蜗轮蜗杆传动及其优化毕业设计Word格式.docx
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本设计•的意义就在于节约大量的人力工作,将系统渗透到企业设计制造生产行业中,能缩短企业在产品设计的周期,使产品能较快地投入生产,提高生产效率,同时也降低了设计成本,为企业创造更多的价值。
1.2发展现状和趋势
随着计算机的普及,计算机的各种技术相继被开发和应用,其中重要的一项就计算机辅助设汁(CAD),山于计算机技术日新月异,硬件更新速度更新日益加快,在这短短的四十儿年中,计算机分别经历了大型机、小型机、工作站、微机时代,每个新时代都出现了新的流行的CAD/CAM软件。
在工作站时代,UG、Pro/Engineer是工作站平台三维CAD/CAM软件的佼佼者,而在当今微机时代,AutoCAD则在Windows平台的二维CAD/CAM软件中处于领先地位。
AutoCAD是一种功能强大的绘图软件,提供大量的命令和丰富的菜单、工具条以方便用户使用。
它虽然是非专业软件,但是拥有二次开发的环境。
社会的进步、工业的发展必然需要更高层次的软件,国内外已进入了对CAD开发的阶段,这也是AutoCAD软件历经久而不衰的原因。
现在国外成功的CAD技术开发企业为了加快CAD技术开发步伐,都选择了高起点的CAD技术开发战略,即利用已有的技术成果,在此基础上二次开发自己的CAD技术,虽然国内CAD技术也有一定的成果,但在很多行业基本上还是空白。
我国U前CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。
CAD/CAM技术水平还处于向高技术集成和向产业化商品化过渡的时期,研制的软件在可靠性和稳定性方面与国外丄业发达国家的软件尚有一些差距,还没有针对性的软件,使用一般都是通用性软件。
基于现今国内CADS.次开发技术较国外水平偏低,尤在制造业方面更为突出,所以本设计就针对此问题研究了基于AutoCAD的蜗轮蜗杆传动CAD系统设计的课题。
1.3主要研究内容
本课题是基于AutoCAD软件平台,应用其开发工具ObjectARX和VisualC++程序设计语言,设计,开发蜗轮蜗杆传动CAD系统。
该系统能根据用户初始参数,交互完成蜗轮蜗杆传动设汁,包括参数的村区,参数的设计与计算,蜗杆传动部分装配图的自动绘制等。
主要研究内容:
1.研究系统的软硬件环境及运行环境。
2.研究在CAD系统开发中采用的关键技术,包括ARX编程接口技术、面向对象的程序化设计技术。
3.研究蜗轮蜗杆的运动规律、设计方法与流程,并对蜗轮蜗杆机构计算公式进行了详细的分析,建立的数学模型。
4.研究参数化技术在CAD系统的应用。
5.研究菜单定制以及利用MFC进行人机交互界面的设讣。
1.4开发环境和开发工具选择
软件环境:
AutoCAD2007和ObjectARX
操作系统:
WindowsXP(推荐),Windows2000以上
编程环境:
MicrosoftVisualStudio2005
图形平台:
AutoCAD2007中文版
开发工具:
AutoCADObjectARX2007
硬件要求:
最低配置为Pentium133,内存为128M的PC机,推荐使用Pentium233MHz以上,内存256M或以上的PC机。
显示器:
至少800X600SVGA显示器或更高配置。
在操作系统选择上,选用MicrosoftWindowsXP的原因主要在于当前微软公司Windows视窗操作系统用户较多,XP是现在应用最广泛的一个Windows版本。
MicrosoftVisualStudio2005是一款强大的IDE(集成开发环境)工具,提供了包括代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面工具。
将代码编写功能、分析功能、编译功能、debug功能集成于一体,提供高性能的软件开发套件。
另外它还提供了MFC(MicrosoftFoundationClass)应用程序框架。
MFC框架定义了应用程序的轮廓,并提供了用户接口的标准实现方法,用户所要做的就是通过预定义的接口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓。
因而用户可以方便快捷的开发自己的应用程序。
因此,VisualStudio2005在程序开发中应用非常广泛。
本课题选MicrosoftVisualStudio2005作为AutoCAD二次开发的编程环境
AutoCAD2007是AutoCAD系列软件的最新版本,与AutoCAD先前的版本相比,它在性能和功能方面都有较大的增强,同时保证与低版本完全兼容,其应用也逐渐增多。
因此,在开发平台上选择AutoCAD2007o
2系统开发平台
2.1AutoCAD开发概述
AutoCAD是U前微机上应用最为广泛的通用交互式计算机辅助绘图与设计软件包。
也是目前应用最广泛、使用人数最多的CAD软件。
AutoCAD的强大生命力在于它的通用性、多种工业标准和开放的体系结构。
其通用性使得它在机械、电子、航空、船舶、建筑、服装等领域得到了极为广泛的应用。
由于它并非专业软件,所以它提供给我们的只是一般的通用的CAD功能,要想完成某一具体项LI的设计,则需要大量的时间和成本,尤其在修改方面就更不如人意。
不同的行业标准使得各领域在使用AutoCAD的过程中均需根据自身特点进行定制或开发。
AutoCAD能荣登全球绘图软件的龙头宝座,主要是因为它具有开放的体系结构。
它允许用户和开发者采用高级编程进行二次开发,使用CAD二次开发系统,可大大提高设计效率,完成一些重复性工作【叭
Autodesk公司为满足广大用户的需求,自AutoCADv2.18版至今的短短十儿年间,就相继推出了三代二次开发工具,可以说,AutoCAD的通用性为其二次开发提供了必要条件,而AutoCAD放的体系结构则使其二次开发成为可能。
至今,AutoCAD软件已经历了三代二次开发工具。
第一代工具当属于AutoLISP语言。
AutoLISP语言最典型的应用之一是实现数化绘图程序设计,包括尺寸驱动程序和鼠标拖动程序等。
另一个典型应用就是驱动AutoCAD提供PDB模块构成DCL(DialogControlLanguage)文件,创建自己的对话框。
AutoLISP具有以下优点:
(1)语言规则十分简单,易学易用;
(2)直接针对AutoCAD,易于交互;
(3)解释执行,立竿见影。
AutoLISP的缺点是:
(1)功能单一,综合处理能力差;
(2)解释执行,程序运行速度慢;
(3)缺乏很好的保护机制,源程序保密性差;
(4)LISP用表来描述一切,并不能很好地反映现实世界和过程,跟人的思维方式也不一致;
(5)不能直接访问硬件设备、进行二进制文件的读写。
AutoLISP的这些特点,使其仅适合于有能力的终端用户完成一些自己的开发任务。
第二代就是基于C语言的开发工具ADSo
ADS(AutoCADDevelopmentSystem)是AutoCADRll开始支持的一种基于C语言的灵活的开发环境。
ADS可直接利用用户熟悉的C编译器,将应用程序编译成可执行文件后在AutoCAD环境下运行,从而既利用了AutoCAD环境的强大功能,乂利用了C语言的结构化编程、运行效率高的优势。
与AutoLISP相比,ADS优越之处在于:
(1)具备错综复杂的大规模处理能力;
(2)编译成机器代码后执行速度快;
(3)编译时可以检查出程序设计•语言的逻辑错误;
(4)程序源代码的可读性好于AutoLISPo而其不便之处在于:
(1)C语言比LISP语言难于掌握和熟练应用;
(2)ADS程序的隐藏错误往往导致AutoCAD,乃至操作系统的崩溃;
(3)需要编译才能运行,不易见到代码的效果;
(4)同样功能,ADS程序源代码比AutoLISP代码很多。
第三代开发工具分别是VisualAutoLISP.ObjectARX和VBA。
ObjectARX应用程序以C++为基本开发语言,具有面向对象编程方式的数据可封装性、可继承性及多态性的特点,用其开发的CAD软件具有模块性好、独立性强、连接简单、使用方便、内部功能高效实现以及代码可重用性强等特点,并且支持MFC基本类库,能简洁高效地实现许多复杂功能。
目前,第一代的AutoLISP已能被第三代的VLISP完全替代,笫二代的ADS在AutoCAD2000中已不再支持,所以,第三代开发工具将成为今后AutoCADr次开发的必然选择。
本系统基于AutoCAD2007平台,应用其第三代开发工具ObjectARX2OO7作为开发工具。
2.2MFC与ObjectARX开发工具
MFC是指微软的基础库类(MicrosoftFoundationClass),是Windows环境下编程的一个应用程序框架,是VisualC++最重要的组成部分。
MFC是在整个Windows家族中都是兼容的,也就是说,无论是Windows3.x、Windows95还是WindowsNT,所使用的MFC是兼容的。
每当新的Windows版本出现时,MFC也会得到修改以便使旧的编译器和代码能在新的系统中工作。
MFC也回得到扩展,添加新的特性、变得更加容易建立应用程序。
MFC提供了许多必需的代码用语管理窗口、选单和对话框,完成基本的输入/输出(I/O流),存储对象等。
它也缩短了应用程序开发的时间,提供了容易使用的对象ACTIVX,OLEH和INTERENT编程的用户接口单元和技术,简化了数据库编程和网络编程。
除此之外,MFC包括组成运行时的初始化消息传递,以及程序退出时的清理工作,利用MFC编程得到Windows风格的界面,为我们的编程提供了更强的可视化程度。
与传统上使用C语言直接访问WindowsAPI相反,使用MFC和C++的优点是MFC已经包含和压缩了所有标准的“样板文件”代码,这些代码是所有用C编写的Windows程序所必需的。
因此用MFC编写的程序要比用C语言编写的程序小得多。
另外,MFC所编写的程序的性能也毫无损失。
必要时,你也可以直接调用标准C函数,因为MFC不修改也不隐藏Windows程序的基本结构。
ObjectARX是AutoCADR13之后推出的一个以C++语言为基础的面向对象的开发环境和应用程序接口。
ObjectARX程序本质上为Windows动态链接库(DLL)程序,它与AutoCAD共事地址空间,直接调用AutoCAD的核心函数,还可直接访问AutoCAD数据库的核心数据结构和代码,以便能在运行期间扩展AutoCAD固有的类及其功能,创建能够全面享受AutoCAD固有命令特权的新命令。
ObjectARX程序与AutoCAD、Windows消息传递机制直接通信。
ObjectARX编程环境提供了一个面向对象C++应用程序开发界面,是开发者能够使用、定做和扩展AutoCAD'
5^ObjectARX环境包含了AcRx库、AcEd库、AcDb库、AcGi库和AcGe库五大类库,每个库下面包含了大量的函数供用户使用。
2.3AutoCAD与ObjectARX通信
2.3.1ObjectARX应用程序简介
ObjectARX应用程序是一个动态链接库(DIJL),它分享AutoCAD的地址空间并可以被AutoCAD直接调用⑶。
ObjectARX编程环境提供了一个面向对象的C++编程接口,用户可以用这个接口来使用、优化和扩展AutoCAD⑷。
而且ObjectARx库包含了各种工具,用户可以利用这些工具来使用AutoCAD的开放式结构,并且可以直接访问AutoCAD数据库、图形系统和用户自定义命令。
使用ObjectARX可以访问AutoCAD数据库。
AutoCAD图形是存储在数据库中的对象的集合。
这些对象不仅代表了图形实体,而且还包括了内部结构(例如符号表和字典)。
ObjectARX使用户的应用程序能够访问这些数据库对象。
另外,用户可以为指定的府出程序创建新数据库对象。
使用ObjectARX可以与AutoCAD编辑器交互。
ObjectARX提供了类和成员函数类与AutoCAD编辑器交互。
用户可以编辑自己的AutoCAD命令,这些命令和AutoCAD内部命令一样。
用户的应用程序可以接收和处理由AutoCAD内部各种事件所引起的通告。
2.3.2ObjectARX程序的装入和卸出
(1)加载ObjectARX应用程序
1)在VisualStudio2005中选中【匚具】窗口的下拉菜单【选项】:
2)单击【项目和解决方案】,在下拉选项单击【VC++目录】,平台选择[Win32],在【显示以下内容的目录】下选择【包含文件】,新建文件导入ObjectARX中的inc文件的路径。
比如:
E:
\毕业设ITXObjectARXforAutoCAD2007\inc;
3)用同样方法选中库文件导入lib的路径;
4)单击确定完成安装,重新启用VisualStudio2005即可使用。
(2)卸载ObjectARX应用程序
在上述界面上删除inc和lib文件的路径,单击确定,重新用VisualStudio2005即可。
如下图
图2-1ObjectARX的装入和卸载
3设计理论基础及参数化建模技术
3.1蜗杆传动的类型
根据蜗杆形状的不同,蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。
图3-1蜗轮蜗杆传动图
3.1.1圆柱蜗杆传动
圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类。
其中普通圆柱蜗杆乂分为以下四种:
1•阿基米得蜗杆(ZA蜗杆);
2.法向直廓蜗杆(ZN蜗杆);
3.渐开线蜗杆(ZI蜗杆);
4.锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆)。
3.1.2环面蜗杆传动
环面蜗杆传动的特征是,蜗杆在轴向的外形是以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面,所以把这种蜗杆传动叫做环面蜗杆传动。
在这种传动的啮合带内,蜗轮的节圆位于蜗杆的节弧面上,亦既蜗杆的节弧沿蜗轮的节圆包着蜗轮。
在中间平面内蜗杆和蜗轮都上直线齿廓。
山于同时相啮合的齿对多,而且轮齿的接触线与蜗杆齿运动的方向近似于垂直,这就大大改善了齿轮受力情况和润滑油膜形成的条件,因而承载能力约为阿基米得蜗杆传动的2-4倍,效率一般高达0.85-0.9:
但它需要较高的制造和安装精度。
3.1.3锥蜗杆传动
锥蜗杆传动也是一种空间交错轴之间的传动,两轴交错角通常为90度.蜗杆是山在节锥上分布的等导程的螺旋所形成的,故称为锥蜗杆。
而蜗轮在外观上就像一个曲线齿锥齿轮,它是用与锥蜗杆相似的锥滚刀在普通滚齿机上加工而成的,故称锥蜗轮。
锥蜗杆传动的特点是:
同时接触的点数叫多,重合度大;
传动比范围大;
承载能力和效率较高;
侧隙便于控制和调整;
能做离合器使用;
可节约有色金属;
制造安装简便,工艺性好。
3.2蜗杆传动的失效形式和设计准则
3.2.1蜗杆传动的失效形式
和齿轮传动一样,蜗杆传动的失效形式也有点蚀,齿根折断,齿面胶合及过度磨损等。
山于材料和结构上的原因,蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮齿轮的强度,所以失效经常发生在蜗轮齿轮上。
因此,一般只对蜗轮齿轮进行承载能力计算。
由于蜗杆和蜗轮齿面间有较大的相对滑动,从而增强了产生胶合和磨损失效的可能性。
因此,蜗杆传动的承载能力往往受到抗胶合能力的限制。
在闭式传动中,蜗杆传动主要山于胶合或点蚀失效;
在开式传动中,山于齿面滑动速度较大、环境不洁和润滑不良,主要是磨损失效。
图3-2齿面胶合图3-3齿面磨损图
3.2.2蜗杆传动的设计原则
在开式传动中多发生齿面磨损和齿轮折断,因此应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的主要设计准则。
3.3蜗杆传动的受力分析
蜗杆传动的受力分析和斜齿圆柱齿轮传动相似。
在进行蜗杆传动的受力分析时,通常不考虑磨擦力的影响。
蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同,轮齿在受到法向载荷丹的情况下,可分解出径向载荷斤、周向载荷尺、轴向载荷用。
图3-4蜗轮蜗杆传动受力图
(3-1)
(3-2)
(3-3)
(3-4)
在不计摩擦力时,有以下关系:
巴】=^2=632
□2人
Fn==
d2cosancos/
式中:
Tl,T2——分别为蜗杆及蜗轮上的公称转矩,单位为N.mm;
dl,d2——分别为蜗杆及蜗轮上的分度圆直径,单位为mm。
3.4蜗杆传动的强度计算
3.4.1蜗轮齿面接触疲劳强度计算
蜗轮齿面接触疲劳强度条件设讣讣算的公式为:
1)确定载荷系数K
(3-6)
K=KaK$
其中:
Ka——使用系数
K°
——齿向载荷分布系数,当蜗杆传动在平稳载荷下工作时,载荷分布不均匀现象将山于工作表面良好的磨合而得到改善,此时可取^=1;
当载荷变化大,或有冲击,振动时,可取K严.3〜1.6。
Kv——动载系数,由于蜗杆传动一般较平稳,动载荷要比齿轮传动的小的多,故K,,值可取定如下:
对于精确制造,且蜗轮圆周速度v2<
3m/s时,取^,=1.0〜1.1:
v2>
3m/s时,Kv=l.1〜1.2。
2)Z口一一材料的弹性影响系数,单位为MP巴对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配
对时,取Z^=160MP,/2o
L
3)蜗杆传动的接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数,简称接触系数,可从图中查得。
4)[b〃]一一蜗轮的许用接触应力的值。
5)、——作用在蜗轮上的转矩。
当蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜时,蜗杆传动的承载能力主要取决于齿面胶合程度。
但因目前尚无完善的胶合强度计算公式,故釆用接触强度计算是一种条件性计算,在查取蜗轮齿面的许用接触应力时,要考虑相对滑动速度的大小。
由于胶合不属于疲劳失效,[b〃]的值与应力循环次数'
无关,因而可直接从表中查出许用接触应力[b〃]的值。
若蜗轮材料为强度极限巾<
300MPa的锡青铜,因蜗轮主要为接触疲劳失效,故应先从表中查出蜗轮的基本许应接触应力再按0〃]二褊・0〃]'
算出
许用接触应力的值。
上面褊厂斎。
其中,应力循环次数N=60川2此处”2为蜗轮传速,单位为r/min;
乙为工作寿命,单位为h:
j为蜗轮每转一转,每个轮齿啮合的次数。
3.4.2蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算
蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况,多发生在蜗轮齿数较多或开式传动中。
因此,对闭式蜗杆传动通常只作弯曲强度的较核计算,但这种讣算是必须进行的。
因为较核蜗轮蜗杆的弯曲强度不只是为了判别其弯曲断裂的可能性,对那些承受重载的动力蜗杆副,蜗轮轮齿的弯曲形变量还要直接影响到蜗杆副的运动平稳性精度。
由于蜗轮轮齿的齿形比较复杂,要精确讣算齿根的弯曲应力是比较困难的,所以常用的齿根弯曲疲劳强度计算方法就带有很大的条件性。
齿根折断一般发生在ZJ90,及开式传动中。
在闭式传动中弯曲强度计算作为校核计算对于重载传动,通过计算还可差别山于轮齿的弯曲变形量引起的轮齿弹性变形量是否过大而影响蜗杆传动的平稳性。
同样山于主平面内蜗杆蜗轮一一相当于齿条与斜齿轮啮合,所以,将蜗轮看成斜齿轮,由斜齿轮齿根弯曲应力计算公式得:
(3-7)
b:
——蜗轮齿弧长,其中&
为蜗轮齿宽角;
360cos/
叫为法面模数,叫=/ncos/,单位为mm;
Ysu——齿根应力修正系数在[刁]中考虑;
丫^——弯曲疲劳强度重合度系数,与二0.667;
与一一螺旋角影响系数,取丫盯-佥;
将上述参数代入得弯曲疲劳强度校核公式:
式中:
Y环一一蜗轮齿形系数,按当量齿数zv2=z2/cos3/及变位系数X:
查图可得
[o>
]蜗轮轮齿许用弯曲应力,单位为MPa,订*心、,,其中0订为计
入齿根应力校正系数丫加后蜗轮的基本许用应力,可由表选取;
为寿命系数,5二评,其中应力循环次数'
的计算方法同前。
其余符号的意义和单位同前。
上式为蜗轮齿根弯曲
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