蝸輪蝸桿傳動(dòng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)
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蝸桿蝸輪傳動(dòng)CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一 課題來(lái)源:
老師指定
二 研究目的和意義:
機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供技術(shù)裝備的重要任務(wù)。機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)水平的主要標(biāo)志之一。隨著計(jì)算機(jī)的普及,計(jì)算機(jī)的各種技術(shù)相繼被開發(fā)和應(yīng)用,其中重要的一項(xiàng)就計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD).通過(guò)計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),能極大的節(jié)約人力物力,縮短開發(fā)周期。
本課題研究的是蝸桿傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu),兩軸線的夾角可以為任意角,常用的為90°,由于蝸桿傳動(dòng)不僅能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比,同時(shí)傳動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)多對(duì)齒嚙合,沖擊載荷小,傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲低,擁有自鎖性等優(yōu)良特性,因此應(yīng)用十分廣泛。
但是由于在蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)中,要涉及到許多設(shè)計(jì)規(guī)則和公式的應(yīng)用、大量圖表數(shù)據(jù)的處理、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定和計(jì)算以及圖形的繪制等工作。若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,則需要人工查閱大量的設(shè)計(jì)手冊(cè)資料,進(jìn)行大量繁瑣的計(jì)算工作,這樣的設(shè)計(jì)包含許多重復(fù)性工作,存在效率低下等不足。一般的CAD系統(tǒng)只能完成簡(jiǎn)單的參數(shù)化繪圖或者單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù),功能有相當(dāng)?shù)木窒?。為? 設(shè)計(jì)開發(fā)了符合Windows 標(biāo)準(zhǔn)的蝸桿參數(shù)化CAD系統(tǒng),此系統(tǒng)能分別獨(dú)立地進(jìn)行蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和參數(shù)化繪圖,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)和繪圖一體化是非常必要的。
本課題通是基于AutoCAD軟件平臺(tái),應(yīng)用其開發(fā)工具ObjectARX 和VisualC++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,設(shè)計(jì),開發(fā)蝸輪蝸桿傳動(dòng)CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)用戶的初始參數(shù),交互完成蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì),包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存取,參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算,蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分裝配圖的自動(dòng)繪制等功能。本設(shè)計(jì)的意義就在于節(jié)約大量的人力工作,將系統(tǒng)滲透到企業(yè)設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)行業(yè)中,能縮短企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期,使產(chǎn)品能較快地投入生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率,同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)成本,為企業(yè)創(chuàng)造更多的價(jià)值。
三 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著計(jì)算機(jī)的普及,計(jì)算機(jī)的各種技術(shù)相繼被開發(fā)和應(yīng)用,其中重要的一項(xiàng)就計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD),由于計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異,硬件更新速度更新日益加快, 在這短短的四十幾年中,計(jì)算機(jī)分別經(jīng)歷了大型機(jī)、小型機(jī)、工作站、微機(jī)時(shí)代,每個(gè)新時(shí)代都出現(xiàn)了新的流行的CAD/CAM軟件。在工作站時(shí)代,UG、Pro/Engineer是工作站平臺(tái)三維CAD/CAM軟件的佼佼者,而在當(dāng)今微機(jī)時(shí)代,AutoCAD則在Windows平臺(tái)的二維CAD/CAM軟件中處于領(lǐng)先地位。AutoCAD是一種功能強(qiáng)大的繪圖軟件,提供大量的命令和豐富的菜單、工具條以方便用戶使用。它雖然是非專業(yè)軟件,但是擁有二次開發(fā)的環(huán)境。社會(huì)的進(jìn)步、工業(yè)的發(fā)展必然需要更高層次的軟件,國(guó)內(nèi)外已進(jìn)入了對(duì)CAD開發(fā)的階段,這也是AutoCAD軟件歷經(jīng)久而不衰的原因?,F(xiàn)在國(guó)外成功的CAD技術(shù)開發(fā)企業(yè)為了加快CAD技術(shù)開發(fā)步伐,都選擇了高起點(diǎn)的CAD技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略,即利用已有的技術(shù)成果,在此基礎(chǔ)上二次開發(fā)自己的CAD技術(shù),雖然國(guó)內(nèi)CAD技術(shù)也有一定的成果,但在很多行業(yè)基本上還是空白。
我國(guó)目前CAD/CAM軟件不管是從產(chǎn)品開發(fā)水平還是從商品化、市場(chǎng)化程度都與發(fā)達(dá)國(guó)家有不小的差距。CAD/CAM技術(shù)水平還處于向高技術(shù)集成和向產(chǎn)業(yè)化商品化過(guò)渡的時(shí)期,研制的軟件在可靠性和穩(wěn)定性方面與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軟件尚有一些差距,還沒(méi)有針對(duì)性的軟件,使用一般都是通用性軟件?;诂F(xiàn)今國(guó)內(nèi)CAD二次開發(fā)技術(shù)較國(guó)外水平偏低,尤在制造業(yè)方面更為突出,所以本設(shè)計(jì)就針對(duì)此問(wèn)題研究了基于AutoCAD的蝸輪蝸桿傳動(dòng)CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課題。
四 研究?jī)?nèi)容與途徑
研究?jī)?nèi)容:基于AUTOCAD軟件平臺(tái),應(yīng)用其開發(fā)工具ObjectARX和Visual C++ 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,設(shè)計(jì),開發(fā)蝸輪蝸桿傳動(dòng)CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)用戶初始參數(shù),交互完成蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì),包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存取,參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算,蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分裝配圖的自動(dòng)繪制等。
研究途徑:Visual C++ 自從誕生以來(lái), 一直是Windows 環(huán)境下的主要應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng), 它包含兩套完整的Windows 應(yīng)用程序開發(fā)系統(tǒng): 應(yīng)用程序接口(API )和微軟基本類庫(kù)(MFC ), 用戶既可以過(guò)Win 32 API 來(lái)開發(fā)C 語(yǔ)言編寫的Windows 應(yīng)用程序, 訪問(wèn)底層Win 32 函數(shù), 也可以通過(guò)MFC 來(lái)編寫可視化的Windows程序。本系統(tǒng)主要采用MFC 框架來(lái)編寫程序,MFC 有許多優(yōu)點(diǎn): 用戶不需建立框架, 開發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)用程序框架, 使用方便, 也可訪問(wèn)Windows API , 支持ActiveX 控件, 尤其對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)簡(jiǎn)單、方便、可靠。
VC++ 數(shù)據(jù)庫(kù)編程是程序設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容, 同時(shí)提供了一整套的類庫(kù)支持, 如 CDatabase 、Crecordset 、Crecord 2View 和CDBException , 通過(guò)這些MFC 類的封裝, 編寫數(shù)據(jù)庫(kù)程序相當(dāng)方便。事實(shí)上,Visual C++ 產(chǎn)品包含了兩個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)系統(tǒng): 開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連(ODBC)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象(DAO )。本文應(yīng)用ODBC 標(biāo)準(zhǔn), 它包含了一組可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(DLL ), 這些動(dòng)態(tài)連接庫(kù)為編程提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序的程序設(shè)計(jì)接口。而且ODBC 是基于結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL)的標(biāo)準(zhǔn)化版本而設(shè)計(jì)的, 所以借助于ODBC 和 SQL, 可以編寫?yīng)毩⒂谌魏螖?shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)代碼。
在機(jī)械產(chǎn)品研制開發(fā)中涉及的蝸桿蝸輪類零件主要有變速器蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)、主減速蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)等, 蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)與傳遞功率、傳動(dòng)比、所選材料, 加工方法有關(guān), 計(jì)算項(xiàng)目繁多, 需查 閱大量圖表, 有些項(xiàng)目還需要反復(fù)計(jì)算調(diào)整, 勞動(dòng)強(qiáng)度大, 計(jì)算 據(jù)庫(kù)中, 作為歷史記錄, 以便后續(xù)設(shè)計(jì)查詢, 數(shù)據(jù)庫(kù)除包含m d1外, 還包含載荷情況、材料和轉(zhuǎn)速等具體原始數(shù)據(jù), 通過(guò)點(diǎn)擊查設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng), 可以集成、擴(kuò)充了多年積累的若干經(jīng)驗(yàn)公式, 尤其是使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù), 使歷史設(shè)計(jì)記錄可以快速查看參考, 所以本系統(tǒng)具有計(jì)算速度快、精度高、使用方便等特點(diǎn)。 而蝸桿蝸輪傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力 , 在工程中應(yīng)用十分廣泛 , 由于其外形曲面比較復(fù)雜 , 應(yīng)用傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行繪制時(shí) , 不僅過(guò)程繁瑣、效率低 , 而且容易出錯(cuò)。隨著 CAD技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展 , 三維參數(shù)化造型的應(yīng)用已日趨廣泛 , 應(yīng)用先進(jìn)的三維 CAD軟件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的精確造型。
蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)要涉及到許多設(shè)計(jì)規(guī)則和公式的應(yīng)用、大量圖表數(shù)據(jù)的處理、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定和計(jì)算以及圖形的繪制等工作。若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,則需要人工查閱大量的設(shè)計(jì)手冊(cè)資料,進(jìn)行大量繁瑣的計(jì)算工作,這樣的設(shè)計(jì)包含許多重復(fù)性工作,存在效率低下等不足。一般的CAD系統(tǒng)只能完成簡(jiǎn)單的參數(shù)化繪圖或者單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù),功能有相當(dāng)?shù)木窒蕖?
本系統(tǒng)的目的是根據(jù)用戶選擇輸入原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)計(jì)算出蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)并能根據(jù)參數(shù)在編輯區(qū)內(nèi)能繪制零件圖。我們提供兩種方法,第一種是通過(guò)用戶自己輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)生成圖形,以滿足用戶特殊的要求;另外一種是系統(tǒng)根據(jù)已知原始參數(shù)計(jì)算帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù),再利用結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制零件圖。所以從總體上講,本系統(tǒng)主要包括兩大模塊:計(jì)算模塊和繪圖模塊??傮w結(jié)構(gòu)如下圖所示:
主界面功能選擇
參數(shù)輸入
輸入設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)
蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)
蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)
用戶輸入
輸入圖形參數(shù)
參數(shù)化繪圖
結(jié)果輸出與保存
圖4-1 總體結(jié)構(gòu)
蝸輪蝸桿CAD系統(tǒng)作具體劃分為6個(gè)小模塊:數(shù)據(jù)輸入模塊;設(shè)計(jì)計(jì)算模塊;結(jié)構(gòu)選型模塊;繪圖功能模塊;標(biāo)注功能模塊;輸出功能模塊。其功能模塊圖如圖3-2所示:
蝸輪蝸桿CAD系統(tǒng)統(tǒng)
設(shè)
計(jì)計(jì)算模塊
數(shù)據(jù)輸入模塊
結(jié)構(gòu)選型模塊
繪圖功能模塊
標(biāo)注功能模塊
輸出功能模塊
圖4-2 功能模塊
蝸桿蝸輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用VC++6.0 編寫, 根據(jù)設(shè)計(jì)蝸桿蝸輪分類不同, 該系統(tǒng)主要包括 4 個(gè)功能模塊: 圓柱蝸桿設(shè)計(jì)、環(huán)面蝸桿設(shè)計(jì)、錐蝸桿設(shè)計(jì)、其他蝸桿, 同時(shí), 該系統(tǒng)還包含蝸桿蝸輪歷史設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)模塊, 各功能模塊相互獨(dú)立, 分別包含尺寸計(jì)算、強(qiáng)度校核、失效形式校核等內(nèi)容, 其總體結(jié)構(gòu)框圖 1 所示(以圓柱蝸桿為例, 其它類型蝸桿設(shè)計(jì)步驟和其相同, 只是計(jì)算較為復(fù)雜)。
以圓柱蝸桿設(shè)計(jì)模塊為例, 該功能模塊包含原始數(shù)據(jù)的輸入(設(shè)計(jì)功率、傳動(dòng)比、材料選取、轉(zhuǎn)速輸入、強(qiáng)度預(yù)算、強(qiáng)度校核等), 強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于蝸桿蝸輪而言, 由于齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度較大, 因而發(fā)熱量大, 故其主要失效形式有點(diǎn)蝕、膠合和磨損, 而一般情況下, 蝸桿材料的強(qiáng)度、硬度高于蝸輪材料的強(qiáng)度、硬度, 故失效常常發(fā)生在蝸輪輪齒。因此, 蝸桿按照接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算, 閉式傳動(dòng)蝸輪按照接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算后, 按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核, 開式傳動(dòng)蝸輪按彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算后, 按照接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。在該流程圖中, 啟動(dòng)程序, 先輸入設(shè)計(jì)功率、傳動(dòng)比、蝸桿頭數(shù)、特性系數(shù)、載荷系數(shù)、傳動(dòng)效率、轉(zhuǎn)速和選擇材料的強(qiáng)度和硬度, 系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)求出m d1; 校核彎曲強(qiáng)度。最后系統(tǒng)以文件格式打印輸出, 同時(shí)存儲(chǔ)該設(shè)計(jì)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中以供以后設(shè)計(jì)查詢。
其它參數(shù)也可在該系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展。其它功能模塊除包含圓柱蝸桿設(shè)計(jì)模塊功能外, 還包含其它特殊的計(jì)算, 最后也是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)存儲(chǔ)歷史記錄。
數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建和訪問(wèn)
本系統(tǒng)利用蝸桿蝸輪設(shè)計(jì)計(jì)算得到的結(jié)果m d1 保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中, 作為歷史記錄, 以便后續(xù)設(shè)計(jì)查詢, 數(shù)據(jù)庫(kù)除包含m d1外, 還包含載荷情況、材料和轉(zhuǎn)速等具體原始數(shù)據(jù), 通過(guò)點(diǎn)擊查詢, 可以查看該詳細(xì)情況, 所有數(shù)據(jù)保存到一個(gè)DAT 文件中。
VC++ 編程
在主程序界面上, 點(diǎn)擊原始數(shù)據(jù)輸入可以開啟原始數(shù)據(jù)輸入對(duì)話框, 在此對(duì)話框中選擇閉式或開式后輸入原始數(shù)據(jù), 這里的材料輸入包括材料的強(qiáng)度和硬度; 而載荷系數(shù)、蝸桿頭數(shù)人為的主觀因素, 所以需人為輸入確定。主對(duì)話框中的接觸強(qiáng)度計(jì)算按鈕是按照接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算蝸桿蝸輪, 而按彎曲強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算(當(dāng)然也可按彎曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算而按接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核), 結(jié)果輸出用于輸出計(jì)算結(jié)果。菜單“蝸桿蝸輪計(jì)算”中包含幾個(gè)子菜單, 除了能實(shí)現(xiàn)上述功能外, 還可通過(guò)查詢歷史記錄子菜單, 調(diào)用查詢數(shù)據(jù)對(duì)話框,以對(duì)歷史設(shè)計(jì)記錄進(jìn)行訪問(wèn)。
五 工作的主要階段和進(jìn)度:
08.12.5—09.1.5 整理收集資料,明確課題任務(wù),完成開題報(bào)告,外文翻譯;
09.2.16—2.28 畢業(yè)實(shí)習(xí),寫實(shí)習(xí)報(bào)告;
09.3.01—5.22 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)正文, 機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算,建模編程,調(diào)試程序,繪圖,編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書,論文或完成論文結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和撰寫論文,提交 初稿及修改論文,包括:論文提綱,理論分析及計(jì)算。
09.5.22—6.03 整理設(shè)計(jì)自己了,完善并提交設(shè)計(jì)成果
09.6.03—6.07 準(zhǔn)備答辯
09.6.08——6.12 畢業(yè)答辯
六 最終目標(biāo)及完成時(shí)間:提供可正確運(yùn)行的軟件,源程序以及開題報(bào)告,說(shuō)明書,圖紙,譯文和論文的電子文檔。預(yù)計(jì)6.01號(hào)完成
七 現(xiàn)有條件及必須采取的措施:電腦以及相關(guān)軟件,設(shè)計(jì)所需用相關(guān)資料,但是由于資料不是很齊全,對(duì)相關(guān)軟件的不熟悉,必須加強(qiáng)課下的強(qiáng)化。
八 協(xié)助單位及要解決的問(wèn)題:三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院
閱讀文獻(xiàn)和資料
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