基于Pro/E的齿轮减速器可视化设计
基于Pro/E的齿轮减速器可视化设计
辽宁工程技术大学 机械工程学院 刘雨搏 金宁
摘 要 利用 Pro/E 及其二次开发工具 Pro/Toolkit 和 Visual C++, 进行了齿轮减速器特征建模、与 MFC
接口制作用户界面及多种数据库的访问, 实现了完整的齿轮减速器真正的可视化设计。并将该设计原理和
过程应用于张家口煤矿机械厂刮板运输机的减速器, 实现了整体设计的参数化、可视化, 缩短了产品的设计
时间。
关键词 Pro/E 可视化设计 Pro/Toolkit Visual C++6.0
计算机可视化动态模拟是近几年发展起来的一门新型学
科。针对某一研究项目, 用户根据某些初始条件和理论分析建
立相关的数学模型, 运用计算机这一先进工具编制相应的软
件, 模拟其真实的运动情况。通过模拟数据结果对照已有的真
实试验测试结果, 可以验证该动态模拟基于的数学模型建立
得是否正确; 并且即而推广到尚无真实试验结果的未知领域,
通过动态模拟得到所需的数据或结论。
Pro/E 是美国参数化技术公司( PTC) 开发的通用 CAD 软
件, 该软件集三维模型设计、加工、分析及绘图功能于一体, 有
强大的二次开发能力和第三方软件支持。Pro/E 以特征为设计
单位, 设计过程中, 除了充分掌握设计思想外, 还导入了实际
的制造思想。Pro/Toolkit 是 PTC 为 Pro/E 软件提供的用户化工
具箱。该工具箱为用户程序或软件第三方程序提供了与 Pro/E
的无缝连接。用户程序或第三方程序是用 C 语言编写的。Pro/
Toolkit 提供了 1 个 C 的函数库, 该函数库能够使用户或第三
方的应用程序以一种可控制的, 安全的方式访问 Pro/E 的数据
库和应用。
减速器是一种用途十分广泛且比较典型的机械装置, 目
前国内虽然有了对减速器的齿轮和轴的可视化设计, 但是对
于完整的减速器的可视化设计还处于空白, 如果能将整体的
设计完全实现参数化、可视化, 那么可以缩短产品的开发设计
时间和节约可观的设计资金, 具有重要的设计和经济价值。
1 齿轮减速器的可视化设计原理
本设计基于 Pro/E 便于交互及强大的二维、三维绘图功
能, 采用 Top- Down 自顶向下设计思想, 先确定总体思路、设计
总体布局, 然后设置零部件, 最后完成一个完整的设计。利用
Program 模块实现装配中零部件的自动装配、自动替换和零部
件的自动抑制等功能, 包括轴的强度计算、结构设计、工作图
绘制一体化。
齿轮减速器的体积、重量及其承载能力主要取决于传动
参数的选择, 设计问题一般是在给定传动比和输入转矩的情
况下, 确定各轮的齿数, 模数和齿宽等参数。在选择设计参数
时采用了很多设计方法, 如优化设计、模糊设计和可靠设计
等。其中优化设计采用 Pro/E 自带的模块, 利用有限元分析简
化模型, 模拟真实环境中的工作状况, 对元件进行应力分析和
变形计算, 通过指定设计参数, 并借助优化分析为模型寻求到
最佳参数。当基本的参数设计完成以后, 出现一个完整的减速
器特征模型, 就开始进入到可视化设计。
减速器作为独立的驱动元部件, 由于应用范围极广, 其产
品必须按系列化进行设计, 以便于制造和满足不同行业的选
用要求。针对其输入功率和传动比的不同组合, 可获得相应的
减速器系列。在以往的人工设计过程中, 在图纸上尽管能实现
同一机座不同规格的部分系列表示, 但其图形受到极大限制。
采用 Pro/E 的 Pro/Toolkit 二次开发工具来实现这一过程, 不仅
能完善上述工作, 使设计完全可视化, 方便设计操作, 而且使
系列产品的技术数据库, 图形库的建立、查询成为可能, 使设
计速度加快。
以张家口煤矿机械厂自行研制设计生产, 用于刮板运输
机的减速器为例。对于其可视化设计的主要设计方案是: 通过
对 Pro/Toolkit 开发工具包的研究和分析, 提出基于三维模型的
用户定义参数、用户定义特征和特征约束符号三种参数化设
计方法, 解决程序设计中的关键技术。在 VC++的集成开发环
境, 使用 MFC 进行 Pro/E 应用程序的设计和创建, 实现交互界
面的可视化设计。
2 齿轮减速器可视化设计的实现
第一步, 利用 UI 对话框技术, 在 Pro/Toolkit 应用程序中设
计出风格与 Pro/E 系统本身具有的对话框类似的人机交换界
面。UI 对话框的设计主要涉及两个方面: 一是按界面的布局编
写资源文件; 二是针对 UI 对话框的功能编写相应的控制程
序。不足之处是用文本文件的形式定义对话框不能直观的反
映界面的布局, 设计、修改和调试都比较困难, 所以我们采用
MFC( Microsoft Foundation Class) 来设计对话框的编程技术,
MFC 是 Visual C++程序的一个重要软件资源, 使用 MFC 可以
充分利用 Visual C++开发环境提供的先进技术工具, 实现程序
界面的可视化设计。创建对话框的一般步骤如下:
( 1) 应用程序向导 AppWizard 创建 Pro/Toolkit 应用程序基
本框架。
( 2) 在由 AppWizard 创建的且与工程文件名同名的 CPP
文件中添加 user_initializ( ) 和 user_terminate( ) 函数。因为需要
通过 Pro/E 的菜单项启动对话框, 在 user_initializ( ) 添加菜单
定义和菜单动作函数设置。
( 3) 创建对话框。使用 Developer Studio 的对话框编辑器可
以实现对话框的可视化设计。
( 4) 用 ClassWizard 创建对话框类, 自动生成 Cdialog 派生
类定义的头文件和相应的实现文件。
( 5) 创建和显示对话框, 其程序代码在菜单动作函数中设
计。
( 6) 生成 Pro/Toolkit 应用程序。
第二步, 用交互方式创建三维模型。在已创建的减速器零
件三维模型基础上, 再利用 Pro/E 的参数功能建立设计参数,
也就是进一步根据零件的设计要求建立一组可以完全控制三
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维模型形状和大小的设计参数, 然后由 Pro/Toolkit 应用程序检
索出模型的设计参数, 参数化程序针对该零件的设计参数进
行编程, 实现设计参数的检索、修改和根据新的参数值生成新
的三维模型的功能。
第三步, 菜单事件处理函数。根据设计的需要, 采用 Top-
Down 自顶向下、由主及次、逐步求精的结构化思想构造所需
的菜单系统, 这些功能都通过调用 Pro/Toolkit 的库函数来实
现。设计和编码菜单事件处理函数是开发者要做的主要工作,
每个菜单项都应给出相应的菜单事件处理函数。设计层次性
的菜单系统后, 对某一具体的菜单事件处理, 依然采用逐步求
精的结构化思想, 将菜单事件处理尽可能细化。从而使设计和
编码工作能按步骤、有条不紊地进行。所有的菜单设定完成以
后, 当用户激活某一菜单, 系统就会执行相应的功能。
最后采用常规列表框与编辑框相结合的技术, 创建表格
式列表框, 通过交互界面直接对参数名及参数值进行修改。根
据上述方式, 并结合 Visual C++的编程技术, 完成整个减速器
的可视化设计。
3 结论
基于 Pro/E 的二次开发工具 Pro/Toolkit 及 Visual C++的可
视化界面, 不仅可以完成特征的建模功能, 又能与 MFC 接口制
作出图文并茂的用户界面及多种数据库的访问功能, 实现减
速器真正的可视化设计, 对其他产品的设计有很大的借鉴意
义。
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作者简介
刘雨搏, 1974 年出生, 男, 辽宁阜新人, 硕士研究生, 讲师。
( 收稿日期: 2008- 1- 8)
互备用, 大大提高了提升机电控系统的安全可靠性。
2.2 系统中动力制动组成原理
系统动力制动采用西门子 6RA70 来实现, 在动力制动投
入时, 其作为一个可调直流电源, 受 PLC 控制产生制动电流。
6RA70 的输入输出端子可以自由定义和使用。
根据异步电动机定子三相接入两相直流电的方式不同,
可以有五种动力制动连接方式, 但是两相直接接入方式接线
最为简单, 应用最多。动力制动的双闭环直流调速系统与常规
的直流调速系统不同。速度给定信号由 PLC 根据行程计算得
到, 实际速度由编码器脉冲运算得到。当实际速度大于给定速
度时, 速度调节器输出正值, 6RA70 有直流输出, 起到了直流
制动的目的; 而实际速度小于给定速度时, 速度调节器输出为
零, 6RA70 没有直流输出, 异步电动机在惯性或位势性负载作
用下加速。
动力制动主要用于减速和动力制动下放重物的情况下。
动力制动减速是根据计算的行程, 在到达减速点以后, 根据实
际速度和给定速度偏差, 来调节制动电流。动力制动下放重物
是利用重物下放过程中定子两相通入的直流电与旋转的转子
相互切割而产生制动力矩和负载力矩的不同关系来实现不同
的运行状况。为了保证系统运行的安全可靠, 在运行时, 同时
投入液压站闸的速度闭环, 即在实际速度比给定速度大时, 液
压部分也辅助参与到减速过程中来。
6RA70 软件中采用速度和电流双闭环调速系统结构。速
度偏差经 PI 调节得到电流给定, 电流给定和实际电流比较, 偏
差经 PI 调节产生触发控制角度, 控制晶闸管输出不同的直流
电压。另外, 转矩和电流都可以进行限幅。励磁部分由励磁电
流闭环部分来独立实现。
3 结语
对原系统采用 PLC 全数字改造与采用变频器改造或直流
全数字改造相比较, 具有投资小、改造周期短和简便易行的特
点。采用变频器改造需要用中压变频器, 而高压变频器价格昂
贵, 或者可以采用“高- 低- 高”方案, 这种方案复杂, 成本也
不低。采用直流调速系统, 虽然调速性能不错, 但是需要更换
电机, 这就增加了投资成本, 而且改造时间加长, 还会影响正
常的生产。
系统设计具有通用性, 对 TKD- A 系统改造设计具有参
考价值, 系统的突出优点如下: 基于双 PLC 结构的提升机
TKD- A 调速系统设计功能完善, 运行安全可靠; 采用全数字
直流调速器实现动力制动以后, 结合 PLC 可以实现双闭环控
制, 减速段以准 S 曲线来运行, 减速平稳; 显示屏上显示了罐
笼位置、速度(给定速度、实际速度、包络线速度)、系统状态等,
便于操作。
参考文献
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1980.
作者简介
吴怀平,( 1956～ ) 男, 汉族, 安徽巢湖人, 工程师, 毕业于
安徽理工大学, 现在淮南矿务局顾桥煤矿南区安装科从事绞
车安装和维护工作。
( 收稿日期: 2007- 11- 19)
煤矿现代化 2008 年第 2 期 总第 83 期
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