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1、2 0 0 8年 第 3 7卷 第 9 期第 2 8页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD EQUI P MENT 文 章 编 号 :1 0 0 1 3 4 8 2 ( 2 0 0 8 ) 0 9 0 0 2 8 0 3 一 种新型行星减速器的虚拟设计 f -I 毅斌 。 , 陈定方 , 徐 胜 , 杨建 国 ( 1 武汉理工大学 智能制造与控制研究所 , 武汉 4 3 0 0 6 3 ; 2 武汉工 程大学 机械工程学院 , 武汉 4 3 0 0 7 3 ) 摘 要 : 针 对行 星减速 器 的应 用特 点 , 提 出利 用虚拟 技 术 开发 一 种 新 型行 星减 速 器
2、的 实现 方 法 , 对 开 发过 程 中遇 到 的虚拟 装 配 问题 进行 了研 究 , 并给 出 了解 决方 法 , 成 功地 实现 了在 虚拟 环境 中完成该 产品 的 完整 开发 过程 。 关 键词 : 行 星减 速 器 ; 虚拟 设计 ; 虚拟 装 配 中图分 类号 : T E 9 文献标 识码 : A Vi r t u a l De s i g n o f a Ne w Pl a n e t a r y Ge a r Re d u c e r HE Yi b i n 一, CHEN Di n g f a n g , XU S h e n g , YANG J i a n g u o
3、 ( 1 I CADCS,Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,Wu h a n 4 3 0 0 6 3,Ch i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c al En g i n e e r i n g,Wu h a n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y,Wu h a n 4 3 0 0 7 3,Ch i n a ) Abs t r a c t :A m e t ho d wa s pu t f or wa r d t o m a k e u s e
4、 o f a v i r t u a l t e c hni qu e t o d e v e l o p a n e w pl a n e t a r y ge a r r e d uc e r The vi r t ua l a s s e m b l e pr o bl e m m e t d ur i n g de v e l op i n g i n t h e pr o c e s s wa s s t ud i e d, a nd a s o l u t i o n wa s ob t a i ne d The c o m p l e t e d e v e l o pme nt
5、 p r oc e s s o f t h a t pr o du c t i n t he v i r t ua l e n vi r on m e nt i s a c hi e v e d s uc c e s s f u l l y Ke y wo r ds :p l a ne t a r y g e a r r e du c e r; v i r t u a l d e s i gn; v i r t u a l a s s e m b l e 随着海 洋石油工 业的发展 , 各种 海上可移 动式 钻 井平 台被应用 于世界各海 域口 , 其 中 , 在 自升 式钻 井 平 台中广泛
6、采用行 星齿轮减 速器作为传 动机构 。 行 星减 速器 的设 计 过程 是 一 个较 复 杂 的 过程 , 其 中设计方法的优劣对产品的开发 、 质量 、 设计进程 起着非常重要的作用 。随着计算机软、 硬件技术 的快速 发展 , 虚 拟 现实 技术 中的虚 拟 造 型 装 配 技术 为产 品 的研 制提 供 了一种 全新 的设 计方法 和 实现途 径 。 。与此 同时 , 在 进 行 产 品 的 虚拟 装 配过 程 中 , 也存在 许 多有待 探讨 和研 究 的问题 。本 文 以一种新 型行星减速器的设计为实例, 介绍其虚拟设计过程 及在 虚拟 装配 过程 中所 遇 问题 的研 究 。 1
7、 虚拟设计 在 进行 产 品 虚 拟设 计 时 , 目前 可采 用 的 三维 虚 拟设计软件包括 UG、 P r o E、 S o l i d Wo r k s等。这些 软件支持参数驱动设计 , 即所设计 的实体模型在设 计参数进行更改后 , 其相关联的零件特征也 随之发 生 相应 的改 变 ; 可 以方 便 地 查 看 复 杂零 部 件 的设 计 细节和层次关系; 其相关技术使得零部件在工程 图 和装 配 图中的更 新完 全 同步 。 由 于在 不 同 的设 计 过程 中 , 设 计 的侧 重点 有 所 不 同 , 需要 采用 相应 的装 配方 法 , 从 目前 的设 计方 式 看 , 可
8、归纳 为 3种 主要 方 式E 8 。 a ) 以设 计 为 中心的 虚拟装 配 突出 以产 品设 计为核心的设计思想, 主要包括面向装配设计 、 自顶 向下的并行产品设计 、 与 主模型相关的可制造性设 计 和 可装 配性设 计 。 b ) 以过 程控 制 为 中心 的虚拟 装配 突 出实 现 对产 品 总体设 计进 程 的控制 和管 理 。 收 稿 日期 : 2 0 0 8 0 1 3 0 基金项 目: 湖北省 重点 实验 室开放基 金重点项 目( 2 0 0 7 B 0 4 ) 作者简介 : 何毅斌 ( 1 9 6 6 ) , 男 , 江西玉 山人 , 副教授 , 博 士后 , 主要研究
9、方 向为虚 拟设 计和数据可视化 , E - ma i l : h u a y u a n h e 6 6 y a h o o c o m c n。 维普资讯 http:/ 第 3 7卷第 9 期 何毅斌 , 等 : 一种新型行 星减 速器 的虚拟设计 c ) 以仿 真为 中心 的虚拟 装配是 在 产 品装 配 设计 模 型 中溶 入仿 真技 术 , 并 以此来 评估 和优 化 装 配过程。其主要 目标是评价产品的可装配性。 本文 采用 以设 计 为 中心 的虚拟 装 配方式 来设 计 一 个 新型行 星减速 器 系统 。 2 新型行 星减 速器虚拟设计过 程 在 NG W 型行 星减 速 器
10、 的基 础 上 , 针 对 海 上 自 升式 钻井平 台 的特 点 , 对 NGW 型 行 星减 速 器 进 行 创新 设计 , 设 计 了一种 模 块 化 L形 混 合 式 减 速器 并 申请 了国家专利( 申请号 : 2 0 0 7 1 0 0 5 1 7 0 0 3 ) , 设计过 程如 图 1所 示 。 图 l 新 型行 星减速器虚拟设计过 程 2 1 零 件主 要参 数 的确定 行星 减速 器设 计过 程 中一 个关 键任 务就 是 确定 各 轮齿数 , 并 需要 满 足 以下条 件 。 a ) 传 动 比条 件 。保 证 实 现 给 定 传 动 比, 每 一 级轮 系必须 满 足
11、i 一 n b 一 H 式 中,a 、 b为 同一 级 轮 系 中 的 中心 轮 ; H 为 该 轮 系 的行星架 , 为 转速 , r rai n 。 b ) 同心 条 件 。保 证 中心 轮 与 行 星 架 轴 线 重 合 , 每一级轮系必须满足 + 一 zb 。 COS t a c COS d b 式 中 , c为 同一 级 轮 系 中 的行 星 轮 ; 为齿 数 ; t 为 中心 a 轮 与行 星 轮 c的 啮合 角 , ( 。 ) ;a 。 为 中心 轮 b 与 C 行 星轮 的啮 合角 , ( 。 ) 。 c ) 装 配 条件 。保 证 各 行 星轮 能均 布 安 装 于 2 个
12、中心 轮之 间 , 每一 级轮 系必 须满 足 - 卜 一 C( 整 数 ) ,fw 式 中 , n 为 同一 级轮 系 中的行 星轮 数 ; 为齿 数 。 d ) 邻接条件等 。 为 此 , 根 据 以上 条件 编 制 了可视 化 软件 , 确定 减 速 器 中各零 件 的 主要参 数 , 主 界面 如 图 2 所 示 。 I 霉 露 一 l 雌 一 枷 r一 : 竺I 纛 : 氏一。 一 一一 图 2行 星 减 速 器 传 动 比及 齿 轮 参 数 确 定 主 界 面 2 2虚 拟装 配 及检 测 在所 有 零 件 绘 制 完成 后 , 进 行 主要 部 件 的虚 拟 装 配 , 最 后将
13、 各部 件 在 虚 拟 环 境 下 装 配 成 一 个 完 整 的减 速器 。为 了及 时 发 现 各 零 、 部 件 之 间 出现 的 尺 寸 不 匹配 等 问题 , 提 高 设 计 效 率 , 降低 设 计 出错 率 , 对 每一 步装 配 中零 、 部 件 的配合 表 面进 行干 涉 检测 , 直 到最 后完 成 整个 减速 器 的设 计 。 在 整个 装 配过 程 中 , 干涉检 测 是非 常 主要 的 , 借 助 它能 够直 观地 观 察到 整 个减速 器 的设 计效 果 以及 装 配 体是 否 能达 到预 期 的 效果 。如 图 3所示 , 图 3 a 是 轴 承与 轴装 配好 进
14、 行 干 涉 检 测 前 的 图 形 , 为 2个 零 件 添加 同 一颜 色 ; 图 3 b是 进 行 检测 计 算后 , 发 现 了干 涉情 况 , 系统将 2个 干涉 零 件显示 为 透 明状 , 而 干 涉 的部位 及 大小 在 实体 上 以红 色高亮 显 示 。 针 对检 测 的结 果 , 可 以发 现设 计 中存 在 的问题 , 然后 通 过 对 单 一 零 件 模 型 进 行 修 改 可 以 清 除 此 干 涉, 如图 4所示 , 零件修改后检测无 干涉 , 装配体各 零 件恢 复 原色 。 一 涉 陷 一 L F 一 、昕 一 盛 盛 = 一 一 修 改 _零 模 维普资讯 h
15、ttp:/ 石 油 矿 场 机 械 2 0 0 8年 9月 b 图 3 检测 到有 干涉的零 件装配图 图 4 零件修 改后 的装 配体干涉检测图 3 出现 的问题和解 决方法 3 1 三 维齿 轮模 型精 确度 齿轮设计过程 中的关键问题在于复杂 的齿轮轮 廓线 的生 成 。 目前 介 绍 的 大 多 数 方 法 都 是 手 工 绘 制 , 即利 用有 限点 连接 成 曲线 的方法 , 其 轮廓精 确度 大大降低 , 而且效率很低 。对此, 采用 VB编程 , 生 成二维精确齿廓曲线 , 然后将其调入 S o l i d Wo r k s 环 境中生成三维模型, 这样不仅保证了齿廓精度 ,
16、而且 大大提高了设计效率和质量。 3 2虚拟 装配 顺序 和路 径 的确定 一 般 情 况下 , 零 件装 配 顺 序 和路 径 与零 件 拆 卸 顺序和路径是互逆的。但在虚拟环境中按照这个思 路 可 能会 出现装 不上 的情 况 , 如 图 5所 示 , 其 采用 的 装配顺序为先装 3个行 星轮, 再装小 中心轮 ( 外齿 轮) , 此 时小 中心轮 与行 星轮 的轮 齿在 装配 时发 生 了 重叠 现象 , 这 是 因 为 3个 行 星轮 与 大 中心 轮 ( 内齿 轮) 已产生配合关系 , 其位置 已无法调整, 而小 中心 轮除受到与 3个行星轮相配合 限制外, 还受到与其 配合 的中
17、心轴上键槽位置 的限制 , 键槽位置在虚拟 环境 中又是 确定 的 ( 现 实 环 境 中可旋 转 中心 轴 ) , 这 时安装 上小 中心 轮就 可能 出现小 中心 轮与行 星 轮或 键 产生 重叠 的现 象 。 为 此 , 在虚 拟环 境 中确 定 零 件 装 配顺 序 和路 径 时 , 还 应考 虑虚 拟装 配 中零 件 已存 在装 配 因素 等 的 影 响 。经 多次试 验 , 在 虚 拟 装 配 过 程 中对 装 配顺 序 进 行 了适 当 的调整 , 先安 装 一个行 星 轮 , 接 着安 装小 中心 轮 , 最 后再 将 其余行 星 轮装 配好 , 这 时 中心轮 与 行 星 轮
18、 的轮齿 无重 叠现 象 , 如 图 6所示 。 图 5中心轮与行星轮 的轮齿发生重叠 图 6 中 心 轮 与 行 星 轮 的 轮 齿 无 重 叠 4 结 语 本 文 在 分 析 虚拟 设 计技 术 的基 础 上 , 重 点介 绍 了对 一个新 型 行星 减速 器 的虚拟 开发 过程 以及 遇 到 的几个 问题 的解决方法 , 成功地在计算 机虚拟环境 中完成了对该减速器 的设计开发, 这些方法对其他 机械 类产 品 的设计 开发 具有 一定 的指 导意 义 。 参 考 文 献 : 1 付 军强 海上可移动钻 井装置发 展综述 与展望 I- J 中 国海洋平 台 , 2 0 0 3 , 1 8
19、 ( 5 ) : 6 - 9 2 周 珊 , 王才 良海 上钻 井装 置 的发展 历程 J 石油 科 技论 坛 , 2 0 0 4 ( 4 ) : 4 6 5 1 3 刘 志洲 , 胡泽 明 带行星减速器 的涡轮钻 具的结构特 点 J 石油矿场机械 , 1 9 9 6 , 2 5 ( 4 ) : 2 3 2 5 4 张 强 , 张勇为 , 刘 飞 , 等减速 涡轮钻具 设计方 案 的可拓综合评价方法 J 石油 矿场机械 , 2 0 0 7 , 3 6 ( 5 ) : 3 O一 3 3 E 6 陈定方 , 罗亚波虚 拟设计 M 北京 : 机 械 工业 出版 社 , 2 0 0 7 6 詹肇 麟 , 杨跃 奎 , 张 晓龙 , 等 , 虚拟 装配 技 术应 用研 究 F J 昆明理工大学学报 , 2 0 0 1 ( 4 ) : 9 9 1 0 2 7 高奇 , 徐平 虚拟装配技术在减速器设计 中的应用 J 辽宁工程技术大学学报 , 2 0 0 6 , 2 5 : 2 3 9 2 4 0 8 机械设计 手册 编委 会 机械设 计 手册 K 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2 0 0 4 9 饶振纲 行 星齿轮传 动设 计 M 北 京 : 化学 工业 出版 社 , 2 0 0 3 维普资讯 http:/
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