减速器的虚拟设计与装配毕业设计论文

毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 题目名称：减速器的虚拟设计与装配 学生姓名专业机械设计制造及其自动化班级 一、选题的目的意义 21 世纪，信息和知识的高速发展要求制造企业以最短的产品开发时间(Time),最优的产 品质量(Quality)， 最低的成本和价位(Cost)， 最优的服务(Service)， 最清洁的环境(Environment) 和快速的市场适应性TQCSEF 来赢得用户和市场，实现可持续快速发展。实现这一目标 要求人们将制造技术与飞速发展着的系统科学、计算机科学、虚拟现实、人工智能等有机 融合，形成全新概念的具有信息化、自动化、智能化、敏捷化等特点的现代虚拟制造 (VM) 技术。齿轮传动由于其结构紧凑、啮合性能好及承载能力高等优点,在高压、高速的场合使 用越来越广泛。 为了满足工业生产和用户的需要,就必须提高齿轮传动的性能,而齿轮的传动 效率取决于齿轮的方面性能,如齿轮的类型，齿轮的材料，齿轮的变位，安装误差以及润滑 油的性能的润滑方式等，通过改善以上性能可以达到提高齿轮泵性能的目的。所以合理的 选用齿轮的各个参数，能针对不同的设计条件设计出功率损失最小的减速器。 二、国内外研究综述 目前，国内各类通用减速器的标准系列已达数百个，基本可满足各行业对通用减速器的需 求。国内减速器现状?国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重 量比或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点， 特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。同外减速器行业存在的比较突出的问题 是，行业整体新产品开发能力弱、工艺创新及管理水平低，企业管理方式较为粗放，相当 比例的产品仍为中低档次、缺乏有国际影响力的产品品牌、行业整体散、乱情况依然较为 严重纵观国内减速器行业的现状， 为保持行业的健康可持续发展在充分肯定行业不断发展、 进步的同时，更应看到存在的问题，并积极研究对策，采取措施，力争在较短时间内能有 所进展。 虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容。采用虚拟装配技术可在设计阶段 验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性旧。随着社会的发展，虚拟制造成为 制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一也越来越引人 注目虚拟装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从 设计到生产出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等 目的问题。 三、毕业设计主要研究内容 1.根据斜齿圆柱减速器的设计理论及参数化设计的原理，探讨斜齿轮参数设计的数学 模型。 2.根据斜齿圆柱减速器的设计寻找合适的方法用程序来代替设计斜齿圆柱减速器时所 必须的查阅图表工作。 3.根据斜齿圆柱减速器参数化设计的数学模型寻找其计算机实现所需的合适的算法。 4.运用 solidworks 进行建模。 5. 介绍了虚拟装配技术，在分析了虚拟装配技术基本思想后，提出在减速器设计中实 施虚拟装配技术的方法和途径，规划了研究目标，并介绍了虚拟装配中的几个关键环节， 验证了减速器虚拟装配及运动仿真、特性检验、干涉检验等。 四、毕业设计（论文）的研究方法和技术路线 1、通过已有知识进行分析，理解，明白设计过程与目的，掌握进行本毕业设计的所必 须的基本知识。 2、查阅有关书籍，借助于网上数字图书馆搜集相关资料， 对其进行分析、总结、概括、 和借鉴，形成系统的外部资料，借鉴当今国内及国外此方面的研究及理论探讨进行本课题 的理论和方法 3、通过熟悉人工设计斜齿轮的全过程，研究其参数模型及计算机实现的方法。 4、运用solidworks熟练绘图。 五、主要参考文献与资料获得情况 1张悦刊，钟佩思，杨俊茹，基于虚拟样机技术的齿轮减速器设计与仿真研究 J 山东科 技大学机械电子工程学院 2005(3) 100102 2张亚春，魏效玲，张艳伟，减速器设计方案决策方法研究 J 中国机械工程 第18 卷第 9 期2007（5）10601062 3黄晓荣，机械设计基础M 中国电力出版社 1990(1) 4机械设计手册编委会机械设计手册 （单行本） 零部件设计常用基础标准机械工 业出版社 2007（8） 5邱宣怀.机械设计（第四版）M 北京 高等教育出版社 1997 6刘振宇.面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模理论、 方法及应用研究J浙江大 学. 机械科学与技术 2002年第2期 100103 7机械设计手册编委会.机械设计手册（第一卷）M 北京机械工业出版社 2004(9) 8 宋爱平.CAD/CAM技术综合实训指导书 M北京 机械工业出版社 2006(1) 9郑太雄， 何玉林， 杜静. 基于虚拟装配特征的虚拟装配研究J机械科学与技术 2004 (07) 873875 10秦爱中， 徐广勋， 林海华， 马锡琪. SolidWorks环境下产品设计实例J机床与 液压 2005 (03) 11蒋琴仙. 虚拟装配技术的研究J. 机械设计与制造工程 2000 (06) 12易际明， 宁立伟， 高为国. 减速器参数化特征设计与虚拟装配研究J湖南工程学 院学报(自然科学版) 2002 (04) 3336 13 陈定方，罗亚波. 虚拟设计北京 机械工业出版社 2002 14濮良贵，纪名刚.机械设计 北京 高等教育出版社 2001 15 刘检华， 姚珺， 宁汝新. CAD系统与虚拟装配系统间的信息集成技术研究J计算 2 机集成制造系统-CIMS 2005 (01) 4447 16 肖田元，韩向利，张林. 虚拟制造内涵及其应用研究. 系统仿真学报 2001(13) 118123 17 王隆太 机械 CAD/CAM 技术（第二版） 北京 机械工业出版社 2005(1) 六、指导教师审批意见 2008年 月日 3 摘摘要要 虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容. 采用虚拟装配技术 可以在设计阶段就验证零件之间的配合和可装配性,保证设计的正确性. 通过在 SolidWorks 软件平台上对减速器产品典型零件进行3D建模和参数化设计,确保 了应用三维CAD 技术进行产品的高效设计,进而完成了实体建模和虚拟装配设 计. 关键词关键词 计算机辅助设计; 虚拟装配; 虚拟现实; 动态仿真 4 Gear Transmission Reducer Design Based on SolidworksGear Transmission Reducer Design Based on Solidworks Abstract :Abstract : Virtual assembly is a new virtual product of the important aspect s of virtual product development . Virtual assembly technology can be used in the design phase of the certification between the parts and assembly to ensure t he correctness of the design. reducer links to products in Solidworks software platform for 3D modeling and typical design parameters ensure the efficient use of CAD technology and the completion of the solid modeling and virtual assembly design , which provides a strong technical support to the fast and accurate research and the development of a series of products. Keywords :Keywords : computer aided design ; virtual assembly ; virtual reality ; dynamic simulation HISTORY OF NUMERICAL CONTROL Anyone working in the machine tool field cannot ignore the influence of the computer in manufacturing. The capabilities that these machine tools have given to the industry have forced managers and owners of companies to update their thinking to stay competitive. The inherent accuracy and repeatability of these machine tools have helped quality process tools such as statistical process control gain a foothold in machine shops. EVOLUTION OF THE NC/CNC MACHINE Numerical control is nothing new. As early as 1808 weaving machines used metal cards with holes punched in them to control the pattern of the cloth being produced. Each needle on the machine was controlled by the presence or absence of a hole on the punched cards. The cards were the program for the machine. If the cards were changed, the pattern changed. The players piano is also an example of numerical control. The player piano uses a roll of paper with holes punched in it. The presence or absence of a hole determined if that note was played. Air was used to sense whether a hole was present. The invention of the computer was one of the turning points in numerical control. In 1943 the first computer, called ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) was built. The ENIAC computer was very large. It occupied more than 1500 square feet and used approximately 18,000 vacuum tubes to do its calculations. The heat generated by the vacuum tubes was a constant problem. The computer could operate only a few minutes without a tube failing. In addition, the computer weighed many tons and was very difficult to program. ENIAC was programmed through the use of thousands of switches. The $15 calculator available today ismuch more powerful than this early attempt. The real turning point in computer technology was the invention of the transistor in 1948. The transistor was the replacement for the vacuum tube. It was very small, cheap, dependable, used very little power, and generated very little heat: the perfect 5 replacement for the vacuum tube. The transistor did not see much industrial use until the 1960s. INTEGRATED CIRCUITRY In 1959 a new technology emerged: integrated circuits (ICs). Integrated circuits were actually control circuits on a chip. When manufacturers discovered how to miniaturize circuits, it helped reduce the size and improve the dependability of electronic control even more than the transistor had. Large-scale integrated circuits first were produced in 1965. In 1974 the microprocessor was invented. This made the microcomputer, and thus small application, possible. Great strides in the manufacture of memory for computers helped make computers more powerful and affordable. The original conception of numerically controlled machine tools occurred in the 1950s as a method of producing airfoils of great accuracy for the government. These complex parts were made by manual machining methods and inspected by comparing them to templates. The templates also had to be manufactured by manual methods, which was very time consuming and inaccurate. However, in a shop in Traverse City, Michigan, a man named John Parsons was working on a method to improve the production of inspection templates for helicopter rotor blades. Parsons started as a tool room apprentice and had no college degree. Parsons method involved calculating the coordinate points along the airfoil surface. By calculating a large number of intermediate points and then manually moving the machine tool to each of these points, the accuracy of the templates was improved. Parsons came up with the idea of using punched cards for the many calculations. The data could then be used to position the machine tool. Parsons submitted a proposal to the Air Force to develop a machine to produce these templates and received a development contract in 1948. His first attempts at automatic position control used punchcard tabulating machines to calculate the positions along the airfoil curve and an ordinary manual milling machine to position the tool to the tabulated positions. He had two operators, one to move each axis of the machine. This method produced airfoils tens of times more accurate than the preceding method, but was still a very time-consuming process. In 1949,the Air Force awarded Parsons a contract to produce a control system that could move the axis of a machine to calculated points automatically. The Massachusetts Institute of Technology (MIT) was subcontracted by Parsons to develop a motor that could control the axis of the machines. The servo motor was born. Parsons envisioned the following system.A computer would calculate the paththat the tool should follow and store that information on punched cards. A reader at the machine would then read the cards. The machine control would take the data from the reader and control the motors attached to each axis. In 1951 MIT was awarded the prime contract to develop the machine control. The first machine produced by Parsons and MIT was demonstrated in 1952. Called a 6 Cincinnati Hydrotel, it was a three-axis vertical spindle milling machine. The machine control used vacuum tubes. One of the first attempts at making programming easier for people wascalled APT (Automatically Programmed Tool) Symbolic Language. APT, invented in 1954, used English-like symbolic language to produce a program that the machine tool could understand. Remember, a machine needs the geometry of the part and machining instructions such as speeds, feeds, and coolant to operate. APT made it easier for people to write these programs, which were then translated to a program that the machine could understand. In 1955 the Air Force awarded $35million in contracts to manufacture numerical control machines. The first numerically controlled machine tools were very bulky. The machine control was vacuum-tube operated and needed a separate computer to generate its binary tape codes. (Binary coding systems use 1s and 0s). Programming complex parts took highly specialized people. Developments and refinements continued, and by the early 1960snumerical control machines became much more common in industry. As the acceptance of numerical control machines grew, they became easier to use and more powerful. Up until about 1976 these machines were called NC (numerical control) machines. In 1976 CNC (computer numerical control) machines were produced. These machine controls used microprocessors to give them additional capability. They also featured additional memory. The NCs typically read one short program step (block) at a time and executed it; however, CNC machines could store whole programs. Improvements in computer technology in the late 1970s and 1980s brought the cost of numerical control machines down to a level where most manufacturing companies cannot afford to be without them. 数字控制的历史数字控制的历史 在机床领域工作的任何人都不能忽视计算机对制造业的影响。 这些机床对工 业的影响能力强迫公司经理和所有者更新他们的思想来保持竞争力。 这些机床的 固有准确性和反复性已经帮助了质量过程工具例如统计过程控制在金工车间获 得立足处。 NC/CNCNC/CNC 机床的演变机床的演变 数字控制其实不是什么新东西。早在 1808 年织机装入带孔的金属卡片控制 所生产布料的样式。机器的每根针由装入的卡上孔的有无来控制。卡片成为机器 的程序。如果改变了卡片，样式也跟着改变。自动钢琴也是数字控制的例子。自 动钢琴使用带孔的纸卷。孔的有无决定音符是否被演奏。空气被用于感应孔是否 存在。 计算机的发明是数字控制的一个转折点。1943 年，称作ENIAC (电子数字积 分器和计算机)的第一台计算机被制成。 ENIAC 计算机非常大。它占地超过 1500 平方英尺并使用大约 18,000 根真空 管运算。 但真空管发热成为一个困扰的问题。 计算机仅能运行几分钟管子就失效。 另外， 计算机重达数吨并非常难于编程。 ENIAC 通过使用数以万计的开关来编程。 今天价值 15 美圆的计算器也远比这个早期的尝试更功能强大。 7 计算机技术领域真正的转折点是 1948 年晶体管的发明。晶体管是真空管的 替换品。它体积小，便宜，可靠，耗能少，并且发热低。真空管的完美取代品。 直到 20 世纪 60 年代晶体管才在工业中大量使用。 集成电路原件集成电路原件 在 1959 年一种新技术涌现了：集成电路（ICs） 。集成电路实际是芯片上的 控制电路。 当制造商发现了如何小型化电路，它比晶体管更有助于减小尺寸和改 进电子控制的可靠性。大规模集成电路大规模生产是在 1965 年。 在 1974 年发明了微处理器。由此产生了微型计算机，使小规模运用成为可 能。计算机记忆卡制造的巨大进步使它计算机更加功能强大而容易支付。 作为政府生产高精度副翼的方法数控机床的原始构想源于 20 世纪 50 年代。 这些复杂的零件用传统方法制造并且通过和模板作比较来检验它们。 模板也必须 用传统方法制造，是非常费时和不精确的。 然而，在 Michigan 一个商店，一个叫做 John Parsons 的人正在研究一种新 方法来改进直升机动叶片模板的制造方法。Parsons 是工具室学徒而且没有大学 学位。Parson 的方法是计算沿副翼表面的坐标点。通过计算大量的中间点然后 移动机床到每个点， 模板的精度就改进了。Parsons 提出用穿孔的卡片来进行大量计算的主意。这些 数据用来定位机床。1948 年 Parsons 向空军递交发展生产这些模板的机器的提 案并得到认同。 他第一次试图在自动控制中使用穿孔卡制表机计算沿副翼曲线的 方位并用普通铣床定位刀具到制表机位臵。他有二名操作员，一个移动机器的每 根轴。 这种方法生产的副翼比先前方法高达十倍精度，但仍然是一个非常费时的 过程。 1949 年， 空军要求 Parsons 生产能移动机器的轴来自动计算点位臵的一种控 制系统。麻省理工学院(MIT)由 Parsons 转包来发展能控制机器轴的马达。伺服 电动机诞生了。 Parsons 构想了随后的系统。计算机能计算刀具应该遵循的轨迹并在穿孔卡 上储存信息。 机器的操作者能读出卡片。控制机器从操作者得到数据并控制附着 在每根轴上的马达。 1951 年 MIT 被授予开发控制机器的主要合同。第一台由 Parsons 和 MIT 生 产的机器在 1952 年展出。叫做 Cincinnati Hydrotel，它是一台三轴垂直心轴 的铣床。这个控制机器使用真空管。 在使人编程更容易的其中一个早期尝试叫做 APT （自动编程工具） 符号语言。 APT，发明于 1954 年，使用机床能读懂的和英文相似的符号语言来编制程序。记 住， 机器需要零件的几何外型和例如速度、 饲料和冷却液的机器指令来运行。 APT 使人们写这些程序变得更容易， 这些程序随后又被翻译成机器能读懂的另一种程 序。 1955 年空军得到制造数控机器的 35，000，000 美圆的合同。第一台数控机 床非常庞大。 这个控制机器靠真空管运行并需要一个分开的计算机来生成它的二 进制磁带代码。 （二进制代码系统使用 0 和 1） 。复杂零件的编程需要非常专业的 人员。随着继续的发展和提炼，60 年代初期数字控制机器在工业中变得更加普 通。数字控制机器广泛接受，它们变得更加功能强大和容易使用。 直到大约 1976 年这些机器被称作 NC（数字控制）机器。1976 年 CNC (计算 机数字控制)机器出现了。这些控制机器使用微处理器给了他们额外的功能。他 8 们也以外存储为特色。代表性的 NCs 每次读取一步程序（块）并执行它；然而， CNC 机床能够存储整个程序。 20世纪70和80年代后期计算机技术的改善使数控机床的价格跌到一个很多 制造公司不能再没有它们的水平。 目目录录 绪论.1 1 传动方案设计 .2 1.1 技术要求和指标 .2 1.2 确定传动方案 .2 1.3 选择电动机 .3 1.3.1 确定电机的功率.3 1.3.2 确定电机的转速.3 1.3.3 计算传动比并分配传动比.3 1.3.4 计算传动装臵的运动和动力参数.4 2 传动零件的设计计算.5 2.1 设计减速器内部的传动零件 .5 2.1.1 斜齿圆柱齿轮传动.5 2.1.2 减速器轴及轴承装臵的设计.10 2.1.3减速器箱体及附件的设计.16 3 轴承的润滑及密封.17 4 利用 SOLIDWORKS 软件进行仿真设计 .18 4.1 零件设计 .18 4.1.1 箱座的设计过程: .18 4.1.2 其它附件设计.22 4.2 装配 .22 4.2.1 输入轴上各零部件的装配.22 4.2.2 中间轴上各零部件的装配、.24 4.2.3 输出轴上各零部件的装配.24 4.2.4 整体装配.24 5 构建虚拟实验室.27 总结语.27 致谢.27 参考文献.27 9 绪论绪论 齿轮减速器是普遍使用的传动装臵 ，设备体积小 ， 其设计过程几乎涉及机 械设计各个方面 ，如结构设计、动力学设计、标准件选型设计、润滑与密封设 计、几何参数设计、强度设计等 .设计齿轮减速器时 ，若凭经验设计 ，则设计 结果偏于保守;用传统的设计方法 ，则因计算过程繁琐 ，容易出错 ，且设计周 期长、浪费人力，虚拟设计技术是制造业虚拟化的核心技术之一，其目的是建立 虚拟设计环境， 并将其应用于实际产品的开发与制造中， 以缩短产品的开发周期， 提高质量，降低成本，获得较好的经济效益。 虚拟技术在新产品设计开发与教学中得到了广泛的应用。它形象逼真效率 高， 以减速器的虚拟装配的实现过程为例说明它在教学中的应用。通过仿真模型 在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是 实际装配过程在计算机上的本质体现。 现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早 期就应考虑装配问题，虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，提高 新产品开发的质量与可靠性，同时也降低新产品开发的成本。 1）减速器的设计过程 虚拟设计是一种全新设计概念，是当今知识经济时代制造技术革新的重要标志， 而UG 是一个高度集成的CAD/CAM/ CAE软件系统。本文利用Solidworks对机械 行业中广泛使用的齿轮减速器进行模拟装配、干涉检查和机构仿真，以便及早发 现设计上的错误， 减少了物理样品试制过程中出现的各种问题，从而缩短新产品 的开发周期。在设计的过程中还可进行有限元分析机构、运动分析、动力学分析 和仿真模拟，以提高设计的可靠性。 2）减速器虚拟装配的实现 Solidworks是第一个可以在Windows系统中使用的三维机械设计软件。该软 件将各个专业领域的世界级顶尖产品连接在一起，具备全面的实体建模功能，可 快速生成完整的工程图纸，还可以进行模具制造及计算机辅助工程分析、虚拟装 配、动态仿真等一些其他CAD软件无法完成的工作。提供几乎所有CAD软件的 输入及输出格式转换器。 装配是将各种零件模型插入到装配体文件中， 利用零件的相应结构来限制各 个零件的相对位臵，使其构成机构的某部分，或者是一个完整的机构或机器。 SolidWorks允许用户在装配体文件中插入数目众多的零件进行组装配合。在 SolidWorks装配体中，可分为由下而上的设计组装及由上而下的设计组装两种。 由下而上的设计是先设计出零件，再到装配体中装配成部件或机器。这种方式的 优点是建构快速，图面简单。缺点是零件在零件文件中建构完成，零件间的尺寸 1 配合无关连性，需要依靠方程式建立零件间的配合关系，比较麻烦。由上而下的 设计是指直接在装配体文件内建立各零件。 其优点是在建构零件时可互相参考结 构，省去部分草图的绘制及使用配合条件的设臵麻烦。 装配完成后， 应该进行零部件之间的干涉检查，以检查装配有无干涉及干涉 的位臵。步骤如下： (1)单击装配体工具栏上的“干涉检查”或“工具一干涉检查”。 (2)选择要进行干涉检查的零部件。 (3)单击“计算”，在结果中即会显示出干涉的位臵以及大小。 (4)如果有干涉的存在，使用移动零部件中的碰撞检查即可对干涉的位臵进 行调整， 选择 “编辑零件” 命令， 对此零件中产生干涉的部分进行合理的修改后， 选择“编辑装配体”，再重复(1)(4)步骤，直到干涉检查中的结果中显示无干 涉即可。 计算机模拟提供了在设计过程中对设计过程方案的检验，考核，使设计质 量明显提高，尤其能模拟样机的运转情况。在信息技术迅猛发展的今天，计算 机辅助教学已成为机械设计基础及相关课程教学的一个重要组成部分。采用 SolidWorks 软件构建以虚拟装配为背景的教学模式， 有利于培养学习者工程分 析与设计能力，有利于提高学习的趣味性与教学效果。 1 1 传动方案设计传动方案设计 1.11.1 技术要求和指标技术要求和指标 （1）工作机的功率 3KW，转速为 35r/min; （2）进行二级圆柱斜齿齿轮减速器装配图设计； （3）利用 solidworks 软件进行仿真设计. 1.21.2 确定传动方案确定传动方案 传动方案如图所示： 图 1 传动方案简图 2 1.31.3 选择电动机选择电动机 1.3.11.3.1 确定电机的功率确定电机的功率 用于长期连续运转，载荷不变或很少变化的电动机，其工作机构所需要的 电动机输出功率为： p w p d (1) 式中 p w工作机所需输出功率，KW; 电动机至工作机构主动端之间的总效率 p w =3KW; 1 23 45 (2) 1=0.98，2=0.99， 3=0.95，4=0.95，5=0.99，d=3.29KW 1.3.21.3.2 确定电机的转速确定电机的转速 n d=( i 1i2i3) n w(3) i1=35，i2= 35，i 3= 35 n w =35/ i =27125 n d =（315875）r/min 表 1 电机型号参数 方案 1 2 3 4 电动机型号 Y112M-2 Y132M1-6 Y112M-4 Y160M1-8 额定功率 d/KW 4 4 4 4 电动机转速/(r/min) 同步转速 3000 1000 1500 750 满栽转速 2890 960 1440 720 选择电机为 Y112M-4，功率为 4KW，转速为 1440/。 1.3.31.3.3 计算传动比并分配传动比计算传动比并分配传动比 选择电动机后， 根据电机的满栽转速 n m和工作机构主动轴的转速 n w，求得 总的传动比为： 3 i n m n w 1440 35 41.14 (4) 分配传动比 （1） 带传动机构传动比取 i 1 2.57 （2） 二级圆柱齿轮减速器 高速级为 低速级为 i l i h （1.31.5）i l ih4.57 ， i l=3.50 取 1.3.41.3.4 计算传动装臵的运动和动力参数计算传动装臵的运动和动力参数 （1）各轴的转速 n n m i 1 560.31 r/min (5) n