可变速参数优化与三维建模方法研究毕业论文(编辑修改稿)

可变速参数优化与三维建模方法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

面影响是无法容忍的。 由此可见，启动问题对带式输送机尤其是大型带式输送机来说，是一个关键的技术，它不仅对启动性能产生直接影响，而且还可以降低输送机的成本，因此必须对启动加以控制。 驱动装置是带式输送机的心脏，从某种程度上来说，驱动装置的性能就决定了输送机的性能。 解决上述问题的有效方法就是合理和最佳地确定大型带式输送机的驱动方式。 作为带式输送机的关键技术 [5]之一，可控启动技术或软启动技术 [6]应 运而生。 实现软启动和软停车是解决大型带式输送机上述问题的有效措施。 “ 软启动 ” 是指机械设备在空、重载工况下，能够逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动，而这种启动是可控的 [7]。 对于带式输送机而言， “ 软启动 ” 不仅能够大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击，延长输送机关键零部件的使用寿命，同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间，减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响，从而节约电力并延长电动机的工作寿命。 带式输送机可控变速装置 是一种新型的软启动装置，能很好的解决大型带式输送机工作过程中产生的问题。 它不仅能够实现软 启动、软停车、过载保护、温度保护、检带运行、多机驱动功率平衡等功能，而且具有结构设计新颖、制造成本低、备件购置方便、维护和日常运行费用低等特点，因而它是一种比较理想的软启动装置。 带式输送机可控变速装置在国外已经被广泛应用，但到目前为止国内这种产品应用还比较少。 鉴于目前煤炭工业发展的迫切需要，急需开展关这方面的研究开发及推广工作。 研究的目的和意义 对可控变速装置的研究开发及推广必须借助于 CAD/CAM 技术。 CAD/CAM技术是随着信息技术的发展而形成的一门新技术，它的应用引起了社会和生产的巨大变革，因 此 CAD/CAM 技术被视为 20 世纪最杰出的工程成就之一 [8]。 随着市第 1 章 引言 3 场竞争的日益激烈及全球市场的形成，对制造业来说， 21 世纪企业竞争的核心将是新产品的开发能力及制造能力， CAD/CAM 技术作为提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品生产成本的强有力手段，已经成为现代制造系统中的关键技术，它的应用和发展直接影响着现代制造系统的最终功能及实现 [9]。 CAD/CAM技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一，它是促进科研成果开发与转化，实现设计制造一体化、自动化，加快国民经 济发展的一项关键技术，也是进一步想计算机集成制造系统发展的基础 [10] [11]。 长期以来，国内许多企业和高校的 CAD 应用与开发大都停留在二维阶段 [12]，然而，实际中设计人员在使用 CAD 技术时产品的设计思维都是基于三维空间的。 因为机械产品是具有颜色、材料、形状、尺寸、位置以及运动关系等概念的三维实体，制造对象也是三维实体，而利用二维视图描述、传递产品信息由于存在着绘图、读图与理解等过程，易造成信息表达不完整、理解不一致的问题。 为解决这些问题，对产品进行三维实体建模就成为必然的发展趋势 [13]，这也有利于 后续的有限元分析、装配模拟和数控加工等工作的顺利开展，是实现设计制造一体化、自动化不可缺少的重要环节 [14] [15]。 为了进一步提高带式输送机可控变速装置的整体设计质量、缩短设计周期、提高设计效率、降低设计成本与制造成本就需要对其进行优化及参数化设计。 经过多年的发展，现在的三维模型已经是可以进行参数化设计的以特征为基础的实体模型。 参数化以其基于特征、全参数全相关、全尺寸约束和尺寸驱动设计修改等优势，受到人们的广泛青睐。 参数化技术的提出，令 CAD 技术实现了划时代的技术革命，使人们逐步认识到参数化三维造型 系统的魅力。 用这些模型可以进行自动编程、零件装配、模具设计和产生工程图等 [16]。 近年来，由于优化设计方法在一般机械设计过程中不断取得应用成功的经验，因而，在 CAD 系统中引入了优化设计方法及其软件。 实践证明，在机械设计中采用优化设计方法，不仅可以减轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。 本文以可靠性工程、离散数学、规划论及计算机技术为基础， 对 带式输送机可控变速装置的优化设计方法及三维建模方法进行研究。 以 Visual 为二次 开发工具 ， 借助 SolidWorks20xx 的三维建模功能， 在 对结构 参数 进行 优化的基础上 ， 实现 了 带式输送机可控变速装置的机械传动系统 及其 零部件的三维参数硕士学位论文 4 化建模，为带式输送机的整机 优化和参数化 设计 ，提供了理论依据和有参考价值的实现方法。 国内外研究现状 国外研究现状 国外从 20 世纪 60 年代初就展开了运用 CAD/CAM 技术对 齿轮类零件和以该类零件为主要传动件的变速装置的优化设计、参数化绘图、三维建模等方面的研究 工作，较具代表性的主要有： 英国格拉斯哥大学（ University of Glasgow）的 和 GonzalezPalacios教授 以及里兹大学（ University of Leeds）的 Faydor 教授等根据模糊数学的基本理论 ， 为新型 2KH 少齿差行星圆柱齿轮减速器提供了一种模糊优化设计方法[17]。 以减小体积和提高效率为目标建立了模糊优化设计的数学模型，运用最优水平截集法和常规优化方法对模型进行优化求解，并运用 SolidWorks 对该传动机构是否干涉进行了模拟 [18]。 法国格勒诺布尔大学（ University of Grenoble）的 Tsay, 进行了基 于特征的参数化齿轮系统的优化设计研究 [19] [20]。 在对渐开线圆柱齿轮进行模糊可靠性优化设计后，将优化结果作为齿轮参数输入到齿轮轮廓生成对话框 ,从而生成三维图形，为装配设计、运动学与动力学仿真、性能分析以及数控加工作好了准备 ,提高了产品的质量。 并以 VB 为二次开发工具 ,实现了图纸布局智能化、齿轮轮廓的自动生成。 运用 AutoLisp 开发出了齿轮图形库，既方便了图形的管理 ,又减少了重复性劳动 ,实现了优化设计与特征参数化造型的结合。 美国罗彻斯特理工学院（ Rochester Institute of Technology） 的 Egelja教授进行了蜗杆传动的动态特性分析及其 CAD系统的研究工作 [21]。 以中心距最小为目标函数建立数学模型并优化求出蜗杆传动机构的主要参数（模数、齿数等），然后利用 UG软件和优化结果完成了蜗杆机构的参数化绘图以及三维实体的造型工作。 芬兰坦佩雷大学（ Tampere Univ. of Technology, Fin.）的 Martti 在齿轮类零件的优化设计方法及其参数化绘图方面也进行了不少的研究工作 [22]。 此外，国外从事该方面研发工作的还有德国亚琛工业大学（ Technical Achen, Ger.）的 WernKueir 加拿大纽芬兰纪念大学（ Memorial Uni. of Newfoundland） 的 Hans J.， Pratt Regli [2325]。 第 1 章 引言 5 国内研究现状 国内的相关研究工作虽然起步较晚，但是已有了很大进展。 目前主要有以下单位和学者进行了卓有成效的研究工作。 东南大学的汤文成等教授研究开发了基于特征建模的圆柱齿轮 CAD 系统 [26]。 提出了对设计参数的数据库管理 ,将圆柱齿轮设计计算过程中 需要的参数及计算后产生的参数用数据库进行统一管理 ,为后续的造型设计提供驱动参数。 华南理工大学的王泽林和郭莹等学者对圆柱齿轮和蜗杆变速装置的动态建模作了较为深入的研究 [27] [28]。 首先结合实际工况条件并考虑到设计中的模糊因素 ,建立了以体积最小为目标函数的模糊优化模型；然后以穷举法作为优化算法 ,对圆柱齿轮和蜗杆变速装置的主要参数（模数、齿数、齿宽系数等）进行了优化设计；最后根据优化结果 ,运用参数化方法绘制了圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮等的零件图和装配图。 太原理工大学的任家骏、段德荣教授对基于特征的蜗杆传动 CAD/CAE/CAPP集成系统的工作进行了研究 [29]。 以蜗杆传动的各个零件为研究对象 ,利用数据库技术和图形单元建模技术建立了蜗杆传动的特征模型 ,实现了 CAD/CAE/CAPP 之间的数据传输和信息共享。 中国农业大学的张淑敏以圆柱齿轮减速器为例阐述了 Pro/Engineer 和AutoCAD 等软件的二次开发方法，并利用 AutoCAD 创建了标准渐开线齿轮参数化造型的设计程序和驱动程序。 最终将标准渐开线圆柱齿轮的自动参数化造型、齿轮参数的优化设计和传动性能分析有机的结合为一体 [30]。 武汉科技学院的卢记军采用 ActiveX 技术，以 为开发工具实现 VB 与Matlab 和 AutoCAD 之间的连接，通过编程实现了对斜齿圆柱齿轮的优化设计，建立了基于优化的 CAD 系统，并根据优化设计所得结果完成齿轮建模，实现了优化设计与计算机参数化建模及绘图集成 [31]。 陕西科技大学的曹巨江等在 VisualC++环境下开发了行星轮减速器的可视化CAD 设计系统，实现了行星轮减速器设计过程的程序化，建立了便于修改和维护的行星轮减速器设计参数数据库，根据设计结果自动生成行星轮减速器中典型零件的三维图 [32]。 大连理工大学 的宋景玲和史大光 以及中国农业大学的李伟等在齿轮和行星轮减速器的优化设计、参数化绘图等方面也展开了各具特色的研究工作 [3335]。 硕士学位论文 6 河南理工大学的程钊对带式输送机可控变速装置进行了模糊可靠性优化设计，并在 AutoCAD20xx 环境下建立了齿轮传动机构二维参数化绘图系统 [36]。 课题来源与研究内容 本课题来源于河南省科技攻关项目《带式输送机可控变速装置设计与关键技术研究》（项目编号 0524260021）。 本文在介绍带式输送机新型软启动装置 —— 可控变速装置结构和工作原理的基础上，主要做了以下 三个方面的 研究工作： （ 1） 对 带式输送机可控变速装置 机械传动系统进行了动力学、运动 学、传动效率分析 以及蜗杆传动特性分析，揭示可控变速装置在不同工作状态下 各 传动机构的运动规律及受力特性。 （ 2） 针对可控变速装置的结构特点，建立带式输送机可控变速装置优化设计的 数学模型。 根据工程实际采用合适的方法， 用面向对象的可视化编程语言 Visual Basic 编制程序 对数学模型进行优化求解，得到 可控变速装置传动系统 主要参数。 （ 3） 把 SolidWorks20xx 与 Visual 为二次开发工具相结合 ，编制参数化 建模 程序，从而实现了带式输送机可控变速装置机械传动系统主要零件和部件的参数化 建模 ，为最终实现设计、加工制造一体化 及系列化 奠定基础。 第 2 章 带式输送机可控变速装置的特点 7 2 带式输送机可控变速装置 的特点 概述 软启动 软启动技术是大型带式输送机的关键技术，已成为带式输送机技术先进性的标志之一。 带式输送机的软启动是指动力输出装置在其系统即便是满载的情况下应能提供足够的 启 动时间，使 启动 动加速度保持在设定的范围内，而且能够按照既定的要求逐步克服整个系统的惯性而平稳地 启 动或停车。 对于输送带，如果 启 动时间过短， 启 动加速度快， 启 动张力就大，输送带振荡变形会很严重，巨大的瞬时冲击将损坏输送带与其他元部件。 对于电动机过大的 启 动电流、长时间的电流冲击对电动机的负面影响也会很大。 软启动系统则是对动力系统和机械负载应保证在 启 动和停车的过程 中 作用在机械电器设备上的冲击能量最小，使设备运行更平稳，从而起到保护设备的作用，同时还能解决多电机的顺序 启 动和过载自动保护及多级驱动的功率平衡问题。 理想软启动曲线 针对大型带式输送机的实际工况，理想的驱动装置应满足以下技术要求： （ 1） 启 动时间可在一定的范围内调整，使带式输送机平 稳 启 动，并可实现满载 启 动； （ 2） 启 动加速度控制在一定的范围内，可有效降低 启 动时的动态初张力，降低整机输送带的选用安全系数，有效地降低输送带的初期投资； （ 3）在多机启动或多点中间 起 动时，可以实现多机的功率平衡； （ 4）电动机空载 启 动，降低对电网的冲击； （ 5）具有过载保护功能； （ 6）带式输送机瞬时停车时，可以实现不停电动机，提高电动机使用寿命； （ 7）带式输送机低速检带运行时，系统不会严重发热导致停车故障，确保正常检修工作。 根据我国有关标准规定， 启 动加速度不得大于 m/s2，国外较先进的软启动装 置可使 启 动加速度控制在 m/s2 以下。 对于带式输送机理想 启 动过程的研究，硕士学位论文 8 较具影响力的是 澳大利亚 Harrison 博士提出的正弦加速度控制曲线和美国 CDI 公司总裁 Nordell 博士提出的三角形加速度控制曲线 [37] [38]。 Harrison推荐的 起 动过程可表示如下： 0( ) (1 co s )2vv t tT (0 )tT （ 2–1） 0 sin2vatTT  (0 )tT 式中 0v ——胶带稳定运行速度， /ms； T ——输送机 启 动时间， s。