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      二級(jí)斜齒圓柱齒輪減速器虛擬仿真與可靠性分析

      2018-01-30 10:10:35吳桂玲金福占
      中國(guó)設(shè)備工程 2018年11期
      關(guān)鍵詞:圓柱齒輪減速器齒輪

      吳桂玲,金福占

      (1.遼寧工貿(mào)學(xué)校,遼寧 110000;2.遼寧東煤基本建設(shè)有限責(zé)任公司,遼寧 110000)

      1 研究任務(wù)和內(nèi)容

      本文通過查閱相關(guān)資料,進(jìn)行減速器傳動(dòng)零件、標(biāo)準(zhǔn)件、箱體及其附件的設(shè)計(jì),為Pro/E的建模提供理論基礎(chǔ),使用具有強(qiáng)大參數(shù)化建模功能的Pro/E軟件,來(lái)建立圓柱齒輪減速器三維參數(shù)化的模型,再依據(jù)其進(jìn)行裝配;用Pro/E來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真;再對(duì)其中的重要零部件齒輪和軸可靠性分析。明確設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及有待改進(jìn)的地方,為以后的設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。Pro/E是現(xiàn)代產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)中不可或缺的軟件工具,Pro/E已不僅是工業(yè)設(shè)計(jì)人員所必須掌握的,也正在成為更廣大的工程技術(shù)人員的必修內(nèi)容。Pro/E廣泛應(yīng)用于機(jī)械、工業(yè)設(shè)計(jì)等相關(guān)行業(yè)。

      本課題主要有以下三個(gè)任務(wù)。

      (1)在Pro/Engineer中建立輸出減速器中各個(gè)的三維實(shí)體模型。

      (2)虛擬裝配和動(dòng)畫演示的制作與調(diào)試。

      (3)將三維繪圖軟件Pro/E 建立的減速器箱體三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS中對(duì)其進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。

      本課題主要是拆畫減速器零件圖運(yùn)用AUTOCAD和Pro/E來(lái)完成帶減速器的裝配圖、零件建模、裝配動(dòng)畫和運(yùn)動(dòng)仿真。

      1.1 Pro/E的零件建模

      零件建模是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而組成零件的基本單元是特征。要確定建模方法,先應(yīng)該清楚模型的結(jié)構(gòu)。建模過程中,做到模型編輯和修改工具會(huì)熟練使用,使設(shè)計(jì)內(nèi)容不斷優(yōu)化。盡管我們?cè)O(shè)計(jì)的零件多,但多為軸和齒輪,建模方法對(duì)于回轉(zhuǎn)體很適用。零件三維模型就是使用旋轉(zhuǎn)建模法,進(jìn)行拉伸、剪切或孔的處理得到的。

      要使所有模型有區(qū)別而且具有真實(shí)感,我們可以在建模后,給每個(gè)零件顏色和材質(zhì),一般設(shè)計(jì)缸體顏色為半透明,以便看清內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程。

      1.2 圓柱齒輪減速器三維建模

      Pro/E的組件模塊具有裝配工具。在此軟件的“組件”模式下,把元件和子組件裝配在一起構(gòu)成組件,Pro/E可以對(duì)組件修改、分析或重新定向,還可以在組件中重新組合設(shè)計(jì)零件。

      1.3 Pro/E的虛擬裝配

      虛擬裝配就是機(jī)構(gòu)裝配結(jié)束后,按拆裝順序抓拍某些特別方位的快照,通過關(guān)鍵幀的設(shè)定確定各快照之間轉(zhuǎn)換的速度,以得到一個(gè)機(jī)構(gòu)的裝配動(dòng)畫。所裝配動(dòng)畫的主要工作是拆裝位置的正確擺放、快照的準(zhǔn)確抓拍和關(guān)鍵幀的時(shí)間設(shè)定等。

      1.4 Pro/E的干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)仿真

      我們要對(duì)已裝配的產(chǎn)品進(jìn)行干涉檢驗(yàn),來(lái)保證運(yùn)動(dòng)仿真過程的順利進(jìn)行。我們選擇在產(chǎn)品裝配模式下點(diǎn)擊菜單中的【分析】—【模型分析】,選擇全局干涉選項(xiàng),再點(diǎn)擊【計(jì)算】按鈕,干涉分析就會(huì)開始了。Pro/E中的干涉檢驗(yàn)簡(jiǎn)單易行。使用Pro/E實(shí)現(xiàn)減速器虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真獲得產(chǎn)品模型,對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化設(shè)計(jì),減少研發(fā)時(shí)間和成本,帶來(lái)極大好處。Pro/E裝配模式中有運(yùn)動(dòng)仿真模塊,組件間的運(yùn)動(dòng)仿真是專門用Mechanism來(lái)處理。創(chuàng)建齒輪連接和設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)中首要任務(wù), 并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,機(jī)構(gòu)的“動(dòng)力”是伺服電動(dòng)機(jī),它實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)仿真的目的。

      2 拆畫零件圖

      為了后期PRO/E建模工作可以順利完成,減少三維裝配過程中不必要的干涉問題。根據(jù)零件圖已有的尺寸拆畫出各個(gè)零件的完整數(shù)據(jù),來(lái)創(chuàng)建準(zhǔn)確的三維造型。

      3 減速器的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真

      傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是用平面圖形反映機(jī)械零件和裝配關(guān)系,顯然機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其相對(duì)位置關(guān)系無(wú)法在這種靜態(tài)圖形中表現(xiàn)出來(lái),無(wú)法直觀的其運(yùn)動(dòng)是否合理,零件的干涉等問題都無(wú)法直觀反映出來(lái)。PRO/E三維建模裝配和計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的運(yùn)動(dòng)仿真分析。

      首先,用Pro/E來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配,得到裝配圖,然后進(jìn)行減速器的虛擬裝配, 之后開始干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)仿真。運(yùn)用軟件Pro/E的具有直觀性能的動(dòng)畫模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)減速器的虛擬裝配,運(yùn)動(dòng)仿真模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)仿真。

      3.1 漸開線圓柱齒輪的三維參數(shù)化造型

      齒輪在三維實(shí)體造型中,需要參數(shù)和關(guān)系式等輔助工具和掃描混合等高級(jí)特征功能來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

      3.2 圓柱齒輪減速器的虛擬裝配及拆裝動(dòng)畫

      虛擬裝配依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性,仿真產(chǎn)品的三維裝配過程,用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維仿真裝配過程,來(lái)預(yù)估產(chǎn)品的可裝配性能.及早發(fā)現(xiàn)缺陷,以便改進(jìn),這樣大大節(jié)省資金,提高開發(fā)效率,有效降低產(chǎn)品的成本,降低市場(chǎng)銷售價(jià)格,提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

      3.3 圓柱齒輪減速器的干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)仿真

      3.3.1 減速器干涉檢驗(yàn)

      要先把裝配完的產(chǎn)品干涉檢驗(yàn),以便保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程順利進(jìn)行。進(jìn)行Pro/E中產(chǎn)品裝配關(guān)系的干涉檢驗(yàn),點(diǎn)擊菜單中的【分析】—【模型分析】,選全局干涉選項(xiàng),點(diǎn)擊【計(jì)算】,干涉分析開始運(yùn)行,分析結(jié)果:齒輪軸與大齒輪間干涉體積是0.02448mm。

      有2個(gè)產(chǎn)生干涉的原因。

      (1)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),系統(tǒng)對(duì)零件做復(fù)雜的大量運(yùn)算,算法的精度可能不夠高,計(jì)算機(jī)計(jì)算位數(shù)的局限性,會(huì)不可避免地出現(xiàn)與真實(shí)數(shù)據(jù)細(xì)微的偏差。

      (2)齒輪漸開線的公式的也會(huì)存在舍入時(shí)的誤差。誤差只能減小,無(wú)法避免這些系統(tǒng)的精度和公式的應(yīng)用過程中的舍入誤差必然會(huì)造成微小干涉的出現(xiàn),毫無(wú)疑問設(shè)計(jì)和裝配理論沒有問題。根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際裝配中,這樣微小的體積干涉可以做些技術(shù)處理完全可以處理掉的。最后我們可以得出結(jié)論:裝配的結(jié)果正確。

      3.3.2 減速器機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

      建立、評(píng)估和優(yōu)化部件在現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境中的運(yùn)轉(zhuǎn)可以用運(yùn)動(dòng)仿真軟件包來(lái)實(shí)現(xiàn),來(lái)判斷是否能滿足工程和性能需求。早期階段應(yīng)用運(yùn)動(dòng)仿真,對(duì)產(chǎn)品性能可以進(jìn)行預(yù)估,不合適可以修改,減少不必要損失,節(jié)約資金,裝配(Assembly)模式中的Pro/E運(yùn)動(dòng)仿真模塊,Mechanism的功能是專門用來(lái)處理組件間的運(yùn)動(dòng)仿真。

      組件裝配完畢,執(zhí)行【應(yīng)用程序】—【機(jī)構(gòu)】命令,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬的下一階段的設(shè)定如下。

      (1)創(chuàng)建齒輪連接。

      ①選擇【連接】—【齒輪】,建一個(gè)新的齒輪副。

      ②在【齒輪1】中選取高速傳動(dòng)軸,使其與箱體的銷釘接頭連接, Pro/E會(huì)自動(dòng)選主體和支架,給出節(jié)圓的直徑。在【齒輪2】中選擇中速傳動(dòng)軸,使其與箱體的銷釘接頭連接,Pro/E自動(dòng)選取主體和支架,給出節(jié)圓直徑,單擊確定,這樣就完成了第1、2兩個(gè)齒輪副的構(gòu)建。

      (2)創(chuàng)建伺服電動(dòng)機(jī)。

      為機(jī)構(gòu)提供“動(dòng)力”的伺服電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng),同時(shí)能確定運(yùn)動(dòng)輪廓,其步驟如下。

      ①選取【電動(dòng)機(jī)】【伺服電動(dòng)機(jī)】或單擊圖標(biāo),建一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。

      ②選擇【連接軸】,選取高速傳動(dòng)軸,與箱體的銷釘接頭連接。

      ③在【輪廓】選項(xiàng)卡上,將【規(guī)范】設(shè)為【速度】,【模】設(shè)為【常數(shù)】 ,1440r.min-1(即傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速)輸入。

      (3)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

      ①選【機(jī)構(gòu)】—【分析】,【分析】對(duì)話框打開。

      ②單擊【新建】,選【運(yùn)動(dòng)】,在【時(shí)域】選項(xiàng)卡上,默認(rèn)缺省值。

      ③單擊【運(yùn)行】機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)就可以顯示了。

      (4)保存并查看結(jié)果。

      ①單擊【機(jī)構(gòu)】 【回放】,干涉檢查開始。

      ②在回放對(duì)話框中,單擊,打開動(dòng)畫對(duì)話框,單擊【捕捉】把運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫輸出成MPEG、JPG等格式影像文件。

      4 結(jié)語(yǔ)

      此文帶式運(yùn)輸機(jī)減速器借助Pro/E進(jìn)行的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真,是將圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)與Pro/E的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)相結(jié)合的一種設(shè)計(jì)方式,它的優(yōu)點(diǎn)和弊端總結(jié)如下。

      (1)利用Pro/E的動(dòng)畫模塊,可以更直觀的對(duì)減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行體現(xiàn),比二維繪圖更為直觀、實(shí)用。

      (2)在Pro/E的仿真動(dòng)畫中進(jìn)行的干涉檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果證明,所設(shè)計(jì)的減速器的各傳動(dòng)齒輪齒輪之間無(wú)相互干涉現(xiàn)象,可以生產(chǎn)。

      (3)由于初次使用動(dòng)畫仿真,在抓取快照和選擇視角以及動(dòng)畫處理等方面,可進(jìn)一步優(yōu)化。

      (4)使用Pro/E實(shí)現(xiàn)減速器虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真,能更加直觀地看到減速器的檢測(cè)和進(jìn)行各個(gè)部件的間隙調(diào)整。此設(shè)計(jì)大幅度縮短減速器的研發(fā)設(shè)計(jì)的周期,使產(chǎn)品生產(chǎn)成本明顯降低,可以更加高效的優(yōu)化減速器的設(shè)計(jì)。

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