（机械制造及其自动化专业论文）复杂机械系统caxplm平台理论及其应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着我国“十一五”发展规划，作为机械工业重要组成之一的工程机械行 业面临前所未有的机遇与挑战。作为一种复杂机械系统，工程机械具有零部件 结构复杂、功能模块丰富以及体积庞大等特点，使得其设计制造周期较长。同 时，随着市场竞争的逐渐加剧，提高所设计产品的市场竞争力自然成为机械设 计人员最关注的焦点问题。 因此，如何增强设计人员的开发效率，提高产品的制造质量，并缩短整个产 品研发与制造的市场响应时间，无疑成为增强机械产品市场竞争力的必经之路。 由此，本文采用了一种基于c a x p l m 平台的复杂机械系统设计方案，深入地探 讨了该方法的实施流程与关键技术，并在实际的项目应用中给予了有效地实施 与论证。 首先，本文详细阐述了复杂机械系统的基础理论，系统地归纳了复杂机械系 统( c m s ) 的特征，并重点地论述了复杂机械系统设计的关键技术。然后，逐 步论述了c a x p l m 平台的基本理论、核心模块以及框架结构，深入分析了基于 c a x p l m 平台的典型案例的具体实施过程，从而总结并提出了采用该平台完成 复杂机械系统设计的一般性操作流程。最后，结合实际项目中机械产品的设计 任务，给出了基于c a x p l m 平台理论完成产品研发的具体操作流程，并完成了 该实施方案的可行性论证。 总之，本文所论述的c a x p l m 平台作为一种全新的计算机辅助工程设计思 路，为完全实现“无纸化”设计提供了切实可行的解决方法。该方案在典型机 械产品设计过程中的顺利运用，为今后在复杂机械系统设计中应用c a x p l m 平 台积累了经验。 关键词：复杂机械系统，c a x p l m ，企业级仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g o i n gw i t ht h e 11 “f i v e y e a rd e v e l o p i n gp l a n , t h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r y i n d u s t r y , w h i c hi sc o n s i d e r e da so n eo f t h ei m p o r t a n tm o d u l eo f m e c h a n i c a li n d u s t r y , a r ef a c i n gt h eg r e a t n e wo p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e s t h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r y b e i n gac o m p l i c a t e dm e c h a n i c a ls y s t e m ( c m s ) h a ss o m eo fc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s c o m p l i c a w dc o n f i g u r a t i o no fp a r t s ，a b u n d a n tf u n c t i o n a lm o d u l e sa n dl a r g ev o l u m e ， w h i c hm a d et h e mh a v et h el o n g - t i m ec y c l ec h a r a c t e r i s t i cf o rt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r ep r o c e s s a tt h es a m et i m e ，b e c a m eo ft h eg r a d u a l l ys t r e n g t h e n i n go f m a r k e tc o m p e t i t i o nf o rm a c h i n e r ym d u s t r y , i m p r o v i n gt h ec o m p c t i n ga b i l i t yn a t u r a l l y b e c o m e st h em i l e s t o n eq u e s t i o nf o rm a c h i n e r yd e s i g n e r s c o n s e q u e n t l y , h o wt os t r e n g t h e nd e s i g ne f f i c i e n c y , i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n d s h o r t e nt h er & da n dm a r k e tr e 印o n d i n gc y c l eo fp r o d u c th a v eb e c o m et h eo n l yo n e w a yt os t r e n g t h e nc o m p e t i n ga b i l i t yo fm a c h i n e r yp r o d u c t sw i t hn od o u b t t h e r e f o r e ， t h i st h e s i sd e s c r i b e das o l u t i o nf o rc m s sd e s i g n i n gp r o c e s sb a s e do nc a x p l m p l a t f o r ma n d d i s c u s s e di t sa p p l y i n gf l o w a n dk e yt e c h n i q u e s ，a n dt h e nm a d ee f f i c i e n t a p p l i c a t i o na n dv e r i f i c a t i o nu s i n gp r a c t i c a ld e s i g np r o j e c t f i r s t , t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h et h e o r yo fc m s si nd e t a i l ，s y s t e m i c a l l yc o n c l u d e d t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c u s s e dt h ek e yt e c h n i q u e so fc m sd e s i g n i n gp r o c e s s t h e nd i s c u s st h ee l e m e n t a r yt h e o r y , k e m e lm o d d e sa n dt h ef r a m e w o r ko f c a x p l m p l a t f o r ms t e pb ys t e p ，a n da c c o r d i n g l yg e tt h eg e n e r a la p p l y i n gp r o c e s sb a s e do n c a x p l mp l a t f o r m st y p i c a li n s t a n c e a tl a s ta u t h o rv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f c a x p l mp l a t f o r mt h e o r yw i t hp r a c t i c a lm e c h a n i c a ld e s i g nm i s s i o n i nc o n c l u s i o n ，t h ec a x p l mp l a t f o r md i s c u s s e di nt h i st h e s i sw h i c hi so n eo f t h e b r a n - n e wc o m p u t e ra i d e dm e t h o d sh a do f f e r e das o l u t i o nf o ra b s o l u t e l y n o - p a p e r d e s i g np r o c e s s w i t ht h es u c c e s s f u la p p l y i n go ft h i sm e t h o di nt h ed e s i g np r o c e s sf o r t y p i c a lc m s ，t h i st h e s i sa c c u m u l a t e ds o m ee x p e r i e n c ef o ru s i n gc a x p l mp l a t f o r m i nt h ep r o c e s so f c m s d e s i g n i n g k e yw o r d s ：c o m p l i c a t e dm e c h a n i c a ls y s t e m , e n t e r p r i s e - l e v e ls i m u l a t i o n , c a x p i ，m n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 机械工业是为国民经济和国防建设提供技术装备的基础性产业，是其他高新 技术产业发展的重要载体和平台【l 】。回顾“十五”发展，作为机械工业支柱产业 的工程机械行业取得了很大的成绩。港口起重机、汽车起重机、液压挖掘机、 装载机、摊铺机、商品混凝土机械和叉车等产品都取得了突飞猛进的增长。表 1 - 1 清楚说明了“十五”期间我国工程机械的销量情况，从表中可以清楚发现工 程机械的市场空间巨大。“十一五”期间，国家的整体规划仍然有利于工程机 械行业的发展。与五年前相比，工程机械的市场保有量已经大幅增加，按照一 台设备的使用寿命1 0 1 5 年计算，这批设备的服役期至少要到2 0 1 5 年。据专家 预测，在“十一五”期间，工程机械行业不再可能出现2 0 0 2 年和2 0 0 3 年的发 展势头，因此，平稳上升可能会成为“十一五”工程机械发展总趋势【2 】。 随着国内工程机械各设计生产企业规模的日益庞大，工程机械行业面临日益 激烈的市场竞争【3 j 。徐州重工、柳州重工、大连重工、三一重工以及振华港机均 在继续提高自己主打产品市场占有率的同时，还在积极扩展自己的产品线。以 专门从事港口集装箱起重机设计与制造的上海振华港口( 集团) 有限公司为例， 其在继续扩大自己传统起重机产品市场占有率的同时，正在向海洋平台以及船 用工程机械产品线延伸。各传统工程机械生产企业的产品线之间出现了冲突。 因此，工程机械行业在日益激烈的竞争中面临着十分紧迫的生存与发展问题。 激烈的市场竞争对产品的质量、成本、灵活性、适应性、研制期及交货期均提 出了越来越高的要求。作为现代产品生产的关键环节，在产品的生命周期中， 产品设计过程对于缩短企业的产品研制开发与制造周期、提高质量以及改善产 品性能起着至关重要的作用。为了适应市场经济多变与多需求的产品竞争方式， 产品设计的概念、方法与思想已经发生了很大的变化。具体表示在：( 1 ) d e s i g n f o rx ；( 2 ) 新的设计进程；( 3 ) 支持多学科的并行联合仿真设计模式； ( 4 ) 设计过程的科学化、总体协调、综合优化以及有条不紊的设计管理方法。 工程机械作为一种复杂机械系统，其设计制造过程具有设计周期长、零部件 复杂、设计环节众多以及总装难度较高的特点。为了提高产品市场竞争力，设 计制造企业需要寻求一种高效的设计工具与方法。在此研究背景下，笔者就面 向复杂机械产品设计制造过程的c a x p l m 平台理论进行了较为详细的论述。并 武汉理工大学硕士学位论文 通过实际的产品设计验证了该方法的可行性，从而为设计与制造复杂机械系统 提供了一种新的设计方法参考。 表卜l “十五”期间我国工程机械销量情况 指标1 9 9 9 年“+ 五”目标2 0 0 4 年比1 9 9 9 年增长( ) ： 产品销量情况亿元3 8 46 5 01 1 5 7 2 0 1 出口额亿元 3 54 0 1 5 33 3 7 主要产品销量台 6 3 9 4 1 9 0 1 4 02 4 1 1 3 8 1 6 8 液压挖掘机 6 1 0 01 2 0 0 0 3 3 4 8 94 4 9 轮式装载机 1 8 7 0 0 2 3 0 0 09 6 3 0 4 4 1 5 轮式起重机 2 7 7 0 3 5 0 0 1 1 3 1 23 0 8 塔式起重机 5 9 0 06 5 0 0 1 1 0 0 0 8 6 混领土机械 2 1 5 9 4 5 0 01 1 6 4 7 4 3 9 1 2 与研究课题相关的国内外动态 本节拟在设计思想、方法与设计工具三个方亟针对国内外复杂机械系统的设 计制造动态进行论述。 1 2 1 国内动态概述 1 2 1 1 我国设计思想的变化 机械设计思想是指导设计人员如何依据功能需求并利用合适的工具完成设 计任务的指导方法论，它应该是机械设计的核心。我国自古就有机械设计与制 造一说。早在春秋战国时代，墨子及其门徒就已经在开始进行早期的“机械设 计”工作1 4 j ，并拥有了自己的设计思想与设计方法。墨子及其弟子在从事机械设 计和机械制造的过程中，认识到“兴利”是机械的目标，要求在保证实现预定 的机械功能与满足运动和动力性能的要求下。应该注重机械的实用性。先秦的 曾侯乙编钟以及宋代的水运仪相台等产品都必须归功于我国古代先进的设计方 法和设计思想。从那时开始到后来的很长一段时间内，我国的机械制造水平一 直都远远领先于世界其他国家。我国古代的设计思想主要包含三个方面内容： 系统思想、模数思想、自动思想和标准化思想【5 1 。 但是，基于历史的原因，清政府后期的懦弱无能，让我国在机械设计思想依 然王步不前。虽然自改革开放以来，我国设计人员一直在努力学习与消化西方 2 武汉理工大学硕士学位论文 的先进设计思想，但是至今依然以对各种专业机械特性的研究作为重点，就机 械设计思想的研究力度非常不够。 1 2 1 2 我国设计方法的现状 目前，我国机械产品设计方法具有如下三个特点： ( 1 ) 继续大量沿用前苏联的产品设计流程，主要分为需求分析、概念设计、 详细设计和模型验证四个步骤。该设计方法较为呆板。 ( 2 ) 虽然已经开始应用诸如可靠性设计、虚拟设计以及优化设计等现代设 计方法。但是其在整个设计过程中所占比例很小网。 ( 3 ) 产品的各个设计进程间缺少有效的沟通交流方法。大多数企业在进行 产品设计时，总是硬性地从前一个设计阶段转移到下一个设计阶段当中。只有 在发现产品的严重设计错误之后，才返回到对应的设计环节进行修改。从而使 得设计周期较长，且设计效率不高。 1 2 1 3 我国设计工具的现状 随着国内市场的不断开放，西方发达国家的先进设计工具大量涌入我国机械 行业市场。这些设计工具大体上分为三类： ( 1 ) 建模工具。三维建模工具主要有u n i g r a p h i c s 、s o l i d w o r k s 以及p r o e 等， 传统的二维工程图绘制软件a u t o c a d 依然具有很高的市场占有率。 ( 2 ) 工程分析工具。目前的该类工具集中在基于有限单元法以及多体动力 学等理论的软件平台之上，其主要有a n s y s 、m s c a d a m s 和n a s t r a n 等。 ( 3 ) 设计流程管理工具。具有代表性的软件工具主要有m m 的s a p 、u g s 公司的t c a m c e n t e r 以及微软的p r o j o c t 软件等。 虽然国外的先进设计工具充斥我国市场，但是应该清楚的看到这类软件或多 或少的具有价格高昂、功能侧重点不同以及设计结果数据交换不流畅等缺陷， 加上国外对这些软件的核心技术均进行了保留。从而使得这些软件工具很难符 合我国实际的实际要求，国内设计人员所使用的这类软件均落后国外至少2 0 年。 1 2 2 国外动态概述 西方发达国家的设计方法从1 9 世纪开始就一直走在世界的前列。美国人曾 经提出过“为竞争的优势而设计”的口号，该口号的意义非常明显：在激烈的 市场环境中能够脱颖而出的必然是那些能够对客户的各种需求、商业机会，经 3 武汉理工大学硕士学位论文 济状况以及技术侧重点做出快速反应的企业r 玎。因此，西方国家一直都在寻求全 新的高效设计方法。麻省理工学院校长g o r d o nb r o w n 认为：“工程人员不光要 同百科全书一样具有丰富的知识，也不仅仅进行分析与计算工程应该是综 合所有的知识进而完成技术改变的一种方法”i s 。本着这个原则。西方国家所有 设计方法与设计工具都围绕着实际的需求而展开。 西方发达国家利用计算机工具辅助产品设计，已经不再把这些设计工具当成 是孤立的单元，而是把这些软件工具尽可能地集成到产品的整个设计周期当中， 从而提出了p l m ( p r o d u c tl i f c c y c l em a n a g e m e n t ) 的概念。在产品的设计过程中 广泛采用仿真技术也是目前国外发达国家制造业企业共同采用的方法。而且仿 真形式已经由最初的单点、单理论仿真进展到多点多学科的混合仿真模式。遗 憾的是，这种全新的仿真模式在国内的制造业里面却很少被采用。国外曾经做 过这样的一个调查，一个典型的工程分析团队需要由不同分析领域的专家们利 用超过4 3 个完全不同的仿真工具来完成仿真工作【一。国外现在已经出现了集成 到产品的整个业务流程中的超大型c a x p l m 平台，其不仅具有灵活的快速的仿 真响应能力，并且还能够自由她集成现有和未来的仿真技术。能够最大可能性 地缩短产品开发时间以降低产品成本，从而使得产品具有更强的生命力。 1 3 本文的研究内容 在激烈的市场竞争中，企业若仅依靠完善现有产品已经无法保证其市场地位 的维持或提升，不断追踪市场或顾客需求变化的产品创新，已经成为企业保持 竞争优势的关键所在。随着机械行业的不断发展，机械系统的结构变得越来越 复杂，这无疑给设计人员提出了更高的要求。在实际的设计过程中，设计人员 不光要处理机械系统每一零部件的设计与检验任务，同时还要在与该零部件相 关联的上下级零部件中进行统一分析。另外，为了提高产品的性能并降低生产 成本，还需要考虑各种通用外包件供应商所提供产品与机械系统自身的兼容性。 因此，设计人员在进行机械产品尤其是大型复杂机械产品的设计过程中，不光 要面对传统意义上的“设计任务”，而且还要对机械产品寿命周期内的所有数 据进行操作与管理。传统意义上的单点离散型的计算机辅助设计工具已经远远 不能满足设计任务的需求。鉴于此，本文系统地分析了国内外最新的集成辅助 设计平台的框架结构，论述了在这类设计平台上所采用的核心技术，并以笔者 设计的模块化l 型混合减速器的设计制造过程为例，围绕减速器设计过程中所 4 武汉理工大学硕士学位论文 使用到的各种先进工具软件与设计方法，对复杂机械系统使用的c a d x p l m 平 台进行了探讨。希望能够为今后设计大型机械系统积累一些经验。图1 1 表明了 本文的基本研究路线，全文各章节的关系如图1 2 所示。 国 图i - i 本文的研究路线 本文的主要研究内容如下： ( i ) 对比与论述了国内外机械产品设计思想、设计方法与设计工具的现状。 ( 2 ) 详细论述了复杂机械系统的概念以及复杂机械系统设计过程中的设计 关键技术。 ( 3 ) 全面概括与分析了国外先进c a x p l m 平台的基本理论、基本功能与 框架以及使用流程，并详细论述了其中的关键技术。 ( 4 ) 以实际的产品设计项目为例，验证了使用c a x p l m 平台的可用性。 5 量 j1iiii_ieljll_|lllil 嚣 武汉理工大学硕士学位论文 通过对国内外设计方法的比 较。确定研究对象与路线 论述c j i ) c p 珊平台在复杂枫 城系统中的应用 第四章c a x p 堪平台在复杂 机械系统中的应用 钳出结论并j 研究展凳 弋7 l 第六章全文总结与展望 图1 2 全文各章节的组织关系 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章复杂机械系统理论分析 2 1 引言 复杂机械系统具有零部件结构复杂、模块组合形式复杂以及功能复杂等特 点，因此，复杂机械系统的设计制造过程具有设计周期长、复杂度高、设计人 员多、性能测试复杂以及制造安装过程复杂等特点。 机械系统是指由运动副连接多个物体所组成的系统，系统内部物体之间往往 还有弹簧、阻尼器、驱动器等广义力的作用，系统外部对系统内物体施加外力 ( 矩) 以及驱动约束。如果组成系统的物体全部假定为刚体，这样的机械系统 称之为多刚体系统，如果考虑物体的弹性变形，全部物体为柔性体，这样的机 械系统统称为多柔体系统；实际中的系统往往是部分物体作为柔性体考虑，其 余不计其弹性变形的物体假定为刚体，这样的系统称为刚柔混合多体系统。 针对复杂机械系统设计过程展开的研究所涉及范围非常广泛，其内容主要包 括复杂机械系统的设计方法、零部件拓扑结构、系统级建模方法、动力学分析 以及企业级产品仿真等方面。本章就复杂机械系统设计中所需解决的关键技术 展开论述。 2 2 复杂机械系统设计过程的关键技术 2 2 1 设计方法 复杂机械设计问题具有众多设计变量和设计约束，一般均为非线性问题，其 设计过程是一个十分复杂的决策过程。这种过程的求解往往是十分困难的。文 献【7 】中提到了一种建立复杂机械系统设计的多级模型设计方法。通过将复杂机 械系统设计问题分解成多个可独立求解的、由一定协调策略协调的子问题，从 而可以实现整个问题的求解。进而可以实现整个系统的概念简化、子问题降维、 并行或分布式计算、参数研究的模块化处理、多决策人员的多准则分析等，从 而大大有利于复杂机械系统的设计。 已有的多级模型设计方法按照不同的分解方式可以分为以下两类： 2 2 1 1 目标分解法( o b j e c td e c o m p o s i t j o n ) 目标分解法是将一个大型系统按照其要素构成分解成不同子问题的一种多 级设计方法。这是针对具体问题的一种“自然”分解。图2 1 为目标分解法的一 个例子。从图中可以清楚看出设计人员人为的把海洋石油钻井平台自提升模块 7 武汉理工大学硕士学位论文 分解成了四个部分，从而可以针对不同部分采用不同的设计方法。但是其缺点 也非常明显：人为划分的部分过于主观，往往忽略了各部分间的关系 2 2 1 2 多学科分解法( b u i t 卜t h e o r yd e c o m p o s i t i o n ) 多学科分节法是根据包含在子系统中的不同专业知识，按照不同的学科分解 成多个子系统。图2 - 2 为多学科分解法实例，从图中可以看出门机设计共分为3 个部分：结构力学分析、静力学分析以及动力学分析。多学科分解法经常是从 管理的角度出发便于多学科间的协同合作，但是其难点是要处理多学科间的耦 合问题。 图2 - 1 目标分解法实例 图2 - 2 多学科分解法实例 2 2 2 系统级建模 要提升进行复杂机械系统设计的效率，首要问题是要解决针对机械系统的建 模工具。通过这类工具所建立的机械系统模型能够在计算机中以数字形式完美 再现其所有信息。目前市面上系统级建模能力最优秀的是美国u g s 公司发布的 基于p l m 思想的u m g r a p h i c s 软件平台。本节针对该平台中系统级建模部分的关 键技术进行论述。 2 2 2 1 拓扑结构 复杂机械系统具有零部件结构复杂，部件信息量大以及依赖关系复杂等特 点，因此，在进行复杂机械系统设计的过程中需要建立条理清晰的零部件拓扑 组成结构，进而反映出复杂机械系统各组成功能模块间的信息相关性和上下级 零部件间的依赖关系等内容，从而让设计人员从繁琐的信息处理中解脱出来并 将主要精力集中在解决设计问题的难点上。 机械系统是由一组构件经由一组运动副连接而成。因此，机械系统是一个典 型的二元组集合，可以用一张无向图或有向图( 又称几何约束图g c g ) 加以表 8 武汉理工大学硕士学位论文 示，并记为m e c h = r ，j ) ，其中，r 是构件，j 是运动副。r 对应于g c g 图的 顶点，j 对应于图的边。为便于图的计算机表达和处理，定义下列邻接矩阵【引。 邻接矩阵j 可以表示为： a = 西l n x n ( 2 - 1 ) f m ，0 图3 1 l 辅助设计平台在制造企业中所处的位置 产品库可以这样定义：根据一定规则对产品进行抽象并对抽象内容以适当的 数据结构在计算机中进行定义与表述，从而形成产品信息的数字化存储。根据 机械产品实例的特点，提出了宝塔型多实例库设计方法。该库分为产品实例库、 组合件实例库和零件实例库。产品实例库是个基本库，组合件实例库和零件实 例库是通用的实例库，均包含产品各种系列的常用件和组合件信息，其数据结 构如图3 - 1 2 所示。 3 3 3 2 基于主模型思想的应用流程 基于主模型思想的c a x p l m 平台在复杂机械系统设计制造过程中的应用流 程如图3 1 3 所示。按照复杂机械系统的设计步骤，基于主模型思想把设计流程 一共分为概念分析、系统建模、动力学分析、结构强度分析、自动控制设计、 虚拟装配、绘制工程图纸以及指导生产等八个流程。需要注意的蹇这八个部分 并不能实现严格的功能区分，在复杂机械系统的设计过程中各个流程会穿插到 一起。下面分别对每个流程所完成的内容进行论述。 ( 1 ) 概念分析。本阶段主要针对机械系统的各种原理性功能进行分析，因 此其重点是产品的原理模型。以龙门起重机的象鼻梁设计为例，在概念设计阶 段就把模型抽象为4 连杆机构，忽略臂梁的横截面积与形状，只关注臂梁的长 武汉理工大学硕士学位论文 度与铰点位置。经过对该院里模型的分析，获得杆件的运行位移曲线、运动速 度和加速度等性能，从而评价出不同连杆参数的性能优劣。 篓t ：娄i t l 嚆鞠霹 l ! 竺h 嚣黥 零n l d 主劳敦 约藏 点罄教功 安倒幺称 窭倒泰哪玛 产妯挣耩结拇 稀卷鼹幢 前盎埘性 盛倒i d 虫豁魏 产晶窭倒t d ：静彀 韵敷 连接磬敦 1 寄数r 0 产= 二江湖i 太鬓名杯 圆隧陋 千襄l di q 子凳m l 锕件2 称l “ 援扳空忤l 豫杯乏什l 静卷牲忭i 幼卷属性i 缩建伯l 一 窭= 显 组抖珀 y 蔓势敦 约束 旺接器蕺 i 奇数阳 l 一餍盯 l 磐数俯i i 的求势教储i i 一般蟹数值i i 赫奄墒惟l l 痧张德i i ii 图3 一1 2 宝塔型多实例库设计方法 ( 2 ) 系统建模。根据概念设计阶段确定的复杂机械系统设计方案，按照不 同的功能模块分别建立模型。这里需要注意的是要清楚确定各个模块之间以及 同一模块间不同零部件之间的尺寸，外形和功能关系，从而让整个复杂机械产 品的部件信息清单( b o m ) 清晰明了。 ( 3 ) 动力学分析与结构强度分析。该流程主要处理机械产品零部件与模块 的机械性能计算与分析问题。以设计岸边集装箱起重机的主梁为例，就必须采 用动力学与结构强度理论进行主梁的强度、挠度、模态与振动性能分析。该流 程穿插于整个复杂机械系统的设计过程之中。 ( 4 ) 自动控制设计。根据不同机械产品的特点，在完成产品结构的设计之 后需要进行自动控制系统设计。根据自动控制的性能要求，结合系统建膜流程 以完成整个机械产品设计。 ( 5 ) 虚拟装配。复杂机械系统除了具有零部件组成与结构复杂的特点，其 系统安装方式与步骤同样非常繁琐。因此，利用计算机的强大图形处理能力， 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 采用数字化的“虚拟”方式完成复杂机械系统的整体装配流程分析与设计，从 而尽最大可能的减少机械产品总装时的成本开销。该流程主要完成的功能有： 零部件安装干涉检验、装配顺序与装配时间统计等。 僚 工程) | 冬 纸 h _ f ， 在孙 型 压孙 缝模 图3 1 3c a x p l m 平台在复杂机械系统中的应用流程 ( 6 ) 绘制工程图纸。虽然目前的数控机床发展很快，但是对于部分结构外 形非常庞大的复杂机械系统来讲，绘制工程图纸依然是最有效的指导生产方法。 由于整个机械系统由计算机建立了真实的三维模型，因此采用坐标投影变换的 方法可以很容易的从三维模型自动生成二维图纸。并且，所生成图纸与原始三 维模型完全相关，一旦三维模型尺寸出现变化，所生成图纸可以自动更新。 ( 7 ) 指导生产。该流程主要是自动生成适用于数控机床的n c 程序，从而 可以实现复杂机械系统部分零部件的完全“无纸化”设计制造。 3 4 本章小结 本章针对应用于复杂机械系统的c a x p l m 平台理论展开论述，系统的阐述 了c a x 系统的相关理论与p l m 的概念，并系统论述了c a x p l m 集成辅助设 计平台的组成框架与其在复杂机械系统中的应用。从而为后续c a x p l m 平台在 复杂机械系统中的应用打下理论基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章c a x p l m 平台在复杂机械系统中的应用 4 1 模块化l 型混合式减速器的反求设计 本减速器主要用于实现海洋石油开采平台的起升与下降任务时的功率转换。 该减速器结构复杂，采用传统理论计算方法进行设计难度较大。通过在设计过 程中合理使用c a x p l m 平台工具，大大提高了减速器的设计效率。本节围绕 c a x p l m 平台在该减速器设计制造过程中应用所涉及的内容展开论述。 4 1 1 设计原理 4 1 1 1 减速器简述 减速器是一台独立的传动装置，由密闭的箱体、相互啮合的一对或多对齿轮 ( 或蜗轮蜗杆) 、传动轴及轴承等所组成。常安装在电动机与工作机之间，起 到降低转速和相应增大转矩的作用。 定轴减速器机构简单，制造与装配方便，但其每级传动的传动比较小。若需 获得较大传动比，则减速器体积较大、传动效率较低；而行星减速器与普通定 轴减速器相比，具有传动比大、体积小、重量轻、承载能力大和传动效率较高 等优点。因此，其常用在高速、大功率或低速、大转矩的起重运输、石油化工、 冶金矿山和建筑机械等行业的机械传动中。 目前，在起重运输、石油化工等行业中使用的行星减速器大都采用直线形结 构，若和原动机相连，则沿轴线方向需要较大的安装空间，且若要上下并排安 装多台减速器时，原动机的布置、安装变得较为困难。 4 1 1 。2 基本功能 为了解决常用行星减速器和原动机相连给安装位置空间带来的局限性，提出 设计一种新型模块化l 形混合式减速器的思路。图4 1 为该减速器的总体装配图， 从图中可以看出该减速器的零部件数量众多、结构复杂，采用传统的设计方法 效率较低，因此采用基于c a x p l m 平台的设计方法可以极大的提高设计效率。 图4 2 为4 台该减速器的安装实物照片。 该减速器的设计原理如下所述：利用m 对( 图4 1 中为五对) 定轴齿轮传动， 同n 级( 图禾1 中为三级) 串行行星轮系相连，从而让减速器的输入轴线和输出 轴线间保持预定的距离并相互保持平行。在这种混合轮系中，定轴轮系的作用 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 主要是改变输入和输出轴之间的相互位置，从而保证可以充分利用径向空间； 行星轮系的主要作用是获得大的传动比和输出转矩。三级串行行星轮系中采用 浮动中心轮结构。这样既可以保证减速器装、拆方便，又可以保证行星轮间载 荷分布的均匀性。为了减小减速器的轴向尺寸，前两级行星轮系中的行星架采 用单侧板式行星架，而最后一级( 输出轴) 行星轮系为了保证传递较大的转矩， 行星架采用双侧板整体式结构来保证具有足够的强度和刚度。 图4 1 减速器总装配图图4 2 减速器安装图 4 1 2 基于c a x p l m 平台的实现 本减速器的设计采用基于主模型思想而展开，结合具体的c a x p l m 软件平 台，整个设计过程一共分为概念分析、系统建模、动力学分析、结构强度分析、 虚拟装配、绘制工程阻纸以及指导生产等七个流程，其关系如图4 3 所示。下面 分别就各流程的设计内容进行论述。 4 1 2 1 概念设计 结合减速器设计的特点，该设计流程的主要内容是确定模块化l 型减速器的 主要设计参数，包括：确定定轴轮系以及串行行星齿轮的传动级数、各部分齿 轮的传动参数( 传动比) 和分配各级齿轮扭矩三个部分。根据此阶段的设计特 点，选择u n i g r a p h i e s + m s c a d a m s 软件完成概念设计。 首先，在a d a m s 中建立定轴齿轮传动和2 k h 行星齿轮传动的原理分析模 板( 三维模型采用u n i g r a p h i c s 建立) 。定轴齿轮传动的原理模板包含3 个元素： 转动副、驱动与耦合副，其具体形式为图4 - 4 所示。行星齿轮传动的原理模板同 武汉理工大学硕士学位论文 样包含同定轴传动原理模板一样的元素，但是由于其整体自由度为2 ，所以其模 板的建立较为复杂。建立完成的行星齿轮传动原理模板如图4 5 所示。在此两原 理模板的基础上考虑减速器的实际安装尺寸、总传动比以及传递功率要求，建 立整个该减速器的传动原理模型，如图4 - 6 所示。整个原理模型由模型、转动副、 固定副、耦合副以及驱动所组成，表4 1 为该原理模型的参数统计。 图4 3 基于主模型思想的c a x p 平台设计流程 图4 - 4 定轴齿轮传动原理模板图4 5 行星齿轮传动原理模板 4 9 武汉理工大学硕士学位论文 在最终确定的减速器原理模型中进行基本的运动学分析与正向动力学分析， 从而获得减速器各级传动比以及各级齿轮船速矩。图4 - 7 为该减速器的传动比分 布图，图4 - 8 为输入轴转速为1 1 6 4 r p m 时各级齿轮转速分布图。 图4 - 6 模块化l 型混合式减速器传动原理模型 表4 - 1 模块化l 型混合式减速器传动原理模型参数统计 | 刚体运动副齿轮副 ；驱动。，节点 ，反向摁矩。 i 数量 2 l2 71 7l4 21 图4 7 传动比分布图图4 8 各级传动速度分布图 4 1 2 2 系统建模 武汉理工大学硕士学位论文 本阶段的任务是根据概念设计中所确定减速器方案在计算机中建立详细的 减速器三维模型，其重点是整理减速器的尺寸链与设计参数之间的关系并在此 基础上建立参数驱动模型，从而为后续进行减速器性能校核时自由更改模型形 状提供便利。根据此特点，采用u n i g r a p h i c s n x 软件完成减速器的系统建模。 表4 - 2 是完成系统建模后的减速器齿轮参数汇总。 表4 2 减速器参数汇总 1 级。2 级3 级。一4 级5 级： 定轴定轴行星行星行星 z = i7 6 1 6 5 6 4 6 3 z = 1 7 8 lz = 1 3 5 4 1 2 2z = 1 3 2 7 6 8z = 1 4 2 0 5 5 m n = 4 5m n = 6m n = 8 i n n = 1 4r a n = 2 0 a = 1 8 0 2 8 8 2 9 5 2 9 0 h = 3 0 0a = 2 7 6a = 2 9 4a = 3 6 3 4 b = 4 5b - - 6 0b = 7 0 b = 1 1 5 8 = 2 9 0 b e t a = ob e t a = o b e t a = ob e t a = ob e t a = o i = 3 7 i = 4 7 6i o + 1 = 1 0 3 8i o + i = 6 2 3i o + 1 = 4 9 2 9 4 1 2 3 动力学与结构强度分析 首先根据减速器输入功率，采用动力学软件m s c a d a m s 分析减速器各齿 轮在表4 3 所示工况下承担的扭矩，然后将经过计算的扭矩转换到有限元分析软 件a n s y s 中进行齿轮强度、轴强度以及壳体强度等分析计算。 表4 - 3 工作状况 工况， “说明 ” 。篡羔三：三：赫循菇荔篡薹薹纛一霪 l正常提升转矩为1 8 3 5 2m n m ，运行1 5 1 小时 2预载提升转矩为2 3 8 5 9m n m ，运行2 6 小时 3保持提升状态转矩2 4 1 6 8m n m ，运行5 小时 4分类测试时的输出转矩转矩3 6 2 4 6m n m ，输出轴运转一周 5电机峰值转矩转矩6 9 1n m ，减速器输入转矩 下面以第二级行星齿轮中心轮轴的应力分析为例说明采用a n s y s 进行结构 强度校核的步骤。 建模方式：3 维实体单元建模，图4 - 9 为轴的三维模型。 5 l 武汉理工大学硕士学位论文 单元选择：s o l i d 4 5 传递扭矩：4 4 6 n m - - 4 4 6 0 n m l n ，将扭矩转化为面力作用于键上( 图4 - 1 0 ) ， 则作用在键上的力为： f = 4 4 6 0 x 2 d j z = f n ( 4 - 1 ) 其中d 为花键中点处的半径，厶为作用在各节点的等效力，n 为节点数。 图4 9 第二级中心轴模型图4 1 0 扭矩作用示意图 图4 1 1v o nm i s e s 应力分布图 经过计算，轴所承受的最大应力为1 2 1 4 2 m p a ，应力云图见图4 - 1 1 。 4 1 2 4 虚拟装配 在完成了减速器所有零部件的动力学与强度分析之后，就需要按照真实的总 装步骤在计算机中完成虚拟装配。此阶段的特点是确定整个机械系统的安装工 步，并检验各零部件间是否出现干涉等内容。在本减速器设计过程中采用u g 软 武汉理工大学硕士学位论文 件完成减速器的虚拟装配，其中需要重点使用其w a v e 模块、a s s e m b l y 模块以 及q u i c kc h e c k 模块。 4 1 2 5 绘制工程图纸与指导生产 使用c a x p l m 平台进行复杂机械系统设计的最大优点就是可以在经过计算 机工程分析后的产品三维模型基础上，交互性地生成工程图纸。图4 - 1 2 为三维 模型生成二维图纸的例子。经过对比发现，采用该方法生成减速器的总装图纸 只需要不到3 0 分钟时间，但是采用传统的二维绘图方法完成该张图纸将会花费 大约1 天的时间。因此，不论是从绘制时间还是从难易程度上讲，前者具有很 大的优势。同时，根据c a x p l m 平台所提供的公差特征与分析功能，可以简化 工程图纸的创建与维护过程。另外，由于工程图纸与三维模型全参数相关，因 此根据部分零部件的加工特点，平台可以自动生成适用于数控机床的n c 程序， 从而实现了从设计到生产的“无纸化”。本减速器中齿轮数量众多并是单件小 批量生成，因此在制定生产工艺时选择了数控机床加工齿轮的方式。经过实际 的生产检验，发现该方案的可用性较好。 图4 1 2 两种绘制工程图对比 武汉理工大学硕士学位论文 在整个减速器的设计过程中，以上所论述的七个流程在时间上并没有严格的 界限，而且会在某一个设计阶段，七个流程的设计任务实现交互，这也就是并 行设计的思想。 4 1 3 设计方法的可行性验证 采用c a x p l m 平台完成机械系统的设计毕竟是一种计算机方法，考虑到计 算机设计方法的误差，因此在产品进入实际作业之前并不能完全确认该设计方 法的正确性与可行性。基于此思路，作者在使用c a x p l m 平台完成整个减速器 系统设计之后，采用了传统的演算设计方法并按照1 ：5 的比例完成了该减速器 模型的设计与制造。通过对实际生产出来减速器的物理样机进行的性能测试发 现，采用c a x p l m 平台所完成的减速器系统设计同采用传统演算方法的结果基 本一致。同时，采用c a x p l m 平台设计方法具有设计时间短、设计步骤清晰、 修改方便以及方便存储与再利用的特点。因此，作者认为c a x p l m 平台在复杂 机械系统设计中的广泛应用是一种非常优秀的方法。 4 。2c a x p l m 平台在其他复杂机械系统中的应用 作者还在其它复杂机械中实现了c a x p l m 平台的应用，下面分别进行论述。 4 2 1 铁路抢险物资输送车关键技术 为了及时应付铁路上出现的险情并输送抢险物资，提出了一种铁路抢险物资 输送车的设计方案。图4 - 1 3 位该方案的原理图。由于该方案尚处于项目投标阶 段，因此，如何快速与全面的分析设计方案的特点并与其他方案进行性能优劣 对比是设计人员需要重点关注的问题。考虑到c a x p l m 平台的特点，笔者围绕 该设计方案建立了性能分析模型，并对方案中的关键性能指标进行了分析与评 价。三维模型采用u g 建立并在a d a m s 中完成分析与评价。 4 2 1 1 货箱运行性能分析 物资输送车的设计目的是快速输送抢险物资，因此，货箱的运行性能好坏对 于评价物资输送车设计方案的性能优劣有着至关重要的影响。作者在a d a m s 中重点分析了输送车在进行正常运输物资时全部货箱的起制动运动学与动力学 性能。并提交了技术分析报告。图4 - 1 4 为箱体运行情况分析界面。 4 2 1 2 单箱卸科分析界面 武汉理工大学硕士学位论文 图4 一1 3 铁路抢险物资输送车设计方案 图4 一1 4 箱体运行情况分析界面 图4 一1 5 单箱卸料分析界面 输送物资的最终环节是实现料箱卸料操作，因此，单箱卸料的性能同样很大 程度上影响到整体方案的性能。图4 1 5 为单箱卸料的设计思路与性能分析界面。 从图中可以看出其思路是采用4 根牵引钢丝绳分别拉住料箱的4 个端点，然后 通过4 部卷扬机的牵引作用实现料箱的翻转与提升。在分析过程中，首先进行 料箱的正向运动学分析，根据预定的料箱运行特点计算出钢丝绳需提供的牵引 力大小。接着进行料箱的反向动力学分析，通过输入卷扬机的输出功率特性计 5 5 武汉理工大学硕士学位论文 算出料箱在此情况下的运