介绍了在提升机构中应用的NGW行星齿轮减速器的虚拟设计及采用SolidWorks制作该行星齿轮减速器三维动画。对虚拟装配时需要注意的问题、采取的方法及其采用SolidWorks中的模拟旋转马达以及Animator插件来制作行星减速器动画的步骤等进行了详细介绍。

  第11期2008年11月机械设计与制造MachineryDesign&Manufacture89文章编号：1001—3997(2008)11-0089—03NGW行星减速器虚拟设计及三维动画术何毅斌张娟陈定方(t武汉工程大学机械工程学院，武汉430074)(武汉理工大学智能制造与控制研究所，武汉430063)ThevirtuaIdesignofaNGWplanetaryreducerand3DanimationHEYi—bin，一，ZHANGJuan，C：HENDing—fang(SchoolofMechanicalEngineering，WuhanInstituteofTechnology，Wuhan430074，China)(ICADCS，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China)+-◆-◆-◆_-．-◆_◆。◆-．_◆-◆-◆-◆一◆-◆-◆-．-◆-◆一’●一◆_．-．-．·◆_◆-◆-◆一◆_．-¨-◆-◆-●一◆-◆_．-◆-．-◆·◆-◆-◆-【摘要】介绍了在提升机构中应用的NGW行星齿轮减速器的虚拟设计及采用SolidWorks制作该、：行星齿轮减速器三维动画。对虚拟装配时需要注意的问题、采取的方法及其采用SolidWorksq-的模拟旋{转马达以及Animator插件来制作行星减速器动画的步骤等进行了详细介绍。；关键词：NGW行星减速器；虚拟设计；三维动画：【Abstract】／tmainlyintroducedthevirtualdesignofNGWplanetarygearreducerinpromotetheor-!ganizationandadoptionSolidWorkstocreate3Danimationofthatplanetarygearreducer．Theproblemofithevirtualassemble，theadoptivemethodandtheapproachofsimulationinitsadoptionSolidWorksre—jvolvedmotorandAnimatorplug—intocreatetheplanetarygearreduceriscarriedthroughdetailed忍，_。一!duction．Keywords：NGWplanetaryreducer；Virtualdesign；3Danimation◆-◆0◆．．-◆◆-◆-◆0◆-．-+-◆-◆-◆一◆◆◆-．_◆-◆-◆-◆0◆0◆-—-●-．-．一+-◆0◆中图分类号：TH12，TP391．72文献标识码：A齿轮是一种被普遍的使用的传动元件，而主要由齿轮组成的NGW型行星齿轮减速器传动功率大、效率高、耐用性强、运转平稳、噪音小、体积小、重量轻，在现代物理运动中愈来愈普遍地被采用Ⅲ。但是行星减速器在传动过程中，由于系杆的存在，采用常规方法对减速器的输出旋向进行判断，很容易出现错误。为此，采用三维造型软件对行星齿轮减速器进行三维动态模拟，它可提供直观的旋向视觉效果，从而也能够在教学上为学生便于理解提供方便。在装配环境下，SolidWorks提供了一些很简单的物理模拟工●●●．-．。，具，例如马达、弹簧、及引力的使用效果。模拟工具中的“旋转马达”能完成减速器的模拟，还可以完成零部件的碰撞并进行实时检测，依据动力学求解出零部件的几何位置，再根据装配体的约束综合决定零部件的运动状态。但是模拟工具制作的动态视频只可提供从单一的角度去观察减速器的运动状态。Animator插件能够让模型转动，模拟产品的拆卸和装配过程，展示装配体中零部件的配合关系，捕捉和录制产品在实际在做的工作中发生的运动，还可以在动态视频中根据要求从不同的角度去观察减速器的各个零件的运动状态。女来稿日期：2008—01—18★基金项目：湖北省重点实验室开放基金重点项目(2007B04)图2(b)中的应力分布能够准确的看出，Mises应力的最大点位于图1(a)所示转子点A处，为了尽最大可能避免应力集中而不能反映真实的情况，在建立有限元模型时将永磁体槽的尖角过渡部位处处理成圆角过渡，但此处的最大应力还是达到了910Mpa，这远远超出了硅钢片的屈服极限412Mpa，不能够满足实际要求，曰处最大径向位移也超出了电机超速运转时的允许值(电机单边气隙长度的10％)因此必须改进电机转子结构。进一步的计算根据结果得出，将图1(a)所示永磁体槽一分为二，中间由隔磁磁桥连接，可显著地提高转子的机械强度和刚度，但隔磁磁桥的长度应尽可能小，否则，电机的电磁陛能将变得很差。4结束语应用有限元分析软件ANSYS对永磁电机转子进行了三维接触有限元分析，得出了永磁电机转子的应力分布情况，根据结果得出：超速运转时电机转子在离心力的作用下将发生塑性变形和破坏，不能确保电机的安全运行。因此，必须改进电机转子结构。通过增加隔磁磁桥可显著地提高转子的机械强度和刚度。参考文献1李殿起，赵清，姜彤．永磁电机转子的接触有限元分析．农机化研究，2004(3)：77～812徐延海，贾丽萍，张建武．基于接触面几何的接触问题解法．机械工程学报，2002，38(1o)：131～1343陈万吉，胡志强．三维摩擦接触度和收敛陛研究．大连理工大学学报，2003，43(5) ：541～547 4 Simo J C ，Laursen T 丸 An Augmented Lag~angian treatment of contact prob- lems involvingfriction．Computers andStructures，1992 ，42( 1)：97 ～116 5王国强．实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS上的实践．西安：西北工业 大学出版社 ，2000：91～132 6谢贻权 ，何福 弹性和塑l生力学 中的有限单元法．北京 ：机械工业出版社， 1 9 80 ：17 7 ～2 2 1 90 何毅斌等：NGW行星减速器虚拟设计及三维动画 第 11 期 1 NGW行星减速器的建模装配 1．1 减速器建模 减速器 的装配过程是 采用 自下而上 的设计方法 ：先生成单 个零件并将其插入装配体 ，然后根据设计的基本要求进行零件配合完 成装配体 。本设计 中行星齿轮减速器传动 的机构简 图，如 图 1 所示。 图 1 NGW行星齿 轮减速器机构简图 装置 中采用 的是以渐开线 圆柱齿轮作 为核心传动，行星轮、 太阳轮 、齿圈均采用渐开线圆柱齿轮。其中箱体为整体式构造 ，轴 承均采用深沟球轴承 ，行星架结构选择双臂整体式 中的整体铸造 结构 。根据设计参数在 SolidWorks 工作环境 下对减速器各个零 部件进行三维实体造型建模 ，完成各个零件的造型。 1． 2 装配 在制作模型时 ，模型 中零件之间的装配关系必须正确 ，否则 将不能产生相应的运 动和动作 ，这是能否使用 SolidWorks 制作 动画的前提和关键。无论是采用模拟 、animator，还是其他插 件 ，都要正确地对零件进行装配 。 由于直接对整个装配体进行装配很复杂 ，所 以可以在总体 装配前完成子装配体 的装配 。子装配体的选取 以便于装配为前 提 ，为此 ，将行星轮轴 、输入轴分别进行装配生成子装配体。 选取正确 的装配顺序能够减少装配的时间和成本 。经过反复 的试验 ，针对文 中研究 的行星减 速器 ，装配后 可以在一定程度上完成正常运动 的装配顺序为 ：固定零件为箱体 ，然后依 次装 配行星架 、行 星轴 、 行星轮轴装配体 、输入轴装配体 、箱盖 、及其螺栓 、轴承等其它零 部件 。装配体中的零件是通过装配配合相互关联定义的 ，可 以使 用不 同类型的配合 (如重合 、同心和距离配合 )将装配体 的零件配 合在一起。在装配过程中的配合关 系应根据零件的运动状态来选 取 ，并且要考 虑运动 自由度的问题 ，一般选取 轴重合与基准面重 合来完成装配的定位 。 完成整体 的装配后 ，需要对装配的零部件进行 干涉检查 ，在 SolidWorks 中有干涉检查模块 ，在装配体中选择两个相互之 间存 在装配关系的零件 ，点击干涉检查 窗 口上 的“干涉检查 ”按 钮 ，即 可完成零部件的干涉检查 。 1． 3 装配过程中应注意的问题及解决办法 NGW 行星减速器的装配条件为 ： ±兰 =整数 或者 鱼 =整数 nP E= n+ c：Z b- Z 选定行星轮 的数 目 后 ，确定太 阳轮齿数 公式为 ： z 。= ! (c 为正整数 ) D ：l + ‘ a 然后根据 NGW型常用行星齿轮，常用传动 比下的齿数组合来 选定太阳轮、行星轮及其齿圈的齿数。只有正确的配齿才 能保证行 星齿轮减速器中的行星轮均能够 同时与太阳轮 、齿圈正确啮合。装 配过程 中需要注意的是齿轮的配合。 在进行齿轮配合之前先要完成两个齿轮的啮合状态 的定位。 由于所研究的行星齿轮减速器采用三个行星轮 ，太 阳轮的齿数并 不是 3 的倍数 ，所以对于行星轮 的定位采用的方法为 ：第一个可 以根据齿形的中心线定位 ，另外两个齿轮的定位则是根据转动 的 角度来定位。 如图 2 所示 ，首先对三个行星轮在 同一位置上画一条 中心 线 ，然后根据轮齿的中心线确定第一个行星轮的位置 ，其余两行 星轮的定位 ，则要根据计算得到的角度 口来定位。 图 2 行 星轮定位示意图 根据大量 的实验可得 ：太 阳轮与行星轮分度圆相切时 ，太 阳 轮转过一定 的角度 后行星轮转过 的角度为 ／ 3 ： ／ 3 - raC]b／r~ 式中： 一太 阳轮分度圆半径 ； — 行星轮分度圆半径。 在文 中三个行星轮在行星架上为均匀分布 ，故令 分别取 120。和 240。，分别求得 值 ，从而确定其余两个齿轮的位 置，完成 定位 。在进行齿轮配合前应将定位配合压缩 ，压缩后不要对齿轮 进行拖动。 齿轮配合首先要将太 阳轮与三个行星轮分别配合 ，然后只要 将其中之一的行星轮与齿圈配合 ，根据关联作用其他两个行 星轮 均可以与齿圈完成配合 。由于在此机构中 ，齿 圈为固定 的齿轮 ，所 以在进行齿圈与行星轮 的装配过程 中，要选则“反转”的选项才能 保证减速器的正确转动 。 进行装配时 ，不能够将整个行星架作为一个子装配体进行装 配。因为如果将行星架作为子装配体装配 ，再装配到整个装配体 中，则将限制 自由度 ，不可以有效的进行正常的齿轮转动。 2 减速器动画制作 在 SolidWorks环境下，制作机构的动画能够使用模拟计算、 animator插件 、VBA 编程等方法 。主要介 绍采用模拟及 animator 插件制作动画的过程。 No．11 NOV．2008 机 械 设 计 与 制 造 91 2．1 模拟制作动画 由于行 星轮减速器 为单一 的 、连续 的回转运动 ，所 以可以采 用模拟 中的旋转马达作为动力 ，经过模拟计算达到使减速器转动 的 目的。制作 动画过程为 ：