石曉梅

（營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000）

1 CAD/CAE 在復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計中的作用

復(fù)雜機械產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品完成，大致可以分為產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、加工裝配、產(chǎn)品驗收四個重要的階段。以傳統(tǒng)的機械設(shè)計生產(chǎn)方式來說，產(chǎn)品設(shè)計階段所消耗的成本最大。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計中，是以手工設(shè)計復(fù)雜機械產(chǎn)品，用特殊的方式進行計算和畫圖，然后通過反復(fù)修改完成機械產(chǎn)品設(shè)計的工作。這個過程耗時長、設(shè)計人員耗費的精力多、修改起來十分麻煩，而且傳統(tǒng)流程使機械產(chǎn)品的設(shè)計所需要消耗的成本極大。將CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用到機械產(chǎn)品設(shè)計中，它能用數(shù)字的方法自動地完成產(chǎn)品計算分析、性能仿真、優(yōu)化設(shè)計、自動繪圖等工作，通過該種方法進行設(shè)計，能使設(shè)計的產(chǎn)品信息化和集成化，使設(shè)計出的產(chǎn)品根據(jù)產(chǎn)品需要打破距離限制發(fā)送到任何需要設(shè)計圖的工作崗位。CAD/CAE 目前被廣泛地應(yīng)用到機械設(shè)計中，特別是復(fù)雜的機械產(chǎn)品設(shè)計中，通過CAD/CAE 軟件的應(yīng)用，更能體現(xiàn)出機械產(chǎn)品信息化的重要作用。

2 CAD/CAE 在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用流程

CAD/CAE 并行開發(fā)是指借用CAD/CAE 類軟件，使復(fù)雜機械產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)流程可以同時進行，通過信息化的方式使復(fù)雜的機械設(shè)計以成本少、速度快、質(zhì)量好的方式完成設(shè)計和開發(fā)的全部工作。本文以設(shè)計和開發(fā)一款復(fù)雜機械設(shè)計中常用的齒輪為例，介紹CAD/CAE 軟件在復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計的全部流程。

2.1 選用Pro/E 設(shè)計

根據(jù)機械設(shè)計的要求，該次設(shè)計選用Pro/E 軟件，該軟件是根據(jù)CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出的專門滿足機械設(shè)計需要的軟件。

1）標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)計。在設(shè)計和繪圖時，要求用戶直接輸入大量的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，軟件能根據(jù)用戶給出的參數(shù)不斷設(shè)計出模型，用戶通過不斷地修正參數(shù)來完成產(chǎn)品的開發(fā)，通過該種方式能完成設(shè)計和生產(chǎn)一體化的過程，實現(xiàn)CAD/CAE 并行開發(fā)的過程。

2）使用模塊化設(shè)計。在復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計的過程中，有數(shù)種繪圖要求，比如任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程分析等不同流程。在不同的流程中，繪制圖的細節(jié)也有區(qū)別，該款軟件針對機械設(shè)計的需要，用模塊化的方式區(qū)分各個設(shè)計與生產(chǎn)的繪圖方式，通過模塊化的方式繪制圖形，讓它能在不改變原圖設(shè)計的情況下，使設(shè)計出的產(chǎn)品能直觀地表現(xiàn)出不同的效果。

3）智能生產(chǎn)模型。用戶在完成參數(shù)設(shè)計的繪制工作后，會根據(jù)機械設(shè)計的一些特點，要求用戶給予一些常用的模型參數(shù)，只要用戶能夠完成參數(shù)設(shè)定，軟件就可智能地生成需要的模型。同樣，如果用戶對設(shè)計出的齒輪不滿意，則可不斷修正參數(shù)，直到滿足用戶的需求為止。

4）實用的工具包。該軟件提供了大量的工具包，用戶在設(shè)計時可以根據(jù)工具包用不同的角度對設(shè)計出的作品進行觀察和調(diào)整，它形成的工具包能讓用戶非常直觀地、全方位地看到產(chǎn)品設(shè)計的效果，并隨時可對產(chǎn)品進行修改，直到產(chǎn)品設(shè)計真正滿足用戶的需求。

2.2 使用齒輪漸開線生成原理完成齒輪設(shè)計

1）齒輪漸開線參數(shù)設(shè)計

漸開線公式為：rk=rb/cosα；θk=tanαk-αk。根據(jù)機械設(shè)計設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與專用的設(shè)計公式及漸開線原理，此次使用齒輪漸開線原理對齒輪設(shè)計的參數(shù)如表1。

表1 新齒輪設(shè)計的參數(shù)

2）在軟件中設(shè)計參數(shù)

打開軟件，點擊工具欄中“新建”文件的菜單，選擇helical_gear 零件模塊，調(diào)出相關(guān)的文件，根據(jù)模塊設(shè)計好的數(shù)據(jù)參數(shù)進行填寫，其填寫結(jié)果如圖1。

3）繪制齒輪曲線

打開“草圖”繪制工具欄，根據(jù)設(shè)計要求填寫齒輪的圓曲線參數(shù)；點擊“圓曲線”，根據(jù)以上設(shè)計的漸開線原理及設(shè)定的參數(shù)填寫相關(guān)的參數(shù)；在基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點中一一輸入以上漸開線中設(shè)計出的參數(shù)；在鏡像齒輪廓中填寫漸開線設(shè)計中設(shè)定的參數(shù)。

圖1 填寫結(jié)果

4）完成3D 草繪設(shè)計

在以上參數(shù)完成后，點選“拉伸”，軟件完成草繪的圓柱體，此時軟件自動完成齒輪的草繪工作。用戶在完成產(chǎn)品設(shè)計時，可以一邊填寫參數(shù)一次移動或旋轉(zhuǎn)設(shè)計圖，看是否滿足自己的需求。完成草繪后，在“從邊創(chuàng)建圖元”的菜單中選擇“環(huán)”，齒根圓曲線選“圓角”；齒根圓的設(shè)計參數(shù)為LONGTH=B。

5）輪齒設(shè)計效果

點擊“草繪約束器”設(shè)定半徑的參數(shù)為r=0.38mn，此參數(shù)為輪齒設(shè)計要求的參數(shù)，以兩圓角半徑相等的方式修剪圓角。轉(zhuǎn)動輪齒的角度，設(shè)定齒輪端面輪廓的關(guān)系為 ：theta=2*b*tan（beta）*180/（pi*d）。完成齒廓時，可以根據(jù)原先設(shè)定的要求在軟件中填寫參數(shù)，其填寫參數(shù)為漸開線原理設(shè)計的參數(shù)，其2D 的效果圖為圖2，在完成齒廓設(shè)計時，將輪齒的設(shè)計參數(shù)定義為“陣列”，方式選為“軸”。

6）軸孔的設(shè)計效果

軸孔的設(shè)計效果全部依照生產(chǎn)要求與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)直接進行參數(shù)輸入，其參數(shù)如圖3。

7）成品圖設(shè)計效果

在完成所有的參數(shù)設(shè)置后，軟件自動繪制出需要的3D 效果圖，如果用戶不滿足成品的效果，可以修改參數(shù)重新調(diào)整設(shè)計，成品圖如圖4。

圖2 2D 效果圖

圖3 軸孔參數(shù)

圖4 成品圖

2.3 CAE 完成產(chǎn)品封裝

Pro/E5.0 以上便有集成CAE 封裝的功能，是指軟件在完成繪圖工作以后，不僅保留有繪制的3D 效果圖，還將各種設(shè)定的數(shù)據(jù)集成到相關(guān)的數(shù)據(jù)庫里，以便在設(shè)計初評未達成滿意的設(shè)計效果時隨時可對參數(shù)進行調(diào)整，讓軟件對繪圖進行修正。

3 機械產(chǎn)品CAD/CAE 并行開發(fā)流程評估

在機械產(chǎn)品中進行CAD/CAE 對產(chǎn)品進行設(shè)計時，可以一邊設(shè)計一邊對產(chǎn)品進行開發(fā)。這是指軟件具有智能繪圖的功能，它可以一邊設(shè)計，一邊評估，設(shè)計與開發(fā)并行。在機械設(shè)計與開發(fā)的過程中，有兩個關(guān)鍵的評審，一個為設(shè)計評審，一個為分析評審。以齒輪設(shè)計為例，在產(chǎn)品完成設(shè)計進入設(shè)計評審階段時，無論產(chǎn)品設(shè)計能否滿足要求，它都可對產(chǎn)品設(shè)計進行評估，如果評估結(jié)果不合格，它就要從“齒輪漸開線參數(shù)設(shè)計”的環(huán)節(jié)開始，重新分析齒輪的需求，對參數(shù)重新進行設(shè)計，直到繪制的結(jié)果評審合格進入下一個階段。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計到分析評審階段時，它可以對目前設(shè)計的結(jié)果是否滿足機械設(shè)計的需要進行評估，考慮產(chǎn)品是進行設(shè)計評審階段，還是直接再進入“齒輪漸開線參數(shù)設(shè)計”重新設(shè)計。齒輪的CAD/CAE 并行開發(fā)的流程方式如圖5。

圖5 流程圖

通過使用CAD/CAE，可以實現(xiàn)復(fù)雜機械產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)并行的流程，通過齒輪的設(shè)計與開發(fā)并行流程實例，證明應(yīng)用該種設(shè)計方式方法能節(jié)省大量精力、成本、時間，同時能精準(zhǔn)地保證設(shè)計的質(zhì)量，使機械產(chǎn)品生產(chǎn)時，能提高效益。

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