【文章內(nèi)容簡介】 虛擬企業(yè)。 圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計到終止使用的整個生命周期，再從決策者、設(shè)計師、制造商、銷售商和用戶等全方位地去觀察和研究產(chǎn)品，仿真技術(shù)已顯示出它強大的生命力和發(fā)展?jié)摿Α? 面向 21 世紀，同其他領(lǐng)域一樣，制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)的仿真規(guī) 模正在不斷地擴大，仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向發(fā)展。 CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用、研究現(xiàn)狀 （ 1） 國內(nèi)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀 用 CAD 技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計不但可以使設(shè)計人員 “ 甩掉圖板 ” ，更新傳統(tǒng)的設(shè)計思想，實現(xiàn)設(shè)計自動化，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭能力；還可以使企業(yè)由原來的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，建立一種全新的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)管理體制，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高勞動生產(chǎn)率。 三維 CAD 造型技術(shù) 也稱建模 技術(shù) ，它是 CAD 技術(shù) 的核心。建模 技術(shù) 的研究、發(fā)展和 應(yīng)用 ，代表了 CAD 技術(shù) 的研究、發(fā)展和 應(yīng)用 。從 20 世紀 60 年代至今， 三維 建模 技術(shù) 的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。 三維 CAD 以 三維 造型 設(shè)計為基礎(chǔ)，只要形成了 三維 模型，各種二維視圖唾手可得 。 三維 CAD/CAE 技術(shù) 在產(chǎn)品的 三維 造型、虛擬狀配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗、機構(gòu)運動分析和動態(tài)仿一級圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 74 真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了 設(shè)計 效率和 設(shè)計 質(zhì)量。 三維設(shè)計 的真正意義不 僅僅在于 設(shè)計 模型本身，而是 設(shè)計 出模型的后處理工作。 三維 CAD/CAE 技術(shù) 主要包括以下內(nèi)容： 三維 造型 /三維 設(shè)計 、計算機輔助工程分析、機構(gòu)運動分析 /仿真、裝配干涉檢驗、 三維 轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的 三維 CAD/CAE 系統(tǒng)完成 設(shè)計 以后，不僅使 設(shè)計 對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態(tài)，這是計算機輔助 設(shè)計 和輔助工程分析的根本目的。 三維 CAD/CAE 符合 設(shè)計 者的思維習慣，可以充分發(fā)揮 設(shè)計 者創(chuàng)造力和想象力。 三維 CAD/CAE技術(shù) 不僅解決了產(chǎn)品 設(shè)計 和工程圖繪制的問題，更重要的是利用 三維 CAD/CAE技術(shù) 實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬 設(shè)計 、運動仿真和優(yōu)化 設(shè)計 ，所生產(chǎn)的 三維 零件可以直接與CAE/CAM/CAPP 等 CIMS 技術(shù) 進行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來實現(xiàn)無圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵 技術(shù) 之一，是實現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握 三維 CAD/CAE 技術(shù) 的使用，已經(jīng)逐步同使用計算機進行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、 設(shè)計 人員的一種基本技能。 目前在我國 CAD、 CAE 已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相 當?shù)某墒臁?但 很多企業(yè)，也只是做到用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C出圖的現(xiàn)狀，當然計算機出圖是有很多優(yōu)點的，漂亮、規(guī)范、修改容易、存檔方便等。但是如果只是停留在這個階段，就失去了 CAD 的作用，因為 CAD 是輔助設(shè)計，不是輔助繪圖。既然是設(shè)計就不但想到產(chǎn)品的機械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運動機構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮 CAD 的作用。 要 真正做到這一點，單憑二維設(shè)計是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過二維視圖描述三維實體，但 它 做不到進一步的結(jié)構(gòu)、運動機構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到生產(chǎn)的自動化， 甚至 二維視圖描述 會 出現(xiàn)二意性和理解錯誤， 于是 必須找到更先進合理的三維設(shè)計手段，使 CAD、 CAM、 CAE 以及 PDM 容為一體。為此， CAD/CAE 方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以提高競爭力。從設(shè)計產(chǎn)品 和對 性能的簡單校核，逐步發(fā)展到性能的準確預(yù)測，再到工作過程的精確模擬，使人們對 CAD/CAE 方法充滿信賴。然而，提高產(chǎn)品競爭力不但需要提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，而且要降低產(chǎn)品的成本，因此人們需要找到最合理和最經(jīng)濟的設(shè)計方案。雖然分析人員可以不厭其煩地在屏幕前一次次修改設(shè)計參數(shù)以尋找最 理想方案，但縮短開發(fā)周期的壓力通常要求分秒必爭，人們可能沒有更多的時間對數(shù)據(jù)參數(shù)進行手工調(diào)整。 于是，對 CAD/CAE 技術(shù)及其一級圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 74 應(yīng)用的研究也 達到一個新高度。 （ 2） CAD/CAE 協(xié)同設(shè)計 計算機輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計方法的主要手段和工具，而其中的 CAE技術(shù)又成為現(xiàn)代設(shè)計流程的核心， CAE 具有以下功能 : (a) 應(yīng)用數(shù)學模型，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性； (b) 與優(yōu)化技術(shù)配合，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案 ； (c) CAE 所起到的虛擬樣機作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性，甚至產(chǎn)品與產(chǎn)品、 產(chǎn)品與環(huán)境等之間的相容性； (d) 知識的獲取是現(xiàn)代設(shè)計的關(guān)鍵， CAE 才能真正提高設(shè)計者的知識技能，而其他手段通常都只能起到使設(shè)計者工作更順手、能更好地表達設(shè)計意圖等作用，較少增加關(guān)鍵知識。 歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展， CAE 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到設(shè)計流程的各個環(huán)節(jié)。 CAE分析利用現(xiàn)代計算機強大的數(shù)值計算能力所起到的 “ 虛擬樣機 ” 作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的 “ 物理樣機驗證設(shè)計 ” 過程，極大地縮短了設(shè)計周期、減少了成本。但是，目前眾多的設(shè)計單位將 “CAD” 與 “CAE 分析 ”截然分開，由不同的人或部門來完 成設(shè)計與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評判等過程，造成了整個設(shè)計流程的不暢通 。 事實上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計過程中， CAE 應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計的各個階段和環(huán)節(jié)，實現(xiàn)設(shè)計分析一體化。 “ CAE 融入設(shè)計全過程 ” 的觀點已經(jīng)得到世界上 許多著名公司的廣泛認可。設(shè)計工程師將其工作經(jīng)驗與系列軟件相結(jié)合，以準確了解設(shè)計細節(jié)、及時把握設(shè)計方向，從而省時省錢，在競爭中取勝。 （ 3） CAE 優(yōu)化方法 設(shè)計過程實際上就是尋找最佳設(shè)計方案的過程 。 在保證產(chǎn)品達到某些性能目標并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè) 計變量，使產(chǎn)品的指標或性能達到最期望的目標，就是優(yōu)化方法。 因此 CAE 優(yōu)化設(shè)計技術(shù)所起的作用是極其重要的 ， 與常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)相比，這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計效率 。它可進行如下工作： (a)在有限元分析矩陣上利用高階級數(shù)展開的方法求解目標函數(shù)與設(shè)計變量之間的復(fù)雜關(guān)系； (b)“ 一次有限元計算 ” 即可完成整個優(yōu)化設(shè)計過程； (c)與 CAD 軟件聯(lián)合進行形狀參數(shù)優(yōu)化。 一級圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 74 優(yōu)化作為一種數(shù)學方法，通常是利用對解析函數(shù)求極值的方法來達到尋求最優(yōu)值的目的?；跀?shù)值分析技術(shù)的 CAE 方法，顯然不可能對我們的目標得到一個解析函數(shù)， CAE 計算所求得的結(jié)果只是一個數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使 CAE中的優(yōu)化成為可能，多個數(shù)值點可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。樣條插值方法當然是種近似方法，通常不可能得到目標函數(shù)的準確曲面，但利用上次計算的結(jié)果再次插值得到一個新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會越來越近，當它們的距離小到一定程度時，可以認為此時的曲面可以代表目標曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認為是目標最優(yōu)值。 這 就是 CAE 方法中的優(yōu)化處理過程 ，其 通常需要經(jīng)過參數(shù)化建模 、 求解 、 優(yōu) 化參數(shù)評價 等 步驟完成 。 現(xiàn)代 CAE 技術(shù)的發(fā)展已使人們的分析領(lǐng)域擴展到了各行各業(yè)的每個角落，所研究問題的深度及綜合程度都在逐步提高，研究者的目光已從單一場分析轉(zhuǎn)向了多場耦合分析，以追求更為真實的模擬結(jié)果。 CAE 軟件的優(yōu)化技術(shù)的適應(yīng)范圍也必然隨之擴展，不但要求它能解決各種單場問題，而且應(yīng)該能處理多場耦合過程的優(yōu)化。 （ 4） CAD/CAE 技術(shù)發(fā)展趨勢 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計力求高效率、高質(zhì)量、低成本，這對 CAE 分析工具也提出了更高的要求 ： 有足夠技術(shù)手段來真實地模擬產(chǎn)品工作行為。 即 真實模擬 ，它 涉及到許多高難問題：高度 非線性、多物理場耦合及產(chǎn)品系統(tǒng)級復(fù)雜裝配體模型等。 把設(shè)計工作的實際經(jīng)驗和計算機技術(shù)結(jié)合起來 ,將 提高系統(tǒng)的實用性和先進性。 因此，分析面廣、分析程度深、分析對象復(fù)雜 及應(yīng)用便捷 是現(xiàn)代 CAE 應(yīng)用的發(fā)展方向，只有在這樣的分析手段配置下，才能真正解決 “ 真實模擬 ” 的問題。 因而在這樣的背景下， CAD 技術(shù)主要 具有 以下幾方面的發(fā)展趨勢 ∶ 標準化 、 開放性 、 集成化 、 智能化 和 虛擬現(xiàn)實 (VR)與 CAD 的 集成 。 這種 趨勢將體現(xiàn)在以下幾方面 ∶ 真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實 、 面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng) 、 多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多 物理場耦合以及多尺度耦合分析 、 適應(yīng)于超級并行計算機和機群的高性能 CAE 求解技術(shù) 、 GUI＋多媒體的用戶介面 。 （ 5） CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用展望 CAD/CAE 技術(shù)的發(fā)展必定推動其應(yīng)用范圍的擴大和層次的加深，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個階段發(fā)揮更大的作用。 一級圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 74 (a)概念設(shè)計階段主要進行較為詳細的、帶有一定目標性的預(yù)演 。 主要有三個方面的 應(yīng)用： 市場調(diào)研；技術(shù)設(shè)計，包括各種方案的計算機效果模擬和分析仿真論證 ； 評估、準備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施 。 (b)在概念設(shè)計完成以后，緊接著就是詳細設(shè)計 。 這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼 此間的裝配關(guān)系，評估產(chǎn)品的性能 (結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力特性和生產(chǎn)性等 )。 該階段需要操作簡單、使用方便的 CAE 軟件，以便用最少的時間完成評估工作 。 (c)樣機制造階段 是 根據(jù)詳細設(shè)計提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗樣機的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用 CAE 軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來指導(dǎo)生產(chǎn)。 (d)產(chǎn)品測試評估階段 主要是利用各種測試和評估手段對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實的評價，從而為設(shè)計更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù) 。 隨著科學技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，漸 開線齒輪傳動減速器的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAM 技術(shù)的迅速發(fā)展使得它無論在機械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強市場競爭力起了巨大的作用。 總之，對連桿減速器進行 CAD/CAE 下的建模和仿真，是傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技發(fā)展的規(guī)律，也會使各自的應(yīng)用、研究及發(fā)展獲得意想不到的效果。 一級圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 74 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 傳動方案擬定 （ 1）工作條件：使用年限 10 年， 300 天為一年，工作為兩班工作制。 （ 2）原始數(shù)據(jù)：變速箱傳遞作功率約為 (KW)； n1w 為 250r/min； 傳動比為 ； 軸夾角∑為 90176。 方案擬定：由設(shè)計要求知采用 V 帶傳動與一級圓錐齒輪傳動，即可滿足傳動比要求。 電動機類型選擇 （ 1）電動機類型和結(jié)構(gòu)的選擇： 選擇 Y 系列三相異步電動機，此系列電動機屬于一般用途的全封閉自扇冷電動機，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價格低廉，維護方便，適用于不易燃，不易爆，無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械。 （ 2）電動機功率選擇 式Ｐ d＝ＰＷ／η 總 (kw) 其中η 總 為電動機至工作機之間傳動裝置的總效率。 η 總 =η １ η ２ 2η ３ 式中：η η η 分別為齒輪傳動、軸承、帶傳動的傳動效率。 取η １ =， η ２＝ ， η ３＝ ， 則： η 總 = =. 所以：電機所需的工作功率： Ｐ d＝Ｐ Ｗ ／η 總 ＝ (KW) （ 3）確定電動機轉(zhuǎn)速 nd＝ ixnw＝ ＝ 575r/min 根據(jù)所得電動機轉(zhuǎn)速查取手冊選擇電動機型號為： Y112M— 6，其同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為 940 r/min，額定功率 。 一級圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 74 確定傳動裝置的中傳動比和分配級傳動比 由選定的電動機滿載轉(zhuǎn)速 nm和工作機主動軸轉(zhuǎn)速 nw （ 1）可得傳動裝置總傳動比為： ia=nm/nw= 940/250= 總傳動比等于各傳動比的乘積 分配傳動裝置傳動比 ia=i0 i （式中 i0、 i分別為帶傳動 和減速器的傳動比） （ 2）分配各級傳動裝置傳動比： 根據(jù)設(shè)計要求，取 i= 所以： i0= 傳動裝置的運動和動力參數(shù)的設(shè)計 將傳動裝置各軸由高速至低速依次定為Ⅰ軸，Ⅱ軸 ： i0,i