復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品CAD/CAE并行開(kāi)發(fā)流程定制及實(shí)例應(yīng)用

石曉梅

（營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 CAD/CAE 在復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用

復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品完成，大致可以分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工裝配、產(chǎn)品驗(yàn)收四個(gè)重要的階段。以傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所消耗的成本最大。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，是以手工設(shè)計(jì)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品，用特殊的方式進(jìn)行計(jì)算和畫(huà)圖，然后通過(guò)反復(fù)修改完成機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作。這個(gè)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、設(shè)計(jì)人員耗費(fèi)的精力多、修改起來(lái)十分麻煩，而且傳統(tǒng)流程使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)所需要消耗的成本極大。將CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，它能用數(shù)字的方法自動(dòng)地完成產(chǎn)品計(jì)算分析、性能仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)繪圖等工作，通過(guò)該種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，能使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品信息化和集成化，使設(shè)計(jì)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(jì)圖的工作崗位。CAD/CAE 目前被廣泛地應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，特別是復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通過(guò)CAD/CAE 軟件的應(yīng)用，更能體現(xiàn)出機(jī)械產(chǎn)品信息化的重要作用。

2 CAD/CAE 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

CAD/CAE 并行開(kāi)發(fā)是指借用CAD/CAE 類軟件，使復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程可以同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)信息化的方式使復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)以成本少、速度快、質(zhì)量好的方式完成設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的全部工作。本文以設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一款復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的齒輪為例，介紹CAD/CAE 軟件在復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全部流程。

2.1 選用Pro/E 設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，該次設(shè)計(jì)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(jì)出的專門(mén)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需要的軟件。

1）標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和繪圖時(shí)，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(jì)出模型，用戶通過(guò)不斷地修正參數(shù)來(lái)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，通過(guò)該種方式能完成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一體化的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE 并行開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

2）使用模塊化設(shè)計(jì)。在復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有數(shù)種繪圖要求，比如任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析等不同流程。在不同的流程中，繪制圖的細(xì)節(jié)也有區(qū)別，該款軟件針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的需要，用模塊化的方式區(qū)分各個(gè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的繪圖方式，通過(guò)模塊化的方式繪制圖形，讓它能在不改變?cè)瓐D設(shè)計(jì)的情況下，使設(shè)計(jì)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(jì)的繪制工作后，會(huì)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的一些特點(diǎn)，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(duì)設(shè)計(jì)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(shí)用的工具包。該軟件提供了大量的工具包，用戶在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)工具包用不同的角度對(duì)設(shè)計(jì)出的作品進(jìn)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(jì)的效果，并隨時(shí)可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改，直到產(chǎn)品設(shè)計(jì)真正滿足用戶的需求。

2.2 使用齒輪漸開(kāi)線生成原理完成齒輪設(shè)計(jì)

1）齒輪漸開(kāi)線參數(shù)設(shè)計(jì)

漸開(kāi)線公式為：rk=rb/cosα；θk=tanαk-αk。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與專用的設(shè)計(jì)公式及漸開(kāi)線原理，此次使用齒輪漸開(kāi)線原理對(duì)齒輪設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1。

表1 新齒輪設(shè)計(jì)的參數(shù)

2）在軟件中設(shè)計(jì)參數(shù)

打開(kāi)軟件，點(diǎn)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(jì)好的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行填寫(xiě)，其填寫(xiě)結(jié)果如圖1。

3）繪制齒輪曲線

打開(kāi)“草圖”繪制工具欄，根據(jù)設(shè)計(jì)要求填寫(xiě)齒輪的圓曲線參數(shù)；點(diǎn)擊“圓曲線”，根據(jù)以上設(shè)計(jì)的漸開(kāi)線原理及設(shè)定的參數(shù)填寫(xiě)相關(guān)的參數(shù)；在基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點(diǎn)中一一輸入以上漸開(kāi)線中設(shè)計(jì)出的參數(shù)；在鏡像齒輪廓中填寫(xiě)漸開(kāi)線設(shè)計(jì)中設(shè)定的參數(shù)。

圖1 填寫(xiě)結(jié)果

4）完成3D 草繪設(shè)計(jì)

在以上參數(shù)完成后，點(diǎn)選“拉伸”，軟件完成草繪的圓柱體，此時(shí)軟件自動(dòng)完成齒輪的草繪工作。用戶在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以一邊填寫(xiě)參數(shù)一次移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)為L(zhǎng)ONGTH=B。

5）輪齒設(shè)計(jì)效果

點(diǎn)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(jì)要求的參數(shù)，以兩圓角半徑相等的方式修剪圓角。轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，可以根據(jù)原先設(shè)定的要求在軟件中填寫(xiě)參數(shù)，其填寫(xiě)參數(shù)為漸開(kāi)線原理設(shè)計(jì)的參數(shù)，其2D 的效果圖為圖2，在完成齒廓設(shè)計(jì)時(shí)，將輪齒的設(shè)計(jì)參數(shù)定義為“陣列”，方式選為“軸”。

6）軸孔的設(shè)計(jì)效果

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

7）成品圖設(shè)計(jì)效果

在完成所有的參數(shù)設(shè)置后，軟件自動(dòng)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(jì)，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(kù)里，以便在設(shè)計(jì)初評(píng)未達(dá)成滿意的設(shè)計(jì)效果時(shí)隨時(shí)可對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，讓軟件對(duì)繪圖進(jìn)行修正。

3 機(jī)械產(chǎn)品CAD/CAE 并行開(kāi)發(fā)流程評(píng)估

在機(jī)械產(chǎn)品中進(jìn)行CAD/CAE 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以一邊設(shè)計(jì)一邊對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這是指軟件具有智能繪圖的功能，它可以一邊設(shè)計(jì)，一邊評(píng)估，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)并行。在機(jī)械設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，有兩個(gè)關(guān)鍵的評(píng)審，一個(gè)為設(shè)計(jì)評(píng)審，一個(gè)為分析評(píng)審。以齒輪設(shè)計(jì)為例，在產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)進(jìn)入設(shè)計(jì)評(píng)審階段時(shí)，無(wú)論產(chǎn)品設(shè)計(jì)能否滿足要求，它都可對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，如果評(píng)估結(jié)果不合格，它就要從“齒輪漸開(kāi)線參數(shù)設(shè)計(jì)”的環(huán)節(jié)開(kāi)始，重新分析齒輪的需求，對(duì)參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到繪制的結(jié)果評(píng)審合格進(jìn)入下一個(gè)階段。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)到分析評(píng)審階段時(shí)，它可以對(duì)目前設(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行評(píng)估，考慮產(chǎn)品是進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審階段，還是直接再進(jìn)入“齒輪漸開(kāi)線參數(shù)設(shè)計(jì)”重新設(shè)計(jì)。齒輪的CAD/CAE 并行開(kāi)發(fā)的流程方式如圖5。

圖5 流程圖

通過(guò)使用CAD/CAE，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)并行的流程，通過(guò)齒輪的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)并行流程實(shí)例，證明應(yīng)用該種設(shè)計(jì)方式方法能節(jié)省大量精力、成本、時(shí)間，同時(shí)能精準(zhǔn)地保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量，使機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，能提高效益。

［1］徐國(guó)斌.Pro/ENGINEER Wildfire 在企業(yè)的實(shí)施與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］周新建，肖乾.基于Pro/E 與ANSYS 實(shí)現(xiàn)斜齒輪的工程分析［M］.煤礦機(jī)械，2006（12）：80-82.

［4］雷衛(wèi)強(qiáng).Pro/E 產(chǎn)品選型設(shè)計(jì)技術(shù)與曲型實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.