摘要: 提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真建模相結(jié)合的方案,并利用VB2005與Pro/E軟件開發(fā)了單級(jí)直齒圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng),使優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果直接應(yīng)用于仿真模型,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真的自動(dòng)化,縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間.


         隨著資源的日趨緊缺、原材料成本的增加以及機(jī)械性能要求達(dá)到最理想化的發(fā)展趨勢(shì),通過強(qiáng)度、剛度、可靠性、穩(wěn)定性等性能校核而獲得最終設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法逐漸被優(yōu)化設(shè)計(jì)所取代.目前,已有很多學(xué)者通過不同的方法與手段研究了減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及圓柱齒輪的裝配技術(shù)[1-2].優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)問題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法,求解最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)以達(dá)到最理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)來解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足[3].由于設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不能完全保證所要達(dá)到預(yù)期的要求,如果采用制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)來檢測(cè)產(chǎn)品性能指標(biāo),其耗資大,周期長(zhǎng),因此采用仿真技術(shù)解決此問題具有重要意義[4].若將優(yōu)化與仿真結(jié)合在一個(gè)系統(tǒng)中,并使優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果自動(dòng)應(yīng)用于仿真,這不僅可以達(dá)到理想的設(shè)計(jì)目標(biāo),還能夠很快驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性,大大降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間.
        
1　 系統(tǒng)的基本要求
        機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)需要具有強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算能力的軟件,機(jī)械仿真需要具有較強(qiáng)圖形建模能力的軟件,為了能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化與仿真的自動(dòng)結(jié)合,就需要一個(gè)具有強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算功能和圖形建模功能的軟件系統(tǒng),使優(yōu)化數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)匹配.目前具有這種功能的軟件很難找到,例如Matlab數(shù)學(xué)計(jì)算功能雖然強(qiáng)大,但圖形建模能力差,而Pro/E圖形建模能力雖強(qiáng),但數(shù)學(xué)計(jì)算功能不足.為了解決這個(gè)矛盾,可以利用軟件的接口,將數(shù)學(xué)計(jì)算軟件和圖形建模軟件結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化數(shù)據(jù)與仿真所需要的數(shù)據(jù)自動(dòng)結(jié)合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化與仿真的自動(dòng)化.
         本文利用VB2005進(jìn)行單級(jí)圓柱齒輪減速器最小體積優(yōu)化,然后利用VB2005對(duì)PRO/E進(jìn)行二次開發(fā),使優(yōu)化后的減速器參數(shù)能在PRO/E中自動(dòng)生成所需模型.在不討論調(diào)查分析、方案擬定等基本設(shè)計(jì)步驟的情況下,優(yōu)化與仿真自動(dòng)化系統(tǒng)的基本流程如圖1所示.
             

2　  優(yōu)化設(shè)計(jì)
          由于減速器工作條件和性能要求的不同,減速器可優(yōu)化的目標(biāo)較多,常見的有減速器體積最小、各級(jí)齒輪的承載能力最強(qiáng)等.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在確定目標(biāo)函數(shù)后,為了使優(yōu)化迭代趨于合理,需要根據(jù)具體工作環(huán)境要求確定邊界約束條件和性能約束條件,同時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法和合理的獨(dú)立參數(shù).如在單級(jí)圓柱齒輪減速器的體積最小為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí),體積取決于齒寬、兩個(gè)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、軸距、兩個(gè)齒輪的齒輪軸直徑;邊界條件有不發(fā)生根切的最小齒輪齒數(shù)、齒輪模數(shù)、齒輪直徑、軸距等條件;性能約束條件有接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力、最大撓度等條件.
       
3　  Pro/E二次開發(fā)
          Pro/E是由美國(guó)PTC公司開發(fā)的三維造型仿真軟件,并得到當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的認(rèn)可和推廣,是當(dāng)今最成功的CAD/CAM軟件之一.成熟的CAD/CAM軟件一般都有自己供用戶使用的二次開發(fā)接口,Pro/E軟件也為用戶提供了豐富的二次開發(fā)工具,其中Pro/Toolkit是PTC為Pro/E制定的開發(fā)工具包,它提供了應(yīng)用程序接口(API),使客戶或第三方廠商具有擴(kuò)展Pro/E功能的能力[5].利用VB API函數(shù)二次開發(fā)Pro/E環(huán)境的基本要求是:①安裝windowsxPsp2專業(yè)版操作系統(tǒng);②安裝PTC公司的Pro/E野火4.0版本;③安裝Visual studi-o2005軟件.這樣就能夠在windowsxPsp2系統(tǒng)中設(shè)置VB2005,通過Pro/Toolkit應(yīng)用程序在后臺(tái)運(yùn)行Pro/E以調(diào)用所需功能的環(huán)境,系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置環(huán)境變量如圖2所示.
                   
         在計(jì)算機(jī)中設(shè)置好VB的編程語言環(huán)境后,利用VBA添加引用Pro/E VB API函數(shù),這樣在VB中就能夠調(diào)用Pro/E內(nèi)部函數(shù),對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開發(fā).當(dāng)然,利用VB2005對(duì)Pro/E開發(fā)方法較多,如調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)及使用AGW軟件等,也可以達(dá)到優(yōu)化后仿真的效果,本文不再此介紹這兩種方法.
        
4　 系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例
4.1　系統(tǒng)開發(fā)
          本文以單級(jí)直齒圓柱齒輪減速器為例,進(jìn)行以體積最小為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真,輸入功率P=58 kW,輸入轉(zhuǎn)速n1=1 000 r/min,齒數(shù)比u=5,齒輪的許用接觸應(yīng)力[σ]H=550 MPa,許用彎曲應(yīng)[σ]F=400 MPa.
          根據(jù)需要,系統(tǒng)主界面分兩大部分(如圖3),左側(cè)是優(yōu)化設(shè)計(jì)界面,右側(cè)是仿真界面.優(yōu)化設(shè)計(jì)界面有19個(gè)輸入項(xiàng),包括功率、轉(zhuǎn)速、許用應(yīng)力值等,右側(cè)可鏈接Pro/E界面.優(yōu)化結(jié)果的顯示分為2個(gè)部分,一部分為保留兩位小數(shù)點(diǎn)的優(yōu)化結(jié)果,另一部分為取整后的最優(yōu)解.
                        
   
4.2　 減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)
            根據(jù)單級(jí)齒輪減速器幾何形狀尺寸及機(jī)械設(shè)計(jì)所需要滿足的條件與要求,確定以齒寬b、小齒輪齒數(shù)z,模數(shù)m、軸距以及小齒輪軸和大齒輪軸的直徑d1、d2為獨(dú)立參數(shù),其他參數(shù)通過這6個(gè)獨(dú)立參數(shù)計(jì)算得到.設(shè)定減速器體積目標(biāo)函數(shù)[3]:
                    
         在VB2005編程界面中設(shè)定好邊界條件和收斂精度,利用懲罰函數(shù)計(jì)算編寫優(yōu)化程序,得到上面6個(gè)獨(dú)立變量的最優(yōu)解依次為[212.3 22.48.16 318.5 101.3 130.0],將數(shù)據(jù)按規(guī)范取整,得[220 22 8 320 100 130].根據(jù)取整后的最優(yōu)解解出其他仿真所需參數(shù),如大齒輪齒數(shù)沒有直接優(yōu)化得出,齒數(shù)為小齒輪齒數(shù)和傳動(dòng)比的積等于110.
4.3　創(chuàng)建單級(jí)齒輪減速器模型
         在Pro/E野火4.0版本中創(chuàng)建單機(jī)減速器基本模型,利用菜單中“工具—關(guān)系”設(shè)定好各參數(shù)的關(guān)系,如圖4所示.例如設(shè)齒頂高為ha,局部參數(shù)中標(biāo)明齒頂高系數(shù)hax的取值,關(guān)系中標(biāo)明ha=hax＊m,這樣只需修改參數(shù)就能改變減速器模型的尺寸大小.用獨(dú)立變量的最優(yōu)值和其他參數(shù)替換減速器基本模型的局部參數(shù)值,刷新后就得到圖5所示的裝配仿真圖形。
                         
                          

5　 結(jié)束語
         減速器的優(yōu)化和仿真是學(xué)術(shù)研究的熱門課題,本研究將兩種研究方法結(jié)合起來,提出了優(yōu)化數(shù)據(jù)與仿真相結(jié)合的解決方案,實(shí)現(xiàn)了基于優(yōu)化解的自動(dòng)化仿真模型.利用VB2005與Pro/E軟件開發(fā)的減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng),縮短了減速器的設(shè)計(jì)時(shí)間,降低了設(shè)計(jì)成本.