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

        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,還要正確建立設計參數與三維模型尺寸量之間的關聯關系。在三維模型中,d0、d1、d2、d3是Pro/E系統自動創(chuàng)建的約束參數名,使參HD、T、R分d/d1、d2、d3相關聯,建立關系式H=d0、D=d1、R=d2、T=d3。程序首先是讀取已經創(chuàng)建好的參數化三維模型,使用Pro/Toolkit開發(fā)包提供的函數ProMdlRetrieve()可以完成此功能。該函數從磁盤中將name指定的文件名的模型讀入內存,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,可以根據獲得的模型句柄來檢索模型數和獲取模型參數值。Pro/Toolkit的參數檢索和參數值的獲取函數用到了一個模型項(modelitem)參數ProParamerterInit()直接獲取建模時自定義參數名稱對應的參數對象指針。檢索出參數對象后,調用ProParameterValueGet()取得參數值。取得參數值后,通過函數使數據顯示在交互界面上,并且設置新的參數值,更新模型顯示。用戶只需要在交互界面中設置新的參數值,點擊“確定”,這樣修改過參數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　蝸輪蝸桿參數的優(yōu)化
  1.1  目標函數的確定
          蝸輪蝸桿一般用于大傳動比的減速器中,其結構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
                          
   1.2  蝸輪蝸桿設計變量的確定
         考慮蝸輪蝸桿的結構工藝性和有效性,實際使用時,多數蝸輪是通過鍵(平鍵或花鍵)聯接(固定聯接或滑動聯接)與軸孔過盈配合(過盈聯接)實現傳遞扭矩和轉動,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,可根據蝸輪蝸桿傳動的主要參數蝸桿的頭數z1,蝸輪的齒數z2,蝸輪蝸桿的模數m和蝸桿的直徑系數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,它可能是整數,也可能不是整數。但蝸輪的齒數和蝸桿頭數必須是整數,允許存在一定的相對誤差bb(u和bb可根據傳動要求由設計者給出),這樣傳動比
約束條件可寫為
                        
         (2)齒數條件
              蝸桿的頭數z1和蝸輪的齒數z2的取值除必須為整數外,還應該滿足符合傳動實際和不產生輪齒根切的工藝要求,即
                           
         (3)蝸輪蝸桿的模數條件
             蝸輪蝸桿的模數已經形成系列標準,設計時應選用標準的模數,否則會降低蝸輪蝸桿的加工工藝性,影響加工質量?？梢愿鶕O計者的經驗給出一個合適的選擇范圍(m1,m2)并在該范圍內進行優(yōu)化。故其模數約束條件為
                      
          (4)蝸桿直徑系數條件
             蝸桿直徑系數在蝸輪蝸桿傳動中具有重要的意義。當模數一定時,蝸桿直徑的大小會隨著蝸桿直徑系數的增大而增大,減小而減小,蝸桿的剛度與強度也會相應地增大或減小。故可根據設計經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涷灩浇浻嬎慵盎喓罂傻闷潺X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m和蝸桿頭數z1,蝸輪齒數z2及蝸桿直徑系數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較低,復合形的初始頂點由設計者根據經驗選取。
   2　程序的結構和特點
           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數據庫的建立和查詢,蝸輪蝸桿傳動優(yōu)化設計計算,優(yōu)化結果的輸出,蝸輪蝸桿工作圖CAD腳本文件的輸出。其軟件系統結構如圖1所示。
           
       (1)初始條件的輸出
            該程序具有人機交互的功能,它運行時要求根據實際要求輸入必要的初始條件,如:功率P,輸入轉數n1,傳動比i,輸出轉數n2,壽命H,并根據需要選擇傳動類型和材料及工作實況等,程序可以根
據輸入條件的改變而實現條件判斷,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數據庫的建立
         Access數據庫管理系統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據管理能力,可以方便地對數據庫內的記錄進行創(chuàng)建、增刪和查詢等工作。通過運用Access數據庫可以將設計過程中用到的大量數據、國家標準、圖表等直接建成一個大型的數據庫,當程序用到時可以自動地進行查詢。在該程序中Access數據庫和程序的連接主要通過DAOADO控件來實現,對數據的查詢可以通過在程序中運用SQL語言來實現。
      (3)優(yōu)化設計計算及腳本文件的生成
          程序根據初始的輸入條件選取合適的參數后,根據初始頂點來按照復合形法對整個數據范圍進行優(yōu)化從而選擇出最優(yōu)的設計參數,并將這些參數傳遞給參數化繪圖模塊。繪圖模塊根據優(yōu)化后的系列參數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,在AU-TOCAD中運行可得到的圖形文件如圖3所示。
            
    4　結語
            該程序將優(yōu)化設計與繪圖一體化,大大縮短了設計時間,提高了設計質量和圖形質量,縮短了產品的設計周期,為蝸輪蝸桿的設計制造信息化打下了堅實的基礎,這對于提高產品的市場競爭能力,促進產品的研制和開發(fā)具有重要的實際意義和應用價值。