加工硬齿面齿轮的滚齿机结构有限元优化.pdf

2 0 0 4年第 l 1 期 煤 矿 机 械 1 5 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 4 1 1 - 0 0 1 5 ． 0 3 加工硬齿面齿轮的滚齿机结构有限元优化 刘 明 珲 黑龙江科技学院 ，黑龙 江 哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘要在 已验证是正确的加工硬齿 面齿轮 的 Y B 3 1 8 0 0 H滚齿机 有限元模 型基础上 ， 以滚齿 机 大小 立柱 的 高度 为设计 变量 ， 以滚齿机 结 构上 所承 受 的应力 变化 为状 态 变量 ， 以滚 齿机 结构 的 变 形量为 目标函数 ， 利用 A N S Y S 软件对其结构进行优化。最后利用其优化前后的振 型图、 等值 线图 进行对比可知 ， 优化结果 良好 。 关键词 硬齿面齿轮 ；有限元；结构优化 中图号 T H 1 3 2 文献标识码 A 1 滚齿机有限元模型的建立 滚齿机机体结构形状极其复杂 ， 在建立有限元 模型时 ， 必须对实际结构进行等效简化处理 ， 只能考 虑一些起主导作用的因素。因为本课题的主要任务 是对机体进行动态特性分析 ， 所 以， 模型简化的基本 原则是刚度等效 。 经过将机体简化离散处理后 ， 建立了机体 的有 限元模型。该模型离散 7 7 7个结点 ， 2 9 9 3个单元 ， 其 网格图如图 1 所示 。该模型经过了实验模态分析和 有限元模态分析验证是正确的⋯。 图 1 机体有 限元 网格 图 F i g ． 1 M a c h i n e ’ s fi n i t e de me n t g r i d d i n c ha r t 2 优化方法的选择 其中， G N D端 口和多媒体调度 台共地 。T l 。 U T 端 口和多媒体调度台串口输入相连 ， R N 和多媒体调度 台串口输 出相 连。T 。 IN 端 口和 A T 8 9 S 8 2 5 2的 串口输 出端相连 ， R 2 o U T 端 口和 A T 8 9 S 8 2 5 2的 串口输入端相 连 ， R 2 R 2 。 T 2 及 T 2 o u T 空置。 3 结 语 交换机调度 台接口是交换机 内专门负责与调度 台通 信 的一 个模 块 ， R S一2 3 2接 口将调 度 台接 口 C P U串行接 口电平 转换为 R S一2 3 2电平 。M A X 2 0 2 是 MA X I M公司生产的低功耗、 单 电源双 R S 2 3 2发送 ， 接收器 ， 适用于各种 E I A一2 3 2 E和 V． 2 8 ／ V． 2 4的通 信接 口。本文采用 MA X 2 0 2设计一 R S一2 3 2接 口。 其 电路简单 ， 可靠性高， 具有很高的参考价值。 参考文献 [ 1 】 孙继平 ， 等 ． M T ／ T 8 9 9 2 O O O中华人 民共 和国煤 炭行业 标 准煤矿 用信息传输装置I S 】 ， 2 O O O ． [ 2 】 粱亮． 矿井数字移动通信系统交换机[ D 】 ． 中国矿业大学 北京校 区 硕士学位论文 ， 2 O O 2 ． 作者简介张长森 1 9 6 9 一 ， 河南 洛阳人 ． 博士 ． 副 教授 ， 现河 南 理工大学计算机科学与技术系教学 主任 ， 长 期从事 矿井监控 和移 动 通信等方面的教学与科研工作， 发表学术论文 l O余篇． T e l 0 3 9 1 3 9 8 7 7 1 5， E - ma i l 小丑 I |g Ia “ 嘲 1 6 3． c 0 m， d mn g c h a n g n h p u ． e d u． c l I ． 收稿 日期 “ 2 0 0 4 ． 0 8 ． 0 r 7 Th e d e s i g n 0 f RS一2 3 2 i n t e r f a c e i n mi n e s wi t c h a nd d i s p a t c h e r ZHANG Ch J n一s e n H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t T h e i n t e r f a c e b e t we e n t h e s wi t c h a n d t h e d i s p a t c h e r i s a mo d u l e wh i c h t a k e s c h a r g e t he c o n u n u n i c a t i o n b e t we e n t h e m．R S一2 3 2 i n t e r f a c e c h a n g e s t h e s e r i a l p o r t v o l t a g e o f s wi t c h b o a r d’ S CPU i n t o B S 一2 3 2 v o l t a g e．MAX2 0 2 i s a p r o d u c t ．1 o w wa s t a g e an d u s i n g s i n g l e p o we r an d h a v i n g t wo Rs 2 3 2 t r a n s mi t r e c e i v e．o f MA 【 】 _M Co mp a n y．rI 1 I e a u - t } I o r d e s i g n s a R S 一2 3 2 i n t e r f a c e b y u s i n g MA X 2 0 2 ． The s c h e m e h as a v i r t u e o f h a v i n g s i m p l e c i r c u i t and h i g I l r e l i a b i l i - t v． nl e d e s i g n a l s o h as a h i g h r e f e r e n c e v alu e t o o t h e r d e s i gn e r s． Ke y wo r d ss wi t c h；d i s p a t c h e r ；RS一2 3 2 i n t e r f a c eMAX2 0 2 维普资讯 1 6 加工硬齿面齿轮的滚齿机结构有限元优化刘明辉 2 0 0 4年第 1 1 期 优化方法是指程序搜索以求得最优解 的方法， A N S Y S提供 了多种优化方法 单步法 S i n g l e R u n ； 随机搜索法 R a n d o m D e s i g n s ； 乘子评估法 F a c t o r i ． a 1 ； 最优梯度法 G r a d i e n t ； 扫描法 D V S w e e p s ； 子 空间近似法 S u bP r o b l e m ； 一阶优化 方法 F i r s t O r d e r 。 本文采用了子问题近似法 。子问题近似方法采 用零阶近似。零阶是指该方法不用计算 目标 函数和 状态变量的梯度。它不用每次都通过有 限元分析来 得到状态变量和 目标 函数的值， 而是在一定分析的 基础上 ， 得到状态变量和 目标 函数与设计变量 的拟 合关系， 从而求出最优解 。在该方法中， 程序把优化 循环生成的目标 函数、 状态变量与设计变量 的关系 拟合成 曲线 或曲面 ， 然后在新一步迭代中， 用新生 成 的数据更新拟合好 的曲线 或曲面 。可以指定用 什么样 的函数曲线来拟合数据 ， 可以指定线性拟合、 平方拟合或者平方加交叉项拟合。 要拟合一条 曲线 ， 必须要有足够多的点， 例如 ， 对单 自变量 函数 ， 要形成一个二次函数 ， 至少需要 3 个点。在 A N S Y S中也一样 ， 在形成 拟合近似 以前 ， 它用随机方法产生设计序列 。能够近似拟合的条件 是 d≥ ， l2 要根据设计变量数， 来决定最少迭代次数 。 另外 ， A N S Y S在每 次循 环结束 时 必 须要迭代 次数已经 大于 ／ t 2后 都 要检查 结果是 否收敛。 如果要满足条件 ， 贝 lJ 当前设计序列 、 前一个设计序列 或者最佳设计序列 是合理 的。根据本题 的优化问 题 。 选择该种方法比较好 。 3 优化参数建模、 优化结果及分析 1 优化参数建模 由机床振动分析中， 我们知道 ， 对于硬齿面大型 齿轮的加工 。 轴向力增加得很快 ， 对刀具刚度影响很 大。但是对整机来说 ， 根据对振型的分析可知 ， 当大 立柱和小立柱相 向振动时对机体加工影响大些 ， 因 此 。 将优化部位选择在大、 小立柱上。 本文按照 A N S Y S软件的优化设计准则对滚齿 机 的 机 体 进 行 参 数 建 模[ 3 l 、 [ 4 】 ，对 大 立 柱 高 眦 I G m．2 和小 立柱 高 H E I G H】 进行 了优化 设 计。 设计变量 H E I G H T 2 、 H E I G H T 4 ； 状态变量 S T R E S S M 目标 函数 变形量 T U X； S T R E S S M是机床所受应力 ， T U X是机床 径向变 形 。 2 优化结果及分析 A N S Y S优化结果如下 LI S lT 0PnMI ZA n0N S ET F ROM S ET 5 TO S ET 5 AND S H0W 0NL Y 0PnMI ZA n0N PARAMET ERS S ET 5 F E A S I B L E S T R E S S M s v 0 ． 6 1 0 1 0 E0 8 H E I aH ．] D V1 ． 2 5 5 7 H E I G H I ．4 D V1 ． 0 7 4 1 T U X O B J 一0 ． 3 9 3 6 0 图 2表明在 1 1 步的优化 中机床结构的变形 图， 变形的最小值是迭代到第 5步 时， U X3 9 ． 3 6 ， 变形 比原设计减少 了 5 ． 6 9 9 ％。图 3直观地反应 了大 、 小 立柱的高度和结构变形之间 的关系 ， 从该 图可以看 出 T u x O B J 一 0 ． 3 9 3 6 0 ， 即变形量为最小值 时的 大、 小立柱的高度值。图 3 表示出机床变形和大、 小 立柱的关系 ， 当变形达到最小时 ， 大、 小 立柱 的高度 达到最优 图线趋于平稳 。 图 3 变形和大立柱、 小 立柱关系 图 № ． 3 C o n n e c t i o n b e t w e e n b i g p o s t a l l l i t t l e p o s t 从机床优化前后的振型图可 以看 出， 优化后机 床 的振动明显减小。从应力等值线图优化前后对 比 可知 ， 虽然应力仍集中在刀架处 ， 但因应力 比优化前 明显减小 ， 因此 ， 优化后 的机床 结构 ， 有利于加工精 度的提高。 4结语 机床的结构设计和优化 ， 如果用样机进行试验 ， 维普资讯 2 0 0 4年第 l l 期 煤 矿 ． 机 械 l 7 ． 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 4 1 1 - 0 0 1 7 ． 0 3 弧 齿 锥 齿 轮 和 双 曲 线 齿 轮 传 动 参 数 自 动 选 择 粱睦 。李铬 。刘玲 中原工学院，河南 郑州 4 5 O 0 0 7 摘要 弧齿锥齿轮和双曲线齿轮加工参数选择相对比较复杂， 参数 选择失误 不仅产 生加工 误 差， 甚至造成齿形切截 ， 严重影响齿轮的啮合质量， 为此， 提 出了相关的工艺参数选择设计计算程 序及参数调整方案， 为提高弧齿锥齿轮和双曲线齿轮加工精度提供 了切实可行的思路 与方法。 关键词 展成加工 ；齿副；齿频周期误差；接触斑点 中图号 T H 1 3 2 文献标识码 A 1 前 言 在工业生产 中制造弧齿锥齿轮和双曲线齿轮 ， 需要采用规格、 结构类型不同的机床设备 ， 但其切齿 原理是一样 的， 齿轮加工 的综合问题可分成两部分 选择工艺参数和具体机床的参数调整计算。本文只 研究工艺参数的选择 ， 这时假定 ， 大齿轮用双面法或 回转法切齿 ， 小齿轮采用单面法切齿 ， 仅研究齿精切 或磨齿 过程。因为大齿轮粗加工可以采用精切时 的调整 ， 而小齿轮的粗切齿可以采用精切时任一 凸 或凹 齿面 的调整 。 2 工艺参数的选择 选择工艺参数 的原始数据是传动的几何特性 、 大齿轮切齿刀具资料和综合条件。后者仍是一组参 数 ， 按所得到 的综合结果使参数变动， 并及时评价传 动质量 ， 经过几次迭代 即可达到理想的啮合质量要 求 。 本文所指的综合参数有 接触斑点的中心位置 ； 规定的瞬时接触面积 当接触点是接触斑点的中心 位置时 ， 长度与齿圈宽度 比 a 。 ； 接触点运动轨迹沿 大齿轮齿面斜角 ． I 。 ， 在接触斑点 中心计 量 ； 传动齿 频周期误差 ； 由摇 台转角 和工件转角 间 确 定展成运动的修正系数 K 的形式。 一 ， ￡ 0 K 一I D ／ 2 i 0 式中p 刀具 主轴 安装角 摇 台位置在接 触斑 点中心时 ； ￡ 。 P时展成运动链的传动 比。 检测其性能指标 ， 以此来确定设计方案的优 劣。如 果发现问题 ， 则要修改设计方案或参数 ， 重新制造样 机和试验 ， 因此 ， 开发耗资大 ， 实验周期长。利用国 际上公 认具 有正 确 的分析 能力 ， 功 能强 大的分 析 A N S Y S软件进 行结构优化 ， 能够降低投资风险 ， 避 免实际试验对生命财产的危害， 缩短试验 时间并不 受时空限制 ， 进行的这方面工作 ， 具有理论价值和实 用价值 。 参考文献 [ 1 】 嘉木工作 室． A N S Y S 5 ． 7有 限元实 例分析教程 [ M】 ． 北京 机械 工 业出版社 ． 2 0 O 2 ． [ 2 】 洪林 ． 运用多 目标优 化进行机 构动 态特性 分析 的 实验研 究 [ J 】 ． 天津理工学院学报 ， 2 0 0 O ， 1 6 1 1 1 1 2 ． [ 3 】 刘韧 ．闭式数控回转头压 力机机 身有限元 分析及 优化 设计 [ J 】 ． 塑性工程学报 ， 2 0 0 1 ， 8 1 3 3 3 4 ． [ 4 】 赵冬青 ． 复杂组合结构的有 限元模态 分析 [ J 】 ． 华 北工学 院学报 ． 2 0 0 1 。 2 2 3 2 02 1 ． 作者简介刘 明辉 1 9 7 0一 。 女 。 黑龙江海伦人 ． 讲 师， 黑龙 江科 技学院机械工程 系工作 ， 辽宁 工程技 术大 学硕 士毕业 ， 主要研 究 方 向 机械振动及测试 ． Em a i l m i n g h u i l i u 1 6 3 ． c o in ． 收稿 日期 2 0 0 4 - 0 7 ． 2 2 Fi n i t e e l e me nt o p t i mi z e o f c u t t i ng s t r o n g wh e e l g e a r s u r f a c e’ S g e a r h o b b i n g ma c h i n e’ S s t r u c t u r e LI U M t n gh u i H e i l o n s i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 。 H a r b i n 1 5 0 0 2 7 。 C h i n a Ab s t r a c t T hi s p a p e r i s b a s e d o n t h e ri g h t fin i t e e l e me n t mo d a l o f YB31 8 0 OH，n a me l y c u t s h a r d g e a r s g e a r h o b b i n g ma c hi n e，r e g a r d i n g the h i g h o f g e a rh o b b i n g ma c h i n e a s d e s i g n v a r i a b l e-reg a r d i n g the s t r e s s c h a n g e o f Ge ar Ho b b i n g Ma c h i n e ’s t r u c t u re as s t a t e v a r i abl e ， reg a r d i n g the d i s t o r t i o n as g 0 a l f u n c t i o n ， o p t i m i z i n g the s t ruc t u re b y A N S Y S ． Th e n o p t i mi z e res u l t a l e rig h t b y the c o n t r a c t o f v i b r a n c y mo d e d rawi n g an d e q u i v ale nc e l i n e d rawin g b e t we e n o p t i mi z e f r o n t an d b a c k． Ke y wo r d ss t r o n g wh e e l g e ar s u r f a c e；F ini t e e l e me n t ；s t ruc t u re o p t i mi z e 维普资讯