（机械制造及其自动化专业论文）ngw型行星齿轮减速机构设计自动化系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 行星齿轮传动具有传动比范围大、结构紧凑、体积和质量小、效率普遍较高、噪音 低以及运转平稳等优点，被广泛应用于起重、矿山、工程机械、船舶、航空、以及国防 工业等部门作为减速、变速或增速齿轮传动装置。但其设计计算繁琐，类型系列较多， 为了提高设计效率，减少设计失误，满足c a d c a e c a m 集成的需要，对行星传动装置 进行模块化、系列化、参数化设计的研究就具有重要的现实意义。 采用面向对象的开发工具v i s u a l b a s i c 6 0 对三维软件s o l i d w o r k s 进行二次开发，借 助关系型数据库管理软件m i c r o s o f ta c c e s s 对设计参数、设计结果、模型参数进行数据管 理，将n g w 型行星减速机构设计计算及强度校核、关键零部件系列化、参数化建模集 成系统，并做成与s o l i d w o r k s 集成的插件形式。主要完成了以下工作： l 、在对n g w 型渐开线行星齿轮传动的设计理论进行研究的基础上，采用 v i s u a l b a s i c 6 0 和m i c r o s o f ta c c e s s 数据库为开发工具，实现n g w 型渐开线行星齿轮减 速机构设计计算、强度校核和结构参数设计程序化；通过用户交互的设计流程，输入功 率、转速、总传动比、预计寿命、传动效率等初始参数，系统便可得出推荐的传动级数、 传动比分配、齿数分配、齿轮几何参数计算及强度校核结果、以及零件的结构参数等。 2 、对n g w 型行星减速机构的关键零部件参数化建模方法进行研究，利用三维设计 软件s o l i d w o r k s 强大的参数化建模功能和其提供的大量二次开发接口函数，实现了基于 特征的关键零部件三维模型的参数化建模。通过尺寸驱动参数化方法、或者尺寸驱动与 程序驱动组合的参数化方法，实现只需改变零件主要参数即可完成模型尺寸的更新，生 成设计人员所设计的新三维模型；生成行星减速机构快速且定位准确的装配部件参数化 模型，并进行运动仿真和干涉检查，及时反馈设计结果的优劣情况，为改进设计结果提 供参考意见。 3 、采用d l l ( d y n a m i cl i n kl i b a r a r y ) 的开发模式对s o l i d w o r k s 进行二次开发，将行 星减速机构设计自动化系统做成s o lid w o r k s 的插件模式，实现了系统与s o l i d w o r k s 的 无缝集成，解决设计计算结果和三维建模数据相互脱离的问题。 建立的n g w 型行星齿轮减速机构设计自动化系统能够快速设计出产品，减少重复 繁琐的计算和建模工作，显著提高了设计效率和设计可靠性，大大缩短了设计周期，也 可为其他系列化产品的开发提供参考。 关键词计算机辅助设计；n g w 型行星减速机构；参数化设计；s o l i d w o r k s 二次开发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o nh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sl a r g es c o p eo fl r a n s m i s s i o n r a t i o ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m ea n dq u a l i t y , g e n e r a l l yh i g he f f i c i e n c y , l o wn o i s ea n d s t a b l e o p e r a t i o n ，e t e i tw a sw i d e l y u s e di n l i f t i n g , m i n i n g , c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , s h i p b u i l d i n g , a e r o s p a c ea n dd e f e n s ei n d u s t r ys e c t o ra u st h ed e c e l e r a t i o n ，s p e e dc h a n g eo r s p e e d - u pg e a rt r a n s m i s s i o n b u tt h e r eh a v em a n yt y p e so fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o n ，a n dt h e d e s i g nc a l c u l a t i o n sa r ec o m p l i c a t e d ，s oi no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , r e d u c ed e s i g n e r r o r s ，a n dm e e tt h en e e d so ft h ec a d c a e c a mi n t e g r a t e d ，i th a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et od ot h er e s e a r c h e so nm o d u l a t i o nd e s i g n , s e d a t i o nd e s i g n ，p a r a m e t r i cd e s i g n s t u d i e sf o rp l a n e t a r yt r a n s m i s s i o n t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r es o l i d w o r k sb y u s i n g v i s u a l b a s i c 6 0w h i c hi sa no b j e c t - o r i e n t e dd e v e l o p i n gt o o l ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no fd a t a b a s e o fm i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3r d b m so nt h es t o r a g ea n dm a n a g e m e n to fd e s i g np a r a m e t e r s ， d e s i g nr e s u l t s ，t h em o d e lp a r a m e t e r s c o m b i n et h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fd e s i g n ，t h ec h e c k i n g o fc o n t a c ts t r e n g t h , a n dt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n go fs e r i e sk e yc o m p o n e n t so fn g w p l a n e t a r y r e d u c e rt ob eas y s t e m ，m a k ei n t e g r a t i o nw i t ht h es o l i d w o r k sa sp l u g - i nu n i t t h em a i n r e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 s t u d yt h ed e s i g nt h e o r yo fn g wt y p ei n v o l u t ep l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o n , a c h i e v e r o u n t i n i z a t i o no fd e s i g nc a l c u l a t i o n s ，s t r e n g t hc h e c k i n ga n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd e s i g no f n g w t y p ep l a n e t a r yg e a rr e d u c i n gm e c h a n i s mb a s e do nm i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3d a t a b a s ea n d v i s u a l b a s i c 6 0a sd e v e l o p m e n tt o o l ；t h r o u g hu s e ri n t e r a c t i o nd e s i g np r o c e s s ，s y s t e mo f f e r r e c o m m e n d e dt r a n s m i s s i o ns e r i e s ，t r a n s m i s s i o nr a t i od i s t r i b u t i o n ，d i s t r i b u t i o no ft e e t h ，g e a r g e o m e t r ya n ds t r e n g t hc h e c kc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，a n dp a r t so ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，a f t e r i n p u tt h ei n i t i a lp a r a m e t e r ss u c ha sp o w e r , s p e e d , t h et o t a lt r a n s m i s s i o nr a t i o ，l i f ee x p e c t a n c y , t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ye t c 2 s t u d yt h ep a r a m e t r i z a f i o nm o d e l i n gm e t h o do fn g wt y p ep l a n e t a r yg e a rr e d u c i n g m e c h a n i s m se s s e n t i a ls p a r ep a r t , a c h i e v et h ef e a t u r e - b a s e dp a r a m e t r i cm o d e l i n go fk e y c o m p o n e n t sb yu s i n ga p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ( a p do ft h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ( c a d ) s o f t w a r es o l i d w o r k s ，w h i c hp r o v i d e sp a r a m e t r i cm o d e l i n gf u n c t i o n m o d e lt h en e w t h r e e3 dm o d e lw h i c ht h ep r o d u c t i o nd e s i g n e r sd e s i g nb y o n l yc h a n g i n gt h ec o m p o n e n t sm a i n p a r a m e t e rt or e n e wt h em o d e ls i z e ，t h r o u g hp a r a m e t e rd r i v i n gp a r a m e t r i cm e t h o d , o rp a r a m e t e r d r i v i n ga n dp r o g r a md r i v i n gc o m b i n a t i o n sp a r a m e t r i cm e t h o d ；m o d e l i n gp o s i t i o na c c u r a t e a s s e m b l yp a r t sp a r a m e t r i cm o d e lo fp l a n e t a r yg e a rr e d u c i n gm e c h a n i s m ，t i m e l yf e e d b a c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 s t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so ft h ed e s i g nr e s u l t s ，p r o v i d ear e f e r e n c ea d v i c ef o ri m p r o v i n gt h e d e s i g nr e s u l t s 3 r e d e v e l o p i n gd y n a m i cl i n kl i b a r a r y ( d l l ) f i l eo fs o l i d w o r k s ，m a k e sp l a n e t a r yg e a r r e d u c i n gm e c h a n i s ma u t o m a t e dd e s i g ns y s t e ma ss o l i d w o r k sp l u g - i nu n i t t h ed l lr e a l i z e s t h es e a m l e s si n t e g r a t i o nw i t hs o l i d w o r k s ，w h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e mo fd e s i g nc a l c u l a t i o n s a n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gd a t af r o mm u r a l n g wp l a n e t a r yg e a rr e d u c i n gm e c h a n i s ma u t o m a t e dd e s i g ns y s t e me n a b l e su s e r st o q u i c k l yi n t e r a c t i v ed e s i g ne n v i r o n m e n t , r e d u c i n go fd u p l i c a t i o no ft e d i o u sc a l c u l a t i o n sa n d m o d e l i n g ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e sd e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , s i g n i f i c a n t l yr e d u c i n g d e s i g nc y c l e k e y w o r d sc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ：n g w t y p ep l a n e t a r yg e a rr e d u c e r ；p a r a m e t r i cd e s i g n ； s o l i d w o r k ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出和论文研究意义 渐开线行星齿轮减速器是一种至少有一个齿轮绕着位置固定的几何轴线作圆周运 动的齿轮传动，这种传动通常用内啮合且多采用几个行星轮同时传递载荷，以使功率分 流。渐开线行星齿轮传动具有以下优点：传动比范围大、结构紧凑、体积和质量小、效 率普遍较高、噪音低以及运转平稳等，因此被广泛应用于起重、冶金、工程机械、运输、 航空、机床、电工机械以及国防工业等部门作为减速、变速或增速齿轮传动装置【l 】o 渐开线行星齿轮减速器所用的行星齿轮传动类型很多，按传动机构中齿轮的啮合方 式分为：n g w 、n w 、n n 、n g w n 、z u w g w 、w w 等，其中的字母表示：n _ 一内啮 合，w 一外啮合，g 一内外啮合公用行星齿轮，z 畔齿轮。 n g w 型行星齿轮传动机构的主要特点有： 1 、重量轻、体积小。在相同条件下比硬齿面渐开线圆柱齿轮减速机重量减速轻1 2 以上，体积缩小1 2 1 3 ；2 、传动效率高；3 、传动功率范围大，可由小于1 千瓦到上万 千瓦，且功率越大优点越突出，经济效益越高；4 、装配型式多样，适用性广，运转平稳， 噪音小；5 、外齿轮为6 级精度，内齿轮为7 级精度，使用寿命一般均在十年以上。因此 n g w 型渐开线行星齿轮传动已成为传动中应用最多、传递功率最大的一种行星齿轮传 动。 n g w 型行星齿轮传动机构的传动原理：当高速轴由电动机驱动时，带动太阳轮回 转，再带动行星轮转动，由于内齿圈固定不动，便驱动行星架作输出运动，行星轮在行 星架上既作自转又作公转，以此同样的结构组成二级、三级或多级传动。n g w 型行星 齿轮传动机构主要由太阳轮、行星轮、内齿圈及行星架所组成，以基本构件命名，又称 为2 k - h 型行星齿轮传动机构。 1 1 1 目前的问题 在渐开线行星齿轮减速器相的性能和质量方面，我国相比发达国家的水平，还存在 较大差距，而设计手段比较落后是造成这种差距的原因之一。在机械产品设计方面，发 达国家早巳进入分析设计阶段，他们利用c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 技术，将有限元 分析、优化设计等现代设计方法应用到产品设计中，并采用机械c a d 系统进行建模、 分析、仿真、干涉检查等【3 j ，而我国还没有比较成熟的渐开线行星齿轮减速器设计自动 化系统。根据传统方法进行设计时，一般先从设计手册中查询设计参数、经设计人员计 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 算和校核合格，再由绘图人员绘制二维的工程图纸，建立三维模型，为后续的虚拟装配 做好准备。这种设计方式通常需要反复查询设计手册和不断修改设计计算，导致设计周 期长，设计效率低。随着科学技术的飞速发展和市场的瞬息万变，行星减速器更新换代 周期不断缩短，行星减速器的设计效率在其整个生命周期中占据越来越重要的位置，因 此采用行星减速器设计的c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 系统能大大提高设计效率。 目前国内行星减速器设计c a d 系统的开发主要集中在几何参数计算和零件参数化 建模等基本问题上，还没有从基本参数输入到设计计算和强度校核、结构参数设计、参 数化建模、动态模拟装配、结构分析等功能完善的成熟集成系统 4 - 9 。 1 1 2 论文研究的意义 n g w 型行星减速机构设计自动化系统主要针对实际设计中，类型相同但规格不同 的n g w 型行星减速机构的设计，由于它们的设计流程一致，只是主要输入参数不同， 或设计流程中所选用的参数不同，得到的设计结果就不同。因此，将这种类型的行星减 速器设计流程用程序进行固化，让计算机自动执行设计过程，用设计阶段得到的结果和 参数化建模方法实现快速完成行星减速机构关键零部件的三维参数化建模。 将系列化的n g w 型行星减速机构设计计算及强度校核、关键零部件参数化建模集 合成系统，并用v i s u a l b a s i c 对s o l i d w o r k s 进行二次开发，将该系统做成与s o l i d w o r k s 集成的插件形式，解决设计计算结果和三维建模数据相互脱离的问题，将设计人员从设 计计算过程中因改变原始参数而反复重复计算的简单劳动中解脱出来，从繁琐的输入计 算结果到参数化建模模块的工作中解脱出来，并能减少因人为疏忽造成的输入数据错误 情况。同时，用v i s u a l b a s i c 编制界面友好、开发和应用能够互动的n g w 型行星减速机 构设计自动化系统软件，实现设计信息共享，减少因更改参数造成的反复计算工作，大 大提高产品的设计效率，减少设计错误，并能保证设计和建模的数据一致性。对减少设 计工程师工作量、缩短同类产品开发周期等都有积极的意义。该方法对其它结构相同、 尺寸不同的典型系列化零件参数化设计具有参考意义，能够为企业赢得市场竞争的宝贵 时间。 1 2 国内9 1 $ f l 关技术研究现状 1 2 1 国内外行星齿轮减速器的发展 1 8 8 0 年，德国率先研制出行星齿轮传动装置的专利产品；1 9 世纪期间，随着飞机 和汽车等机械行业的迅速发展，带动了行星齿轮传动的进一步发展；1 9 2 0 年首次成批制 造出行星齿轮传动装置，并首先用作汽车的差速器；1 9 3 8 年开始集中发展汽车用的行星 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 齿轮传动装置；1 9 5 1 年德国的高速大功率行星齿轮传动获得了广泛的实际应用；1 9 5 8 年以后，英国、意大利、日本、美国、苏联、瑞士等国相继成功取得大功率行星齿轮传 动的实际应用，并且都形成了系列产品的批量生产和广泛应用；比如英国a l l e n 齿轮公 司生产的功率为2 5 7 4 0 k w 压缩机用行星减速器、德国r e n k 公司生产的1 1 0 3 0 k w 船用行 星减速器。国外的低速重载行星减速器也由系列产品发展到特殊用途产品，比如德国 r e n k 公司生产的矿井提升机的行星减速器，功率= 1 6 0 0 k w ，传动比i = 1 ，输出转矩 3 5 0 k n m ；法国c i t r o e n 生产的用于水泥磨、榨糖机、矿山设备行星减速器，输出转矩 3 9 0 0k n m ，重量达1 2 5 t ；日本宇都兴产公司生产的行星减速器，输出转矩2 1 0 0k n m ， 功率3 2 0 0 k w ，传动比- - 7 2 0 4 8 0 2 7 1 。 一直以来，德国、美国、英国、日本等工业发达国家，对行星减速器的研究、生产 和应用都十分重视，在传动性能、传递功率、速度、转矩等方面均处于领先地位，随着 制造技术的不断进步，使得行星齿轮传动技术有了更高的突破【2 m 6 】。我国在改革开放以 来，随着设备和技术的引进，在消化吸收国外先进技术方面取得了很大的进步。 我国的行星减速器研究开始于2 0 世纪6 0 年代，并在2 0 世界7 0 年代制定n g w 型 渐开线行星齿轮减速标准系列j b l 7 9 9 1 9 7 6 ，并在某些专业定点厂成批生产n g w 型系 列产品；2 0 世界9 0 年代，我国机械行业标准“n g w 型行星齿轮减速器标准( j b t 6 5 0 2 1 9 9 3 ) 中规定了包括单级，两级，三级减速的十二个系列的渐开线直齿圆柱齿轮 行星减速器，主要用于冶金，矿山，运输，建材，能源，交通等行业【2 】。现已研制出高 速大功率多种行星齿轮减速器和低速大转矩行星齿轮减速器，其中高速大功率多种行星 齿轮减速器有：列车电站燃气轮机用的3 0 0 0 k w 行星齿轮减速器、高速汽轮机用的 5 0 0 k w 行星齿轮减速器、万立方米制氧透平压缩机用的6 3 0 0 k w 行星齿轮减速器；低 速大转矩行星齿轮减速器的应用有：矿井提升机用的8 0 0 k w 的x l - 3 0 型行星齿轮减速 器，双滚筒采煤机用的3 7 5 k w 行星齿轮减速器【4 】。 2 0 0 4 年9 月，煤炭科学研究总院上海分院和宝钢集团苏州冶金机械厂共同研制出 2 8 0 0 k w 行星齿轮减速器，是目前我国自主研发使用在建材、冶金行业最大的行星减速 器【1 6 】。2 0 1 0 年由张展设计的2 k - h 型悬浮均载行星齿轮减速器，采用2 k - h ( n g w ) 型负 号机构的行星齿轮传动，形成l4 个系列的产品，单位质量的承载能力为6 0 8 0 k n m t ， 个别可达1 0 0 k n m t ，主要与盾构( 土方掘进机) 配套，用于市政、交通工程中的项管掘进 机、打桩工程等设备，也可用于能源、建材、冶金、矿山、轻化和环保等工程中。 目前，行星齿轮传动继续向以下几方面发展【2 7 】：向高速大功率及低速大转矩方向发 展；向动力的多分支化发展：在机构上进行改进，在减速器内部动力经多路分级减速后， 再汇合成一体的小型减速器；向少齿差动行星齿轮传动方向发展：主要用于小功率、大 传动比传动；向高精密制造技术方向发展：采用新型优质钢材，精密加工获得高齿轮精 度、低粗糙度，比如内齿轮采用精插齿能达5 “级精度，外齿轮采用精磨齿能达5 级精 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 度，粗糙度r a 0 2 0 4 t m ，提高承载能力。 1 2 2 行星减速器c a d 技术的发展 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，即c a d ) 具备建立几何模型、工程分析、 产品分析、动态模拟、自动绘图等功能，具体是指设计人员借助计算机进行设计的一项 专门技术，即在设计人员的设计思想指导下，由c a d 软件协助完成部分或大部分设计任 务【l o 】。 计算机技术和硬件更新速度很快，经历了大型机、小型机、工作站、微机时代的计 算机技术，每个新时代都会出现新的流行的c a d c a m 软件。比如，在工作站时代，u g 、 p r o e n g i n e e r 是三维c a d c a m 软件的佼佼者；而在当今微机时代，s o l i d w o r k s 在 v v m d o w s n t 平台的三维c a d c a m 软件中处于领先地位。由于国外在工作站平台上开 发c a d c a m 软件已有一定的时间和投入，我国软件在这方面比美国等发达国家落后许 多。但是在微机平台上开发c a d c a m 软件是一个全新的领域，我国与国外起点差不多， 都是使用v i s u a lb a s i c 、s u a l c + + 、o p e n g l 等工具进行软件开发，在这基础上开发出先 进的，符合本国用户习惯的c a d c a m 软件还是有可能的【1 1 】。 目前，国内外市场上已有机械c a d 系统主要是针对齿轮传动的设计，比如 1 2 】：( 1 ) 渐开线圆柱齿轮设计专家系统6 o o 版是集国内外齿轮最新研究成果和实践经验，结合最 新国家及国际标准，经知名齿轮专家的几十年研究和提炼，推出的全新设计的齿轮专家 系统，系统提供了原始设计，精度计算、强度校核、几何计算、齿轮测绘等模块，可以 适合减速机行业、矿山机械、汽车行业、船舶行业等多种行业的传动件和传动设备的设 计计算要求。( 2 ) 英国s m t 技术公司研发的m a s t a 软件是传动系统选配、设计开发、制 造一体化大型专用软件系统，其应用涵盖了舰船( 包括工业齿轮箱、风电齿轮箱等) 、车 辆( 包括变速器、驱动桥和分动器) 和航空领域；m a s t a 包含两部分：设计分析部分 和齿轮制造部分，针对车辆，还有整车匹配部分；设计分析部分包含三个方面的功能： 建模或设计功能，分析功能，优化功能；这三方面的功能都覆盖三个层面：零件，部件 或称子系统，总成或称系统。( 3 ) 英国r o m a x 公司积累多年经验开发的r o m a xd e s i g n e r 主要应用于齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析，在传动系统设计领域享有盛誉，目前 已成为齿轮传动领域事实的行业标准；其应用包括汽车、船舶、工程机械、风力发电、 工业、轴承以及航空航天等领域的齿轮传动系统的设计。( 4 ) 美国研发的k i s s s o f t h i r n w a r e 软件，对于各类零件( 齿轮、弹簧、链轮、花键、键等等) ，很多很多的零 件提供了计算方法，唯一不足的是，该软件计算整个系统传动时，操作不如r o m a x 和 m a s t a 方便。( 5 ) 萝卜花出品的齿轮工程国产软件，此齿轮设计计算程序可用于汽车用 渐开线圆柱齿轮、渐开线内、外花键的设计与测绘、加工计算、尺寸公差选用与偏差查 询、渐开线函数值反查角度、基节表查询等，主要用于简单的齿轮计算，但是其精度计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 算查询模块存在问题，其计算过程中应采用端面模数耽，而不是法向模数m 甩，导致其精 度计算数值与i s 0 1 3 2 8 表格值有差异。( 6 ) 郑州机械研究所经过近2 0 年研究，开发的 齿轮传动c a d 集成系统( z g c a d ) ，该软件可在普通微机( w i n d o w s 9 5 9 8 n t 等操 作系统) 上运行，只要有一定的齿轮设计经验者即可操作。可用于新产品设计、系列产 品设计、老产品改进设计及测绘仿造设计、项目投标设计等，是目前国内软件功能最齐 全的、实际工程应用最好的一套齿轮传动c a d 商品化软件，在国内享有很高的知名度。 目前，该软件系统己在冶金、石化、煤矿、电站、汽车、大型工程装备等行业的1 5 0 多 家齿轮制造厂使用，软件还销往台湾地区。 针对n g w 型行星减速器的c a d 系统还比较少，比如软行天下网站上发布的孙毅 研发的多级n g w 行星减速器设计系统5 0 版，主要实现了单级、两级、三级n g w 型行 星减速器的总体设计计算和强度校核，但未实现关键零部件的结构参数设计和零部件的 参数化建模。对于完善的n g w 型行星减速器c a d 系统的研究，大多还处在探索阶段， 对行星减速器进行辅助设计研究的成果主要集中在参数化建模领域 4 - 9 ，而对行星减速机 构设计计算系统和零件参数化建模系统一体化c a d 的研究相对较少，目前为止主要研 究成果有：韩翔在“基于u g 的2 kh 行星减速器计算机辅助设计中提出将用户设计 参数输入、产品选型设计计算、零件三维特征参数化建模、零件实体建模系统装配及仿 真集成于u g ，实现产品设计自动化【4 j ，但该作者的研究重点在零件参数化建模及装配仿 真部分，对设计计算流程归纳不完善。全美娟在“行星传动设计计算和三维建模系统的 研究 中提出行星齿轮传动的设计计算计算机辅助设计和三维建模系统，并将主要零件 的建模程序生成s o l i d w o r k s 插件，实现了系统与s o l i d w o r k s 的无缝集成，但系统还存在 有待完善之处，比如行星齿轮传动设计计算计算机辅助设计部分只有几何尺寸计算，未 考虑强度计算等内容；参数化建模部分只完成了行星齿轮传动中关键零件的三维造型设 计，没有完成行星架、壳体、轴承等的参数化建模【5 】。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要对n g w 型行星减速机构进行模块化、系列化、参数化设计研究，采用面 向对象的v i s u a l b a s i c6 0 二次开发工具对三维建模软件s o l i d w o r k s 进行二次开发，将 n g w 型行星减速机构的设计计算及强度校核、结构参数设计、零部件参数化建模等功 能汇集并编译成s o l i d w o r k s 的插件，构建n g w 型行星齿轮减速机构设计自动化系统。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 系统总体分析：分析系统的实际需求及实现的目标，进行系统模块的划分， 确定n g w 型行星减速机构设计自动化系统的开发平台、二次开发工具、开发形式及系 统所需的数据库类型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 2 ) n g w 型行星减速机构设计流程研究：对行星齿轮传动设计计算和强度校核、 浮动用齿轮齿轮联轴器设计计算及强度校核、基本构件和行星轮支撑结构设计计算等进 行研究，实现设计计算及校核流程的自动化。 ( 3 ) n g w 型行星减速机构关键零部件参数化建模：对n g w 型行星减速器的零件 进行分类，研究不同类型零件的不同建模方法，采用以尺寸驱动法为主、程序驱动法为 辅的参数化建模方法，实现关键零部件的参数化建模。 ( 4 ) n g w 型行星减速机构设计自动化系统构建：实现设计计算及强度校核流程自 动化执行，并调用设计结果进行零部件三维参数化建模，部件参数化建模，并采用d l l 技术，将系统编译成s o l i d w o r k s 的插件形式，实现无缝集成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章n g w 型行星减速机构设计自动化系统总体设计 2 1n g w 型行星减速机构设计方法 由于n g w 型行星减速机构应用广泛，采用该结构的行星减速器种类较多，结构略 有差异，导致设计周期长、设计成本高，针对该问题，采用模块化、系列化、参数化方 法设计n g w 型行星减速机构，可以显著提高设计效率，缩短设计周期。 2 1 1 模块化设计方法 模块化设计方法是在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系 列通用的功能模块，根据用户的要求，将这些模块进行积木式的组合设计，就可以构成 不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品，而不必对每种产品都进行单独设 计，以解决产品的品种、规格与设计周期、成本之间的矛盾。n - - 十世纪五十年代，欧 美一些国家正式提出“模块化设计概念，把模块化设计提到理论高度来研究 2 9 - 3 4 1 。 现有模块化设计的主要方式有【3 5 】： ( 1 ) 横向系列模块化设计：不需要改变产品的主要参数，利用模块的发展变形产品， 这种模块化方式比较容易实现，应用程度较广。常是在基型品种上更换或添加模块，形 成新的变形品种； ( 2 ) 纵向系列模块化设计：在同一类型中对不同规格的基础型产品进行设计； ( 3 ) 横向系列和跨系列综合模块化设计：除了发展横向系列产品之外，改变某些模块 后，还能够得到其它系列的产品时，便属于横向系列和跨系列综合模块化设计； ( 4 ) 全系列模块化设计：包括纵向系列和横向系列； ( 5 ) 全系列和跨系列模块化设计：主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品 的模块化设计。 基于上述理论，系统采用纵向系列模块化设计方法，对同一类型的n g w 型行星减 速机构中不同规格的减速机构进行模块化设计。 2 1 2 系列化设计方法 系列化设计方法是根据生产和使用要求，对产品进行归纳，将主要参数和性能指标 按照一定规律进行分类，用相同的方法实现相同工作原理和相同功能的零部件或整机的 设计和制造，按照其规格形成系列化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 系列化设计的主要方式有【3 6 】： ( 1 ) 纵向系列化设计：用多个具有独立功能的不同产品，组合成一个产品系列，该方 法要求产品或某个部件具有模数关系，甚至要求遵循行业标准、国家标准或国际标准， 因此互换性强； ( 2 ) 横向变换系列化设计：用同一产品不同的配置方式来形成一个产品系列，该方法 要求充分考虑通用部件；可互换的部件的位置，留出使用余地；结合部位的合理性，适 用于以组装方式生产的产品； ( 3 ) 多向变换系列化设计：用相同性能或通用部件来构成不同类型的产品，并选择产 品的某些要素，采用增减、置换、重组、颠倒等变换方式进行多角度、多层次、多途径 的变换设计，形成一个产品系列，其实质是一种跨系列的产品族，该方法所体现的往往 不一定是形式上的系列化，而是技术和原理上的共性，有时是通过通用件或模块来实现 的。 基于上述理论，本系统采用横向系列化设计方法，对n g w 型行星减速机构进行系 列化设计。由于n g w 型行星减速机构是以额定承载能力为主要的性能指标来进行归类 的，而额定承载能力随着齿轮的模数m 大小不同具有一定的级差关系，因此，在相同的 传动比和固定的齿宽系数条件下，按照使用系数为1 1 来计算n g w 型行星减速机构不 同模数m 对应的额定承载能力大小，并根据模数m 的大小顺序排列形成n g w 型行星减 速机构的系列化设计。 2 1 3 参数化设计方法 由于系列化n g w 型行星减速机构的设计计算和结构形式有很大程度的相似性，需 要采用参数化设计来解决重复设计和三维建模的工作量问题，同时，参数化设计可以将 产品的几何模型用尺寸参数与其他设计参数统一起来，实现自动化设计和系列化设计， 大大提高设计效率。 参数化设计主要以约束造型为基础，通过尺寸驱动，允许设计人员先进行草图设计， 大致勾画出零件轮廓，再输入精确的尺寸值来驱动轮廓完成最终设计；在系列化设计的 建模过程中，为了提高设计效率，应用参数化设计技术，通过修改零部件的主要参数， 用程序驱动整个零部件的模型自动生成或者用程序驱动已有零部件参数化模型的尺寸更 新，快速得到不同尺寸的零部件模型。其关键是用零部件特征几何约束关系的提取和表 达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。参数化设计方法主要有两种方式 9 】： ( 1 ) 直接式参数化设计法：由设计者通过三维建模软件界面直接对零部件进行操作， 建立不同的零件配置和系列零件设计表，选择不同的参数系列，得到不同尺寸或相似结 构的零部件模型，这种方法不用设计者了解计算机内部的处理方式，应用比较广泛； ( 2 ) 间接式参数化设计法：这类参数化设计又分为程序驱动法和尺寸驱动法，对于程 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 序驱动法要求设计者对计算机语言及调试技能相当熟悉，通过分析零件的模型特点和最 佳建模顺序，确定出主要参数和次要参数的尺寸约束关系、特征的拓扑约束关系、工程 约束，按照建模顺序编制建模程序，通过程序驱动整个零件的建模参数化；尺寸驱动法 则是在零件参数化模型已经存在且其尺寸也已经完全定义和约束的基础之上，用程序调 用参数化模型并对其主要参数赋值，更新后得到新的零件模型。 基于上述理论，本系统采用间接式参数化设计方法，详细分析参见4 1 中所述内容。 2 2n g w 型行星减速机构功能模块的划分 2 2 1 模块划分的方法 科学合理的模块划分是模块化设计的基础，模块划分的原则是：所设计的模块结构 力求简单、规范，模块之间的联系尽量简单；争取用最少的模块数量组成尽量多的产品； 所组成的产品在保证使用要求的前提上，满足结构简单、精度高、成本低廉、性能稳定 等特性。 目前主要有三种模块划分的方法【3 4 】： ( 1 ) 按功能划分模块：采用自上而下的方法，将产品的总功能分解为一系列的子 功能，采用聚类分析算法，按照一定的相关性影响因素进行分析进行详细模块划分；该 方法适用于待设计对象的功能以及功能的具体结构都不确定的全新设计； ( 2 ) 按零件划分模块：从产品零部件的布局及其关联关系上考虑，利用聚类分析 算法将关联因素与结构单元相关联，通过把结构单元聚成模块来进行模块划分；该方法 适用于待设计对象的功能及功能的具体结构已经确定，只需通过改变几何尺寸即可得到 新产品的常规设计； ( 3 ) 综合划分模块：该方法综合了按功能和按零件两种方法进行模块划分；该方 法适用于产品设计过程中使用最多的改型设计，待设计对象的功能及功能的具体结构已 经确定，但部分具体结构没有确定，需要在已有的产品结构上进行改良，派生出不同产 品的。 这三种模块划分的过程如图2 1 所示【3 4 1 ，其中综合模块划分方法的具体过程如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 一 接璃毖捌分楱块过程( 垒赣谖甘 一接零辟翅分楱竣滋稷( 害规设诗 一 一 书 踩合矧分模疑过程改羹设诗) 图2 1 三种模块划分方法的过程 图2 - 2 综合模块划分方法的具体过程 广；。；，o；，；l 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 2 2 模块化设计的步骤 模块化设计分为系列模块化产品研制过程和单个产品的模块化设计两个层次。第一 个层次实际上是系列产品研制过程，需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计， 如图2 3 所示瞰1 ；第二个层次实际上是选择和组合过程，需要根据用户具体要求对模块 进行选择和组合，并进行必要的设计和校核，如图2 _ 4 所示【蚓； 市场调查与分析 + 分析产品功能 拟定产品系列型谱 确定参数范围和主参数 + 划分模块 模块结构设计 形成模块库 + 编写技术文件 ( 结束 ) 用户需求 确定参数 + 系列型谱 模块选择 模块组装 分析计算 ( 结束 ) 图2 - 3 模块化系列产品研制过程图2 _ 4 模块化产品设计过程 模块化设计的具体步骤如下 3 4 1 ： l 、市场调查与分析 根据用户的要求，注意市场对同类产品的需求量以及对同类产品的基础型号和变型 产品的需求比例，分析可行性。模块化设计的总功能不应该包括市场需求量少、但设计 制造成本却很高的产品。 2 、分析产品功能，拟定系列型谱 模块化设计包含的产品种类和规格要合理，如果包含的种类和规格过多，会造成设 计工作量大，加大设计难度；如果包含的种类和规格合理，虽然减弱了对市场的应变能 力，但设计难度也随之减弱，还能提高产品的针对性。 3 、确定参数范围和主参数 产品的参数有功率、转矩等动力参数，输入和输出转速、传动比等运动参数，还有 尺寸参数。合理地确定这些参数范围，避免造成不能满足要求或造成浪费的现象。参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 数值的极限值应根据使用要求确定，参数值在其极限值范围内的分布一般应满足等差或 等比数列。主参数是指能够代表产品的重要性能和规格大小的参数。 4 、确定模块化