黃永程+覃羨烘+王鵬程+李俏

摘 要：Pro/E軟件進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)是在很直觀的三維環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)也為此避免了大量而且繁瑣的空間尺寸計(jì)算，代之以直接的觀察和測(cè)量來(lái)保證整個(gè)設(shè)計(jì)的正確性。行星齒輪作為重要的傳動(dòng)裝置，在機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，行星齒輪減速扳手是種便攜式扭矩放大螺栓緊固工具，其核心是一個(gè)2K-H行星輪系減速增力結(jié)構(gòu)，行星輪系作為增力結(jié)構(gòu)具有的體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是采用行星輪系輸入較小的力矩可以得到很大的輸出力矩。本文是基于Pro/E對(duì)建立好的行星齒輪減速扳手進(jìn)行裝配約束并運(yùn)動(dòng)仿真，以滿(mǎn)足其使用性能。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)裝置；行星齒輪；減速扳手；運(yùn)動(dòng)仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.248

0 引言

通過(guò)行星齒輪傳動(dòng)減速放大力矩，使得輸入較小的力矩，就可以輸出較大的力矩，從而“輕松”地松開(kāi)和緊固螺栓。行星齒輪減速扳手有輸入很小的力矩就可以得到很大的輸出力矩，具有體積小、重量輕、便于攜帶、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，很適合應(yīng)用于我國(guó)貨車(chē)運(yùn)輸領(lǐng)域。一般市場(chǎng)上銷(xiāo)售的便攜帶式扳手，其工作原理是通過(guò)增大力臂和作用力來(lái)增大扭矩。這種扳手的輸入力矩也就是輸出力矩。而人所產(chǎn)生的作用力是有限的，只能通過(guò)增大力臂來(lái)增大輸出力矩，即增長(zhǎng)扳手手柄的長(zhǎng)度，與其便于攜帶這一特點(diǎn)產(chǎn)生矛盾，且即使這樣增大的輸出的扭矩也有限。

20世紀(jì)70年代行星齒輪減速扳手第一次出現(xiàn)。70年代末日本、美國(guó)和德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已有定型的大扭矩變扭扳手產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)[1]。其中最大力的20-1800P型特尼扳手，最大輸出扭矩達(dá)到1800N.m?，F(xiàn)在國(guó)外的放大力矩扳手產(chǎn)品已向自動(dòng)化，輕型化方向發(fā)展，而智能化已是其發(fā)展趨勢(shì)。而國(guó)內(nèi)已經(jīng)有的研究都集中于將行星輪系作為減速器和變速器使用，包括運(yùn)動(dòng)的合成與分解。我國(guó)對(duì)用做力矩放大機(jī)構(gòu)的行星輪系研究的非常少。

1 Pro/E各零件三維模型

Pro/E采用了模塊的方式，可以分別進(jìn)行草圖的繪制、零件的制作等保證用戶(hù)可按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。參數(shù)化設(shè)計(jì)--相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成是幾何模型，而無(wú)論是多么復(fù)雜的幾何模型，都可以把其分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成的特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念?；谔卣鹘ro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫(huà)草圖，輕易改變模型。64型行星齒輪減速扳手的建模主要對(duì)齒輪、軸、芯架、筒體的建模，完成對(duì)部件的裝配圖，各個(gè)齒輪采用參數(shù)化建模[2-4]，各個(gè)零件三維模型如下圖所示：

2 創(chuàng)建連接方式

在裝配環(huán)境中，選擇連接類(lèi)型創(chuàng)建機(jī)構(gòu)連接，是運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置的最重要環(huán)節(jié)，該操作直接影響運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)置效果。連接就是元件與元件、元件與組件通過(guò)一定的約束集裝配在一起，并限制兩者的自由度，從而兩者之間建立一個(gè)確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在裝配模式下，建立連接的目的是限制零件部分和全部自由度，執(zhí)行該操作是創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)的先決條件。當(dāng)向一個(gè)裝配體中添加一個(gè)元件時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入裝配約束操作界面。在設(shè)置連接約束時(shí)，連接到裝配體中的元件與裝配體中其他的元件間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)類(lèi)型與選取的連接類(lèi)型有關(guān)。每一種連接類(lèi)型都與一組獨(dú)立的幾何約束相關(guān)聯(lián)，而這些約束與傳統(tǒng)的Pro/E裝配約束（對(duì)齊、匹配）意義相同[5]。在設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械裝配時(shí)，應(yīng)當(dāng)熟悉元件與裝配中其他各元件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和放置約束關(guān)系，以及該元件的自由度。例如：銷(xiāo)釘連接需要定義一個(gè)軸對(duì)齊和一個(gè)平面匹配（對(duì)齊）約束或點(diǎn)對(duì)齊約束，這樣銷(xiāo)釘連接就有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，這就意味著使用銷(xiāo)釘連接的元件可以相對(duì)于它所依附的元件旋轉(zhuǎn)，但不能在該元件上移動(dòng)或移開(kāi)，如圖2-1所示是輸入軸的銷(xiāo)釘連接：

由于銷(xiāo)釘約束是最基本的連接類(lèi)型，將元件連接至參照軸，元件可以繞指定軸旋轉(zhuǎn)，具有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。如圖2-2、圖2-3是約束后的裝配圖，為后續(xù)仿真做準(zhǔn)備。

3 建立動(dòng)力模型

在Pro/E5.0中，單靠設(shè)置元件與組件的約束方式，使元件在組件中保留部分自由度，元件在組件中仍然無(wú)法移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，必須對(duì)該連接組件的某些元件賦予動(dòng)力，這樣元件才能夠做仿真運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械操作環(huán)境中，伺服電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)提供“動(dòng)力”，而使用運(yùn)動(dòng)副可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件互做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)聯(lián)接。伺服電動(dòng)機(jī)可規(guī)定機(jī)構(gòu)以特定方式運(yùn)動(dòng)（可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng)），并且能夠以函數(shù)的方式定義運(yùn)動(dòng)輪廓。伺服電動(dòng)機(jī)引起在兩個(gè)主體之間、單個(gè)自由度內(nèi)的特定類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)，將位置、速度或加速度指定為時(shí)間的函數(shù)，并可控制平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)指定伺服電動(dòng)機(jī)函數(shù)，可以定義運(yùn)動(dòng)的輪廓。允許用戶(hù)從多個(gè)預(yù)定義的函數(shù)中選取指定函數(shù)，也可輸入自己的函數(shù)，并且可以在一個(gè)圖元上定義任意多個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。最終選擇輸入軸為運(yùn)動(dòng)軸，如圖3-1所示：

在輪廓選項(xiàng)中，規(guī)范一欄選擇速度并輸入速度值為300，如圖3-2所示：

4 建立運(yùn)動(dòng)副

機(jī)構(gòu)的重要特征是構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為此必須對(duì)各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)加以必要的限制。在機(jī)構(gòu)中，每個(gè)構(gòu)件都以一定方式與其他構(gòu)件相互接觸，兩者之間形成一種可動(dòng)的連接，從而使兩個(gè)相互接觸的構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到限制。兩個(gè)構(gòu)件之間的這種可動(dòng)連接，稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)副。運(yùn)動(dòng)副限制了兩構(gòu)件之間的某些運(yùn)動(dòng)，而又允許有另一些相對(duì)動(dòng)。兩構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副時(shí)，構(gòu)件上能參與的點(diǎn)、線(xiàn)、面稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)副元素[6]。

由于該機(jī)構(gòu)屬于齒輪傳動(dòng)，使用齒輪副可以控制兩個(gè)連接軸之間的速度關(guān)系，用以模擬齒輪系統(tǒng)的仿真運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)者可以方便地定義齒輪參數(shù)，從而大大提高了設(shè)計(jì)效率。齒輪副中的每個(gè)齒輪都需要定義兩個(gè)主體和一個(gè)約束集。第一個(gè)主體指定為托架，通常保持靜止。第二個(gè)主體能夠運(yùn)動(dòng)。根據(jù)所創(chuàng)建的齒輪副的不同，該運(yùn)動(dòng)副可分為“標(biāo)準(zhǔn)”和“齒條與齒輪”兩種類(lèi)型。最終定義的齒輪副連接如圖4-1所示：

在裝配設(shè)計(jì)中，確定零件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，給定主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)并且給個(gè)伺服電機(jī)，可以模擬顯示整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真可以檢查機(jī)器各零部件間的位置約束和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的正確性。

上述過(guò)程給出了行星齒輪減速扳手三維實(shí)體傳動(dòng)之間連接的過(guò)程，其傳動(dòng)部件的連接過(guò)程可以仿此進(jìn)行。圖4-2是運(yùn)動(dòng)仿真圖片：

5 總結(jié)

Pro/E中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊Mechanism進(jìn)行裝配模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，使得原來(lái)在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量。在Pro/Mechanism中創(chuàng)建的機(jī)構(gòu)，可以導(dǎo)入到Pro/E Mechanica motion中，以便進(jìn)行進(jìn)一步分析，或者將機(jī)械設(shè)計(jì)模型引入到設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)中。Pro/E運(yùn)動(dòng)仿真大大提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有良好的推進(jìn)作用。

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參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目名稱(chēng)：廣東理工學(xué)院精品資源共享課機(jī)械制圖與CAD（JPKC2015001）

作者簡(jiǎn)介：黃永程（1989-），男，安徽宿州人，碩士，助教，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

*為通訊作者