（机械设计及理论专业论文）基于ug的圆柱龄轮减速器优化与参数化系统设计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 机械优化设计和参数化系统设计是机械设计领域的重要发展方向。通过建立产品 的优化模型，优化产品结构，在得到优化参数后将其输入参数化系统中，从而可以快 速得到产品的零件模型和装配模型。这样不仅可以缩短产品开发周期，而且能够降低 生产成本，从而提高产品在市场中的竞争力。因此，优化设计和参数化系统设计对于 未来产品的设计发展具有重要的意义。 减速器作为重要的机电产品，在传统设计中，都是针对某种特定型号进行研究， 适用面较窄。为了弥补这种设计方法的不足，进而提高产品设计、生产效率，本文以 直齿圆柱齿轮减速器为研究对象，利用m a t l a b 遗传算法工具箱对减速器的体积结构 参数进行了优化设计，然后利用u g 的参数化建模技术和二次开发工具箱对减速器进 行了系统参数化开发。在进行优化设计时，将模糊优化和可靠性优化结合起来，以体 积最小化作为设计目标，利用遗传算法工具箱对其进行优化计算，得到优化参数。进 行参数化系统开发时，首先利用u g 的表达式功能和w a v e 技术对减速器各个零件进 行参数化建模和装配，对不同情况下齿轮齿廓曲线进行了研究，同时对模型装配参数 化系统化方法进行了探讨；然后通过u g 的二次开发工具箱，利用u g 与v c + + 开发接 口以及a c c e s s 数据库技术，对整个装配系统进行了系统参数化研究；最后对减速器主 要零部件进行了模块化开发，减速器相关零部件的三维模型可以通过这些模块快速得 到。 关键词：优化设计；减速器；遗传算法；u g ；二次开发；三维参数化 西南交通大学硕士研究生学位论文第f l 页 a bs t r a c t o p t i m a la n dp a r a m e t r i cs y s t e md e s i g no fm a c h i n e si sav e r yi m p o r t a n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o ni nt h ef i e l do fm e c h a n i c a ld e s i g n t h ep a r tm o d e l sa n da s s e m b l ym o d e l sc a nb e q u i c k l yd e v e l o p e da f t e rt h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dt h r o u g he s t a b l i s h i n gt h eo p t i m a l m o d e lo fap r o d u c ta n do p t i m i z i n gi t ss n c t l 】r e i tw i l ln o to n l ys h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l e s ， b u ta l s oc a l lr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t sa n di m p r o v ep r o d u c tc o m p e t i t i v e n e s si nt h e m a r k e t t h e r e f o r e ，t h eo p t i m a ld e s i g na n dp a r a m e t r i cd e s i g na r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h e d e v e l o p m e n to ff u t u r ep r o d u c t s g e a rr e d u c e ri sa ni m p o r t a n tm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t h o w e v e r ， o n l ys o m e p a r t i c u l a rt y p e sa r es t u d i e di nt h et r a d i t i o n a ld e s i g n ，w h i c hi su n s u i t a b l ef o rm o s t s i t u a t i o n s t om a k eu pf o rt h ed e f e c to ft h i sm e t h o da n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g na n d p r o d u c t i o n ，g e a rr e d u c e rw a ss e l e c t e da s t h es t u d yo b j e c ti nt h i s p a p e r t h ev o l u m e p a r a m e t e r so fg e a rr e d u c e r sw e r eo p t i m i z e db yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o xo f m a t l a b ，a n dap a r a m e t r i cs y s t e mw a sd e v e l o p e db yu s i n gp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tk i to fu g d u r i n gt h eo p t i m a ld e s i g n ，t h i sp a p e rc o m b i n e df u z z y o p t i m a ld e s i g na n dr e l i a b i l i t yo p t i m a ld e s i g n ， m i n i m i z e dt h ev o l u m eo f g e a rr e d u c e r a st h e d e s i g ng o a l ， a n do b t a i n e dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r sb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o xo f m a t l a b d u r i n gt h ep a r a m e t r i cd e s i g n ， f i r s t l y ，p a r a m e t r i cp a r tm o d e l sa n da s s e m b l y m o d e l so fg e a rr e d u c e rw e r eg o t t e nb yu s i n gt h ee x p r e s s i o nf u n c t i o na n dw a v eo fu g ， a n dt h et o o t hp r o f i l eu n d e rt h ev a r i o u sc i r c u m s t a n c e sa n dt h em e t h o d so f b u i l d i n gp a r a m e t r i c a s s e m b l ym o d e l sw e r ea l s od i s c u s s e d s e c o n d l y , p a r a m e t r i cs y s t e mo fg e a rr e d u c e r sw a s s t u d i e du s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fu g ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nu ga n dv c + + ， a n da c c e s sd a t a b a s e a tl a s t ，am o d u l a r i z e ds y s t e mo fs o m em a i nc o m p o n e n t so fg e a r r e d u c e r sw a sd e v e l o p e d ，a n dt h er e l e v a n tt h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cm o d e lo fg e a r r e d u c e r sc a l lb eq u i c k l yo b t a i n e db yt h i ss y s t e m k e yw o r d ：o p t i m a ld e s i g n ；g e a rr e d u c e r ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；u g ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z a t i o n 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 引言 在当今世界，随着科学技术迅猛发展，社会经济水平不断提高，产品更新速度不断 加快，市场竞争也变得日益激烈，消费者对于产品质量要求也越来越高，并且对产品种 类要求也越来越多元化。在市场的巨大压力下，生产企业一方面要提高自身的设计水平 和增加产品的多样性；另一方面要尽量缩短产品的更新换代周期和减少产品的生产成本， 从而为企业创造最大的经济效益。因此，提高产品质量、减少设计成本和缩短产品的生 产制造周期对企业的生存和发展具有重要的意义。 自七十年代我国改革开发以来，我国机械行业虽然有很大的发展，但是同时也暴露 出不少问题，严重制约了我国机械行业在国内外的市场竞争力，从而影响了它们的生存 和发展。因此对于我国的机械行业来说，缩短产品的设计研发周期和减少生产制造成本 具有更加现实的意义【l 】。 在全球化迅猛发展的今天，我国机电产品受到了国内外市场的激烈竞争和猛烈冲击， 机械制造企业为了扩大生存空间和提高竞争力，必须在提高自身产品创新能力、缩短设 计周期、提高用户化程度的同时降低生产成本、保证产品质量和提供良好的售后服务。 因此，以数字化、集成化、并行化、网络化为基础，以缩短产品设计开发周期为目标， 提高自身的竞争力对于企业发展具有很现实的意义 2 】。 在机械产品设计领域，设计阶段的水平直接决定了机械产品所能够达到了质量、性 能、价格和寿命，因此设计阶段是产品开发的关键阶段。据不完全统计，产品制造成本 的7 5 8 0 是由设计阶段决定的，而且它还影响着产品的运行、维修费用，所以要尽可 能在短的时间里用低的设计成本制造出高产质量的产品，从而推动了机械现代设计技术 的深入研究和不断发展。优化设计技术提供了一种能在众多的机械设计方案中寻找到尽 可能完善的或者最为适宜的设计方案的先进设计方法，采用优化设计方法可以有效提高 产品的设计效率和设计质量，它已经成为现代机械设计领域的重要发展方向。 在机械产品制造领域，c a d 技术的快速发展为机械产品参数化、智能化、三维化、 集成化、网络化和标准化打下了基础。设计参数化是c a d 系统几十年来所追求的目标， 设计系统参数化可以提高机械产品设计效率、减轻设计人员劳动强度。参数化主要采用 了尺寸驱动的方法，用户可以直观地观察到设计对象参数变化，从而根据设计对象来改 变尺寸参数，这样也减少了设计中的疏忽。设计过程中，c a d 软件中将设计参数设置为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 变量，通过约束和关系链接来驱动各个模块，这些变量间的关系可以跨越c a d 软件的 不同模块，从而实现设计数据的全相关，它也是实现机械设计自动化的前提和基础 3 】【4 】。 1 2 课题研究的背景及意义 优化是一个人们可以普遍接受和理解的概念，机械优化设计就是把最优化设计技术 应用到机械设计领域中去，通过优化机械零件、机构、部件乃至整个机械系统和机器的 相关参数，确定出它们的最佳参数和结构尺寸，从而可以提高各种机械产品的制造水平 和装配水平。通过调查表明，采用优化设计方法进行设计的机械产品，不仅可以降低设 备自重、降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能，这样也就有 效的缩短了产品的设计周期，提高了产品的质量 5 】。在机械产品设计过程中，经常会遇 到一些通用化和系列化问题，如许多通用零件和标准件。这类产品的几何拓扑结构相差 不大，只是尺寸规格稍有不同，如果工程设计人员对这些相似零件重复设计，不但浪费 时间和精力，而且庞大的数据库也不便管理和修改1 6 】。所以基于特征和约束的参数化设 计与建模不但可以减少工程人员工作繁琐程度，而且可以提高产品的设计速度并减少数 据模型信息的庞大存储量1 7 j 。 作为原动机和工作机之间独立的闭式机械传动装置，齿轮减速器能够降低原动机转 速、增大扭矩，具有传递功率大、冲击小、维修方便、使用寿命长等许多优点。是一种 广泛应用在工矿企业及运输、建筑等部门的机械部件。在传统的圆柱齿轮减速器设计中， 设计人员通常首先根据已有的各种设计资料和文献所提供的资料，结合自己以往的设计 经验，初步制订出一个或者几个设计方案，在得到设计结果后对它进行选择、验算。但 通过这种方法设计出的减速器往往在结构尺寸上偏大，而且很难获得最优的设计方案。 因此，应该首先利用离散变量的组合型优化设计理论能将设计中的模糊因素和模糊主观 信息定量化，然后通过合理给定约束函数，目标函数允许值，可靠性及其模糊分布来求 得最优的优化方案，从而减少用料，降低了生产成本，提高系统安全性。 减速器类型较多，其零件种类数目也比较多，若采用传统设计方式，对每个零件进 行设计建模装配，那么设计过程繁琐，设计周期长、效率低。但是若采用模块化设计， 将减速器各个零件进行参数化设计，然后将其做成单个的标准模块，最后将各个模块装 配起来形成一个整体的减速器模块，这样只需通过修改相应模块相关参数，就可以实现 不同零件系统化设计，缩短设计周期，提高生产效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 因此将优化设计技术与参数化设计技术相结合完成减速器系统设计不但可以缩短产 品开发周期、提高设计效率，而且可以提高产品质量，为后续动态分析、加工制造提供 广阔发展空间，具有重要的现实意义。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 作为在机械传动领域具有重要地位的齿轮减速器，其产品的制造水平和生产质量对 机械系统有很重要的影响。进一步提高制造精度和承载能力成为国内外齿轮减速器的发 展趋势，同时不同系列产品之间的模块化互换程度越来越高，这也为系列产品的批量生 产提供了基础。 我国自从改革开放以来，各个行业对机械设备的性能要求越来越高。随着生产规模 不断扩大，自动化程度不断提高，环保噪音要求也不断提高，对于传动系统也提出了高 承载能力、高寿命、低噪声的要求，这也促进了减速器的不断发展和更新。我国自从七 十年代末开始研究通用硬齿面齿轮减速器，直到在1 9 8 6 年完成了标准产品的设计，制定 出我们称为硬齿面齿轮减速器的圆柱齿轮减速器( z b j l 9 0 0 4 8 8 ) 新标准。经过二 十多年的改进和推广，各行各业中硬齿面齿轮减速器得到长足发展，我国基础件及成套 产品的水平也得到了很大提高，产品性能基本达到了当时的国际先进水平。但是一个不 争的事实是，行业上此类产品的产品体系已基本上由国外企业所主导，这显然不利于国 内减速器企业的成长和行业发展，并极易引发产品的产权纠纷，一个采用模块化设计技 术且具有自主知识产权的产品系列体系亟待建立，但由于受种种因素的影响和制约，进 展一直不理想，前景目前也尚不明朗。 在国外许多国家，齿轮减速器系列并没有统一的国家标准，但是在国际市场上主要 以美国、德国、丹麦和日本研究处于领先地位，特别是在材料和制造工艺方面占据优势， 目前国际市场上较为先进的齿轮减速器生产制造厂家有s e w 、弗兰德等，这些厂家主要 在产品材料、制造水平、工作原理和机构设计方面进行了改造和研究。在各个企业之间 系列产品和标准中，各企业的产品及标准基本上是每五年更新一次。总体来说，国外减 速器通常有以下特点： ( 1 ) 承载能力增强。虽然目前大部分国外著名生产厂家产品的样本总体承载能力大 致上是在同一水平线上，但是都在逐渐提高。在上世纪九十年代通过对f l e n d e r 的产品数 据对比可以发现，在同样( 或基本接近) 的中心距的情况下，样本的额定功率基本上以每 年5 速度提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 采用参数化设计。提高减速器零部件互换程度，减少零件库存，缩短产品供货 周期是参数化优化设计的重要目标。对于齿轮减速器来说要实现设计加工的参数化，就 必须采用优先系列。优先系列的主要参数比如中心距、传动比、模数等都要以固定的优 先数作为基础。在满足减速器的总传动比等于各级传动比乘积的条件下，使齿轮进行各 级等强度优化。在参数化设计中，减速器的宽窄和承载能力的大小是由末级中心距决定 的，同时在结构上末级也是基础。因此中心距相同部分的结构外型安装尺寸也相同，采 用种系统模型零件就可以互换通用了，这就可以减少重复设计，提高设计效率。在采用 参数化设计时，通过研究发现，减速器的箱体和箱盖的通用性最好，而齿轮、键、轴等 互换性最大，零件数量最少，这样就可以缩短减速器生产周期、减少零件库存、缩短供 货周期。此外采用c a d 技术还方便了计算机程序模块化设计和管理，减少了管理费用。 根据1 9 9 6 年德国德雷斯顿国际齿轮会议的一份研究报告表明，当生产齿轮联轴器外齿轮 轴套的数量由1 个装置增加到2 0 个时，制造成本的变化为：小零件成本降低近9 0 ，中 等零件成本降低近5 0 。 ( 3 ) 降低工作过程噪音。不但可以采用圆锥齿轮高精度磨齿，通过轮齿修形，加大重 合度，而且可以改进箱体结构等来降低噪音。 ( 4 ) 提高了产品精度。美国a n d a n t e x 公司研制成功了一种高精度减速器，它能与低惯 量、高转矩电动机配合，以便实现快速减速。目前这种高精度减速器有5 种规格，减速 器齿轮系统的输入转速达到5 0 0 0 r m i n ，输入转矩为5 1 6 0 n 1 1 1 单级减速比达到1 0 ：1 。 总之，当今世界各国减速器产品正朝着高速化、小型化、低噪音、高效率和高可靠 度方面发展，而减速器技术正朝着硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术方面发 展【8 】【9 1 。 1 4 本文的主要工作 本论文以m a t l a b 为优化设计工具，以u g 为三维造型平台，以v c + + 为二次开发 工具，针对圆柱齿轮减速器的整体结构进行优化设计计算，对减速器各个零部件实现了 三维参数化建模，并对减速器进行了参数化系统构建，完成了减速器主要零部件的模块 化开发。 ， 本论文的主要工作有： ( 1 ) 以m a t l a b 为优化设计工具，采用了模糊优化与可靠性优化相结合的方法，对 直齿圆柱齿轮减速器进行了结构整体优化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 以u g 为三维造型平台，通过参数化建模技术对减速器各个零部件进行了参数化 建模设计，并且通过u g 对各个零部件进行了参数化装配。 ( 3 ) 以u g o p e n 和v i s u a lc + + 6 0 为开发工具，结合a c c e s s 数据库建立了标准零部 件参数库，通过人机交互信息输入，较为方便地实现了圆柱齿轮减速器主要零件的查询 及其整个系统快速设计。 ( 4 ) 完成了减速器主要零部件的模块化开发，通过输入零部件相关参数即可得到零部 件的参数化模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章优化与参数化设计 2 1 优化设计 机械优化设计是现代机械设计的一个重要领域。机械优化设计的研究、应用和发展 主要表现在以下四个方面：优化问题的复杂化、优化概念的新拓展、优化算法的新发展 和优化技术的综合化。因此，机械优化设计理论促使机械设计从经验、感性和类比分析 发展到科学、理性和立足计算机技术分析，促进机械产品向着智能化、科学化发展。 2 1 1 优化设计方法 。 解决机械优化设计通常分为两大步骤，第一步是将工程实际问题转化为抽象的数学 模型，即建立优化数学模型；第二步就是对数学模型作必要的简化、加工，然后选择一 种优化方法并编程用计算机进行求解。针对不同工程问题，建立数学模型的方法有很多， 根据建立的数学模型选择合适的优化方法进行优化计算也是机械优化设计的一个重要问 题。一个好的优化算法不仅计算量小、存储量小而且计算精度高、逻辑结构简单用。 常用的优化方法有很多，如梯度法、牛顿法、复合形法、惩罚函数法、鲍威尔法等 等，近年来随着交叉学科发展，也出现了很多跨学科的优化算法，如遗传算法、神经网 络法等等，这些优化算法都有着自己的适用范围，但是随着各种算法的不断渗透，某些 组合算法在实际工程应用中表现出无可比拟的优势，如遗传模拟退火算法、并行遗传算 法、神经网络遗传算法等。以遗传优化算法为例，与传统优化计算方法相比，遗传优化 算法有以下特点： ( 1 ) 遗传优化算法对决策变量进行编码，并以此为运算对象进行优化计算，不是针对 变量的实际值。 ( 2 ) 遗传算法搜索的范围比较大，它可以同时从不同点进行搜索，直到得到最优化结 果，而普通优化算法一般是从单点开始搜索。 ( 3 ) 对于一些不连续的目标函数，普通优化算法不能进行优化求解，但是遗传算法对 此却能很好解决，不要求目标函数是否为显函数或者隐函数。 ( 4 ) 在搜索方法方面，遗传算法采用概率搜索的方法，用概率变迁来引导搜索方向， 而传统优化算法只能沿着确定方向搜索。 基于遗传算法与传统优化算法比较，本文采用遗传算法作为优化设计方法完成优化 设计工作。 i i 宣i i i i i 萱i 萱i i i i 萱i i i 宣宣i 宣i i i i i i 宣i 宣萱i i i i i i i i i i i 宣i i i 宣i i i 置i i i 置 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 2 优化设计的软件平台 随着计算机技术、虚拟现实技术及现代设计理论与方法的迅速发展，越来越多的软 件系统为优化设计提供了研究平台，如l i n d o 、m a t l a b 、a n s y s 、i s i g h t 、结构拓扑 优化软件和p c o p b 优化方法程序库等。尤其是近年来随着市场化的发展，m a t l a b 软 件不断完善和扩展自身功能，在数值计算和科技应用中以其优秀的数值计算能力和卓越 的数据可视化能力越来越受到广大用户的推崇与喜爱，它所拥有的强大科技计算能力、 图形处理能力、可视化能力和开放式界面，特别是自身所附带的几十种面向不同研究领 域的工具箱能力为其在数值分析、信号与图像处理、控制系统设计、通讯仿真、工程优 化、数学建模和统计分析等领域的计算机辅助设计、分析与应用开发提供了基础。这些 工具箱通常是以m 高级文件和高级m a t l a b 语言的集合形式表现出来，用户可以根据 自己的需要修改函数的源代码或者增进自己的新函数代码，这样用户只需要专注于算法 计算就可以迅速比较不同算法，快速画出图形，从中找到自己需要的答案。它极大地方 便了用户的学习与工作，提高了设计效率，因此本文采用m a t l a b 工具箱作为优化设 计软件平台来完成优化设计工作。 2 2 参数化设计 参数化设计体现了r e v i tb u i l d i n g 这一重要思想，它是一种基于参数化模型的现代设 计方法，即在保持模型约束条件不变的情况下，通过修改模型的基本尺寸来驱动模型， 从而获得新的模型。在产品设计的初期阶段，设计人员往往不能确定设计边界条件，对 于产品的认识还比较模糊，因此不可能一次性设计出满足所有条件的产品。随着研究的 深入，不断研究和摸索，设计人员通过修改产品尺寸和形状，逐渐满足设计要求。所以 设计是一个不断修改、不断满足约束条件的过程，正是这种不断追求完美的过程促使了 c a d 系统参数化的产生，参数化设计最初是由美国p t c 公司提出。到目前为止，参数 化设计已经成为机械系统设计的重要发展方向，各个c a d 软件系统不断完善自己的参 数化设计功能，以满足设计发展需求。 2 2 1 参数化设计方法 参数化设计方法主要有基于模板的设计方法、基于程序的设计方法和基于表格 的设计方法三种，这几种方法各自有着自己的适用领域和优缺点【1 0 】。 ( 1 ) 基于模板的设计方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 按照需要的几何约束和尺寸关系建立零件的参数化模型，并按照一定的方式存 储为设计模板。当需要设计相似零件时，就可以调出相应的设计模板，按照设计要 求修改驱动尺寸，这样就可以得到所需要的零件模型。 ( 2 ) 基于程序的设计方法 首先建立机械零件的三维参数化模型，提取模型关键参数，然后通过c a d 软 件连接接口开发连接程序，通过人机交互方式修改关键参数时，c a d 系统驱动参数 化尺寸改变模型尺寸，生成需要的三维模型。这种基于程序的设计方法需要数据库系统 支持，通过数据库扩充系统功能，如图2 1 所示为系统参数化原理图： 厂、 膏伪i 目； 犬u 业j 、 、 界面类 操作实例 一 l 数 显 示 修 参 改 参 据 数 数 库 腑信象撕 1 更新模犁 参舯堡糙理g 一 1 1l 一一 获取参数 建，、，f h 不晕j 和 ! 图2 - 1 系统参数化原理 这种方法自动化程度高，建模速度快，共享性大，但是编程工作量大，对于标准件、 常用件和模具应用较多，而且建模效率也比较高。 ( 3 ) 基于表格的设计方法 这种设计方法主要采用了c a d 系统的族表功能，对于一些结构相同、尺寸不同的 零件，可以通过这种技术快速设计出需要的零件。首先建立一个父零件，控制零件大小 的各个关键参数，当需要其衍生零件时，修改这些关键参数的数值即可，c a d 系统内部 会自动完成零件尺寸的修改和模型的更新。这种方法的优点是不需要编写应用程序，工 作量较小、简单易用，适合常用结构相同的机械零部件，但是在功能扩展方面不如前一 种方法。 2 2 2 参数化系统开发关键技术 在进行参数化系统开发技术研究中，需要解决一些关键技术，主要包括c a d 软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 与m f c 的接口技术、m f c 对话框调用、c a d 系统中参数的获取与修改以及实现m f c 与a c c e s s 数据库的链接等。 ( 1 ) c a d 软件与m f c 的接口技术 c a d 软件与m f c 的接口链接是参数化系统开发的基础。c a d 软件为用户提供了不 同的运行环境，如i n t e r n a l 环境和e x t e r n a l 环境。这两种运行环境的应用程序、编程方法、 运行方式均不同，i n t e r n a l 环境模式的应用程序是一个动态链接库，只能被加载到c a d 软件的环境中运行，而e x t e r n a l 环境的应用程序是一个独立的可执行程序，但它不可以 c a d 软件的环境中运行，所以需要选择合适的运行模式，从而开发相应的接口链接程序。 ( 2 ) m f c 对话框调用 对话框是c a d 软件与用户交互设计的重要手段。大量参数需要通过对话框读取或 输入到系统中，完成系统参数化设计。同时对话框还可以输出系统信息，帮助用户进行 下一步的操作。m f c 对话框是v c + + 的一个重要的资源，它可以弥补c a d 软件在用户 界面设计方面的不足，为设计者提供多种多样的对话框设计样式和设计风格。所以在 c a d 软件中如何实现m f c 对话框调用也是参数化设计系统中需要解决的关键技术之一。 ( 3 ) c a d 系统中参数的获取与修改 在进行参数化系统开发中经常涉及到用户定义参数和c a d 系统交互，c a d 系统需 要从对话框或者信息栏中获取用户输入参数，从而根据新的参数值更新模型。因此需要 开发相应的应用程序来读取和修改c a d 软件系统中部分关键参数来生成新的模型。 ( 4 ) 实现m f c 与a c c e s s 数据库的链接 数据库是参数化系统开发必不可少的一个重要工具。设计人员在进行系统开发时不 可避免涉及到大量数据处理，为了方便用户操作，必须把这些数据做成数据库，用户通 过m f c 来调用数据库中的相关数据。因此需要把m f c 与数据库进行链接，通过应用程 序与数据库之间的中间件来实现系统数据的查询【1 1 1 。 2 2 3 参数化设计的软件平台 目前，常用的三维参数化建模软件很多，主要包括u g 、c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、 s o l i d w o r k s 等，这些软件在三维建模和系统二次开发方面各有自己的特点，但是在系统 装配方面，u g 运用了超变量化技术即w a v e 技术( w h a h fa l t e r n a t i v ev a l u e e n g i n e e r i n g ) ，可以很好的解决产品各个零部件在组成装配体后的关联性问题。参数化造 型技术只是针对零件一级的，而w a v e 技术是针对装配级的一种系统工程，提供了实际 工程产品设计中所需要的自顶向下的设计环境，是参数化造型技术与系统工程的有机结 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 合。同时在系统二次开发方面，u g 软件也为企业或用户提供了u g o p e nm e n u s c r i p t 、 u g o p e nu x s t y l e r 、u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 这四种主要的二次开发工具。它们之 间可以相互协调和调用，满足不同用户产品开发需求，例如m e n u s c r i p t 所开发的菜单和 工具条可以调用u i s t y l e r 开发的对话框；m e n u s c r i p t 和u i s t y l e r 开发的对话框可以调用 u g o p e ng r i p 程序和u g o p e na p i 程序；u g o p e na p i 程序和u g o p e ng r i p 程序之间 也可以相互调用。所以本文采用u g 作为参数化设计的软件平台完成系统参数化设计研 究工作。 2 3 小结 本章首先介绍了优化设计方法，基于遗传算法与传统优化算法比较以及m a t l a b 优化工具箱介绍，选用遗传算法作为本文优化设计方法，m a t l a b 作为优化设计软件平 台；然后介绍了参数化设计方法，分析了参数化系统设计需要解决的关键问题，同时基 于u g 在超变量化技术方面的优势，选用u g 作为开发参数化系统的软件平台。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章减速器模糊可靠性与遗传算法优化设计 3 1 优化问题介绍 如图3 1 所示为单级直齿圆柱齿轮减速器的结构简图，要求在保证承载能力的条件 下，以体积最小为目标进行优化设计。已知输入功率p = 2 8 0 k w ，小齿轮转速 = 9 8 0 r m i n ，传动l t , i = 5 ，齿轮的许用接触应力b 】- 8 5 5 m p a ，许用弯曲应力 k 。】- 2 6 1 m p a ，k 2 】_ 2 1 3 m p a ；轴的许用弯曲应力 】- 5 5 m p a 【1 4 1 。 图3 1 单级直齿圆柱齿轮减速器结构简图 图3 2 齿轮结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 2 设计变量选取 减速器的体积主要是由齿轮和轴的尺寸决定的，所以选择模数、主动轮齿数、齿宽、 轴长、主动轮轴直径和从动轮轴直径这六个参数作为设计变量，所以单级齿轮减速器优 化设计的设计变量为： x = i x l ，x 2 ，而，x 4 ，x 54 x 6 】t = 陋，z 1 ，聊，z ，d 4 ，d 5 r 3 3 目标函数选择 根据齿轮几何尺寸和结构尺寸的计算公式，按照齿轮常用的结构形式实心式、腹板 式结构，如图3 - 2 所示，箱体内齿轮和轴的体积可以这样近似计算1 5 1 。 ( 1 ) 主动轮体积 k = 孕k ? 一d ；】( 3 - 1 ) 其中：d 。为主动齿轮分度圆直径 b 1 = b + 5 d 。为主动齿轮轴直径 ( 2 ) 从动轮体积 式中d = i m z l d o = d l o r e d 3 = 1 6 d 5 d 2 = o 3 ( d o d 3 ) c = 0 2 5 召 ( 3 ) 两轴体积 吃= 筹p 2 卅5 ) 一掣m d ；】- 等妒2 6 ( 3 2 ) y ，= 孚， ( 3 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 y 。= 孚， 则齿轮和轴的总体积可以表示为： v = k + 吃+ 匕+ 则目标函数为： f ( x ) = k + + 巧+ k 3 4 约束条件设定 3 4 1 条件约束 ( 1 ) 齿宽系数 ( 2 ) 轴支点距离 0 8 一b 1 4即：0 8 旦1 4 dm z l g ( 1 ) = 土一1 4 0 x 2 x 3 g ( 2 ) = 0 8 一l 0 x 2 2 3 l b + 2 。曲+ 0 2 x 6 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) g ( 3 ) = x 1 + 2 劬一z 4 + 0 2 x 6 0 ( 3 - 9 ) 式中：曲表示箱体内壁到轴承中心线的距离 ( 3 ) 齿面接触疲劳强度 ( 4 ) 齿根弯曲疲劳强度 盯= 2 5 z g ( 4 ) = 2 5 x 1 8 9 8 o r 片】 吒= 旦bd l m y f l k 】 仃耳= s j g ( 5 ) = 磊2 k 磊t k ，】。而x 2 巧 一h 】0 ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 吁警k 】 g ( 6 ) 2 ：i 两2 k t 一0 f ：】。x lx 2 x ；j ，2 式中y ，l = o 1 6 9 + 0 0 0 6 6 6 6 z - 0 0 0 0 0 8 5 4 2 2 ( 3 - 1 2 ) 昂2 - 0 2 8 2 4 ，+ 0 0 0 3 5 3 9 记一0 0 0 0 0 0 1 5 7 6 ( 纪) 2 ( 5 ) 轴的弯曲刚度 。 y 一= 等= 丽1 面2 8 t 1 3 面陟】 g ( 7 ) = 面聂1 2 8 丽t x 4 3 一【y 】 o ( 3 - 1 3 ) g ( 7 ) = 面磊丽一【y 】 o 式中l = i ，：型兰 6 4 e ：2 1 x 1 0 1 1 p a ( 6 ) 轴的弯扭强度 盯6 g ( 8 ) = g ( 9 ) = 兀dj 3 2 兀x ： 3 2 k 。 0 ( 3 1 4 ) 万x ： 3 2 式中m 为轴所受的弯矩，单位为n 聊珑，m ：型，只= 生 4 “ m z c o s 口 w 为轴的抗弯截面系数，彬= o 1 d ；，= o 1 d ： b 。：】0 ( 3 - 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 为应力校正系数，这里取夕= 0 6 ( 7 ) 可靠度约束 齿面接触疲劳强度的可靠度约束 齿根弯曲疲劳强度的可靠度约束 3 4 2 边界模糊约束 ( 1 ) 齿数 ( 2 ) 模数 ( 3 ) 齿宽 ( 4 ) 主动轮轴直径 ( 5 ) 从动轮轴直径 ( 6 ) 轴长 3 5 可靠度约束确定 z l z 1 z l 聊，z 聊 b 冬b b d4 d4 d 4 d55d5 d 5 - _ z ， 3 5 1 齿面接触疲劳强度可靠性 r h 之r l r f l r 2 r f 2 r 3 ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 1 ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 小齿轮用4 0 c r 调质处理，硬度为2 4 1 h b s 一2 8 6 h b s ，大齿轮用4 5 号钢，调质处理， 硬度为2 2 9 h b s 2 8 6 h b s ，齿轮接触疲劳极限仃胁= 号乎，齿轮弯曲疲劳极限 劬= 钞8 1 。 由于齿面接触应力及齿面接触疲劳强度极限均服从对数正态分布， ，l n o n l i r a i n o h 1 1 。1 ii z r = 一z = f 2 = = 2 三， c 卿2 。十c 乞 式中 岫为齿轮接触疲劳极限，它表示齿轮材料的机械性能。 c 0 蛔为变差系数 则可靠度可以表示为 r 1 = 纵孙) = 1 一矽( z ) = n o r m e d f ( z 异) 可靠性系数为： ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 齿轮接触疲劳极限的对数标准差s ，蛔= 0 1 则齿轮接触疲劳极限的对数均值为 h = 2 3 3 s i 陆+ 1 1 1 h i n = 0 2 3 3 + i n o h 胁 从而齿轮接触疲劳极限的均值为 l1 s o n h = 胁【e x p g 乞岫) 一1 r = 盯h l i m e x p ( o 0 1 ) 一1 f 齿轮接触疲劳极限的标准差为 ( 3 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) 仃h i 油= e x p ( - 岫+ 圭j 乞岫、) = e 冲( 0 2 3 3 + i n o - m i m + 0 0 0 5 ) p ( 0 2 3 8 + i no h l i m ) ( 3 - 2 9 ) 所以求得变差系数 c 。 = k = o hl i r a e x p ( o 0 1 ) - - 1 j = o 0 7 9 ( 3 3 0 ) l岫一onlira一exp(0238+ino h u m ) 一u u 7y 。j 。j u 接触应力的变差系数为： c c r h = l 巴。材1 ( c 2 e + c o c c 2 k 即扎2 ) 1 2 - 0 1 7 4 7 ( 3 3 1 ) 式中 c 脚= 0 0 4 ， c z 。= 0 0 2 5 ，c v , = o 0 3c k = 0 ，c 印= 0 0 5 ，c h 。= 0 0 3 z r = 一zz里专觜c2 = 皇坚三皆 ( 3 3 2 ) + c 乞 u 侈1 7 3 5 2 齿根弯曲疲劳强度可靠性 齿根弯曲疲劳强度的司靠性系数司以表不为： z = 一z 。i n f o w u m - i n f o f i ( 3 3 3 ) c 。2 h 岫+ c 孟。 式中1 7 f 为齿根弯曲疲劳极限，它表示齿轮材料的机械性能。 c o f m 为变差系数 则可靠度为： r ：= 矽( z r ) 三l 一妒( z ) ( 3 3 4 ) 齿根弯曲疲劳极限的对数标准差s ，。= 0 2 则齿轮弯曲疲劳极限的对数均值为 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 以，岫= 2 3 3 s j c r f 岫+ l i l 听岫= 0 4 6 6 + h l 诉胁 ( 3 3 5 ) j 听岫= 绵。劬 e x p g 乞岫) 一1 f = 仃，【e x p ( o 0 4 ) 一l 】i 1 ( 3 - 3 6 ) 齿轮接触疲劳极限的标准差为 0 = = e x p f b 岫+ 导s 乞胁1 ：e x p ( 0 4 6 6 + l n 诉陆+ o 0 2 ) ：e x p ( 0 4 8 6 + l n c r f 岫) ( 3 - 3 7 ) 所以求得变差系数 柚= s g fh r a = 葡o f h m 两 e x p 丽( 0 0 4 ) - 1 7 = o 1 2 4 3 ( 3 - 3 8 ) 柚一蠢一司丽网刮j 鹪j j 妥触应力的变差糸数为： c c r f = i - c k + c 乞+ c 乞+ c 乞+ c 妥。+ c 三，+ c 乞+ c 三砌f ：o 1 16 9 ( 3 - 3 9 ) 则 一z 。c 2 号堕c 2 = 警赢乎 p 4 。， 。h 胁+ 。h u 1 八j 6 z慰=一z=里!c跨2= 里l 里等孝 ( 3 4 ，) 。b 岫+ u 1 7 r 2 = 妒( z r ) = 1 - 妒 ( z ) = n o r m c d f ( z r l ) ( 3 - 4 2 ) r ，= 矽( z 。) = 1 一矽仁) = n o r m c d f ( z 。，) ( 3 4 3 ) 3 6 模糊约束确定 在常规的优化设计中经常把设计中的各个因素处理为确定的二值逻辑，从而忽略了 事物客观存在的模糊性，是设计变量和设计目标不能达到应有的取值范围，这样会漏掉 一些真正的优化方案。同时由于客观事物之间差异性以及人类认知的局限性，使设计过 程中模糊因素增加，因此在设计过程中如何让处理这些客观存在的模糊因素是优化过程 中必须解决的问题。模糊优化设计是将模