二級(jí)斜齒圓柱齒輪減速器虛擬仿真與可靠性分析

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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