基于Pro/E行星齒輪減速板手的運(yùn)動仿真

黃永程+覃羨烘+王鵬程+李俏

摘 要：Pro/E軟件進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)是在很直觀的三維環(huán)境中進(jìn)行，同時也為此避免了大量而且繁瑣的空間尺寸計(jì)算，代之以直接的觀察和測量來保證整個設(shè)計(jì)的正確性。行星齒輪作為重要的傳動裝置，在機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，行星齒輪減速扳手是種便攜式扭矩放大螺栓緊固工具，其核心是一個2K-H行星輪系減速增力結(jié)構(gòu)，行星輪系作為增力結(jié)構(gòu)具有的體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是采用行星輪系輸入較小的力矩可以得到很大的輸出力矩。本文是基于Pro/E對建立好的行星齒輪減速扳手進(jìn)行裝配約束并運(yùn)動仿真，以滿足其使用性能。

關(guān)鍵詞：傳動裝置；行星齒輪；減速扳手；運(yùn)動仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.248

0 引言

通過行星齒輪傳動減速放大力矩，使得輸入較小的力矩，就可以輸出較大的力矩，從而“輕松”地松開和緊固螺栓。行星齒輪減速扳手有輸入很小的力矩就可以得到很大的輸出力矩，具有體積小、重量輕、便于攜帶、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，很適合應(yīng)用于我國貨車運(yùn)輸領(lǐng)域。一般市場上銷售的便攜帶式扳手，其工作原理是通過增大力臂和作用力來增大扭矩。這種扳手的輸入力矩也就是輸出力矩。而人所產(chǎn)生的作用力是有限的，只能通過增大力臂來增大輸出力矩，即增長扳手手柄的長度，與其便于攜帶這一特點(diǎn)產(chǎn)生矛盾，且即使這樣增大的輸出的扭矩也有限。

20世紀(jì)70年代行星齒輪減速扳手第一次出現(xiàn)。70年代末日本、美國和德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已有定型的大扭矩變扭扳手產(chǎn)品供應(yīng)市場[1]。其中最大力的20-1800P型特尼扳手，最大輸出扭矩達(dá)到1800N.m?，F(xiàn)在國外的放大力矩扳手產(chǎn)品已向自動化，輕型化方向發(fā)展，而智能化已是其發(fā)展趨勢。而國內(nèi)已經(jīng)有的研究都集中于將行星輪系作為減速器和變速器使用，包括運(yùn)動的合成與分解。我國對用做力矩放大機(jī)構(gòu)的行星輪系研究的非常少。

1 Pro/E各零件三維模型

Pro/E采用了模塊的方式，可以分別進(jìn)行草圖的繪制、零件的制作等保證用戶可按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。參數(shù)化設(shè)計(jì)--相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成是幾何模型，而無論是多么復(fù)雜的幾何模型，都可以把其分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成的特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念?；谔卣鹘ro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。64型行星齒輪減速扳手的建模主要對齒輪、軸、芯架、筒體的建模，完成對部件的裝配圖，各個齒輪采用參數(shù)化建模[2-4]，各個零件三維模型如下圖所示：

2 創(chuàng)建連接方式

在裝配環(huán)境中，選擇連接類型創(chuàng)建機(jī)構(gòu)連接，是運(yùn)動仿真設(shè)置的最重要環(huán)節(jié)，該操作直接影響運(yùn)動仿真的設(shè)置效果。連接就是元件與元件、元件與組件通過一定的約束集裝配在一起，并限制兩者的自由度，從而兩者之間建立一個確定的運(yùn)動關(guān)系。在裝配模式下，建立連接的目的是限制零件部分和全部自由度，執(zhí)行該操作是創(chuàng)建運(yùn)動的先決條件。當(dāng)向一個裝配體中添加一個元件時，系統(tǒng)進(jìn)入裝配約束操作界面。在設(shè)置連接約束時，連接到裝配體中的元件與裝配體中其他的元件間存在相對運(yùn)動，運(yùn)動類型與選取的連接類型有關(guān)。每一種連接類型都與一組獨(dú)立的幾何約束相關(guān)聯(lián)，而這些約束與傳統(tǒng)的Pro/E裝配約束（對齊、匹配）意義相同[5]。在設(shè)計(jì)一個機(jī)械裝配時，應(yīng)當(dāng)熟悉元件與裝配中其他各元件間相對運(yùn)動關(guān)系和放置約束關(guān)系，以及該元件的自由度。例如：銷釘連接需要定義一個軸對齊和一個平面匹配（對齊）約束或點(diǎn)對齊約束，這樣銷釘連接就有一個旋轉(zhuǎn)自由度，這就意味著使用銷釘連接的元件可以相對于它所依附的元件旋轉(zhuǎn)，但不能在該元件上移動或移開，如圖2-1所示是輸入軸的銷釘連接：

由于銷釘約束是最基本的連接類型，將元件連接至參照軸，元件可以繞指定軸旋轉(zhuǎn)，具有1個旋轉(zhuǎn)自由度。如圖2-2、圖2-3是約束后的裝配圖，為后續(xù)仿真做準(zhǔn)備。

3 建立動力模型

在Pro/E5.0中，單靠設(shè)置元件與組件的約束方式，使元件在組件中保留部分自由度，元件在組件中仍然無法移動或旋轉(zhuǎn)，必須對該連接組件的某些元件賦予動力，這樣元件才能夠做仿真運(yùn)動。在機(jī)械操作環(huán)境中，伺服電動機(jī)能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)提供“動力”，而使用運(yùn)動副可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件互做相對運(yùn)動的活動聯(lián)接。伺服電動機(jī)可規(guī)定機(jī)構(gòu)以特定方式運(yùn)動（可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動），并且能夠以函數(shù)的方式定義運(yùn)動輪廓。伺服電動機(jī)引起在兩個主體之間、單個自由度內(nèi)的特定類型的運(yùn)動，將位置、速度或加速度指定為時間的函數(shù)，并可控制平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過指定伺服電動機(jī)函數(shù)，可以定義運(yùn)動的輪廓。允許用戶從多個預(yù)定義的函數(shù)中選取指定函數(shù)，也可輸入自己的函數(shù)，并且可以在一個圖元上定義任意多個伺服電動機(jī)。最終選擇輸入軸為運(yùn)動軸，如圖3-1所示：

在輪廓選項(xiàng)中，規(guī)范一欄選擇速度并輸入速度值為300，如圖3-2所示：

4 建立運(yùn)動副

機(jī)構(gòu)的重要特征是構(gòu)件之間具有確定的相對運(yùn)動，為此必須對各個構(gòu)件的運(yùn)動加以必要的限制。在機(jī)構(gòu)中，每個構(gòu)件都以一定方式與其他構(gòu)件相互接觸，兩者之間形成一種可動的連接，從而使兩個相互接觸的構(gòu)件之間的相對運(yùn)動受到限制。兩個構(gòu)件之間的這種可動連接，稱為運(yùn)動副。運(yùn)動副限制了兩構(gòu)件之間的某些運(yùn)動，而又允許有另一些相對動。兩構(gòu)件組成運(yùn)動副時，構(gòu)件上能參與的點(diǎn)、線、面稱為運(yùn)動副元素[6]。

由于該機(jī)構(gòu)屬于齒輪傳動，使用齒輪副可以控制兩個連接軸之間的速度關(guān)系，用以模擬齒輪系統(tǒng)的仿真運(yùn)動。設(shè)計(jì)者可以方便地定義齒輪參數(shù)，從而大大提高了設(shè)計(jì)效率。齒輪副中的每個齒輪都需要定義兩個主體和一個約束集。第一個主體指定為托架，通常保持靜止。第二個主體能夠運(yùn)動。根據(jù)所創(chuàng)建的齒輪副的不同，該運(yùn)動副可分為“標(biāo)準(zhǔn)”和“齒條與齒輪”兩種類型。最終定義的齒輪副連接如圖4-1所示：

在裝配設(shè)計(jì)中，確定零件間運(yùn)動關(guān)系，給定主動件的運(yùn)動并且給個伺服電機(jī)，可以模擬顯示整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，通過動態(tài)仿真可以檢查機(jī)器各零部件間的位置約束和運(yùn)動關(guān)系的正確性。

上述過程給出了行星齒輪減速扳手三維實(shí)體傳動之間連接的過程，其傳動部件的連接過程可以仿此進(jìn)行。圖4-2是運(yùn)動仿真圖片：

5 總結(jié)

Pro/E中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模塊Mechanism進(jìn)行裝配模型的運(yùn)動學(xué)分析和仿真，使得原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。在Pro/Mechanism中創(chuàng)建的機(jī)構(gòu)，可以導(dǎo)入到Pro/E Mechanica motion中，以便進(jìn)行進(jìn)一步分析，或者將機(jī)械設(shè)計(jì)模型引入到設(shè)計(jì)動畫中。Pro/E運(yùn)動仿真大大提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本。對于促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有良好的推進(jìn)作用。

（下轉(zhuǎn)第285頁）

（上接第280頁）

參考文獻(xiàn)：

[1]日本工業(yè).技術(shù)展覽會.北京，1975.

[2]孫恒，陳作模.機(jī)械原理[M].第七版.高等教育出版社，2006.

[3]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第八版.高等教育出版社，2010.

[4]周大偉.Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)在直齒輪建模中的應(yīng)用[J].河南科技，2014（11）：135.

[5]張延，胡修池.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0應(yīng)用教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[6]葉華.Proe（MXD）運(yùn)動仿真與機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析實(shí)例[J].智能城市，2016（11）：96.

項(xiàng)目名稱：廣東理工學(xué)院精品資源共享課機(jī)械制圖與CAD（JPKC2015001）

作者簡介：黃永程（1989-），男，安徽宿州人，碩士，助教，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

*為通訊作者