设*锥 只需输入壁厚。
中心距:

一铹

(4

2 o)

轴承孔尺寸由轴承外径尺寸决定,宽度方向由轴段长度决定,长度方向由齿顶圆直 径与中心矩决定。


2参数化程序设计
利用设计模块的设*峁τ貌问杓瞥绦虻姆椒ǎ杉跛倨鞲髁慵P停

并保存在指定目录。 部分关键代码如下:
AFX_MANAGE STArE(AfxGetStaticModuleState0);
double

gear[56];

LoadDes(gea0;//调川导入函数,显示MFC对话框

if(gear[10]--i)

.奎垄墼奎兰堡主兰垡笙茎
{double shaftl【221;
inti;

.——

for(i=0;i<22;i++) shaftl[i]=gear[i+l 1】;
Char*sl=”shaftl.prt¨;

newshaft(shaftl,sD;
void newshaft(double?P,char}s)

{intj;. ProMdl
part,partl;

ProName shaft; ProParameter param l[221; ProParamvalue value[22];

ProModelitem

feature;

ProMdlRetrieve(L”E:\\pmtk\\Gear\\shaft.prt.4",PRO_MDL_PART,&part); ProMdlldGet(part,&j); ProM0delitemInit(part,j,PRO_PART,&feature); ProParameterlnit(&feature,L“d-1",&paraml【o】); ProP/trameterlnit(&feature,L’’d_2",&paraml[1]);

……//省略部分
inti;

for(i=0;i<22;i++) { value[i].type=PRO_PARAM_DOUBLE;. value[i].value.d_val=p[i]; ’

for(i=O;iQ2;i抖)
{ ProParameterValueSet(&paraml[i],&value[i]); } ProSolidRegenerate((ProSolid)part,PRO


TRUE);//再生

ProDirectoryChange(L”E:\\protk\\gearbox”);

ProStringToWstring(shafl,s);
ProMdlCopy(part,shaft,&partl);//保,g ProMdlErase(partl); ProMdlDisplay(part);

一39.

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

4.3构建标准件库
标准件在机械、电子、轻工、汽车、航天等各个领域应用广泛。据统计,标准零部 件的选用及绘制约占全部设计时间的70%,且在设计过程中需要频繁查阅各种设计手 册。而减速器中滚动轴承,螺栓等标准件的应用也是如此,逐一建模的话,即使应用参 数功能,重复劳动也太多,不方便,因此建立标准件库,使这类零件的建模变得简单自
如。

选择SQL Server作为后台,通过ODBC接口技术,利用Visual C++开发相应的数 据库应用程序,并把应用程序通过Pro/Toolkit开发工具集成到Pro/E中,实现了Pro/E 对SQL Server数据库的访问和操作,结合参数化设计程序实现了标准件库的构建。

设计标准件数据库
映 射

图4.7标准件库构建
Fig.4.7 Create the standard part library

ODBC为应用程序提供了一种标准方法来操作相关的数据库。本论文以SQL
如下【191:

Server

建立数据源,要实现对表的访问,需要先注册一个ODBC数据源。注册该数据源的过程

(1)在“控制面板”中,选择“管理工具"下的“数据源(ODBC)”,启动ODBC数


据源管理器。

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f21单击“添加”按钮,打开“创建新数据源”对话框,在驱动程序列表中,选择
SQL Server。

(3)单击“完成”按钮,打开“建立新的数据源到SQL Server”窗口,输入数据源名
称、说明和SQL Server服务器.按照应用向导提示手工完成SQL Serv孽数据库的ODBC 设置。

墓茎 甑”
图4.8注册数据源
Fig 4.8

Registerthedatams…

在VC集成开发环境中,要实现对数据库中表的访问,首先要用类向导新建一个基 于CRecordset的类,映射于已经建好的数据库表,具体操作步骤如下: 在VC程序中,选择“IrLsert”菜单,在弹出的“NewClass”对话框的“BaseClass” 列表框中选择基类为cRecordset,在弹出的“Damb船e Option”对话框中选择ODBC, 并在列表框中选择前面注册的数据源,在“Select
Dambasc

Tables”对话框中选择建好的

标准件数据表。这样创建的新类就与数据库表连接起来了。 用SQL查询语言操作此新类的对象就可以实现数据的查询,增删操作,以深沟球 轴承库为实例详细说明如下: 将数据库表中数据显示在对话框中:
sq_ls_6

Is_6;//建立新类的对象


try{ if(Is lsOpen())ls 6 Close0;
Is 6

Open();//打升
inti_0:
m listl

while(!ls




IsEOF0) Insertltem(0
Is 6 m ldl.

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

CString d;

d.Format(”%df..1s 6.ro d); m—listl.SetItemText(i,l,d);

……}增赔部分
ls_6.MoveNextO;
i++;

) ls_6.CloseO;
return TRUE;

> catch(…){
ls

6.CloseO;

return FALSE;

'//捕获错误

新增记录:
try{

UpdateData(TRUE);//将对话框中数据保存到变量中
if(1s_6.IsOpen0)ls_6.CloseO;
ls

6.Open0;

Is_6.AddNewO;//新增一条记录
ls——6.m_id--m_id;

……∥省略部分 Is_6.Update0;
ls

//数据库更新

6.CloseO;



删除记录:
try{ UpdateData(TRUE); iffls_6.IsOpen0)ls_6.Close0; ls_6.m_strFilter.Format(”id=%s”,m_listl.GetltemText(nItem,O)); ls_6.Open(); if(!ls_6.IsEOFO)


{ Is_6.Delete();

一42—

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MessageBox(”删除成功”); ) Is__6.Close0; >

实现了数据的操作后,只需按照前面参数化设计相同的方法,就可以实现标准件库 的构建,用数据库中的数据生成三维标准件模型了。

4.4虚拟装配
应用Pro/Toolkit程序实现零件的自动装配是比较复杂的,编程工作量较大。利用 Pro/E采用单一数据库,具有全数据相关的特点能够简单的完成自动装配。 具体来说,Pro/E模型在各模块中的模型并不是独立的。修改零件建模模块里的模 型参数,在装配模块或者工程图模块下的模型都会随之改变,应用这个特点来完成装配。 在Pro/E环境下将减速器零件模板逐一装配好,作为装配模板。在生成各新零件模 型时,备份模型时使新的模型与各自对应的零件模板具有相同的文件名,再将装配模板 备份到同一目录下,这样打开新目录下的装配文件,其中的零件就是新零件了,这样就 简单的实现了自动装配。当然这种方法具有一定的局限性,如果某个新零件的模板并不 是装配模板中的对应零件,可能无法正确定位,需要进一步的修改。但是如果只有尺度 上的变化,则新零件的模板就是装配模板装配时的零件,就不会出现这个问题。

4.5系统应用实例
系统主要包括零件设计、标准件选用和一级减速器设计三个部分。 系统注册文件如下:
NAME
EXEC FILE


Gearcad

E:\protkkPt&Debug\ptc.dll


一一

TEXT——DIR STARTUP

E:\protk\text DLL TRUE FALSE wildfire

ALLOW—STOP
DELAY—START REVISION END

启动Pro/E,自动或者手动运行Pro/Toolkit程序,减速器设计菜单加载。
(1)零件设计

选择“零件设计一齿轮"菜单,弹出齿轮设计对话框,输入齿轮参数,就会生成对
应的齿轮模型,如图4.9所示。其他零件建模方法与齿轮相同,不再~一演示。

基丁n讹的减速器产品参数化设计




1釜三i。i
目 日
(2)标准件选用

“砰翦霜—i斛
刚4 9设计齿轮

F培4



Design agem+

选择“标准件滚动轴承深沟球轴承”菜单,弹出深沟球轴承对话框,用户可选 择轴承型号生成深沟球轴承三维模型,也町以实现数据库维护,添加新的轴承型号,删
除不需要的轴承型号。

匝匝■■●■匝■■■■匝■■■■哐——■Ⅱ_——
6005
6UIl4

釉墨_{!}号J自曼童暨A,:-m直蹙_±选塞麈』壁盟‘
25
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乖加

47
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n 3
’ 9

一l
捌障



代号i疏……内日直径?面一——抖目直径厂i


■盎

l I


l l

轴承竟度—了r—一*嵌 

取蔼



圈4lO标准件库 F遮4
10 Standard partlitm"m_y

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霞汐
图4 11深沟球轴卓模型
Fig 4 11
Deep gr00ve ball bearingmodel

其他标准件调用方法与滚动轴承相同。 r3)一级圆柱齿轮减速器设计

选择一级减速器”菜单,弹出设*缑
皿固盈,■■■●■■●■■●——■囵
■^#t

图412设*缑
Fig 4 12
Design interface

单击“齿轮设计”,进行齿轮设计,界面给出推荐设计值,可自行修改,完毕后点 击保存;单击“轴设计”,分别设计两根轴并保存数据:单击“生成三维模型”.将生 成齿轮、轴、轴承、箱体这些主要零件,并自动保存在指定日录下,同时完成了装配。
结果如r:

碡十Pro/E的减速器产品参数化最计

滗《



Reducermodel

图41 3碱速器模型
Fig 4 13



6本章小结
本章将减速器设计过程用程序实现,构建了单级圆柱齿轮减速嚣的参数化设计系

统,实现零件模型与装配模型的自动生成:研究了数据库接口技术,解决了SQL数据 交互问题,构建了标准件库;并以实例进行了演示。

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5减速器箱体*擞呕
减速器箱体起着支撑传动件的作用,重量占减速器总重的很大比重。其尺寸与外形 往往由设计人员根据经验设计,缺乏理论依据。*擞呕际跏牵粒危樱伲尤砑峁└ 户的优化分析技术,它为用户在进行结构设计时提供了优化方法。这种基于等强度的拓 扑优化方法,能够在给定外载荷和边界约束条件下,通过迭代求解,获得一个最优的几 何外形。本章应用这一方法,对减速器箱体进行优化设计,使减速器箱体的设计更加合
理。
5.1

连续体结构*擞呕椒

5.1.1连续体*擞呕S梅椒 结构优化通常划分为:尺寸优化、形状优化、材料和结构类型优化、*擞呕F 中*擞呕纸型庑谓峁褂呕*擞呕翘教纸峁构辜南嗷チ臃绞健⒔峁褂形蘅 洞、孔洞的位置等*诵问剑佣锏郊跚峤峁沟闹柿炕蛱寤吞岣呓峁沟男阅艿哪康摹 早期的*擞呕椒ㄖ饕τ糜阼旒艿壤肷⑻濉*年来,解决连续体结构*擞呕男 方法主要有:变厚度法、均匀法、变密度法等[391【柏】。本文的*擞呕τ帽涿芏确ā 变密度法是连续体结构*擞呕冉铣S玫姆椒ā;舅枷胧且胍恢旨傧氲拿芏 可变材料,将连续结构体离散为有限元模型后,将待优化结构中的每个有限单元内的密 度指定相同,以每个单元的密度为设计变量,结构的*擞呕侍饩捅涑闪瞬牧系淖钣 分布问题。主要用于多工况应力约束下的*面结构、三维连续结构。 P=置Po
(5.1)

式中,以为每个单元的相对密度,风为在设计域里的每个单元的固有密度;P为 *松杓票淞俊5蓖Γ剑焓保虮硎靖玫ピ胁牧希A艋蛟黾痈玫ピㄊ堤澹坏蔽澹剑
时,表示该单元无材料,单元应当删除(孔洞)。 *擞呕保颐蔷×渴垢貌牧系拿芏任盎颍狈植荚谏杓魄颉M*松杓票淞浚 的O.1特性的不连续性,使得连续变量优化方法中基于导数的有效求解无法进行,因此 对其要进行连续化。

鼍=Z%
上式中,K,为单元的刚度,砾为单元的固有刚度,尸为惩罚因子。 结构的柔顺度(变形能):
c:FT D:DT KD

(5.2)

(5.3)

基于Pro厄的减速器产品参数化设计

式中,C为结构的柔顺度,F为载荷矢量,D为位移矢量,由胡克定理:
KD=F

(5.4)

若以结构的柔顺度(变形能)最小为目标,考虑材料体积约束(质量约束)和结构 的*衡,则*擞呕氖P臀

X=(五,x2,…,K)1
min:C:FrD

s.t:厂:—v-—v,




0<k≤五≤五嗽

(5.5)

式中,y为结构充满材料的体积,%为结构设计域的体积,巧表示单元密度小于X血

的那部分材料的体积,厂为剩余材*俜直龋胛ピ喽悦芏鹊南孪蓿に晕ピ
相对密度的上限。
5.1.2

AN8Y¥软件*擞呕闹饕街

在ANSYS中做*擞呕辈恍枰霾问陀呕淞康亩ㄒ澹馐怯氪车挠呕 计不同的,而且目标函数、状态变量和设计变量都是软件内部的程序预定义好的,我们 只需要设置结构的参数(材料特性、模型、载荷等)和想要省去的材*俜直取M*擞呕 的目标,即目标函数,是在满足结构的约束情况下尽可能地减少结构的变形能,减小结 构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术是通过使用设计变量给每个有限元的单元 赋予内部伪密度来实现的。 *擞呕饕ㄒ韵录父霾街瑁 (1)定义*擞呕侍 施加载荷或边界条件做单载荷或多载荷步的线性结构分析,*擞呕哪勘旰 约束条件定义为结构柔度。施加边界条件,做模态分析,*擞呕哪勘旰峁沟
自振频率。

(2)选择单元类型 *擞呕治鲋锌梢允褂枚*面单元、三维块体单元和板壳单元。可以使用的单 元类型有:二维实体单元为PLANE 2和PLANE 82,三维块体单元为SOLID 92和SOLID
板壳单元为SHELL93。
95,

(3)指定优化区域

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*擞呕保P椭杏呕蚝头怯呕蚴峭üピ嘈秃爬炊ㄒ宓摹#粒危樱伲咏 对单元类型号为1的单元进行*擞呕 (4)定义和控制载荷工况 对于结构线性静力分析,可以简单的在单个载荷工况进行*擞呕部梢约衅 来在多个独立的荷载工况下进行*擞呕=峁瓜咝跃擦Ψ治霰匦朐谕*擞呕分兄 行。要在几个独立的荷载工况中得到单个优化结果,需要使用荷载工况文件,在定义每 个荷载工况后,使用LSWRITE命令将荷载工况写入文件。最后使用LSSOLVE命令求解多 个荷载工况。 (5)定义和控制优化过程 ①定义优化函数; ②定义目标函数和约束条件; ③优化过程初始化; ④执行*擞呕 (6)查看结果。


5.2箱体静力分析
5.2.1

载荷分析

减速器已知参数如表5.1所示。
表5.1已知参数
Tab.5.1 Known parameters

齿轮所受的力:

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

E=2互/盔=2x5x105/80=12500N E=Zl×mna./cosp=4549.6N Yo=flxtanl,=0 齿轮传动力对箱体的作用力: 由于轴承对称布置,水*方向反力: FNnl=E
12=2274.8N

‰2=E 12=2274.8N
垂直方向反力:

‰l=(只-I-G1)/2=6273.5N %2=(-E+G2)/2=-6175N
水*反力FNH和垂直反力‰通过轴承作用在箱体上。下面就加载区域大小和加载
方式进行研究。 加载范围:轴承外圈与箱体为紧配合,故理论承载区的范围为1800。应该指出,实 际上由于轴承内存在游隙,故载荷的承载区的范围将小于1800,不过,如果同时作用有 一定的轴向载荷,则可以使承载区扩大。这两个因素的影响有限,本文均按承载区域为 1800加载。 载荷大小:

正=√%,2+%12=6673.2N
e2=心F孵0+F喙H0=6580.7N
加载方式:接触载荷是在F作用线的最下面的一个滚动体受力最大,而远离作用线 的各滚动体,其载荷逐渐减小,*似服从余弦分布,如图5.1所示。 设最大载荷处压强为,则由力*衡条件:
,r



F=f圪。RBcos2 ydy
71"

(5.6)



其中,R为轴孔半径,B为轴承宽度,得:
em。=2F/xRB

(5.7)

所以,匕驭l=2墨/,rR,B,=8.57MPa,圪。2=2互I rtR2岛=5.19MPa

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≮影
、、~



P.。

图5.1轴承座受力分布
Fig.5.1 Force Distribution ofBeaxing chock

加载的余弦载荷应为:P=PIII。cosy;


加载区域与水*面夹角P=arctan

rm"。

壬?NH

5.2.2求解与结果分析 将第4章中设计并自动生成的箱体模型导入ANSYS,进行静力分析。将箱体上的 孔去掉简化处理。 ANSYS与Pro/E连接方法简单介绍一下。选择“程序"一“ANSYS
“Utilities Ans Release 10.0”一

ADMIN”。打开ANSYS管理器,点击“OK"确定,在配置选项对话框

中选择与Pro/E的连接。在Pro/E安装信息对话框中输入Pro/E在本计算机中的安装路 径,点击“OK”完成ANSYS与Pro/E的接口设置。打开Pro/E,在菜中管理器中这时 多出了两个选项“ANS Config",和“ANSYS Geom’’,这表明己经将ANSYS集成在 Pro/E中了。在Pro/E中完成建模后直接点击“ANSYS Geom”,系统会自动将ANSYS 打开,将当前模型导入到ANSYS中去,只要使用“Plot”菜中的“Volumes"选项,就 可以将实体模型显示出来。 (1)网格划分与边界条件 选择计算单元为Solid92。Solid92是三维lO节点四面体结构实体单元,在保证精 度的同时允许使用不规则的形状,Solid92有相容的位移形状,适用于曲线边界的建模。 每个节点有三个自由度:沿节点坐标x,Y,z方向的*动。Solid92有塑性、蠕变、应力 强化、大变形和大应变的功能,其单元结构如图5.2。

基于Pro/E的减速嚣产品参数化设计

叫0彩
Fig 5.2

阁5.2十节点四面体SOLID92单元
The 10-node quadratic solid element SOLID92

◇一


该箱体为钢板焊接而成,以45剐为例计算。取弹性模量E=21×105MPa,泊松比
“=0

3,密度p=7 9x10-9t/埘∥。

应用自动网格划分,尺寸控制在8mm以内,箱体底座山地脚螺栓崮定,p爿此约束 伞部自由度。在轴承庸处施加5.2 1中计算的余弦载荷,用函数编辑器加载,施加重力 加速度模拟重力,进行求解。
网格划分结果与边界条件如图5.3所示。


k黟鬈

图5.3嘲格划分与边界条件
Fig.5.3

Mesh

generation and boundary condgions

(2)分析结果

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釜j岔
1—刖1



雹d
、。/


L?■一
图5.4应力与位移云图
Fig 5.4 The stress anddisplacementnephogrmns

求解得到的应力与位移云图如图5.4所示。 由分析结果可以看出,箱体最大应力与 晟大位移均出现在轴承座内侧,且最大应力为 大位移为3.59pm。

14

31MPa,远小于材料的许用强度,最

3箱体*擞呕
1葙体*擞呕治 由箱体静力分析结果来看,箱体的应力及变形都很小,有很大的减重空间,来降低

5 3

制造成本,因此进行*擞呕治觥 按照减速器外廓尺寸在ANSYS中建立初始模型,减速器箱体内部尺寸由齿轮的外 轮廓确定,不做改变。初始模型如图5 5左图所示。边界条件、材料属性与静力分析相 同。整个模型都作为优化区域,以箱体体积作为目标函数,设定体积减小量为优化区域
的80%为同标。图5 5有图为目标函数的迭代次数曲线,目标函数总共迭代了22敞达

到收敛,目收敛过程很*稳,没有出现震荡。

甚于Pro/E的减速器产品参数化设计

图5,5初始模型与目标函数选代次
Fig 5.5

Theinitialmodel and

objectivefunctioniterativetimes

由计算结果来看,单元相对密度比较集中.选取密度在0 5到1的单元与选取0.8 到1的结果很接*,单元相对密度在O.8到1 Z问的单元如图5.6所示。


圉5.6*擞呕峁
Fig 5.6

Topologyoptimization result

从*擞呕慕峁颐强梢缘贸鲆韵陆崧郏 (1)箱体的材料没有得到充分的利用。基于有限元*擞呕椒ǖ玫降慕峁褂呕 案能使得材料合理的分布,从而证明了该优化方法的有效性。 f21*私峁褂呕阋恢纸峁垢拍钚陨杓疲芄晃こ躺杓迫嗽碧峁┯呕慕峁 参考方案。*擞呕蟮慕峁鼓苤惫鄣母こ躺杓迫嗽辈牧系奶ɡ矸植肌

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5 3

2箱体结构改进 根据*擞呕峁舜笾岢猩喜康慕畎逋猓涮宓钠渌畎迦サ簦谥岢

座下部加焊两块钢板。将箱壁改为5mm的薄板,结果如图5.7所示。



囊l-

图5 7改进后的箱体
Fig 5.7 Theimproved reducerbox

避誊盈
图5.8政进后的箱体应力与位移云图
Fig 5.8

The¥1Tess

anddisplacemenl nephograms oftheimproved reducerbox

将改进后的箱体再进行静力分析,结果如图5.8所示。优化前后的最大位移、应力、 质量埘比见表5
2。

表5 2应力、位移、质量对比 I曲5.2
Fhe comparison of

stFes¥.displacementandmass 最人位移(1am)
3 59 3 91

最大应力(Mpa) 优化前 优化后
14 31 1 51l

质量(kg)
3212 25 93

基于P玎Q肥的减速器产品参数化设计

箱体重量从改进前的32.12Kg下降到25.93Kg,下降了19。3%,而最大应力与位移 稍有增大,变化并不明显,说明这一改进是可行的。

5.4本章小结
本章根据实际受力情况,对减速器箱体进行静力分析与*擞呕治觯桓莘治鼋 果,对箱体结构进行改进减重,结果是可行的。

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本文结合课题“机械产品智能化设计特征状态空间模型及其集成系统”,主要做了 以下工作: (1)研究总结了应用Pro/Toolkit工具进行Pro/E二次开发的通用方法,包括程序接 口、菜单、对话框调用技术,以及资源文件的编写和应用程序注册运行等; (2)建立了一个减速器参数化设计系统,包括零件设计模块以及标准件库模块,并 实现了一级圆柱齿轮减速器从设计到主要零件模型、装配模型的生成整个过程,并研究 了数据库交互技术,建立了标准件库; (3)根据实际受力情况,对减速器箱体进行静力分析以及*擞呕治觯莘治 结果改进箱体结构,在保证强度、刚度的前提下减轻重量,降低成本。 文中研究的参数化设计方法可以推广应用到其他产品的设计过程中去。参数化设计 方法以及*擞呕挠τ茫杂谔岣呒跛倨鞑返纳杓菩屎椭柿烤哂谢庖濉 本文还有一些研究内容有待进一步的研究和改进: (1)其他类型减速器参数化设计还有待开发,标准件库有待扩充; (2)标准的二维工程图的生成有待研究,使系统更适合企业需求; (3)减速器箱体结构改进、工艺性等问题有待进一步研究验证。

基于Pro/E的减速器产品参数化设计

参考文献
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基于Pro/E的减速器产品参数化设计

攻读硕士学位期间发表学术论文情况
[1]狄子建.基于Pro/Toolkit的三维标准零件库开发.大连理工大学研究生网络学 刊.(第三、四章)

大逛哩工大学硕士学位论文





本论文是在导师董惠敏副教授的悉心指导和帮助下完成的。导师高尚的人品、严谨 的治学态度、求实创新的工作作风以及她孜孜不倦的传道、授业、解惑的精神,深深地 影响着我,将使我受益终身。同时,董老师在生活上也对我无微不至的关怀,教我做人 的道理。在此,谨向董惠敏老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 自从进入教研室以来,一直受到各位老师的关心和帮助,特别感谢马雅丽老师,感 谢她在我读研期间给予的帮助和精心指导,在科研项目期间的管理和要求,感谢她在我 的论文完成过程中给与的支持和帮助。


感谢数字化研究所的各位同学,他们严谨认真的工作作风,他们对知识孜孜不倦的 追求,给了我积极的影响,对我今后的学*与工作态度有着重要的帮助。感谢郝东升博 士、杨玉巍硕士、李善飞硕士、赵亮硕士、王钦硕士等在作者完成论文课题给与的帮助 和支持,为作者论文的顺利完成提供了帮助。 感谢养育我二十余年的父母。他们付出了辛勤和汗水,给予了我无私的爱和关怀, 让我能够健康成长,顺利完成学业。 感谢所有关心我、帮助我:鼓励我的朋友们。


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