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      減速機網(wǎng) 推桿減速器的優(yōu)化設(shè)計及CAD系統(tǒng) 減速機網(wǎng)
      來源:減速機信息網(wǎng)    時間:2010-5-26 17:52:20  責任編輯:writer  
       推桿減速器的優(yōu)化設(shè)計及CAD系統(tǒng)
      為了提高推桿減速器的設(shè)計質(zhì)量和效率,減小設(shè)計人員的勞動強度,有利于形成產(chǎn)品系列化,我們研制了一個實用的推桿減速器CAD系統(tǒng)。使用本系統(tǒng)不僅能夠?qū)ν茥U減速器進行優(yōu)化設(shè)計,使構(gòu)件設(shè)計合理,產(chǎn)品性能得到改善。而且能對機構(gòu)運行狀態(tài)進行動態(tài)仿真,繪制圖紙,形成內(nèi)齒圈齒廓的數(shù)控加工數(shù)據(jù),并可直接控制數(shù)控插齒機床完成對內(nèi)齒圈齒廓的數(shù)控加工。
      5.1優(yōu)化設(shè)計變量和目標函數(shù)
      5.1.1優(yōu)化設(shè)計變量
      推桿減速器中內(nèi)齒圈齒廓的形狀是決定機構(gòu)性能的主要因素,從齒廓方程可知,推桿減速器的基本設(shè)計變量是:激波器半徑Tb、偏心距e,滾子半徑Tz以及推桿長度l。為了使各設(shè)計變量相對取值合理,引用傳動參數(shù) ,ξ、ζ來表示設(shè)計變量之間的關(guān)系,它們分別叫做激波系數(shù),滾子系數(shù),桿長系數(shù)。記作:
      5.1.2目標函數(shù)
      根據(jù)對推桿減速器的不同使用要求,其優(yōu)化設(shè)計可選取不同的目標函數(shù),本文選取理論嚙合效率極大作為優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。推桿減速器一般工作在輸入轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分左右的情況下,這時慣性力對嚙合效經(jīng)的影響可忽略,將傳動參數(shù)代入前面的效率計算公式(3.22)中,可得:
      式中:
      可見,忽略慣性力后,理論傳動效率完全由傳動參數(shù)和內(nèi)齒圈齒數(shù)ZN所確定。
      將式(5.3)代入到式(3.23)中,得到的就是優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。
      5.2 優(yōu)化設(shè)計變量初值的確定
      優(yōu)化設(shè)計變量的初始數(shù)值主要是根據(jù)機構(gòu)的接觸強度要求來選取。由于摩擦角一般很小,對計算接觸應(yīng)力的影響不大,所以將其忽略。這時,前述的計算接觸應(yīng)力的公式可以得到大大簡化。
      用T1表示機構(gòu)輸入扭矩,忽略摩擦角后,式(3.26)變?yōu)椋?/DIV>
      求上式表達的最小值,就是將嚙合定位角 在其取值范圍內(nèi)進行一維搜索,以獲得最小結(jié)果。從而:
      用Bb表示滾柱的工作長度b與直徑的比值,則:
      b=2TZBb                                 (5.6)
      Bb的值通常在1和2之間。
      將式(5.5)與(5.6)代入式(3.25)并整理后可得:
      由上式,可根據(jù)激波器與內(nèi)滾子的許用接觸應(yīng)圖[σ]HJ來確定激波器半徑的取值范圍。
      將傳動參數(shù)代入式(3.30)中,并令:
      則外滾子中心軌跡的曲率k2可表示為:
      上式中最大值的求法,也是以嚙合定位角為變量,在其取值范圍內(nèi)進行一維搜索,從而求得極大值,由此可得如下的表示式:
      上式為根據(jù)內(nèi)齒圈與外滾子的許用接觸應(yīng)力所確定的激波器半徑的取值范圍。顯然激波器半徑Tb的取值應(yīng)同時滿足式(5.9)及式(5.14)的要求。
      根據(jù)對現(xiàn)有推桿減速器的統(tǒng)計分析,可獲得傳動參數(shù)的取值范圍。在此范圍內(nèi),指定一組傳動參數(shù)的值,取同時滿足式(5.9)及式(5.14)的Tb作為激波器半徑,于量:
      這組數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化設(shè)計變量初值。
      5.3約束條件
      約束條件主要包括以下幾個方面:
      (1)頂切的限制
      當有頂切現(xiàn)象發(fā)生時,推桿的工作區(qū)域角將減小,從而導致實際工作推桿數(shù)的減小,使接觸應(yīng)力增大,工作不平穩(wěn)。前已指出,當外滾子中心軌跡曲線在齒頂處的曲率半徑小理滾子半徑時,將發(fā)生頂切。在對應(yīng)齒頂處,激波器轉(zhuǎn)角 ,將其代入式(3.30),可得外滾子中心軌跡曲線在齒頂處的曲率半徑k2(0)為:
      經(jīng)計算可知,有頂切發(fā)生時,使效率隨之有所增高,所以要進一步提高嚙合效率,可去掉此限制條件。
      (2)滿足強度條件
      根據(jù)前面的分析,強度的約束條件可表示為:
      (3)傳動參數(shù)取值范圍
      根據(jù)對現(xiàn)有推桿減速器的統(tǒng)計分析,表明傳動參數(shù)的取值范圍通常是:
      式中:Sh為軸承許用工作壽命,一般可取5000小時;ω為軸承轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分);C為客定動載荷(N),可由軸承查得;fd為動載荷系數(shù),可取fd=1.2~1.4;Fd為軸承所擔負的動載荷:
      將式(3.16)及式(3.17)代入上式,并整理可得:
      將嚙合定位角 在其取值范圍內(nèi)進行一維搜索,可求得軸承所擔負的最大動載荷。優(yōu)化計算過程中,應(yīng)以最大動載荷代入式(5.21)中的Fd。
      5.4優(yōu)化設(shè)計方法步驟
      本系統(tǒng)采用的優(yōu)化設(shè)計方法是罰函數(shù)法,由于約束函數(shù)均為不等式約束,故采用內(nèi)點法構(gòu)造懲罰項,即對目標函數(shù)F(X)和約束函數(shù)Gj(X)≤0 ,構(gòu)造如下的的罰函數(shù):
                                         (5.24)
      并使用鮑威爾(POWELL)法求P(X,T(k))的無約束極小點。
      從前面的數(shù)學模型可以看出,盡管效率的計算只與傳動參數(shù)有關(guān),但接觸應(yīng)力的計算卻要用到實際的設(shè)計變量,傳動參數(shù)僅反應(yīng)了設(shè)計變量的相互關(guān)系,并不能代替設(shè)計變量進行優(yōu)化。
      由于激波器一般使用通用軸承,所以激波器半徑Tb應(yīng)結(jié)合軸承標準來選擇。在程序中,先給各傳動參數(shù)指定其取值范圍的中間數(shù)值,然后根據(jù)接觸應(yīng)力計算,確定滿足強度條件的最小激波器半徑,由軸承檢索程序,確定若干個可行的激波器半徑。在確定可行的激波器半徑時,為了使減速器外徑尺寸不致過大,僅把與應(yīng)力計算結(jié)果相近的軸承半徑及其相鄰型號半徑作為可行的激波器半徑。對每一個可行的激器半徑Tb,調(diào)用優(yōu)化子程序以TZ,e,l為優(yōu)化變量進行優(yōu)化處理。其算法流程如圖5.1所示。
      [ 算例]
      已知推桿減速器的驅(qū)動功率P1=7.5KW,轉(zhuǎn)速ωJ=1500 轉(zhuǎn)/分,傳動比iJc=12,[σ]HJ=850N/mm2,[σ]HN850N/mm2,并假定θ1=0.003 弧度,θ23=0.012弧度,試優(yōu)化設(shè)計該推桿減速器。
      程序中首先應(yīng)求出內(nèi)齒圈齒數(shù)ZN及輸入扭矩T1,假設(shè)該減速器按正向結(jié)構(gòu)設(shè)計,則:
      ZN=iJc-1=11
      T1=
      選Bb1.5,指定 =18,ξ=2,ζ=7。
      根據(jù)接觸應(yīng)力計算,求得的激波器半徑取值范圍是Tb≥49.5mm,檢索中窄系列軸承表,選取2個可行的軸承型號,半徑分別為50mm及55mm,優(yōu)化圓整后的結(jié)果列于表5.1
       
      表5.1 兩個軸承型號對應(yīng)的不同優(yōu)化結(jié)果
                Tb(mm)   e(mm)     Tz(mm)      l(mm)     η
      第一組         50          4.8            8.5            33.4        0.93
      第二組         55          5.7            10.5           35.5        0.96
      顯然使用第二組參數(shù)效率最高,但若考慮使機構(gòu)尺寸較小,應(yīng)選第一組參數(shù)。
      5.5 CAD系統(tǒng)的構(gòu)成及功能
      5.5.1硬件組成
      本系統(tǒng)是在一臺微型計算機super/386基礎(chǔ)上,增加一塊選進的圖形卡,一臺高分辨率顯示器,數(shù)控接口電路及相應(yīng)設(shè)備,組成了一個微機工作站,如圖5.2所示。
      微機內(nèi)存4兆,硬秀120兆,并配有80387協(xié)處理器,為產(chǎn)生副真的三維圖形顯示,系統(tǒng)選用了目前先進的AT2000圖形卡,該卡以TMS34020作為圖形處理芯片,幀緩沖存貯器為4兆,支持11種顯示模式,并配有一臺NEC-5D高分辨圖形顯示器,分辨率為1280×1024,系統(tǒng)采用雙屏工作方式,微機上原配的VGA顯示器用于中文菜單顯示及人機對話,護充的圖形卡用地真實感三難圖形的顯示及工程繪圖。該系統(tǒng)還能直接控制數(shù)控插齒機進行內(nèi)齒圈齒廓的加工。
      5.5.2軟件功能模塊設(shè)計
      軟件主要由分析設(shè)計、圖形管理、數(shù)據(jù)庫管理及摟控加工四大部分組成,并提供了一個友好的人機交互接口界面用于實現(xiàn)漢字人機對話。本交互接口由三級推拉彈出式菜單組成。軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖5.3所示。各大模塊的主要功能及特點如下:
      (1)分析設(shè)計模塊
      可根據(jù)要求進行常規(guī)設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計。能進行機構(gòu)的嚙合效率、受力、強度等計算,并根據(jù)需要檢索數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的數(shù)據(jù)。由指定的數(shù)學模型,對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
      (2)圖形管理模塊
      系統(tǒng)使用特殊需要重點研制和現(xiàn)有Autocad繪圖軟件相結(jié)合的辦法來實現(xiàn)推桿減速器的圖形管理。工程繪圖部分使用Autocad/12.0版軟件,主要用于各種零部件加工圖及裝配圖的生成,以及進行相應(yīng)的尺寸標注。對有些圖形,其數(shù)據(jù)來自婦高級語言組成的計算程序,本系統(tǒng)特別研制了一個用于Autocad接口的處理程序,在使用Autocad的過程中,這個處理程序隨時可被調(diào)用,按指定參數(shù)將計算執(zhí)行后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Autocad可接受的數(shù)據(jù)。對于動態(tài)圖形顯示,由于Autocad系統(tǒng)汗銷大,生成圖形速度慢,本系統(tǒng)采用直接用口語言調(diào)用AT2000 圖形卡作圖源語的辦法來實現(xiàn)。其中幾何建模使用結(jié)構(gòu)立體幾何(CSG)表示模式,光照模型采用Phone模型,圖5.4所示三維圖形就是本系統(tǒng)根據(jù)推桿減速器實際參數(shù)生成的。
      (3)數(shù)據(jù)庫管理模塊
      在推桿減速器的設(shè)計過程中,要翻閱許多手冊,資料及有關(guān)曲線表格,以獲取設(shè)計或校核時所需的各種參數(shù)。例如常用鋼材熱處理后的硬度,許用接觸強度,常用滾動軸承參數(shù)表等,將這些常用的工程數(shù)據(jù)以文件的方式預先存入計算機中,在設(shè)計時由計算機按相關(guān)信息進行檢索,靈活、方便地加以調(diào)用。
      建立公共的數(shù)據(jù)段,將表格和曲線圖轉(zhuǎn)化為相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu),使資料的信息交渙更加方便。數(shù)據(jù)庫管理模塊使用網(wǎng)狀關(guān)系結(jié)構(gòu)模式,其數(shù)據(jù)可以按任意方式連妾,具有能修改及補充動態(tài)模式,存貯圖形及相關(guān)信息,對結(jié)構(gòu)進行存貯等功能。
      (4)數(shù)控加工模塊
      校核所指定的刀具是否在數(shù)控加工過程中會發(fā)生切削干涉,并根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果和所選用的刀具生成加工內(nèi)齒圈齒廓時所需的數(shù)據(jù)文件。由數(shù)控驅(qū)動程序控制Y54數(shù)控插齒機完成內(nèi)齒圈齒廓的加工。
      5.6動態(tài)圖形仿真
      5.6.1圖形仿真在本系統(tǒng)中的作用
      隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及圖形設(shè)備的不斷更新,圖形仿真已顯示出越來越大的效益和作用。在CAD中,圖形仿真尤為重要,如果能通過計算機自動分析,實現(xiàn)設(shè)計、制造過程中的動態(tài)仿真,人們就不僅能根據(jù)數(shù)據(jù)進行判斷,而且能在顯示設(shè)備的屏幕上觀察設(shè)計和制造過程中幾何形體的動態(tài)變化。通過仿真,可進行干涉檢查,確定初始設(shè)計邊界條件。在本系統(tǒng)中,動態(tài)圖形仿真主要用于機構(gòu)運動仿真,零件裝配仿真及數(shù)控加工仿真。
      對于新設(shè)計出的運動機構(gòu),動態(tài)圖形仿真能使設(shè)計者觀察其運轉(zhuǎn)是否正常,運轉(zhuǎn)過程中是否有干涉現(xiàn)象,以及外觀形狀的好壞,達到直觀判斷的目的,成為確定是否改進設(shè)計的一個依據(jù)。
      在內(nèi)齒圈齒廓的數(shù)控加工中,通過對刀具中心軌跡的計算便得到了數(shù)控加工所需的數(shù)據(jù),為了確保計算所得到的數(shù)據(jù)能加工出合格的零件,避免以往反復試切的工序,只需用計算機進行數(shù)控加工仿真。數(shù)控加工仿真就是把零件模型,刀具外形、刀具中心軌跡在屏幕上顯示出來,模擬數(shù)控的動態(tài)加工過程。通過數(shù)控加工仿真,可檢查刀具中心軌跡是否正確,加工過程是否有過切現(xiàn)象,是否有干涉及碰撞,進退刀具是否合理等。
      5.6.2動態(tài)圖形仿真的主要實現(xiàn)技術(shù)
      動態(tài)圖形仿真是指屏幕上顯示出來的畫面或其中的一部分,能按一定的規(guī)則及要求在屏幕上移動或變化,從而使計算機屏幕上顯示出來的圖象或圖形為動態(tài)變化的技術(shù)。進行動態(tài)圖形仿真的方法很多,最常用的有兩種,即實時動畫和幀動畫。
      實時動畫是在動畫開始時繪制圖象,對計算機運算速度和數(shù)據(jù)處理能力要求很高,如果計算機處理速度跟不上,效果很差。而幀動畫則是先把每一幅圖形提前完成并存貯起來,然后再連續(xù)地顯示它,達到動畫的目的,這種方法可產(chǎn)生較好的動畫效果,但需要大容量的存貯器。
      在本系統(tǒng)中,數(shù)控加工仿真采用的是實時動畫技術(shù),這是因為內(nèi)齒圈齒廓曲線實際上是一條平面曲線,數(shù)控加工仿真可用一個平面圖形完成,其動態(tài)仿真可失得良好效果。而對于機構(gòu)運動仿真及零部件裝配仿真使用的是幀動畫技術(shù),因為它們是平面復雜圖形或三維圖形,機構(gòu)運轉(zhuǎn)狀態(tài)的任一微小變化都必須經(jīng)過大量的計算,生成一幅圖形需要較長時間,為了達到動畫的目的,就必須采用幀動畫,預先把處理好的圖形存貯起來,仿真時連續(xù)不斷地調(diào)用它。在調(diào)用的過程中,所要處理的圖形信息量也很大,要達到良好的視覺效果,必須采用快速的算法和傳送數(shù)據(jù)的快速途徑。
      為了在微型計算機上達到滿意的動態(tài)模擬效果,系統(tǒng)中采用了如下幾種措旋:
      (1)利用系統(tǒng)內(nèi)存來存貯圖形,內(nèi)存數(shù)據(jù)的處理品比其它介質(zhì)快得多。把存貯在磁盤文件上的圖形數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中指定的位置,以供顯示時調(diào)用。
      (2)用C語言直接調(diào)用AT2000圖形卡作圖源語,并用匯編語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送,由于匯編語言程序的執(zhí)行代碼簡單,運行速度快,從而增強了動態(tài)效果。
      (3)控制圖象的數(shù)據(jù)格式,將一些反復用到的格式數(shù)據(jù)放在圖形數(shù)據(jù)的前面,節(jié)省了檢索和計算的時間。
      通過以上措施,使本系統(tǒng)的動態(tài)仿真獲得了較為滿意的效果。
       

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