齿轮传动稳健优化设计系统的实现 - 图文-

1、齿轮传动稳健优化设计系统的实现芦新春1,王书全2(1淮海工学院机械工程系,连云港222005;2江苏省赣榆县人民武装部,连云港222000摘要:在研究稳健优化设计理论的基础上,构建稳健优化设计系统模型,并应用于齿轮传动设计中。利用V isual C+、S QL和UG开发完成其原型系统,该系统主要由产品总体性能的稳健性分析模块、传动稳健优化设计模块、轴系的稳健优化设计模块以及基于UG的齿轮和轴系建模模块等组成,实现了齿轮传动的稳健优化设计,提高了传动机械抵抗外界因素干扰的能力,保证了质量的稳健性。关键词:齿轮传动;稳健优化设计;系统实现中图分类号:T H122文献标识码:B文章编号:167131

2、33(200808010204Rea li za ti on of robust opti m a l desi gn system of gear dr i verLu Xin2chun1,W ang Shu2quan2(1Depart m ent ofMechanical Huaihai I nstitute of Technol ogy,L ianyungang222005,J iangsu,CHN;2Depart m ent of the Peop les A r med Force Ganyu County,L ianyungang222000,J iangsu,CHN Abstra

3、ct:On the basis of research on the theory of r obust op ti m al design,a syste m model f or the r obust op ti m al was constructed and was used in the gear driver design.And the r obust design syste m was devel oped by the V isual C+、UG and S QL.The sys2 te m was composed of many functi onal modules

4、,such as r obust analysis of p lanning design,r obust op ti m al design of driving de2 sign,r obust op ti m al design of axis design,modeling module based on UG.The app licati on result of r obust op ti m al design f or gear driver showed that higher perf or mance in disturb resistance and quality s

5、tability was i m p r oved.Key words:D riving mechanis m;Robust op ti m al design;Realizati on of syste m齿轮传动的设计在从方案设计到详细设计过程中,通常所使用的设计参数如材料的强度、力学特性等都是通过测量试验的方式得到的经验解,随着具体使用条件的不同这些数据具有一定的不确定性,另外产品在制造和使用过程中,会受到外界因素的影响,这些因素同样是偶然发生的随机因素,因此产品的质量也会发生一定的变差。减小质量变差有两种方法,其一是将输入参数的质量特性波动的允许界限即容差范围缩小,从而减小产品质量的变

6、差,但这样做是以增加成本为代价的;其二是在产品的设计过程中就考虑噪声因素的影响,在保证质量稳健性的基础上确定最佳参数组合,同时降低成本。稳健优化设计方法就是赋予产品高性能、低成本、高抗干扰能力的设计方法1。本文构建了齿轮传动的稳健优化设计系统,可大大改进设计质量,提高设计效率。1齿轮传动稳健优化设计系统的设计思想目前齿轮传动的设计仅凭借设计人员的经验进行,设计的结果过于保守,为了减少传动机械设计过程中不可控因素对设计质量的影响,在产品开发设计的各个环节,运用稳健优化设计思想,并与其他设计专业软件相结合,与数据库、知识库、专家库相连接,建立齿轮传动稳健优化设计系统,以实现高效、高质量、低成本的产

7、品设计。该系统由方案设计模块、参数及容差设计模块、参数化建模等模块组成,实现了从方案设计到详细设计各个设计阶段的稳健性分析和稳健优化设计。该系统具有以下特点。111设计结果具有可行稳健性在一般的传动机械的优化设计中,均是将设计参数作为确定值对待,而在实际工程中,这些值会发生一定的变差,从而导致质量波动,所以一般优化设计的解是不稳健的,本系统采用稳健优化设计方法克服了这种缺点,保证了设计质量。112优良的方法库根据稳健优化的实际对象的特点,齿轮传动稳健优化设计系统的求解算法选用具有高度稳健性并能201进行全局优化的混合离散基因遗传算法进行寻优,最终可获得较优的解。113共享数据库传动机械中的零/

8、部件是相互联系、相互约束的,系统中采用共享数据库,把设计中所需要的基本数据及稳健优化的结果,存储到相应的数据库中,便于管理和使用。114使用方便快捷该系统集传动的方案设计、零/部件的设计、建模于一体,能大大节省设计时间,提高设计效率。2体系结构根据齿轮传动稳健优化设计系统的设计思想,建立其体系结构,如图1所示 。图1齿轮传动稳健优化设计系统的体系结构在方案设计阶段,引入稳健性思想进行分析,根据设计任务确定系统的功能和质量准则,确定总体性能方案,针对不同的方案进行稳健性分析和综合评判,选择性能稳健性较好的方案,为详细设计阶段做准备。在详细设计阶段,确定稳健优化设计的目标函数,建立稳健性随机模型,

9、从而控制设计变量和噪声因素的变差对产品质量指标的影响,使设计结果满足稳健性要求,主要包括确定齿轮传动零/部件的质量设计准则,进行参数设计及容差设计三个模块,这三个模块可以分步使用,也可以并行使用。在获得优质的参数组合后,建立数字化样机,以进行模拟仿真,检验设计结果是否达到设计要求和目标。所有的设计参数和设计结果都存入相应的数据库中,便于使用和管理。3系统实现与运行311方案设计模块方案设计是整个产品设计过程中非常重要的一环,产品的性能、成本等指标往往取决于方案设计阶段2。方案设计是一个复杂的、创造性的知识密集型劳动。在这个阶段设计者应该正确地了解用户的要求,运用工程和科学知识提出满足用户要求的

10、设计方案。但由于评价信息具有比较强的不确定性,要使评价结果尽可能合理,需要充分考虑各种波动的信息源。因此在齿轮传动稳健优化设计系统中,方案设计模块采用模糊稳健性3分析的方法对产品总体性能进行评价,根据评价对象的具体设计信息以及确定的评价目标,考虑评价信息的不确定性,由质量属性隶属度的波动间接地反映方案的波动,从而获取稳健性较好的设计方案,如图2所示。为了防止一层的指标太多,权重不能很好地分配,该模块可以对方案进行多层质量属性的稳健性分析。各个指标项目及权重集等评价参数都存入相应的数据库中,便于管理及使用。进行稳健性分析之前,先要清空结果库,然后选择质量指标的层数,并相应地填写指标项及其权重。接

11、下来通过专家评价建立评价矩阵,评价矩阵中的元素需按列输入便于程序处理 。图2方案设计子界面312参数及容差设计模块经过方案设计后,得到了产品的总体技术设计方案,接下来的工作是确定具体尺寸和公差。参数设计和容差设计是稳健设计的核心部分,也是齿轮传动稳健优化设计系统设计过程的核心。参数设计的基本思想是合理选择设计变量,使干扰变量对产品质量的影响达到最小且成本较低。容差设计的过程是确定各参数最合适的容差,即在考虑各参数的波动对产品质量特性值影响之后,从经济角度考虑是否需要对某参数的容差给予调整。因此从工程应用观点出发,提供多种稳健设计模型,如图3所示。31211齿轮传动参数设计模块选择参数及容差设计

12、菜单下的齿轮传动子菜单,弹出齿轮传动设计条件设置对话框,如图4所示。在这一级对话框中给出了齿轮传动设计所需的初始设301 图3模型选择计条件,设计者首先选择齿轮传动类型,接下来可根据设计任务的要求输入原动机输入功率和输入转速、传动比、压力角、螺旋角等设计参数,以及工作情况、啮合方式、大小齿轮材料、精度等级、应用场合、主动齿轮布置情况、预计工作年限及工作时间等内容。设定的参数确认无误后,即可进行稳健优化模型选择并进行求解。设计结果存入数据库并在结果框中显示 。图4齿轮传动参数设计模块子界面31212轴的参数设计模块在完成齿轮传动的稳健优化后,从所得到的参数以及技术要求、布局条件出发,进行轴的结构

13、设计,然后进入轴系的稳健优化设计校核模块,如图5所示。在此模块中,首先根据轴的受力情况选择转轴模型,并输入轴的传动功率和轴的转速或从设计初始条件数据库中提取参数。然后对轴的设计参数进行设置,包括轴上力的大小,受力点的位置以及传动元件的直径等内容。系统将根据输入的参数计算轴所受到的弯矩和扭矩,并将计算结果存入相应的数据库,同时为了更加直观地反映轴的受力,系统还提供了绘制弯矩图、扭矩图和弯扭合成图等功能,并且以报表的形式给出轴上各点的具体数值。通过分析弯扭合成图,结合结构设计中所确定的初始轴径,确定轴上危险截面的位置,进行许用弯曲应力的校核,校核成功后才能进入抗疲劳稳健设计模块,否则需要返回,重新

14、进行结构设计 。图5轴的模型选择与参数设定进行稳健优化时,需要设定设计变量的取值范围和容差范围。对于材料的疲劳极限值的设定,使用者可自行填写,也可查询轴的材料库获得极限应力值。考虑到载荷的变差,故还需设定载荷的波动比例值,为了减少查阅资料的时间,系统中已经建立了有效应力集中系数数据库、尺寸系数数据库、表面加工系数数据库等知识库,针对不同的应力集中只要选择相应的按钮并进行相关数值的输入后,系统即会查找相应的数据库,获得均值及标准差。整个优化过程通过遗传算法求解模块进行。313建模模块为了便于设计结果的进一步分析,基于VC +对UG 进行二次开发,实现了传动零/部件参数化建模模块,参数建模所用的几

15、何参数从设计结果数据库中提取,实现了关键零/部件的快速设计。建模模块包括传动用的主要零/部件,如轴的建模、齿轮的建模及轴承的建模等。4结语本文基于VC +平台,研制了齿轮传动的稳健优化设计系统。该系统采用了模块化思想,力求以实现开放性、可拓展性和可移植性为目标进行开发,实现齿轮传动稳健性分析和关键零/部件的稳健优化设计等功能。使用该系统可以使齿轮传动的设计过程简单快捷、设计速度大大提高,同时采用稳健优化设计方法可以降低生产成本,提高产品质量,因此在工程实际中有着广泛的使用价值。401无杆活塞气缸与二级杠杆2偏心轮复合的浮动式传动系统李月琴1,何培英1,张文辉2(1郑州轻工业学院机电工程学院,郑

16、州450002,2郑州锅炉有限责任公司,郑州450001摘要:介绍一种无杆活塞气缸与二级杠杆2偏心轮复合的浮动式传动系统的工作原理、结构特点和力学计算。几种简单的增力机构和无杆活塞气缸进行合理的组合后,不仅可以实现力的多级放大,而且结构简单紧凑,增力效果显著。关键词:无杆活塞气缸;二级杠杆;偏心轮;复合式传动系统;增力比;传递效率中图分类号:TP27文献标识码:B文章编号:16713133(200808010503A floa ti n g dr i ve syste m ba sed on non2rod p iston cyli n der andthe com b i n a ti on

17、 of two2level lever and eccen tr i c wheelL i Yue2qin1,He Pei2ying1,Zhang W en2hui2(1Dep t.of Mech.Science and Eng.,Zhengzhou I nstitute of L ight I ndustry,Zhengzhou450002,CHN;2Zhengzhou Boiler(Gr oupCo.,L td,Zhengzhou450001,CHNAbstract:I ntr oduces the p rinci p le,structure and mechanical calcula

18、ti on f or mulars of a fl oating drive syste m which is based on non2r od p ist on cylinder and the combinati on of t w o2level lever and eccentric wheel.After p r oper combinati on of several f orce a m2 p lifiers and non2r od p ist on cylinders,the system can accomp lish the multistage f orce amp lificati on.Mean while,with si m p le and compact structure,it f orce increasing effect is re markable.Key words:Non2r od p ist on cylinder;T wo2level lever;Eccentric wheel;Compound drive s