开题报告-二级齿轮减速器参数化设计.pdf

本科毕业设计（论文）开题报告题 目 二级齿轮减速器参数化设计及基于SolidWorks2004的运动仿真设计（论文）题目二级齿轮减速器参数化设计及基于SolidWorks2004的运动仿真设计（论文）类型（划“J”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它1、课题的研究目的和意义本课题的研究目的是在已有减速器设计的基本理论基础上，利用VisualBasic6.0进行二次开发，结合SolidWorks2004绘图软件和数据库技术，建立 齿轮、轴、轴承、端盖、上箱体及下箱体的三维参数化模型，将各零件进行装配并且运用SolidWorks2004绘图软件对其进行运动仿真。本课题研究的意义在于：（1）能够为齿轮减速器的设计提供一种全新的手 段和方法，改变原有的手工设计，二维设计为三维设计，并在设计中体现引导作用，使设计更为直观、形象、生动；（2）通过实时人机互动式的三维参数化实体造型设计，更好地理解、掌握零部件的结构及装配关系，实现齿轮减速器 的动力学参数设计计算、齿轮传动设计计算、轴系的设计，具有良好的交互性;研究系统的总体结构，思考设计的最优化方法，并讨论运用数据库的相关问题；（4）分析三维参数化设计的方法，运用设计变量与程序设计相结合的方 法实现零件的三维参数化设计，在此基础上采用了在零件环境中以及在装配环境中建立零件模板的两种实现方法；（5）分析齿轮减速器总装配及各部件之 间的结构尺寸约束关系，并运用自顶向下与自底向上设计思想分别构建减速器总装装配模板和轴系总装模板。（6）采用Solid Works软件，并结合AutoCAD,CAXA电子图板等二维绘图软件，设计了一个二级圆柱齿轮减速器实现了减速器的三维模型生成，以及由此生成二维工程图的设计思想。通过该 软件特有的仿真运动功能，检查、优化设计方案，实现减速器的运动仿真，完 成减速器在计算机中的模拟设计。2、本课题的主要研究内容1、根据减速器设计的原始资料，研究减速器各组成部件（包括齿轮、轴、轴承、端盖、上箱体和下箱体）设计及校核方法。2、对二级齿轮减速器设计进行功能分解，确立系统的整体结构，研究知识 库和推理机的建立方法，以及人机交互界面和解释机制的设计方法；3、研究二级齿轮减速器系统设计中相关技术。如：数据图表等相关知识的处 理方法，数据库操作技术及图形处理技术等；4、研究在Visual Basic 6.0环境下SolidWorks2004的二次开发方法，利用 SolidWorks2004中的宏对各零件零件的绘制过程进行录制，根据录制的 程序进行三维参数化设计。5、重点分析面向对象的齿轮减速器设计计算系统和面向对象的可视化实事 化的结构设计系统的实现方法，齿轮减速器三维参数化设计方法以及齿 轮减速器零件（各主要件、标准件等）模型库、部装模型库、总装配模型库的 构建方法。最后运用SolidWorks2004绘图软件对其进行运动仿真；3、文献综述随着科技的发展，在工程施工过程中，各种施工机械起着越来越重要的 作用。而施工机械的传动系统，对机械的动力性、经济性、适用性和整机布置、机重等有很大影响。齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。它可以用来传递 空间任意两轴间的运动和动力，并具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等特点。而作为齿轮机构的最基本的组成部分-齿轮所起的作用，是无可代替的，所以齿轮的设计尤为重要。齿轮是应用最为广泛 的通用零件，广泛用在各种传动中，如机床的传动装置、汽车的变速箱和后桥、减速器和玩具等。而在各种齿轮机械中应用最广泛的是圆形齿轮机械，它可以 保证传动比恒定不变，使机械运转平稳，以满足现代机械日益高速重载方向 发展的需要。直齿圆柱齿轮是其他各种齿轮的基础，也是最通用的齿轮。齿轮 传动机构中很重要的应用就是减速器。减速器是原动机和工作机之间独立的闭式机械传动装置，用来降低原动机转速或增大转矩，以满足工作机需要。而齿轮减速器作为一种重要的动力传递装置，在机械化生产中起着不可替代的作用。圆柱齿轮减速器是最常用的机械传动机构之一,其具有传递功率大，制造简单,维修方便，使用寿命长等许多优点，是通用的机械部件，被广泛应用于冶金、矿山、建筑、物料搬运等行业。国外研究情况：圆柱齿轮减速器的优化设计具有可观的经济效益，进而引起了不少国外 工程技术人员的关注，因此国外在这方面起步较早。最优化设计的过程一般分为四个阶段.：即设计目标的提出、数学模型的建立；优化程序的编制；上机计算得到优化结果。现有的机械优化设计大都以上述四个阶段为主，这是不完整 的。因为机械设计最终成果应以工程图的形式表示出来。所以，完善的优化设 计应包括把优化设计参数通过计算机辅助绘图直接绘出工程图样。国外在这方 面起步早，编制了单纯形法、复合形法、惩罚法的算法程序；按齿轮传动系统 的重量或体积指标建立了目标函数，分别对减速器齿轮传动和行星齿轮传动进行了优化设计，最后利用高华Inte CAD软件把优化设计结果转化成工程图,实现了自动参数化CAD.最优化设计能对机械工业在进一步提高产品质量、降 低成本、缩短生产周期等方面产生积极的影响。随着微型计算机的普及和发展,机械最优化设计方法越来越被广大工程技术人员所认识和掌握。当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向“六高”、“二低”、“二化”方向发展。“六高”即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠 性和高传动效率；“二低”即低噪声、低成本：“二化”即标准化、多样化。技 术发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术。RV减 速器是日本80年代初开发的新型减速器,这种减速器的显著优点是刚性好、回 差小、振动低等,这对提高机器人的运动精度和动态性能非常有利，因而在机器 人及其他伺服传动中得到了日益广泛的应用。硬齿面技术到20世纪80年代时在国外日趋成熟。采用优质合金钢锻件渗 碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于IS01328-197 5的6级，综合承载能力 为中硬齿面调质齿轮的4倍，为软齿面齿轮的5-6倍。一个中等规格的硬齿面 齿轮减速器的重量仅为软齿面齿轮减速器的1/3左右。其他技术的发展还表现在理论研究（如强度计算、修形技术、现代设计方法的应用，新齿形、新结构的 应用等)更完善、更接近实际：普遍采用各种优质合金钢锻件：材料和热处理 质量控制水平的提高；结构设计更合理等方面。在软件方面，国外CAD技术己经历了四个发展阶段：(1)50年代后期，CAD技术起步，其主要功能是二维绘图；(2)60年代末期至70年代中期，是机械CAD技术的成熟阶段其主要功能是仍为二维绘图，但己开始对三维几何造型进行研究；(3)70年代木期到90年代初期，以32位工作站为基础的机械CAD系统发展很快，其主要功能已发展到二维绘图、三维造型设计及基本分析计算；(4)90年代后期，适用于微机的机械CAD系统应运而生并成为发展的主流，系统可以集成全部的绘图、编辑、三维造型、分析计算及后处理等功能。目前CAD技术正向着参数化、智能化、三维化、集成化、网络化和标准化方向发展,即面向设计自动化的方向发展。从技术层面来看，CAD技术已发展到第四代即现代CAD技术。对于常用的零件，如果每次都要经过烦琐的建模，不仅工作量大，而且，要花费大量的时间，这不仅是浪费时间，还是重复性的无效劳动。在机械设计 中，齿轮的参数因为设计要求的不同，而不得不改变其数值。如果在设计中可以交互的处理，则工作量可以大大的降低，从而提高工作效率。SolidWorks是一个基于特征的参数化设计软件，是一个非常优秀的三维设计软件，功能全面，易学易用，同时集成和兼容了 Windows系统的卓越功能，并且其参数化特征造型技术定义清晰。该系统是全中文界面的，功能设计和绘图步骤均从实 用角度出发，功能强劲，操作灵活-，易于掌握；提供灵活多样的交互操作，动态拖画。随着现代空间虚拟技术的发展，如果在设计齿轮的实体中，不能正 确地将齿轮的齿廓以渐开线齿廓画出来的话，那么在装配2个或以上的齿轮 配合的时侯，必然会出现干涉的现象，这将会设计前功尽弃。因此，如何设计 出具有正确的渐开线齿廓的实体齿轮尤为重要。并且有时要对齿轮进行各种分 析，三维参数化设计直接从三维造型开始着手，通过各种基本造型的叠加直接绘制出零部件的三维模型，然后根据设计人员的需要，可自动生成二维工程图，而且可以对三维实体模型进行模拟装配、动静态干涉检查、动力学分析、强度分 析和模拟加工处理等。在产品设计造型中使用三维参数化方法可以显著缩短设 计时间，提高工作效率和效果。SolidWorks软件是完全基于 Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成 系统。它采用了与Unigraphics相同的先进的底层图形核心Parasolid,并且它 的核心技术是在Windows环境下生成的，充分利用和发挥了 Windows的强 大威力和OLE技术。Solid Works有全面的零件实体建模功能用SolidWorks 的拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆等功能可以更简便地得到要设计的实体模型。并且SolidWorks软件提供完整的、免费的开发工具(API),用户可以用微软的Visual Basic.Visual C+或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案。通 过数据转换接口，SolidWorks可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD 软件集成到现在的设计环境中来。渐开线齿轮由于传动比准确，传动效率高等 优点，在工程实际中应用比较广泛。由于渐开线齿廓的复杂性，一般的CAD 软件只能利用直线或圆弧拟合渐开线，很难造出精确的渐开线齿廓,Solidworks可方便地解决此问题。近年来，随着计算机技术的迅速发展和计算机的广泛应用，使得摆脱传统 设计方法，利用最优化理论和方法进行齿轮传动设计成为可能。特别是最优化 技术作为计算机辅助设计的一个重要组成部分，将使设计水平得以较大提高。科学技术和经济在发展，渐开线圆柱齿轮传动减速器的需求量也越来越大，且对质量提出了更高的要求，而采用传统的设计方法已远远不能够满足技术发 展的需要。减速器设计应在满足需要的前提下追求体积小、尺寸小、重量轻、成本低、润滑方便等优化目标。由于齿数和模数的离散性,减速器参数的优化属于 整数规划的范畴。但目前对于整数规划的理论研究还不充分，求解方法比较有 限,就工程中广泛使用的双级圆柱齿轮减速器的优化设计来说，目前大多仍采 用比较成熟的连续函数优化方法。然而，采用连续函数的优化方法解决整数优 化问题,所得到的最优解往往不是原问题的真正最优解，而是局部最优解,有时甚至距离实际最优解较远。因此，采用现代设计、数值分析、实体建模、CAD参 数化及坐标测量等技术，对提高圆柱齿轮传动减速器的质量，特别是提高承载 能力、减少振动和噪声、延长使用寿命具有重要的学术意义和工程实用价值。目前在减速器的设计领域，研究开发以产品设计为目标，全过程综合应用CAD及其相关的一体化集成技术已成为必然趋势。国内研究情况：随着全球经济一体化进程的加快，我国机电产品不仅要承受国内市场的 激烈竞争，而且要面临国外产品的猛烈冲击。制造企业为扩大竞争和生存空间,必须增强产品创新能力、缩短设计周期、提高用户化程度，同时又要降低成本,保证质量及良好的售后服务。以数字化、集成化、并行化、网络化为基础，以缩 短产品设计开发周期为目标的快速设计技术是使企业在市场竞争中占据有利 地位的关键技术。减速器作为机电产品的重要总成之一，在其以往的设计中，都是针对某种特定型号进行研究，其适用面比较窄。为了弥补这种设计方法的 不足，进而提高产品的市场竞争能力，本文在研究快速设计的理论、方法和技 术的基础上，通过对常用圆柱齿轮减速器结构的深入分析，采用实体建模、模 块化、参数化等技术开发了渐开线圆柱齿轮传动和双圆弧圆柱齿轮传动的三维参数化快速设计系统。系统是以Pro/ENGINEER三维CAD软件为开发平台，利用其提供的接口程序进行二次开发的。该系统对提高减速器的生产效率，缩 短开发周期，提高设计质量，降低设计费用，具有一定的实用价值，同时为 产品的有限元分析和生产加工提供了实体模型，符合现代产品设计技术的发 展要求。传统的减速器的设计通常采用单机设计模式，设计周期长，设计效率 低，在市场竞争中明显处于劣势，在这种背景下本文针对产品快速设计技术 在减速器中的应用，提出了“圆柱齿轮减速器的快速设计技术”。90年代中期以来，随着改革开放，国外公司开始大举抢占中国市场，仅在天津就有SEW,FLENDER、住友等多家国外公司独资办厂。这些公司不仅是 全球经营，而且是全球制造。它们凭装备、技术、资金和生产规模的优势同国内 骨干齿轮厂展开了激烈竞争。它们不断推出新的更新换代的硬齿面通用减速器,不但在承载能力等主要技术指标上又有提高，而且在模块化设计方面都作了新的努力。比如，LENDER公司从1993年到1999年每两年就更新一次样本，每一次都有新的提高。相比之下，我们现在的产品已是十多年不变，标准都己落后，而且己失去了价格优势。可以说，从1995年开始，我国的硬齿面通用减速器就没有能与国外相抗衡产品，致使我们的企业与国外公司的竞争经常 失利，中国的通用减速器产品，己面临严重的危机。我国在减速器优化设计及其CAD系统研制方面与国外同类技术相比存在较大差距，目前车辆运输系统、航空航天机器人机构等所需的多种机械产品对减速器性能的要求不断提高,所以减速器的优化设计方法及其CAD系统的研制成为当今我国减速器设计的重要课题。4、拟解决的关键问题1、齿轮减速器的体积、重量及其承载能力，主要取决于传动参数的选择。设计问题一般是在给定传动比、输入功率和输入转速的情况下，确定齿轮的个数、各轮的齿数、模数和齿轮宽度等参数。由于齿轮减速器在结构上的特殊性，各 齿轮的齿数不能任意选取，必须严格按照一定的配齿条件进行计算。常规的设 计方法是：先选择齿轮的个数，再按配齿条件进行配齿，这种配齿计算的结 果不是唯一的。可根据结构布置和设计者的经验，从中选择一组齿数方案，再 按强度计算模数、齿宽等参数。在确定结构参数时，要获得既能满足性能要求,结构尺寸又合理的方案，就必须进行大量计算。2、用Visual Basic6.0对Solid Works进行二次开发，采用设计变量与程序设计相结合法实现齿轮减速器三维模型的参数化设计，并且运用Solid Works绘图软件对其进行运动仿真。3、分析齿轮减速器总装配及各部件之间的结构尺寸的约束关系，在齿轮减速器装配模板设计中运用自顶向下以及自底向上的设计方法，分别建立零件 模板和轴系装配模板和总装配模板。5、研究思路和方法本课题的研究思路：主要研究以数据库技术为基础，集儿何参数设计、承 载能力计算、标准零部件选择、技术文件生成与管理、特征参数化建模、虚拟装 配为一体的综合型CAD系统。系统实现齿轮减速器的动力学参数设计计算、齿 轮传动设计计算、轴系的设计，具有良好的交互性；利用SolidWorks2004实 现轴系零件以及齿轮的特征参数化造型；利用SolidWorks2004的模拟仿真能 够实现轴系的虚拟装配，具有较好的通用性和灵活性。本课题的研究方法：1）确定齿轮减速器的类型、传动比分配等总体设计工作；2）以最小体积为目标函数进行模糊优化设计；3）设计各零件的结构形状和尺寸；4）利用Solid Works参数化绘制三维零件图和装配图；5）把优化设计出来的齿轮机构进行动态模拟，检查是否干涉及齿轮啮合情 况；6）利用AutoCAD软件进行二维零件图和装配图的设计；6、本课题的进度安排第05周：进行毕业实习，了解有关齿轮减速器设计和制造过程。第06周：进行毕业实习；查阅有关齿轮减速器的资料，为毕业设计做好充分 准备。第07周：整理开题报告。第08周：对开题报告进行修改。减速器主要技术参数的确定：这些参数包括输出功率.，输出转速，总传动比，齿轮齿数Z=17,模数、齿轮轴孔尺寸、键槽尺寸等根据国家标准选择，齿宽自定，压力角为20。等。第09周：齿轮的设计计算及校核。轴的设计计算及校核。第10周：利用SolidWorks2004中的宏工具对齿轮的绘制过程进行录制并保 存。第11周：利用SolidWorks2004中的宏工具对轴、轴承、端盖及箱体的绘制过 程进行录制并保存。第12周：将录制的程序进行参数化修改并结合Visual Basic6.0实现三维模 型的参数化设计，并将三维零件图保存。第13周：将保存的三维零件图进行装配并运用Solid Works绘图软件实现齿 轮减速器的运动仿真。第14周：二维零件图，装配图的绘制。第15周：提交毕业设计材料，在导师的指导下对不合理的地方进行修改，并 撰写毕也设计论文。第16周：进行答辩。7、参考文献1张展.齿轮减速器现状及发展趋势J.水利电力机械.2001,23(1)：58-6 02尹飞鸿.减速器CAD系统的设计J.常州工学院学报.2001,14(2)：34-373马英，尚久浩.基于特征的三维模型参数化设计J.风机术.2001,5：38-414邓兴贵.用VB开发圆柱齿轮CAD的参数设计子系统J.现代机械.2002,2：6 5-7 05张展.齿轮减速器现状及发展趋势J.水利电力机械.19926 张海藩.软件工程导论M.北京：清华大学出版社。19987 削刚，李学志.机械CAD原理与实践.北京：清华大学出版社.19998刘炳义，张坤.VB程序设计一数据库篇M.北京:人民邮电出版社.19999李佐勇.VB数据库访问方案初探.闽江学院学报第24卷第5期.2003：37-3910江柏伦.VB访问数据库的方案比较.第4期.2003,4.10：56-5811赵军锁.VB数据库访问技术M.北京：机械工业出版社.199912 Jung H H,Aristides A G.Integrating of feature based design and 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