齿轮减速器的建模与结构的设计

摘要

本论文比较系统的介绍了利用SolidWorks软件进行机械设计及仿真的过程及结果。本文介绍了SolidWorks软件的基本模块，功能及应用方法，同时对CAD/CAM的发展现状进行了分析，确定利用SolidWorks进行机械设计的必要性及可行性。最后，文章利用减速机的设计完成了该软件在机械设计，机械动力学仿真性能。通过验证，利用CAD/CAM软件对机械设计制造进行数字化，极大地提高了产品设计的效率，缩短了产品开发的周期，提高了企业的效率。

关键词：SolidWorks;减速机

Abstract

This article introduction the machine design and the simulation process and get out the result based on SolidWorks system. In the forther the artical introduced the SolidWorks software, and talk out basic module, the function and the application method of SolidWorks, the simultaneous have carried on the analysis to present situation of the CAD/CAM development, it carries on the machine design using SolidWorksn the necessity and the feasibility. Finally, the article has completed this software using thespeed reducer design in the machine design, mechanical kinetics simulation and NC automatic programming aspect performance. Through the confirmation, carries on the digitization using the CAD/CAM software to the machine design manufacture, enhanced the product design efficiency enormously, reduced the product development cycle, enhanced enterprise's efficiency.

Key words : simulation ;SolidWorks ;speed reducer

目录

第一章CAD/CAM技术的介绍 (1)

1.1 我国CAD/CAM的发展现状 (1)

1.2 CAD/CAM技术的发展趋势 (2)

第二章SolidWorksn软件介绍 (5)

第三章一级齿轮减速机的设计与建模 (8)

3.1 减速机的介绍 (8)

3.2建模步骤 (8)

3.3大齿轮的建模 (8)

3.4上箱体的建模 (11)

3.5下箱体的建模 (15)

3.6 减速机的装配 (20)

第四章结论与展望 (22)

参考文献 (23)

致谢 (24)

第一章CAD/CAM技术的介绍

CAD/CAM技术以计算机及周边设备和系统软件为基础，它包括二维绘图设计、三维几何造型设计。是一种设计人员借助于计算机进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力有机地结合起来。计算机辅助设计/计算机辅助制造，简称CAD/CAM，该技术是以计算机数控技术、计算机图形技术、计算机数据分析技术及计算机网络技术为基础发展起来的，是计算机在工程应用中最有影响的技术之一，推动了几乎一切领域的设计革命，在机械行业的应用中尤以模具制造业的应用成果最为突出。CAD/CAM技术的引入，不仅提高了产品质量，缩短了新产品的开发周期，也为工厂实现由产品设计、生产到管理的一体化，无图纸化奠定了基础。

CAD/CAM建模（造型）是CAD/CAM的核心技术和基础，对CAD/CAM 的整体技术水平及相关功能的发展至关重要。当今流行的商品化CAD/CAM系统主要基于2D平面或3D线框造型，3D曲面造型和参数化实体造型三种。

1、2D平面或3D线框造型以AutoCAD等为代表，主要解决计算机绘图初级工作。

2、3D曲面造型。以DUCT/SHAPE为代表，是3D建模技术发展方向之一，在解决复杂形体单一零件的三维建模方面起着不可替代的作用。特别适合于复杂模具、汽车、飞机等复杂曲面产品设计与制造。

3、参数化实体造型。以SOLIDWORKS、SOLIDEDGE为代表的实体造型如实反映了所设计零件的空间结构，参数化设计确保了零件、部件、总装及2D、3D工程图纸修改的相关性，完全符合机械设计过程。

1.1 我国CAD/CAM的发展现状

随着市场竞争的日益激烈，用户对产品的质量、成本、上市时间提出了越来越高的要求。我国的CAD/CAM技术在近20年间也取得了可喜成绩。通过国家科委实施的863计划中的CIMS主题，也促进了CAD/CAM技术的发展,CAD/CAM系统的软、硬件主要依靠进口．拥有自主版权的软件较少；缺少设备和技术力量，有些企业尽管引进了CAD/CAM系统，但二次开发能力弱，其功能没能充分发挥。

1.2 CAD/CAM技术的发展趋势

CAD／CAM技术是随着计算机技术的发展而发展起来的，虽然这项技术的发展时间不长，但它的发展速度很快。目前它已经成为新一代生产技术的核心，被公认为提高制造业生产率和产品竞争力的关键。CAD／CAM系统在其形成和发展过程中，针对不同的应用领域、用户需求和技术环境，表现出不同的发展水平和构造模式。CAD和CAM两项技术虽然几乎是同时诞生的，但在相当长的时间里却是按照各自轨迹独立地发展来的。

CAD技术的发展大体经历了四个阶段：

1．形成阶段

1950年美国麻省理工学院采用阴极射线管(CRT)研制成功图形显示终端，实现了图形的屏幕显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历史，并在此基础上，孕育出一门新兴学科——计算机图形学。

2．发展阶段

20世纪50年代后期出现了光笔，从此开始了交互式绘图的历史。20世纪60年代初，屏幕菜单指点、功能键操作、光笔定位、图形动态修改等交互绘图技术相继出现。1962年美国人Iva Sutherland开发出第一个交互式图形系统——Sketchpad。此后，相继出现了一大批商品化CAD软件系统。但是由于显示器价格昂贵，CAD系统很难推广。直到60年代末期，显示技术有了突破，显示器价格大幅度下降，CAD系统的性能价格比大大提高，CAD用户开始以每年30％的速度逐年递增。n

在显示技术发展的同时，计算机图形学也得到了很大发展，整个70年代，以二维绘图和三维线框图形为主的CAD系统形成主流。

3．成熟阶段

第一个实体造型(Solid Modeling)试验系统诞生于1973年，第一代实体造型软件于1978年推向市场，80、90年代实体造型技术成为CAD技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的CAD软件系统。实体造型技术的发展和应用大大拓宽了CAD技术的应用领域。

4．集成阶段

CAD、CAM各自对设计过程和制造过程所产生的巨大推动作用已被认同，

加之设计和制造自动化的需求，集成化CAD／CAM系统的出现是自然而然的事。到了20世纪90年代，几乎所有的CAD／CAM系统都通过自行开发或购买配套模块的方式实现了系统集成。

（1）CAM技术的发展

如前所述，除了CAPM、PAC等与管理层相关的内容外，CAM技术的发展主要是在数控编程和计算机辅助工艺过程规划两个方面。其中的数控编程主要是发展自动编程技术。这种编程技术是由编程人员将加工部位和加工参数以一种限定格式的语言(自动编程语言)写成所谓源程序，然后由专门的软件转换成数控程序。1955年美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室公布了APT(Automatically Tools)系统。在该系统基础上，后来又发展成APTⅢ、APT-IV。60年代初，西欧开始引入数控技术。在自动编程方面，除了引进美国的系统外，还发展了自己的自动编程系统。如英国国家工程研究所（NEL）的ZCL，西德的EXAPT。此外，日本、苏联、中国也都发展了自己的自动编程系统。如日本的FAPT、HAPT，苏联的CПC、CAПC，中国的ZBC一1、ZCX一3、CAM一251等。

经过几十年的发展，以APT语言为代表的数控加工编程方法已经非常成熟，甚至当今最好的CAD／CAM系统也还带有APT源程序输出功能，将CAD数据传递给APT系统进行处理，并产生机床数控指令。

随着计算机技术、CAD技术的发展，数控编程开始向交互式图形编程过渡。借助CAD图形，以人-机交互的方式将有关工艺路线及参数输入编程系统，再由系统生成数控加工信息。与批处理式的语言编程相比，此种编程方式是很大进步。目前绝大多数商品化CAD／CAM系统中，数控编程都采用此方式，如UGII、EUCLID、Intergraph、CV、I-DEAS等。

70年代后，人们开发出面向图形的数控编程系统GNC，它作为面向产品制造的应用系统，得到了迅速的发展和推广。它将几何造型、图形显示、数控编程和后置处理等功能模块有机地结合一起，有效地解决了编程数据的来源问题，有利地推动了CAD、CAM技术向着一体化和集成化的方向发展。

（2）CAD／CAM技术的发展

进入70年代，CAD、CAM开始走向共同发展的道路。由于CAD与CAM 所采用的数据结构不同，在CAD／CAM技术发展初期，主要工作是开发数据接

口，沟通CAD和CAM之间的信息流。不同的CAD、CAM系统都有自己的数据格式规定，都要开发相应的接口，不利于CAD／CAM系统的发展。在这种背景下，美国波音公司和GE公司于1980年制定了数据交换规范IGES(1nitial Graphics Exchange Specifications)。这一规范后来被认可为美国ANSI标准。IGES 规定了统一的中性文件格式，不同的CAD、CAM系统可通过此中性文件进行数据交换，形成一个完整的CAD／CAM系统。将不同的系统通过适当的媒介集成到一起，这就给CAD／CAM集成化提供了一种很好的想法，许多商品化CAD ／CAM或CAD／CAM／CAE系统都是在这种思想指导下开发的。从本质上讲这是系统的集成，即将不同的系统集成到一起。

随着CAD／CAM研究的深入和实际生产对CAD／CAM要求的不断提高，人们又提出用统一的产品数据模型同时支持CAD和CAM的信息表达，在系统设计之初，就将CAD／CAM视为一个整体，实现真正意义的集成化CAD／CAM，使CAD／CAM进入了一个崭新的阶段。统一产品模型的建立，一方面为实现系统的高度集成提供了有效的手段，另一方面，也为CAD／CAM系统中实现并行设计提供了可能。目前，各大商品化软件纷纷向此方向靠拢。例如SDRC 公司的I-DEAS Master serial版，在Master Model的统一支持下，实现了集成化CAD／CAM，并在此基础上实现并行工程。

80年代，出现了一大批工程化的CAD／CAM商品化软件系统，其中较著名的有CADAM，CATIA，UG-Ⅱ，I-DEAS，Pro／ENGINEER，ACIS等，并应用到机械、航空航天、汽车、造船等领域。

进入90年代以来，CAD／CAM系统的集成度不断增加，特征造型技术的成熟应用，为从根本上解决由CAD到CAM的数据流无缝传递奠定了基础，使CAD／CAM达到了真正意义上的集成，从而发挥出最高的效益。

第二章SolidWorksn软件介绍

美国SolidWorks公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司，公司宗旨是使每位设计工程师都能在自己的微机上使用功能强大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系统，公司主导产品是世界领先水平的SolidWorks软件。

90年代初，国际微机市场发生了根本性的变化，微机性能大幅提高，而价格一路下滑，微机卓越的性能足以运行三维CAD软件。为了开发世界空白的基于微机平台的三维CAD系统，1993年PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks 软件，引起世界相关领域的一片赞叹。在SolidWorks软件的促动下，1998年开始，国内、外也陆续推出了相关软件；原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件，也从1999年开始，将其程序移植到Windows操作系统中。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名，从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖

第一个基于Windows平台的三维机械CAD软件l

第一个创造了FeatureManager特征管理员的设计思想l

第一个在Windows平台下实现的自顶向下的设计方法l

第一个实现动态装配干涉检查的CAD软件l

第一个实现智能化装配的CAD公司l

第一个开发特征自动识别FeatureWorks的软件公司l

第一个开发基于Internet的电子图板发布工具(eDrawing)的CAD公司由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以原来一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。

功能描述

自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力，不仅做到尺

寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。

用户可以在装配布局图做好的情况下，进行设计其它零部件，并保证布局图、零部件之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其它与之相关的模型、尺寸等自动更新，不需要人工参与。

自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后，运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力，在装配关系定制好之后，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。

用户可以在产品的装配图做好后，可以设计其它零部件、添加装配关系，并保证零部件之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其它与之相关的模型、尺寸等自动更新，不需要人工参与。

在SolidWorks 中，用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或装配体的多个变种(即系列零件和装配体族)，而其多个个体又可以同时显示在同一总装配体中。其它同类软件无法在同一装配体中同时显示一个零件的多个个体，其它同类软件也无法创建装配体族。具体应用表现在：（1）设计中经常需要修改和重复设计，并需要随时考查和预览同一零部件的不同设计方案和设计阶段，或者记录下零部件在不同尺寸时的状态或不同的部件组合方案，而不同的状态和方案又可同时在一张工程图或总装配体内同时显示出来，因而SolidWorks 利用配置很好地捕捉了实际设计过程中的修改和变化，满足了各种设计需求。

（2）特定的设计过程如钣金折弯的状态和零件的铸造毛坯还是加工后的状态可从单一零件文档中浏览或描述在同一工程图中，其它同类软件只有通过使用派生零件的方法才能实现。

（3）图形显示和性能方面，利用配置功能SolidWorks 可通过隐藏/显示和压缩等手段实现同一部件的不同个体显示在同一总装配体中，而其它同类软件是无法做到的，即在其它同类软件的装配体内，一个部件的所有实例必须是相同的。这将大大降低显示性能。

（4）配置提供了便于创新的结构化平台，帮助工程师扩充功能达到了新的高

度。SolidWorks 的管道设计模块就是利用配置管理的功能，工程师只要通过简单的拖拉操作即可实现自动找出与已有管接头尺寸完全配合的管道规格，而无须事先指定相应尺寸规格的管道，也正是基于配置；SolidWorks 方便地实现了有孔时自动从标准件库中找到合适尺寸的螺栓与之配合，同时又找到相应规格的螺母和垫圈与螺栓配合；SolidWorks 之模具模块也是利用了配置来管理其模架库；SolidWorks 还利用配置技术创建了一基于INTERNET的三维产品目录管理和交付服务的实时在线3D网站(https://www.360docs.net/doc/833346697.html,); SolidWorks 中所提供高级功能如Smartparts,柔性化的子装配以及交替位置视图等也都是因为有了配置才有了实现的可能。其它同类软件的固有结构决定他们不能支持功能强大的配置管理。

第三章一级齿轮减速机的设计与建模

3.1 减速机的介绍

减速机是常见的工业产品。包括上下箱体、减速器齿轮及配件。上箱体包括箱实体、安装孔、观察孔、筋板、吊环，下箱体包括箱实体、安装孔、筋板、油尺、放油孔等。

它由电动机通过带轮带动，在通过两齿轮啮合而带动输出轴，实现减速。电动机的转数先经带轮后，再由减速箱内的一对齿轮减速，最后达到要求的转数。

两个轴分别由一对滚动轴承6204和6206支承，轴承安装时的轴向间隙由调整环调整。减速机采用稀油飞溅润滑，箱内油面高度通过指示片进行观察。通气塞的作用是为了随时排放箱内润滑油受热后挥发的气体和水蒸气等。

3.2建模步骤

本章应用到的知识点有拉伸、旋转、打孔、抽壳、筋板等操作，以及各种部件的装配，并在齿轮设计中使用了变截面扫描以及关系式。

步骤说明：

创建减速器箱体。

创建箱体一侧沉孔、轴承座和轴承孔等特征，通过特征复制完成另一侧特征创建。

创建箱体上的其他特征，如放油孔和油尺孔等。

创建减速器箱盖实体。

创建箱盖一侧轴承座、轴承孔、安装孔等特征，通过特征复制完成另一侧特征创建。

创建箱盖上的其他特征，如加强筋等。

创建减速器齿轮。通过扫描切割工具，创建齿轮。

创建轴承座及轴承端盖。

装配。

3.3大齿轮的建模

（1）单击新建文件按钮，或选择【文件】【新建】命令新建一个零件文件。

（2）单击草图绘制按钮，新建一张草图。默认情况下，新的草图在前视基准面上打开。

（3）以原点为圆心绘制一个直径为114mm的圆。

（4）单击特征工具栏上的拉伸按钮，在【拉伸】属性管理器中设置如图3-1所示的参数值。

（5）在拉伸件1的一个面上绘制草图2。两个圆，一个直径为105mm,另一个直径为114mm，如图3-2所示。

（6）再接着绘制样条曲线，如图3-3所示，形成齿轮的一个齿。

（7）单击特征工具栏上的拉伸按钮，在【拉伸】属性管理器中设置如图3-4所示的参数值。

（8）单击特征工具栏上的圆周阵列按钮，在【圆周阵列】属性管理器中设置如图1-5所示的参数值。齿轮的各个齿形就生成了，如图3-5所示。

（9）在前视基准面上绘制草图3，如图3-6所示。

（10）单击特征工具栏上的拉伸-切除按钮，在【拉伸-切除】属性管理器中设置拉伸切除方向为给定深度，深度为140mm，生成如图1-7所示的实体。

（11）再在前视基准面上绘制草图4，如图3-8所示。

（12）单击特征工具栏上的拉伸-切除按钮，在【拉伸-切除】属性管理器中设置拉伸切除方向为给定深度，深度为30mm，并且点亮拔模按钮拔模度数为30°。

（13）然后以前视基准面为基准建立基准面1，距离为70mm，再选择镜像按钮，镜像参数如图3-9所示。

（14）大齿轮就形成了，如图3-9所示。

图1-1

图3-1 图3-2 图3-3 图3-4 图3-5 图3-6

图3-7 图3-8

图3-9

3.4上箱体的建模

（1）单击新建文件按钮，或选择【文件】【新建】命令新建一个零件文件。

（2）单击草图绘制按钮，新建一张草图。默认情况下，新的草图在前视基准面上打开。

（3）绘制如图3-10所示的草图，在拉伸特征工具栏中输入拉伸方向为【两侧对称】拉伸值为26mm。

（4）绘制如图3-11所示的草图，在拉伸特征工具栏中输入拉伸方向为【两侧对称】拉伸值为7mm。

（5）绘制如图3-12所示的草图，在拉伸特征工具栏中输入拉伸值为22mm。

图3-10

图3-11

图3-12

（6）单击特征工具栏上的钻孔按钮，选中要打孔的位置打孔，如图3-13所示。

图3-13

（7）画草图3-14所示，并拉伸，在拉伸特征工具栏中输入拉伸值分别为102mm;2mm。

图3-14

（8）选择正前面的面为基准面画草图3-15，在拉伸切除工具栏中的方向选择完全贯穿得出如图实体。

图3-15

（9）在前视基准面上画草图3-16，并拉伸切除，在拉伸切除工具栏中输入拉伸方向为【两侧对称】拉伸值为20mm。

图3-16

图3-17

（10）画草图3-17，在特征菜单下，单击拉伸切除，在方向中输入3mm，如图2-8.

图3-18

（1）画草图3-18，在特征菜单下，单击【筋】，在参数管理器中输入方向1，2为4mm。

（2）单击特征工具栏上的镜像按钮，在【镜像】属性管理器中设置镜像特征

图3-19

（13）在实体上绘制如图3-19所示的草图。

（14）单击特征工具栏上的拉伸按钮，在【拉伸】属性管理器中设置拉伸参数为3mm，是向上拉伸，如图2-19所示。

图3-20

（15）在拉伸件上绘制如图3-20所示的草图。

（16）单击特征工具栏上的拉伸-切除按钮，在【拉伸-切除】属性管理器中设置切除参数为100mm。

3.5下箱体的建模

（1）单击新建文件按钮，或选择【文件】【新建】命令新建一个零件文件。

（2）单击草图绘制按钮，新建一张草图。默认情况下，新的草图在前视基准面上打开。

（3）绘制如图3-21所示的草图，在拉伸特征工具栏中输入拉伸值为7mm。

图3-21

（4）绘制如图3-22所示的草图，在拉伸切除特征工具栏中输入拉伸值为15mm。

图3-22

（6）绘制如图3-23所示的草图，在拉伸特征工具栏中输入拉伸值为12mm。

（7）拉伸后的模型如图3-23所示。

图3-23

(1)绘制如图3-24所示的草图，单击特征工具栏上的拉伸按钮，在【拉伸】属性管理器中设置方向1为53mm，方向2为12mm。

(2)绘制如图3-25所示的草图，在拉伸切除特征工具栏中输入拉伸值为12mm。

图3-24 图3-25

（10）在抽壳开放面绘制如图3-26所示的草图，在拉伸特征工具栏中输入方向1拉伸值为102mm,方向2为2mm。

图3-26

（11）在拉伸件4的面上绘制如图3-27所示的草图，单击特征工具栏上的