基于ProE的2K-H行星减速器的参数化设计和仿真动画

基于基于 ProE 的的 2K H 行星减速器的参数化设计和仿真动画行星减速器的参数化设计和仿真动画 从齿轮的建立开始从齿轮的建立开始 第一部分 零件设计部分 一 齿数的确定 2K H 型行星减速器的要求如下 2K H 型行星减速器 要求的减速比为 5 33 设行星轮数 k 4 并采用标准齿轮传动 试确定各轮的齿数 假定模数 m 2 5 齿宽 b 50mm 首先需要解决的是齿数的问题 各轮的齿数应该满足下条件 由配齿公式 可以计算得知 Z1 Z2 Z3 N 3 5 13 2 5 取 Z1 30 得 Z2 50 Z3 130 为避免根切 在的取值要大于等于 17 节省材料的话选择最 小满足条件齿数 这里为了是模型看起来更大 选择了 z1 30 验算邻接条件 Z1 Z2 sin k 56 6 50 2 Z2 2 hax 满足条件 对 N 做一个说明 若在 A 位置能装入第 2 个行星轮 须使齿轮齿轮 1 转过转过 N 个完整的齿 个完整的齿 即 j1 恰好为中心轮恰好为中心轮 1 个齿距个齿距 P 所对应圆心角的整数倍所对应圆心角的整数倍 二 齿轮的参数化建模 齿轮的参数建模 关键问题有以下几点 1 弄清楚齿轮设计的关键参数 齿轮的参数有哪些呢 查看课本会看到这些 模数 m 齿数 z 齿顶圆直径 da 齿根圆直径 df 基圆直径 db 分度圆直径 d 齿距 p 齿厚 s 齿槽宽 e 齿高 h 齿顶高 ha 齿根高 hf 齿顶高系数 hax 顶隙系数 cx 压力角 alpha 有时候会用到变位系数 x 看起来参数繁多 其实有章可循 齿轮的问题关键在于模数 模数的确定根据齿轮的 失效形式进行确定 这里不做讨论 题目中已经给定了模数 齿宽 通常正常齿制的 hax 1 0 cx 0 25 alpha 20 度 x 0 对于建模来说 这些都是已知量 结合齿轮的相 关公式 可以得到下面的表格 模数 m 齿数 z 齿顶高系数 hax 顶隙系数 cx 齿宽 b 压力角 alpha 已知量 变位系数 x 齿顶高 ha hax x m 齿根高 hf hax cx x m 分度圆直径 d m z 齿顶圆直径 da d 2 ha 基圆直径 db d cos alpha 可求量 齿根圆直径 df d 2 hf 表 2 1 齿轮参数表 2 1 渐开线的参数化画法 图 1 1 渐开线的几何分析 线段 s 绕圆弧旋转 其一端点 A 划过的轨迹即为渐开线 图中点 x1 y1 的坐标为 x1 r cos ang y1 r sin ang 在 pro E 中 系统存在一个变量 t 0 t 1 通过 x1 y1 建立 x y 坐标 即为渐开线的方程 ang t 90 r db 2 s PI r t 2 x1 r cos ang y1 r sin ang x x1 s sin ang y y1 s cos ang z 0 2 2 渐开线齿轮建模分析 1 创建基本圆 1 新建零件 取名 zxl 1 取消缺省模板 选择 mmns part solid 模板 进入工 作界面之后首先创建各种参数 类似于 C 语言里面各种常量和变量的定义 2 单击主菜单上的 工具 参数 弹出参数对话框如下图所示 3 单击左下角的添加参数 修改参数名称和初始值 说明里面写好备注 其它项不要动 将表 2 1 里面的参数都添加进去 参数不区分大小写 X 完成后 如下 4 参数定义好了之后就要定义关系了 所谓的关系就是表达式 因为通过上 面的分析我们知道了很多尺寸是需要计算才能得到了 而添加关系就是添加计 算的表达式和把参数跟图中实际的尺寸相关联的赋值语句 具体操作是在主菜 单上依次单击 工具 关系 弹出 关系 对话框 并在里面输入表 2 1 列出的要求的量的表达式 这个时候会发现下面有个 局部参数 单击展开 看到里面就是刚才添加的 一下参数 而且在这个地方也可以编辑 添加关系 单击确定之后 再次打开 关系对话框 在局部参数里面 通过计算或者赋值得到的量会被锁定 源 变为了 关系 而其它的是 用户定义的 5 做好准备工作之后 开始基本圆的创建 基本圆有四个 基圆 齿根圆 分 度圆 齿顶圆 选择 FRONT 平面 单击草绘按钮进入草绘 草绘四个同心 圆 直径随便定义 这里就假定从内到外依次为 10 20 30 40 如下图 6 单击 返回到零件界面 在模型树中右击草绘 1 在弹出的右键菜单中选 择 编辑 图中出现各圆的直径 7 打开 关系 对话框 光标另起一行 图中尺寸变为尺寸代号 单击尺寸代 号 关系对话框中出现它的尺寸代号 对它进行赋值 如 d0 db 依次重复 把四 个圆的直径全部赋值 完成后如图 说这么多 核心思想就是尺寸驱动 就 d0 db 来说 d0 是一个变量 但是它 有实际意义 是图形中一个圆的尺寸 db 也是变量 但是它没有实际意义 它 的值由开始给的关系确定 对 db 等的定义有助于图形的兼容性 也易于修改 就好像 c 语言里面的宏一样 8 确定后单击 再生 得到图形如下 2 创建渐开线 1 依次单击 插入 模型基准 曲线 或者在工具栏上单击 在弹 出的菜单管理器中选择 从方程 选取 打开坐标系显示开关 选择坐 标系 点选坐标系之后选择 笛卡尔 系统弹出一个记事本 要求输入方程 2 在记事本中输入 2 1 渐开线的参数化画法中分析过的方程 保存退出 得到渐开线 3 镜像渐开线 镜像渐开线的关键在于找到镜像的面 从轴向上看 齿轮平面存在这个关系 创建基准平面时 输入 360 4 z 会提示是否添加特征关系 点选 是 4 做出一个齿形 1 以齿根圆为轮廓 拉伸出齿根圆 厚度为 b 2 复制轮廓如下图 拉伸出第一个齿 厚度当然是 b 注意齿根圆角 其 实齿根圆角的计算问题还没有解决 没有找到标准 书上也没有 不过影响不 大 这里随便做个样子好了 5 阵列这个齿 1 在模型树中选中这个齿 点击工具 选择轴阵列 不用管后面的个数和角度 直接 选择齿轮的轴之后点确定 2 在模型树中右击阵列 点选编辑 出现如下尺寸 3 打开关系对话框 对这两个尺寸分别添加关系 角度方向当然是 360 z 个数就是 z 啦 完成后再生 就可以得到所有的齿轮了 6 创建中间孔 键槽 小孔等其它特征 这些创建都比较简单 这里就不做说明了 添加颜色 隐藏草绘的圆和渐开线 得到 的图形最终得到的图形如下 关于中心小孔的尺寸 由于这里不涉及强度等的计算 所 以随我自己定为直径 15 后面的所有轴孔都是这个直径 3 把中心轮保存副本 命名为 xxl 1 用来创建行星轮 打开保存的副本 修改参数里面的 齿数为 50 单击再生就可以得到行星轮 4 具有内齿轮的中心轮 zxl 3 的创建 1 创建方法与中心轮 zxl 1 的方法类似 只是这个时候的齿根圆和齿顶圆要交换 计算方法有些不同 如下 da m z 2 hax df m z 2 hax cx 2 渐开线的创建方法完全一样 只是镜像渐开线的时候 还是找渐开线跟分度圆 的交点与轴创建一个平面 新建的平面跟它的夹角也是 360 4 z 3 从齿根圆和齿顶圆处修剪 创建齿轮 4 自定义一个外圈厚度 计算的话应该跟各种强度计算有关 这里只做个演示 所以选择厚度为 100 拉伸后再通过查表切一个键槽出来得到固定中心轮 三 行星架 xxj H 1 的创建 行星架的创建比较灵活 只要保证四个轴是均匀分布的 与中心轴的距离为 100 就可 以 中心轮和行星轮啮合的时候 分度圆相切 所以行星轮轴距行星架轴心的距离 L dxxl dzxl 2 125 75 2 100 至于外形可以自己随便发挥 四 创建一个轴 作为中心轮的轴心 这个轴是我后来才意识到必须创建的 待会儿装配的时候再讲它的必要性 轴的直径 跟齿轮中心孔的直径相同就行了 至此 零件的创建完毕 第二部分 装配部分 一 环境的创建 新建 组建 取消缺省模板的勾选 选择 mmns asm desing 装配过程中常用的快捷键 alt ctrl 鼠标左键 拖动使整个机构运转 alt ctrl 鼠标右键 平移对象 受运动副约束 alt ctrl 鼠标中建 旋转对象 受运动副约束 二 装入机架 由机构运动简图可以看出来 机架有两个 一个是大的固定中心轮 一个用来固定 行星架 虽然在装配行星架的时候 可以通过销钉确定行星架的连接定义 但是由 于跟中心轮公用了一个轴 也就是说这里是复合铰链 但是 pro E 只给出了一个转 动副 漏算一个转动副的直接结果是后的定义齿轮副的时候找不到跟行星架配合的 轴 这就是为什么不要那个轴可以确定行星架的连接定义 但是还是要创建一个轴 的原因 1 先装入固定中心轮 zxl 3 约束 中选择 缺省 状态变为 完全约束 单 击确定 2 装入轴 使用轴对齐和将底面匹配约束 将它固定到固定中心轮的轴心 状态 一定要是 完全约束 三 装配中心轮 zxl 1 连接类型选择 销钉 将中心轮的轴跟固定中心轮 zxl 3 的轴对齐 反正选的时候要知道自己是选的哪个的轴心 系统识别为浅绿色后 右击可以切换 我打错成 zzl3 了 不想改名字了 所以没有换 选择轴之后 再选两个零件的上表面对齐 状态变为 完成连接定义 四 装配行星架 XXJ H 1 装配方法跟装配中心太阳轮的方法类似 这次选用上次没有用的那根轴 总之 目的只有一个 形成单独的转动副 消除复合铰链的影响 装入后如图 5 行星轮 xxl 1 的装配 装入行星轮 连接类型选择销钉 选择行星架上任意一根轴 上表面对齐 注 意拖动齿轮是齿和齿之间不发生明显干涉 创建快照 6 重复 5 得到如下图 至此 装配完成 装配过程中要注意让齿轮啮合的 时候尽量不发生干涉 我的做法是装配行星架的时候 让它固定成机架 不然拖动的时候行星架会转动 根本就无法控制 然后把所有齿轮装配 好之后编辑它的装配定义 更改为销钉连接 记得调整好之后创建快照 当然 根据 pro E 齿轮副的定义规则 你即使发生再严重的干涉它还是不影响转动的 我想区别在于仿真分 析的时候吧 第三部分 建立机构运动模型 一 定义齿轮副 运动副的定义从装配时候就已经开始了 比如选择 销钉 连接类型的时候就是在 两构件间定义了一个转动副 但是装配的时候不能定义齿轮副 1 齿轮副的定义 1 单击工具栏中 弹出齿轮副定义对话框 2 从对话框可以看出来 齿轮副的定义有三项 齿轮 1 齿轮 2 和属性 每 个齿轮的定义又包括了运动轴 齿轮和托架 齿轮和托架很好理解右边的按钮 是交换齿轮和托架 这里就有必要提一下创建零件的时候特意创建一个轴 它 的存在使得中心位置有了两个转动副 准确来说是表现出了两个转动副 从 而有了两个运动轴 具体到这个题目 一个是中心太阳轮的运动轴 一个是行 星架的运动轴 对于节圆直径 有必要提一下 节圆直径在这里定义说明了对 于齿轮副的定义来说 前面的齿轮画成什么样子是没有关系的 即使画两个圆 柱 只要在这里定义了适当的节圆直径 也可以像齿轮那样转动 3 中心两个运动轴哪个属于哪个我也不知道怎么区分 反正选择之后转动 主体被绿色加亮 托架被青色加亮 如果不对重新选择就好了 假设我已经知 道怎么能够选到中心太阳轮的运动轴 点选它 齿轮副定义对话框做出相应反 应 自动选择了齿轮和托架 在名称部分 我输入太阳轮 行星轮 1 节圆直径 输入 75 渐开线标准齿轮正确啮合的条件是模数相等 这个在设计的时候就是 那样做的 这里安装按照标准中心距安装 就要求节圆跟分度圆重合 4 单击 齿轮 2 选项卡 选择一个行星轮的运动轴 节圆直径输入 125 单击确定 第一个齿轮副定义完成 5 定义行星轮 1 跟机架的齿轮副 这里是一个坎 我最开始遇到的问题是 在我看来 这个齿轮副的齿轮 1 是行星轮 1 托架为行星架 H 齿轮 2 为机架 它真的是有齿嘛 可是这样的问题是 1 机架根本就没有运动轴可选 2 即 使选了 那么托架是什么 可是当我加了那个轴之后 一切问题都解决了 齿轮 2 的运动轴选行星轮的运动轴就好了 这个时候系统选择固定中心轮为托 架 交换托架跟齿轮 固定中心轮成为齿轮 行星架成为 托架 定义行星轮 1 固定中心轮齿轮副 齿轮 1 运动轴选择行星轮 1 的运动轴 节圆直径 125 齿轮 2 选择行星架的运动轴 交换托架跟齿轮 节圆直径输入 325 下面是做第二个的时候的截图 6 重复 1 5 完成所有齿轮副的定义 7 补充说明一下 属性里面的内容 基本不需要管它 下面有一个叫托架主体的 部分 有个复选框为禁用创建内部托架主体 不要勾选它 所谓的内部托架主 体就是当两个齿轮不公用一个托架主体的时候 系统会创建一个内部托架主体 以后在运动的时候会有提示 二 定义伺服电机 1 单击创建一个伺服电机 弹出伺服电机定义对话框 直接点选中心太阳轮的运动轴 确定太阳轮为原动件 2 单击 轮廓 规范里面选择 速度 模 选择常数 A 的值为大小 输 入 60 也就是速度大小为 60 deg sec 3 图形下面可以查看速度 位置 加速度的图形 这些分析这里不做了 相 信到了这一步之后就很好摸索了 三 机构分析 1 单击工具栏中 弹出分析定义对话框 类型选择运动学 终止时间输入 18 快照选择当时使得没有明显干涉时创 建的快照 单击运行 机构就开始运动了 2 分析完成后单击确定 可以生成分析的测量结果 或者回放以前的运 动分析等等 这些分析内容这里也