（机械设计及理论专业论文）基于ug的2kh行星减速器计算机辅助设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，c a d 技术已广泛应用于工程设计的各个领域，它的发展和应用使 传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济 效益。在此背景下，本文在u g 统一数据库基础上，通过二次开发实现设计、 建模、装配及运动仿真的集成，构建2 k h 行星减速器计算机辅助设计系统。 在完成行星减速器设计后，作者总结和提出了基于u g 的行星减速器三 维特征造型系统及参数化设计系统，重点研究了行星减速器特征参数化及其 实体三维造型和设计数据共享技术；建立了一套行星减速器设计系统；利用 三维实体建模及特征参数化设计技术，将产品设计和三维造型相结合，实现 系统集成。论文的主要研究成果如下： 1 针对行星减速器系列化、规格化，建立基于特征参数化的行星减速器 新产品开发的框架：以u g 、v c + + 等软件平台为基础，建立一套行星减速器 三维设计系统，它包括产品性能设计、特征造型、虚拟装配等功能模块。 2 通过对行星减速器建模特征进行分解，实现基于u g 三维建模的特征 参数化造型以及通过u g 二次开发实现行星减速器传动系统特征参数化建 模。 3 利用u g 二次开发实现行星减速器零件设计、三维参数化特征建模、 虚拟装配及仿真的系统解决方案，解决了设计过程中的“自动化孤岛”问题， 实现系统集成。 4 修正了现有u g 文献中齿轮付仿真比率定义的疏漏，给出通用公式。 关键词：2 k - h 行星减速器；u n i g r a p h i c s ；计算机辅助设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t ra c t n o w ，c a di sa l r e a d ye x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ee a c hf i e l do fd e s i g no e n g i n e e r i n g i t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nm a k et h et r a d i t i o n a lp r o d u c td e s m e t h o da n dp r o d u c tm o d et a k ep l a c ed e e p l y s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i ti sg o r r e r o nt h eb a e k r o u n do ft h i s ，t h i st h e s i si n t e g r a t e st h ed e s i g nw i t h3 dm o l d i n go ft h p a r t ，a s s e m b l yo fp a r t sa n dm o t i o ns i m u l a t i o nb yt h em e a n so fd e v e l o p m e n to fu ( o nt h eb a s i so fi t sd a t a b a s e a n dc o n s t r u c t sc a ds y s t e mo f2 k - hp l a n e tr e d u c e r a f t e rh a v i n gc o m p l e t e dd e s i g n ，a n t h e rs u m m a r ya n db r i n gu p3 df e a t u r m o l d i n ga n dp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g ns y s t e mo f2 k - hp l a n e tr e d u c e r ，e s p e c i a l l ： s h a r i n gt e c h n i q u eo ff e a t u r ep a r a m e t e r ，i t s3 dm o l d i n ga n dd e s i g nd a t ao fp l a n e r e d u c e r t h i st h e s i se s t a b l i s h e sas e to fd e s i g ns y s t e mo fp l a n e tr e d u c e r t h p r o d u c td e s i g ni sc o m b i n e dw i t h3 dm o l d i n ga n ds y s t e mi n t e g r a t e ri sr e a l i z e db ： u s eo f3 ds o l i dm o l d i n ga n df e a t u r ep a r a m e t e rd e s i g nt e c h n i q u e t h ef o l l o w i n ； a c c o m p l i s h m e n t sa r ea c q u i r e di nt h i st h e s i s ： 1 a i m m i n ga tt h ep l a n e tr e d u c e rs e r i e sa n dr e g u l a t i o n t h et h e s i sb u i l d sn e p r o d u c td e v e l o p m e n tf r a m eb a s e do nf e a t u r ep a r a m e t e rp l a n e tr e d u c e r as e to f3 i p l a n e tr e d u c e rd e s i g ns y s t mi se s t a b l i s h e di n c l u d i n gp r o d u c tf u n c t i o nd e s i g 目 f e a t u r em o l d i n g ，v i s u a la s s e m b l ye t cb a s e do nu g ，v c + + ，e t o 2 b yd i s a s s e m b l i n gm o l d i n gf e a t u r eo fp l a n e tr e d u c e r ，f e a t u r em o l d i n gi r e a l i z e db a s e do nu g f e a t u r ep a r a m e t e rm o l d i n gi sc a r r i e do nb a i s i so fu ( d e v e l o p m e n t 3 t h i st h e s i sr e a l i z e si n t e g r a t i o no fp l a n e tr e d u c e rp a r td e s i g n ，3 dp a r a m e t e f e a t u r em o l d i n g ，v i r t u a la s s e m b l ya n ds i m u l a t i o nb ym e a n so fu gd e v e l o p m e m p r o b l e mo f ”i s o l a t e di s l a n d ”e x i s t e di nt h ep r e s e n td e s i g ni ss e r r i e d 4 t h et h i s i sr e v i s e sm i s t a k et h a ti so nd e f i n i t i o no fr a t i oo fg e a rp a i s i m u l a t i o nl i e d i nt h ec u r r e n tl i t e r a t u i eo fu gm o t i o ns i m u l a t i o n t h eg e n e r a f o r m u l ai sd e d u c e d k e y w o r d s 2 k hp l a n e tr e d u c e r ；u n i g r a p h i c s ；c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 11 选题背景及意义 第一章绪论 2 k - h 行星减速器( 以下简称行星减速器) 与普通定轴减速器相比，具 有承载能力大、传动比大、体积小、重量轻、效率高等特点，被广泛应用于 汽车、起重、冶金、矿山等领域i j l 2j 。 我国的行星减速器产品在性能和质量方面与发达国家存在着较大差距， 其中一个重要原因就是设计手段落后。发达国家在机械产品设计上早巳进入 分析设计阶段，他们利用计算机辅助设计技术，将现代设计方法，如有限元 分析、优化设计等应用到产品设计中。采用机械c a d 系统在计算机上进行 建模、分析、仿真、干涉检查。实现三维设计，投产后改动很少，往往一次 成功。而我们的设计手段仍处于以经验设计为主的二维设计阶段，设计完成 后，在投产中往往要进行很大的改动，使得产品开发周期长、性能质量低。 为改变我国行星减速器的生产和设计手段的落后状况，缩短新产品的开发周 期，提高企业市场竞争力，有必要开发一套适合国情的行星减速器计算机辅 助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，以下简称c a d ) 系统。 通过行星减速器c a d 系统，可以综合发挥优化设计和产品建模技术的 优势，实现信息集成和共享。两种技术集成的意义不仅在于实现了两种技术 的优势互补，促进它们在工程实践中的应用，更重要的是有助于推动机械设 计理论和实践的发展、更新，从而又能更好地满足实践应用的要求。 按照本文的技术方法，在加工行星减速器物理样机前，可以在计算机中 模拟出三维模型并进行运动学仿真。由此可进行设计部件的干涉检验，这对 最大限度地减少设计失误，减少设计人员的工作量，减少样机试制次数，从 而节约人力物力，缩短产品开发周期，提高产品性能，提高企业的产品创新 能力有非常重大的实践意义。 通过产品设计手段与设计过程的数字化和智能化，在统一的产品数字化 模型基础上，可实现产品三维建模、运动仿真、产品设计与管理信息系统之 间的功能交互、信息共享及数据通讯，对企业提高产品信息管理水平也有非 常大的帮助。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究现状 多年来，人们对行星减速器做了大量研究工作，对象涵盖行星减速器的 齿轮传动、轴、轴承、键、销、行星架等部分，既有对机构的基础理论研究 1 3 。l ，又有对各种设计方法的运用研究f 8 2 1 。下面对有关技术作简要介绍。 1 行星减速器设计理论与方法应用现状 近十年来，对行星齿轮传动的设计研究是一个循序渐进的过程。目前， 大多还是采用确定的许用应力法和安全系数法研究、设计机械零件和简单的 机械系统【1 】。齿轮传动参数的确定还普遍使用试凑、验算的方法。由于行星 啮合传动的啮合条件十分苛刻，既有根切、顶切、各种齿形干涉的限制，又 有结构、安装和零件强度方面的要求，所以试凑计算十分费时。验算也十分 复杂，消耗设计人员大量的重复性劳动和精力，还很容易出差错。而且，现 有的设计方法，一般只能做到选出一组能够正常运转的齿轮参数，即仅能得 到个可行的参数方案，但它不一定是最优的：随着计算机技术和优化理论 的发展，优化技术在齿轮设计中得到应用【l 五1 4 】它比常规设计考虑问题更全 面，计算速度加快。 2 行星减速器c a d 技术及其应用现状 近年来，c a d 技术在行星减速器设计、制造中虽然有较多应用，但也存 在不少问题。 大多数企业对c a d 的应用主要在二维绘图上。只是在设计过程的绘图 阶段用上了计算机，没有充分发挥计算机辅助设计的作用。正因为c a d 仅 作为绘图工具，所以c a d 的设计效率并不高，效益难以发挥，影响了行星 减速器企业进一步加快c a d 技术的应用积极性。 目前，行星减速器企业使用的c a d 软件，多是二维或三维机械c a d 通 用软件，这些软件缺乏行星减速器标准件和常用零部件库和行星减速器常用 图形符号库等，对行星减速器设计中的一些计算和参数的查询也难以满足。 行星减速器企业急需种自带标准件和常用件参数化图库( 含行星减速器标 准件) ，且具有各种类型行星减速器设计引导模块的行星减速器专用c a d 软 件。 为了满足应用要求，高德源、王玮等人用高级语言开发了一种基于a u t o c a d 的集优化设计与计算机辅助绘图于一体的n g w 型行星齿轮减速器的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 c a d 软件【l 。他们利用优化的结果，用高级语言编写与a u t o c a d 联接的 接口文件( 。s e t 文件) ，从而实现参数化绘图，建立较为完整的n g w 型行星减 速器的c a d 系统。但是，此系统仅能绘制二维工程图，设计结果可视化性 能差，对于设计零件的可装配性、制造性等内在品质在设计阶段很难评价， 不符合并行设计发展趋势的要求，显然己不能满足当今产品研发的要求。 王彩梅基于国外高新软件c a d c a e c a m 特征造型工具u g ( u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s ) 、机械动力学仿真软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i e a n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 和有跟元分析软件a n s y s 集成系统基础上，对 某厂行星摆线针轮减速器进行了研究，从而实现三个应用软件形成个面向 并行工程的建模与仿真系统【1 7 1 。它的优势在于，基于并行工程的产品c a d 子系统与传统c a d 系统。一方面为上游的决策层提供必要的信息并对其决 策提供可行性评价：另方面是利用下游的工艺、制造、管理等有关知识来 分析、评价和参与c a d 子系统的运行并提供有关信息，达到了协同工作【1 8 】 的目的。然而，这只是对某一已有具体产品进行性能评价，尚未涉及到产品 设计方面的内容，即产品设计和检验脱钩，同样不能很好满足当前产品设计 发展的要求。 3 国内外c a d 技术现状 c a d 技术产生于1 9 世纪5 0 年代后期。c a d 技术作为杰出的工程技术 成就，已广泛地应用于工程设计的各个领域f 伸j 。c a d 系统的发展和应用使传 统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济效 益。 c a d 技术经历了二维平面图形设计，交互式图形设计、三维线框模型设 计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、特征造型设计等 发展过程【2 0 】。近年来又出现了许多先进技术，如变量化技术、虚拟产品建模 技术、c a d ，c a e c a m ，p d m 集成技术、智能c a d 技术、协同技术等1 2 0 1 。随 着互联网的普及，集成化( i n t e g r a t e d ) 、智能化( i n t e l l i g e n t ) 、协同化( c o l l a b o r a t i v e ) 成为c a d 技术新的发展特点，使c a d 技术得以更广泛的应用，发展成为支 持协同设计、异地设计和底层共享的网络c a d 2 l 】。 应用的广泛性、产品的系列化、需求的个性化、性能价格比的最优化、 市场竞争的残酷性都要求行星减速器的设计制造要快速多变，同时又要保证 性能。面对这一系列问题基于物理样机的传统开发模式显得力不从心。研 究行星减速器c a d 系统的技术实现成为人们的现实需要。同时，利用c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 技术对行星减速器继续研究，对提高其设计与制造技术也是一项有工程实践 意义的工作。将产品设计计算和产品建模技术集成，实现优势互补，无疑是 当前产品设计发展值得探索的新课题，是一种更具工程实用价值和广阔发展 前景的现代设计方法。 本文通过开展计算机辅助设计计算、三维建模、装配及运动仿真的系统 集成研究，强调系统集成性和对产品并行设计的支持，强调系统对产品功能 与行为的验证作用：期望通过以2 k h 行星减速器c a d 系统为应用对象实现 产品系列化开发，从而对行业的发展起到一定促进作用。 1 3 主要研究内容 本文以2 k h 行星减速器为研究对象，利用u g 及其二次开发语言实现 行星减速器的设计和建模、虚拟装配及运动仿真的集成和数据管理，构建 2 k h 行星减速器c a d 系统。 1 主要研究内容 ( 1 ) 在统一数据库下，综合利用u g 与v c 软件，建立产品设计、三维 建模、虚拟装配及运动仿真的信息共享环境； ( 2 ) 对行星减速器设计所涉及到的运动学和动力学理论、数据处理方法 等进行论述，从而建立行星齿轮减速器设计系统； ( 3 ) 利用u g 实体建模环境实现对部分行星减速器零件的特征化建模： 利用u g 二次开发工具对具有复杂曲线曲面齿轮等零件的参数化建模，并将 它们纳入整个数据库的管理，以解决设计过程中的“自动化孤岛”问题，实现 系统集成，最终形成基于u g 的行星减速器的自动装配模块： ( 4 ) 利用u g 与c 语言进行二次开发实现设计计算、零件三维建模和虚拟 装配集成，并进行运动仿真，内容包括：统一风格的界面定制、零件建模和 虚拟装配、运动仿真等的实现方法，以及从实体模型中获取零件的特征信息， 为将来物理仿真作准备。 2 技术路线 三维建模与仿真采用大型c a d c a e c a m 软件u g 解决。通过综合使用 标准c 语言、宏文件、u g o p e n a p i 、图形交互语言u g o p e n g r i p 、菜单开 发工具u s e rt o o l s 、u g o p e nm e n u s c r i p t 、u g o p e nu i s t y l e r ，其中后两种能 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 自动生成代码和u g 直接交互，实现二次开发。对于c a d 系统的自动装配， 本文采用u o o r 衄a p i 并发完成，运动仿真以宏命令的方式完成。 本文利用工程懿瓣管霪系统进行数据组织、编码设计与数据规范化，实 溲撬i ；惑i 共攀i 由专u g 可采用标准c 二次开发，因此，设计计算和零件建模可统一于 u g 。之中，解决了计算和建模相互脱离的问题，使人们不必再将计算结果手 工输入给零件建模模块，减轻了工作量，减少了人为失误。在计算模块和建 模模块之间进行数据交换和数据传递也是本论文的重要研究内容。 1 4 研究成果 论文运用面向对象的编程技术，结合u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 技 术，针对具体的机械零部件，通过u g 环境下用户界面的二次开发、建立一 个与u g 的c a d 系统进行信息交互、但体系相对独立的框架体系。由于u g 可采用标准c 进行二次开发，因此，设计计算和零件建模可统一于u g 之中， 解决了计算和建模相互脱离的问题。 通过工程数据管理系统进行数据组织、编码设计与数据规范化，并结合 产品设计、建模与仿真，实现设计数据管理。在对国内外行星减速器设计发 展趋势的分析基础上，将设计计算、三维参数化建模、自动装配和运动仿真 通过统一数据库集成，实现信息共享。 对u g 的实体模型和编程技术实现的参数化模型进行特征识别、运用尺 寸驱动技术实现虚拟装配、修正现有文献关于内啮合齿轮付仿真时比率定义 的疏漏。 综上所述，本文所采用的技术和方法是在一套三维设计软件基础上，通 过二次开发实现产品设计信息管理和共享。通过产品设计手段与设计过程的 数字化和智能化，在统一的产品数字化模型基础上，可实现产品三维建模、 运动仿真、产品设计与管理信息系统之问的功能交互、信息共享及数据通讯。 采用本论文的设计方法和技术路线既能检验设计结果的可行性、可装配性， 叉能为后续动力学仿真、有限元分析、加工制造等研究提供信息资源，解决 信息“孤岛”难题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章2 k - h 行星减速器c a d 系统设计的软件环境 2 1 系统平台及工具 本论文研究的实质是2 k h 行星减速器系统设计、建模、分析的软件实 现，主要包括两犬模块：首先是行星减速器系统参数设计模块，这模块利 用对u g 的二次开发实现对于行星减速器设计的初始参数的输入、设计计算、 兰维实体建模、质量分析、行星减速器的自动装配和爆炸图的生成。第二部 分是运动仿真模块，实现对设计出来的传动系统进行运动分析和干涉检验。 本文研究是基于世界领先的高端机械c a d ，c a e c a m 体化软件 u g ( u n i g r a p h i c sn x l ，形成一个建模与仿真一体化的系统。 1 以w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 为操作系统，它提供了应用软件的工作平台。 2 采用交换式局域网结构来满足实时三维造型、动态仿真对网络通信宽 带的要求。 3 在c a d 交换局域网中，采用n e t b e u i 为主通信协议，它效率高、易 使用、速度快、协议容量最小，同时借助于t c p p l p 进入广域网，从而满足 今后进行网络集成、资源共享的需要。 4 应用软件为： u g ( e d s ) - - 三维c a d c a e c a m 高度集成的一体化软件，e x c e l ，v i s u a l c + + 6 0 。 2 。2 应用软件简介 2 2 1u g 简介 目前，国际上c a d c a m 技术已经进入了成熟时期，软件资源极为丰富。 在我国市场上推出的商品化软件中，比较著名的有以下几种： e d s 公司( 美国) 的u n i g r a p h i c s 系统： s d r c 公司( 美国) 的i d e a s 系统： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 c v 公司( 美国) 的c a d d s 5 系统： p t c 公司( 美国) 的p r o e n g i n e e r 系统：， s c h l u m b e r g e r 公司( 美国) 的b r o v ei v 系统； u n i g r a p h i c s ( 简称u o ) 是美国e d s 公司发布的、高度集成的c a d c a e c 砧p d m 高端产品，它以世界上具有领先地位的虚拟实体造型p a r a s o l i d 为 内核，在产晶的概念设计、机构分析、有限元分析、装配设计、工程制图以 及数据输出等领域均有相应的功能模块的支持。同时，可用建立的三维模型 直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型的数控机 床。另外，它提供了二次开发语言u g o p c ng r i p 、u g o p e n a p i ，几乎能实 现u g 的所有功能，便手用户开发专用c a d 系统1 2 2 1 。 1u g 造型简介 u g 软件在计算机辅助设译，计算机辅助制造、计算机辅助工程以及产 品数据管理上所具有的卓越的性能，加上它撵拱c a d c a m c a e p d m 集成 解决方案，目前该软件在航空航天、汽车制造、模具加工、通用机械等领域 具有很高的知名度，并得到广泛的应用。 ( 1 ) 同其他的软件相比，u g 在造型方面具有如下优点： 复杂零件的参数化实体造型和曲面造型设计能力： 产品的装配能力和t o p d o w n ( 自顶向下) 的设计能力； 能生成符合国家标准的工程图纸； 能通过编程进行二次开发、完成用户的特殊要求； 具有设计分析加工及管理系统的高度集成性。 ( 2 ) u g 建模的主要操作： 利用实体体素构造块、柱、锥、球： 布尔操作求和、求差、求交； 编辑命令：移动、旋转、删除、偏置、替换几何体等； 拉伸、旋转、扫描草图轮廓形成实体： 缝合曲面成实体； 分别和修剪实体，从实体表面抽取曲面： 编辑和删除特征：参数化编辑，重定位( 为了建立特征需要u g f e a t u r e m o d e l i n g ) ； 特征抑制，特征重排时序，特征嵌入。 u n i g r a p h i c sc a d c a e 系统通过提供一个独特的基于过程线索的方法，能 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 够实现一个无缝的数字化的从设计到制造的环境，或虚拟产品开发环境( v p d ) 过程驱动技术成为u n i g r a p h i c s 和其它m c a d 系统的一个关键区别。 2 2 2u g 二次开发的实现途径 欲实现产品的设计数据和设计结果与产品建模、装配及运动仿真数据共 享，需对整个产品设计过程进行规范化数据编码和数据管理。而上述功能的 实现则需要结合具体的工程实际和产品特征进行二次开发，因此下面介绍本 文二次开发中应用的u g 模块。 1 宏命令( m a c r o ) 宏命令可以实现u g 命令的简单集成，能快速执行重复的操作命令，使 用简单方便，但它只能按u g 规定的顺序执行，且其使用受到执行时界面的 限制。本文行星齿轮传动的运动分析采用宏命令方式实现。 2 用户工具( u s e rt o o is ) 用户工具是一种生成用户对话框的工具。它有两种功能：一是在u g 主菜 单的u s e rt o o l s 下拉菜单中添加用户项：二是生成弹出式对话框。 3u g o p e n u g o p e n 是一系列u g 开发工具的总称。它们随u g 一起发布，以开放 性构架面向不同的软件平台提供灵活的开发支持。它使第三软件商和u g 用 户能在其平台上开发出适合自己需要的c a d 产品。目前w i n d o w s 下的开 发工具为u g o p e n 和u g o p e n + + 。 u g o p e n 套件组成：a p i ，g r i p ，m e n u s c r i p t ，u i s t y l e r ，其关系如图2 1 。 图2 - 1u g o p e n 套什关系豳 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 1 箭头指向表明可调用执行关系，其中g r i p d i a l o g 、a p i d i a l o g 分别 为g r i p 和a p i 程序生成的对话框。m e n u s c r i p t 和u s e rt o o l s 是分别处于顶 层的界面设计，可以调用执行u i s t y l e rd i a l o g 、g r i p d i a l o g 、a p i d i a l o g 等对 话框文件。其中u i s t y l e rd i a l o g 功能最为强大。 ( 1 ym e n u s c ri p t 此项功能使用户或第三方软件商通过文本编辑器编辑u g 菜单文件，以 生成用户化的菜单进而集成它们的特殊应用。u g o p e nm e n u s c r i p t 支持u g 主菜单和快速弹出式下拉菜单的修改，通过它可以改变u g 菜单的布局、添 加新的菜单项以执行用户二次开发程序、u s e r t o o l s 文件及操作系统命令等。 其使用需专门授权。 ( 2 ) u i s t y i e r u i s t y l e r 是用户或第三方软件商开发u g 对话框的可视化工具，比u s e r t o o l s 功能更强。由于能自动生成u i s t y l e r 文件和c 代码，使用这个工具可 以避免复杂的图形用户按1 ：3g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 编程。其设计对话 框的方式与v i s u a lc + + 很相似，即利用对话框中基本控件的组合生成不同的 对话框，对话框中所有控件都是实时可见的。通过u i s t y l e r 制作的对话框风 格和u g 风格一致。 ( 3 ) g r i p 语言 g r i p ( g r a p h i c si n t e r a c t i v ep r o g r a m m i n g ) 是一种专用的图形交互编程语 言，u g 操作几乎均可通过g r i p 程序交互地实现，如实体建模、工程制图、 制造加工、系统参数控制、文件管理、图形修改等。g r i p 也提供交互式的 命令，这些命令在对话框中显示信息，允许用户在g r i p 程序运行时进行交 互操作，这些交互命令控制对象的选择、菜单项选择、数据输入、文件输入 及一般点子功能。 ( 4 ) a p i u g o p e na p i ( a 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 ，应用编程接口) 也称 u s e r f u n c t i o n ，是u g 软件中的一个重要模块，是u g 用户最常用的二次开发 工具。作为u g 与外部程序之间的接口，u g o p e n a p i 是一系列函数的集合。 通过u g o p e n a p i 的编程，用户几乎能够实现所有的u g 的功能。开发者可 以用c 和c + + 语言编程，以库函数的形式调用u g 内部的近3 0 0 0 个函数及 操作，从而达到实现用户化的需要。 在用户定制及二次开发过程中，可以综合应用上述6 种方法，其中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 u g o p e n u i s t y i e r 、u g o p e n a p i 的功能最强，但也最难掌握。 由于本文需要在u g 环境下对交互式输入的参数进行读取、设计计算、 建模等，赦使用u g o p e na p i 的i n t e r n a l 方式与u s e rt o o l s 、u i s t y e r 、 m e n u s c , p t 联合开发，以实现产品设计与建模。 2 3 系统结构体系 通过本文的研究最终实现2 k - h 行星减速器系统的参数化设计计算，三 维实体造型，自动装配，运动分析( 干涉检验) 等功能。系统结构体系如图 2 2 所示。 u g 建模羿面 入口 + 运动分析 从菜单启动对话框 一 载入模型 v c 程序生成的d u 1 i 谴入栩皓特棍 j 读取对话框数据i j 一一l 0 。tt 1r j 设计计算 部件建摸 i i 装配 l 干涉榆验 图2 - 2 系统结构体系 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第三章2 k - h 行星减速器设计计算 计算机辅助设计( c a d ) 是利用计算机进行设计、判断、计算和绘图， 实现综合设计的新技术。它可以提高设计速度和质量，是现代机械设计的先 进技术和手段。 一个完善的机械c a d 系统主要包括【2 3 】： 专用设计方法库：即一般计算、优化设计、可靠性设计、有限元等； 图形库：包括图形显示系统及常用的工程图基本图元等： 数据库及管理系统：按一定的数据结构方式存贮有关的设计信息； 产品设计方法库：产品设计的专用程序集合。 本章主要介绍2 k h 行星减速器零件的设计子模块，分为齿轮系统常规 设计及优化设计、输入轴常规设计、输出轴常规设计、行星轮轴常规设计、 行星架常规设计、轴承计算选择、键的计算选择及强度校核等。为使程序有 更广的适用性，上述程序编制全部采用模块化方式，既可独立执行同时又保 留了模块间设计数据的共享，形成一个完整的2 k h 行星减速器计算机辅助 设计子系统。 3 1 运动学和受力分析简介 后续一般计算、优化设计、虚拟装配时，须知道2 k - h 行星减速器构件问 的作用力及传动比和各构件的角速度，有必要先了解其运动学和动力学的有 关内容。 i 系统组成 2 k - h 行星齿轮传动系统( 如图3 - i ) 主要由太阳轮口、行星轮c 、内齿 圈b 和行星架h 等组成。它们必须满足一定的传动比、邻接、同心和装配等 条件，否则，将不能正确安装或者安装后出现几何干涉等情况。 2 运动学分析 行星齿轮传动为动轴线传动，其传动比的计算不能简单地用定轴齿轮传 动的公式计算，而通常采用行星架固定法i “2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 专薛 、毫 y ；、 幽1 3 一l2 k h 掣行星齿轮传动示意圈 ( 1 ) 行星齿轮传动传动比的计算 图3 一l 所示的2 k h 型行星齿轮传动中，设太阳轮a 、行星轮c 、内齿圈 b 和行星架的转速分别为门口、疗。、n b 和行h ，同时设各轮的转向相同，并 取顺时针转动方向为正。现给整个行星轮系加一个与行星架转速大小相等 方向相反的附加转速( 一盯。) ，根据理论力学相对运动的原理，即“一个构件 的整体的绝对运动并不影响机构内部构件问的相对运动”，并不影响2 k h 型 行星轮系中任意两构件间的相对运动关系。得行星轮系基本构件的转速关系： 弘芳= n a - i , i h k l 一老 协- ， 或 = f 盘+ 糟( 1 一f 盏 式中 f ：一行星架固定，太阳轮口主动，内齿圈6 从动时的传动比 一，一行星架川司定，太阳轮口的转速： ( 3 - 2 ) ”一行星架固定，内齿圈b 的转速。 ( 2 ) 行曩齿轮传动中行星轮转速的计算 k 和行星轮c 相对于行星架的转速订，的计算公式应用行星架固定法， 可得如下转速关系式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 = 瑞一老，k 一押z c 一。= 甾+ 丹知【l 一艺) = 刀。一行h = f ：( ，乇一n ) 弘象 式中 圪一行星架川司定，行星轮c 主动，太阳轮d 从动时的传动比； ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 式中 f 曼一行星架固定，行星轮c 主动，内齿圈b 从动时的传动比： 3 受力分析 要对行星齿轮传动中的齿轮、轴和轴承等零件进行强度计算，就需要分 析行星齿轮传动中各构件的受力情况。行星齿轮传动的主要受力构件有中心 轮、行星轮、行星轮轴、及轴承、行星架等。在分析时，先假定行星齿轮受 载均匀并不计摩擦力和自重的影响。因此，各构件在输入转矩作用下处于平 衡状态，构件间的作用力等于反作用力，然后，根据定轴齿轮传动的有关计 算公式，即可计算，具体公式见文献【1 】。 3 2 设计资料的程序处理方法 应用计算机辅助进行机械设计。需要把设计用到的数表、线图等有关资 料加工处理，存入计算机，即所谓的数据资料程序化，它是机械c a d 的基 础。同时，在优化计算过程中，由于与设计变量相关的参量的值随着设计变 量的变化而不断变化( 如动载系数、节点区域系数、齿形系数的值由齿数、 模数及齿轮精度等级、粗糙度、热处理方式、硬度等多项因素所确定) ，即是 动态改变的，也需将全部设计资料程序化或以计算机可进行检索查询的形式 提供，以便计算程序在优化过程中自动查取。 1 设计资料的程序化 采用编程的方法对数据进行存取，主要用于数据表格( 以下简称“数表”) 的数据量较少，结构简单的情况。具体的处理方式有两种： ( 1 ) 数据表格的程序处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在设计过程中使用的数表形式很多。有一维变量表，二维变量表及多维 变量表。根据数表不同的来源，可分两种情况处理： 1 ) 数表本来就有精确的理论计算公式或经验公式，仅仅是为了便于计算， 才把这些公式以数表的形式给出。如齿轮的区域系数z 何，其理论计算公式 为z 圩= 。对于这类数表，可以直接采用理论计算公式或经验 公式编制检取有关数据的程序。 2 ) 数表中的数据，彼此之间不存在一定的函数关系或是由试验获得的。 这类数表可采用数组形式存储，如标准模数系列，必须数组形式存储方可， 又如齿轮传动使用系数k a ，它与原动机和工作机特性两个变量相关，在程序 处理时，将其存储在一个二维数组中，以备查找。 ( 2 ) 线图的程序处理 在设计资料中，有些线图所表示的参数之间具有一定的函数关系，如动 载系数k ，是齿轮传动精度和齿轮圆周速度的函数等，这类数据采用曲线拟 合方法的处理。对于是多个参量函数的系数，如跑和影响系数足。抖，分别按 某同一参量拟合，然后，在程序检索时，采用插值方式得到所需数据。例如， 对于跑和影响系数足。，按不同硬度拟合得到不同曲线方程，这些曲线方程 都是速度的高次函数，使用时，输入硬度和速度后，通过函数插值，便得到 相应的跑和影响系数。 2 利用数据库管理设计赍料 以上两种存取数据方式占用内存，修改数据需改动程序，而且数据没有 共享性。 将数表中的或线图经离散化后的数据按规定的格式存放在数据库中，由 数据库进行管理，独立于应用程序，不占用内存。修改数据时，直接在数据 库中进行，不需改动程序。本文的键、轴承等的数据就放在数据库中 8 3 设计计算 2 k h 行星减速器计算机辅助设计计算系统包括齿轮传动的设计计算、 行星架的设计计算、输入轴的设计计算、输出轴的设计计算、行星轮轴的设 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 计计算、行星轮轴承的计算选择、输入轴轴承的计算选择、键的计算选择。 模块闭的关系如图3 - 2 。 图3 - 2 计算机辅助设计系统 1 输入轴的计算机辅助设计 本模块的功能是计算输入轴的直径，通过调用轴计算子程序实现。 ( 1 ) 输入参数说明 tai ：输入轴承受的转矩，s taip ：输入轴许用剪应力 ( 2 ) 输出参数说明 dai ：输入轴直径。 此模块的默认参数来自齿轮传动设计中的有关变量的值。轴径的确定需 和输入轴承参数的确定结合起来考虑。 2 输入轴轴承设计 本模块的功能是根据输入轴直径选择行星轮轴承型号，验算轴承寿命， 输出轴承型号和参数。轴承相关性能数据放在数据库中，以供检索。本模块 通过调用轴承选择子程序实现。 ( 1 ) 输入参数说明 衷3 - 1 输入轴轴承设计输入参数说明 i符号含义l符号i含义i 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 符号 | _ ：|、i 奄义 符号含义 d a _ i 、输入轴蠹径如载荷系数 n i，辆承转速dai输入轴宣径 卧 j 轴承径向力 ( 2 ) 输出参数 表3 2 输入轴轴承设计输山参数说明 符号含义符号含义 mbi轴承型号n bi圆柱滚子数 db oi行星轮轴承外径d ai b ，外圈安装定位寸 d b i _ i行星轮轴承内径 d ai b内安装定位尺寸 3 输入轴的键设计 本模块的功能是根据输入轴的直径和联结要求，选择键的型号，输出键 和键槽的有关几何参数。本模块通过调用键选择子程序实现。 ( 1 ) 输入参数说明 d a i ：输入轴直径。 ( 2 ) 输出参数 k e y b i ：键宽，k e y j i ：键长，k e y h i ：键高，k e y , t i ：槽深， k e y t 1 _ i ：毂深。 4 行星齿轮传动设计 这一部分包括用户参数输入、常规设计、优化设计、信息显示四个模块， 其体系框架如图3 3 所示。 2 k h 行星减速器常规设计在分为外啮合传动和内啮合传动之后，计算 步骤和方法与普通定轴式齿轮传动设计死乎相同。稍微困难的是太阳轮、行 星轮、内齿圈齿数选配，因为它必须满足一定的装配、传动比条件，这一点 和定轴齿轮传动完全不同。本文在现有算法2 6 1 的基础上，稍加改动，实现了 由功率，传动比等初始条件到齿轮传动齿数选配途径。程序流程如图2 - 4 所 示。选配好齿数后。即可按照普通定轴齿轮传动计算步骤进行相应计算和强 度校核。本程序计算结果可送入优化设计程序。作为优化设计程序的可行初 始搜索点，以提高优化计算的效率。 ( 1 ) 常规设计 1 ) 输入参数说明： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 - 3 齿轮传动计算机辅助设计 表3 - 3 行星减速器设计输入参数说明 符号含义符号含义 p输入功率( k w ) m a t r a l a太阳轮材料 n l太阳轮转速( r m i n )m a t r a l b内齿围材料 1传动比m a t r a l c行星轮材料 y e a r 工作年数 j 1 n g d u传动精度等级 d a y年工作天数 t e m 工作环境温度 h o u r 天工作时数p r o g原动机工作特性 a l f 齿形角 p r o w工作机工作特性 h a l太刚轮和行星轮齿顶高数 r z a 太阳轮粗糙度 h a 2内齿圈齿项高系数r z c行星轮粗糙度 c 顶隙系数 r z b内齿圈粗糙度 k a使用系数 z e 弹性系数 k p不均载系数 d i传动比允许相对误差 s h m i n齿轮接触疲劳最小安全数e f f l外啮合传动效率 s f m i l l齿轮弯曲疲劳最小安全数e f f 2内啮合传动效率 h a r d a太阳轮齿面硬度h a r d b内齿圈齿面硬度 h a r d c行星轮齿面硬度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 ) 输出参数说明： 表3 - 4 行星减速器设计输出参数说明 符号含义符号含义 z a太阳轮齿数 o aa太阳轮齿顶圆直径 z c行星轮齿数 d fa太阳轮齿根蝴直径 z b内齿圈齿数 d ba 太刚轮基倒直径 m模数d c行星轮分度圆直径 b齿宽d ac行星轮齿顶圆宣径 一 x a 太佴= l 轮变位系数 d fc行星轮齿根圆直径 x c行星轮变位系数bc d 行星轮基圆直径 x b内齿网变位系数d b内齿圈分度圆直径 d y 。外啮合传动齿顶降低系数d ab内齿圈齿顶圆直径 一 一 d y 。b外l 啮合传动齿顶降低系数 d fb 内齿圈齿根圊直径 一 a l f a ac外啮台传动啮合角 d bb 内齿圈基圆直径 a l f a cb内啮合传动i 啮合角d i s中心距 o a太阳轮分度圆直径r f齿根圆角半径 ( 2 ) 行星