摘要:機械產(chǎn)品的數(shù)字化設計與制造是制造業(yè)信息化的重要內(nèi)容,而數(shù)字化設計包括參數(shù)的優(yōu)化和計算機輔助繪圖等內(nèi)容。介紹了在AUTOCAD2002應用環(huán)境下,用VB6.0開發(fā)的集蝸輪蝸桿參數(shù)優(yōu)化計算及參數(shù)化繪圖為一體的計算機輔助設計系統(tǒng),它集優(yōu)化設計與繪圖一體化,大大縮短了設計時間,提高了設計質(zhì)量。
        關鍵詞:蝸輪蝸桿;優(yōu)化設計;參數(shù)化繪圖

        蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯軸之間的運動和動力的,它由蝸輪和蝸桿組成,其交錯角通常90°它以往通常采用人工進行設計,需要查閱大量的圖例,采用動態(tài)連接庫方式開發(fā)基于三維模ProToolkit應用程序。在進行容器模型的三維參數(shù)化造型時,首先使用“Parameters”命令添加容器的高H容器的外徑D、厚度T和倒角半徑R4個參數(shù),還要正確建立設計參數(shù)與三維模型尺寸量之間的關聯(lián)關系。在三維模型中,d0、d1、d2、d3是Pro/E系統(tǒng)自動創(chuàng)建的約束參數(shù)名,使參HD、T、R分d/d1、d2、d3相關聯(lián),建立關系式H=d0、D=d1、R=d2、T=d3。程序首先是讀取已經(jīng)創(chuàng)建好的參數(shù)化三維模型,使用Pro/Toolkit開發(fā)包提供的函數(shù)ProMdlRetrieve()可以完成此功能。該函數(shù)從磁盤中將name指定的文件名的模型讀入內(nèi)存,并用一個ProMdl類型的指針來指向讀入的模型置模型讀入成功后,可以根據(jù)獲得的模型句柄來檢索模型數(shù)和獲取模型參數(shù)值。Pro/Toolkit的參數(shù)檢索和參數(shù)值的獲取函數(shù)用到了一個模型項(modelitem)參數(shù)ProParamerterInit()直接獲取建模時自定義參數(shù)名稱對應的參數(shù)對象指針。檢索出參數(shù)對象后,調(diào)用ProParameterValueGet()取得參數(shù)值。取得參數(shù)值后,通過函數(shù)使數(shù)據(jù)顯示在交互界面上,并且設置新的參數(shù)值,更新模型顯示。用戶只需要在交互界面中設置新的參數(shù)值,點擊“確定”,這樣修改過參數(shù)值的三維模型將自動重新生成,并顯示在屏幕上。如圖3所示
     
     本文研究了三維參數(shù)化模型建立方法和程序設計的原理,通過一個實例來說明參數(shù)化建模的基本步驟和要求,分析了使用Pro/Toolkit進行程序設計的流程,并應用于實際零件中,取得了較好的效果,
大大提高了零件的設計效率。
 1　蝸輪蝸桿參數(shù)的優(yōu)化
  1.1  目標函數(shù)的確定
          蝸輪蝸桿一般用于大傳動比的減速器中,其結(jié)構(gòu)和尺寸決定了減速器體積的大小,起決定用的尺寸主要有蝸輪和蝸桿的中心距A和蝸桿直徑d,減少機械產(chǎn)品的重量不僅要減小蝸桿的直徑,還要減小蝸輪與蝸桿的中心距。綜合考慮,可取目標函數(shù)
                          
   1.2  蝸輪蝸桿設計變量的確定
         考慮蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)工藝性和有效性,實際使用時,多數(shù)蝸輪是通過鍵(平鍵或花鍵)聯(lián)接(固定聯(lián)接或滑動聯(lián)接)與軸孔過盈配合(過盈聯(lián)接)實現(xiàn)傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動,而蝸桿與軸做成一體,形成蝸桿軸。在選取設計變量時要綜合考慮這些因素,可根據(jù)蝸輪蝸桿傳動的主要參數(shù)蝸桿的頭數(shù)z1,蝸輪的齒數(shù)z2,蝸輪蝸桿的模數(shù)m和蝸桿的直徑系數(shù)q選取其設計變量
              
   1.3  約束條件的確定
        (1)傳動比條件
            齒輪傳動的傳動比u是重要的性能參數(shù),它可能是整數(shù),也可能不是整數(shù)。但蝸輪的齒數(shù)和蝸桿頭數(shù)必須是整數(shù),允許存在一定的相對誤差bb(u和bb可根據(jù)傳動要求由設計者給出),這樣傳動比
約束條件可寫為
                        
         (2)齒數(shù)條件
              蝸桿的頭數(shù)z1和蝸輪的齒數(shù)z2的取值除必須為整數(shù)外,還應該滿足符合傳動實際和不產(chǎn)生輪齒根切的工藝要求,即
                           
         (3)蝸輪蝸桿的模數(shù)條件
             蝸輪蝸桿的模數(shù)已經(jīng)形成系列標準,設計時應選用標準的模數(shù),否則會降低蝸輪蝸桿的加工工藝性,影響加工質(zhì)量?？梢愿鶕?jù)設計者的經(jīng)驗給出一個合適的選擇范圍(m1,m2)并在該范圍內(nèi)進行優(yōu)化。故其模數(shù)約束條件為
                      
          (4)蝸桿直徑系數(shù)條件
             蝸桿直徑系數(shù)在蝸輪蝸桿傳動中具有重要的意義。當模數(shù)一定時,蝸桿直徑的大小會隨著蝸桿直徑系數(shù)的增大而增大,減小而減小,蝸桿的剛度與強度也會相應地增大或減小。故可根據(jù)設計經(jīng)驗設定一個合適的取值范圍(q1,q2),其約束條件可為
                                
          (5)蝸輪接觸強度條件
             根據(jù)蝸輪蝸桿傳動的計算,蝸輪輪齒面接觸疲勞強度校核計算公式和設計計算公式經(jīng)推導化簡可得接觸疲勞強度約束條件為
        
          (6)蝸輪齒根彎曲疲勞強度條件
               由于蝸輪的齒形及載荷分布情況復雜,所以蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算具有很大的條件性?？筛鶕?jù)經(jīng)驗公式經(jīng)計算及化簡后可得其齒根彎曲疲勞強度約束條件為
            
   1.4　優(yōu)化算法的確定
             在設計變量中,模數(shù)m和蝸桿頭數(shù)z1,蝸輪齒數(shù)z2及蝸桿直徑系數(shù)q都取離散值,該蝸輪蝸桿的優(yōu)化設計問題屬于混合規(guī)劃問題,采用復合形(Box)法先按照連續(xù)規(guī)劃問題進行優(yōu)化后,再圓整成離散值。由于設計變量的維數(shù)較低,復合形的初始頂點由設計者根據(jù)經(jīng)驗選取。
   2　程序的結(jié)構(gòu)和特點
           該程序主要有兩大模塊組成:即優(yōu)化計算模塊和參數(shù)化繪圖接口模塊并主要完成以下工作:初始條件的輸入,Access數(shù)據(jù)庫的建立和查詢,蝸輪蝸桿傳動優(yōu)化設計計算,優(yōu)化結(jié)果的輸出,蝸輪蝸桿工作圖CAD腳本文件的輸出。其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
           
       (1)初始條件的輸出
            該程序具有人機交互的功能,它運行時要求根據(jù)實際要求輸入必要的初始條件,如:功率P,輸入轉(zhuǎn)數(shù)n1,傳動比i,輸出轉(zhuǎn)數(shù)n2,壽命H,并根據(jù)需要選擇傳動類型和材料及工作實況等,程序可以根
據(jù)輸入條件的改變而實現(xiàn)條件判斷,并進行相應的處理。程序初始條件輸入運行界面如圖2所示。
                     
      (2)Access數(shù)據(jù)庫的建立
         Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是微軟公式推出的一款功能強大的辦公軟件。它具有豐富靈活的數(shù)據(jù)管理能力,可以方便地對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的記錄進行創(chuàng)建、增刪和查詢等工作。通過運用Access數(shù)據(jù)庫可以將設計過程中用到的大量數(shù)據(jù)、國家標準、圖表等直接建成一個大型的數(shù)據(jù)庫,當程序用到時可以自動地進行查詢。在該程序中Access數(shù)據(jù)庫和程序的連接主要通過DAOADO控件來實現(xiàn),對數(shù)據(jù)的查詢可以通過在程序中運用SQL語言來實現(xiàn)。
      (3)優(yōu)化設計計算及腳本文件的生成
          程序根據(jù)初始的輸入條件選取合適的參數(shù)后,根據(jù)初始頂點來按照復合形法對整個數(shù)據(jù)范圍進行優(yōu)化從而選擇出最優(yōu)的設計參數(shù),并將這些參數(shù)傳遞給參數(shù)化繪圖模塊。繪圖模塊根據(jù)優(yōu)化后的系列參數(shù)在程序的控制下自動生成繪制包括幅、標題欄、形位公差、表面粗糙度等信息在內(nèi)蝸輪蝸桿的工作圖的腳本文件。用戶在AUTOCAD中運行生成的腳本文件就可以得到所需要的蝸蝸桿工作圖,另外用戶還可以根據(jù)特別要求來更改生成的圖紙。其生成腳本文件的程序運行界面如圖3所示。
              
   3　設計實例
          設計一閉式蝸桿傳動,已知蝸桿軸輸入功率P=7.5 kW,轉(zhuǎn)速n=1 450 r min,傳動比i=20,單
向工作,載荷平穩(wěn),預期壽命為5 a,每年工作300 d,每天工作8 h。
        
         ②蝸輪接觸強度約束條件
            根據(jù)初始要求可選取蝸輪蝸桿的材料為ZCuSn10Pb1和45鋼表面淬火,可得接觸強度約束條件為
          
         ③蝸輪齒根彎曲疲勞強度約束條件
           根據(jù)蝸輪的齒形及載荷分布情況可選取YF=2.32,σF=32.9,故可得約束條件方程式為
          
         其中λ的值可由式(9)通過計算來確定。
          程序生成腳本文件后保存到計算機內(nèi),在AU-TOCAD中運行可得到的圖形文件如圖3所示。
            
    4　結(jié)語
            該程序?qū)?yōu)化設計與繪圖一體化,大大縮短了設計時間,提高了設計質(zhì)量和圖形質(zhì)量,縮短了產(chǎn)品的設計周期,為蝸輪蝸桿的設計制造信息化打下了堅實的基礎,這對于提高產(chǎn)品的市場競爭能力,促進產(chǎn)品的研制和開發(fā)具有重要的實際意義和應用價值。