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      克維斯減速機:分析齒輪傳動穩健設計系統
      作者:無錫市克維斯傳動機械有限公司    發布于:2012-11-29 15:23:58    文字:【】【】【
      摘要:克維斯減速機:分析齒輪傳動穩健設計系統
          一 齒輪傳動穩健優化設計系統的設計思想
          目前齒輪傳動的設計僅憑借設計人員的經驗進行,設計的結果過于保守,為了減少傳動機械設計過程中不可控因素對設計質量的影響,在產品開發設計的各個環節,運用穩健優化設計思想,并與其他設計專業軟件相結合,與數據庫、知識庫、專家庫相連接,建立齒輪傳動穩健優化設計系統,以實現高效、高質量、低成本的產品設計。該系統由方案設計模塊、參數及容差設計模塊、參數化建模等模塊組成,實現了從方案設計到詳細設計各個設計階段的穩健性分析和穩健優化設計。該系統具有以下特點。
          1.設計結果具有可行穩健性在一般的傳動機械的優化設計中,均是將設計參數作為確定值對待,而在實際工程中,這些值會發生一定的變差,從而導致質量波動,所以一般優化設計的解是不穩健的,本系統采用穩健優化設計方法克服了這種缺點,保證了設計質量。
          2.優良的方法庫根據穩健優化的實際對象的特點,齒輪傳動穩健優化設計系統的求解算法選用具有高度穩健性并能進行全局優化的混合離散基因遺傳算法進行尋優,最終可獲得較優的解。
          3.共享數據庫傳動機械中的零/部件是相互聯系、相互約束的,系統中采用共享數據庫,把設計中所需要的基本數據及穩健優化的結果,存儲到相應的數據庫中,便于管理和使用。
          4.使用方便快捷該系統集傳動的方案設計、零/部件的設計、建模于一體,能大大節省設計時間,提高設計效率。
          二 體系結構
          在方案設計階段,引入穩健性思想進行分析,根據設計任務確定系統的功能和質量準則,確定總體性能方案,針對不同的方案進行穩健性分析和綜合評判,選擇性能穩健性較好的方案,為詳細設計階段做準備。在詳細設計階段,確定穩健優化設計的目標函數,建立穩健性隨機模型,從而控制設計變量和噪聲因素的變差對產品質量指標的影響,使設計結果滿足穩健性要求,主要包括確定齒輪傳動零/部件的質量設計準則,進行參數設計及容差設計三個模塊,這三個模塊可以分步使用,也可以并行使用。在獲得優質的參數組合后,建立數字化樣機,以進行模擬仿真,檢驗設計結果是否達到設計要求和目標。所有的設計參數和設計結果都存入相應的數據庫中,便于使用和管理。
          三 系統實現與運行
          1.方案設計模塊
          方案設計是整個產品設計過程中非常重要的一環,產品的性能、成本等指標往往取決于方案設計階段.方案設計是一個復雜的、創造性的知識密集型勞動。在這個階段設計者應該正確地了解用戶的要求,運用工程和科學知識提出滿足用戶要求的設計方案。但由于評價信息具有比較強的不確定性,要使評價結果盡可能合理,需要充分考慮各種波動的信息源。因此在齒輪傳動穩健優化設計系統中,方案設計模塊采用模糊穩健性分析的方法對產品總體性能進行評價,根據評價對象的具體設計信息以及確定的評價目標,考慮評價信息的不確定性,由質量屬性隸屬度的波動間接地反映方案的波動,從而獲取穩健性較好的設計方案,為了防止一層的指標太多,權重不能很好地分配,該模塊可以對方案進行多層質量屬性的穩健性分析。各個指標項目及權重集等評價參數都存入相應的數據庫中,便于管理及使用。進行穩健性分析之前,先要清空結果庫,然后選擇質量指標的層數,并相應地填寫指標項及其權重。
      接下來通過專家評價建立評價矩陣,評價矩陣中的元素需按列輸入便于程序處理。
          2.參數及容差設計模塊經過方案設計后,得到了產品的總體技術設計方案,接下來的工作是確定具體尺寸和公差。參數設計和容差設計是穩健設計的核心部分,也是齒輪傳動穩健優化設計系統設計過程的核心。參數設計的基本思想是合理選擇設計變量,使干擾變量對產品質量的影響達到最小且成本較低。容差設計的過程是確定各參數最合適的容差,即在考慮各參數的波動對產品質量特性值影響之后,從經濟角度考慮是否需要對某參數的容差給予調整。因此從工程應用觀點出發,提供多種穩健設計模型,如圖3所示。
          2.1齒輪傳動參數設計模塊
          選擇參數及容差設計菜單下的齒輪傳動子菜單,彈出齒輪傳動設計條件設置對話框,在這一級對話框中給出了齒輪傳動設計所需的初始設
      計條件,設計者首先選擇齒輪傳動類型,接下來可根據設計任務的要求輸入原動機輸入功率和輸入轉速、傳動比、壓力角、螺旋角等設計參數,以及工作情況、嚙合方式、大小齒輪材料、精度等級、應用場合、主動齒輪布置情況、預計工作年限及工作時間等內容。設定的參數確認無誤后,即可進行穩健優化模型選擇并進行求解。設計結果存入數據庫并在結果框中顯示。
          2.2軸的參數設計模塊
          在完成齒輪傳動的穩健優化后,從所得到的參數以及技術要求、布局條件出發,進行軸的結構設計,然后進入軸系的穩健優化設計校核模塊。
          在此模塊中,首先根據軸的受力情況選擇轉軸模型,并輸入軸的傳動功率和軸的轉速或從設計初始條件數據庫中提取參數。然后對軸的設計參數進行設置,包括軸上力的大小,受力點的位置以及傳動元件的直徑等內容。系統將根據輸入的參數計算軸所受到的彎矩和扭矩,并將計算結果存入相應的數據庫,同時為了更加直觀地反映軸的受力,系統還提供了繪制彎矩圖、扭矩圖和彎扭合成圖等功能,并且以報表的形式給出軸上各點的具體數值。通過分析彎扭合成圖,結合結構設計中所確定的初始軸徑,確定軸上危險截面的位置,進行許用彎曲應力的校核,校核成功后才能進入抗疲勞穩健設計模塊,否則需要返回,重新進行結構設計。
      進行穩健優化時,需要設定設計變量的取值范圍和容差范圍。對于材料的疲勞極限值的設定,使用者可自行填寫,也可查詢軸的材料庫獲得極限應力值。
          考慮到載荷的變差,故還需設定載荷的波動比例值,為了減少查閱資料的時間,系統中已經建立了有效應力集中系數數據庫、尺寸系數數據庫、表面加工系數數據庫等知識庫,針對不同的應力集中只要選擇相應的按鈕并進行相關數值的輸入后,系統即會查找相應的數據庫,獲得均值及標準差。整個優化過程通過遺傳算法求解模塊進行。
          3.建模模塊
          為了便于設計結果的進一步分析,基于VC++對UG進行二次開發,實現了傳動零/部件參數化建模模塊,參數建模所用的幾何參數從設計結果數據庫中提取,實現了關鍵零/部件的快速設計。建模模塊包括傳動用的主要零/部件,如軸的建模、齒輪的建模及軸承的建模等。
          四 結語
          本文基于VC++平臺,研制了齒輪傳動的穩健優化設計系統。該系統采用了模塊化思想,力求以實現開放性、可拓展性和可移植性為目標進行開發,實現齒輪傳動穩健性分析和關鍵零/部件的穩健優化設計等功能。使用該系統可以使齒輪傳動的設計過程簡單快捷、設計速度大大提高,同時采用穩健優化設計方法可以降低生產成本,提高產品質量,因此在工程實際中有著廣泛的使用價值。
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