CN113158377B - 一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及cad优化设计系统 - Google Patents

一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及cad优化设计系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及CAD优化设计系统，该系统主要由按照计算程序依次电连接的原始参数输入模块、实体模型和有限元模型创建模块、性能分析模块、性能评价模块和参数化优选模块组成；该系统可以有效实现弧面分度凸轮的参数化精确建模、参数化传动性能仿真分析，能对所设计的凸轮机构的传动性能进行有效分析与评价。能基于凸轮机构的原始参数，利用正交试验方法对影响传动性能的重要结构参数进行优选，使凸轮机构获得更佳的传动性能。同时采用面向对象方法进行开发，操作简便快捷，易于上手，便于一般技术人员使用。

Description

一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及CAD 优化设计系统
技术领域
本发明涉及一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及CAD优化设计系统，属于计算机建模技术领域。
背景技术
目前，针对弧面分度凸轮的建模研究多运用计算机技术进行模型创建及性能优化设计。例如，中国专利文献CN107657134A公开了一种基于Creo的弧面分度凸轮建模方法，该方法包括如下步骤：建立弧面分度机构的动坐标系和静坐标系；根据间歇运动规律及弧面分度凸轮和分度盘的啮合原理建立啮合点的RPY变换矩阵；建立并求解矩阵变换方程，得出啮合点在定坐标系中的笛卡尔坐标值；根据所求取的啮合点的空间坐标值，在Creo软件中编制弧面分度凸轮建模程序，绘制啮合曲线；将曲线分别拟合，修正填充凸轮实体，得到弧面分度凸轮三维模型。该方案借助Creo软件强大的CAD曲面建模功能，提供了精确建立弧面分度凸轮模型的方法，此种方法可以大幅提高弧面分度凸轮的设计效率和正确性。又如，滁州职业技术学院的梁京燕发表的论文-弧面分度凸轮机构的CAD建模，该建模方案首先计算弧面分度凸轮机构的几何尺寸，然后利用MATLAB计算出弧面分度凸轮工作廓面的三维坐标点，最后在CATIA中完成弧面分度凸轮和分度盘的三维建模。
在实际生产中，弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计主要存在以下三个问题，第一，由于弧面分度凸轮拥有复杂的自由曲面，弧面分度凸轮与分度滚子共轭啮合传动凸轮轮廓曲面为空间不可展异形曲面，使得其制造难度大，建模难以达到较高的精度，若手动建模，完成全部的有限元模型的建立，会出现工作量大、内容繁复、效率低等的问题。第二，当前大多数研究人员对弧面分度凸轮进行有限元分析都是通过Solidworks等建模软件建立其三维实体模型，然后转换成.x_t、.iges格式导入到ANSYS软件中实现其有限元模型的转换，此种方法虽能方便快捷地建立机构的有限元模型，但是对于圆柱滚子型弧面分度凸轮来说，精细参数容错率较低，容易忽略细微结构，导致产生较大的误差，使得性能分析结果与现实不符。第三，针对弧面分度凸轮机构中心距，凸轮宽度，凸轮直径，压力角等参数的设置与优选等问题，目前不存在一款系统能够快速从初步设计参数中优选出一组最佳参数组合方案，实现弧面分度凸轮最优的啮合性能和传动精度。
因此，目前存在的弧面分度凸轮建模与仿真技术多数存在不能精确建模、精确仿真，不能根据啮合性能与传动精度的要求进行参数优选等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，为实现弧面分度凸轮精确建模、仿真并进行参数化优选，本发明提供一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
本发明还提供一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化的CAD优化设计系统。
本发明的技术方案如下：
一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化的CAD优化设计系统，该系统主要由按照计算程序依次电连接的原始参数输入模块、实体模型和有限元模型创建模块、性能分析模块、性能评价模块及参数化优选模块组成；
先通过向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数和材料参数，进行凸轮结构的初步设计；接着实体模型和有限元模型创建模块通过调用原始参数输入模块所输入的圆柱滚子型弧面分度凸轮设计参数，进行实体模型和有限元模型的创建；性能分析模块再对创建的实体模型和有限元模型进行接触性能分析和运动学分析，再借助性能评价模块提取性能分析模块获得的结果，对弧面分度凸轮的传动性能进行评价；最后利用参数化优选模块，对圆柱滚子型弧面分度凸轮的4个重要影响参数进行试验优选，根据凸轮机构的主要作用，确定弧面分度凸轮最优设计结果。
一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法，包括以下步骤：
步骤一，向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数及材料参数，进行凸轮结构初步设计；
向原始参数输入模块输入的参数均通过用户界面输入，并存入参数文件，供后续建模及分析时调用；
步骤二，通过实体模型和有限元模型创建模块调用原始参数输入模块所输入的圆柱滚子型弧面分度凸轮设计参数，按照如下步骤建立实体模型和有限元模型；
1)在弧面分度凸轮结构中建立坐标系，其中，S1＝{O1，X1，Y1，Z1}为与凸轮相连的动坐标系，其原点O1取在凸轮中心，X1轴在过凸轮中心并且垂直于凸轮转动轴线的平面上，X1O1Y1平面垂直于凸轮的转动轴线，Z1轴沿凸轮的转动轴线方向；S2＝(O2,X2rY2,22}为与转盘相连的动坐标系，其原点O2取在转盘中心，X2轴沿滚子的自转轴线，X2O2Y2平面为滚子的中心平面，Z2轴沿为转盘的转动轴线方向；
2)创建工作廓面方程，根据空间啮合原理，可求得弧面分度凸轮的工作廓面方程如下式(1)：
Figure BDA0003044128000000031
式(1)中：x1、y1、z1为弧面分度凸轮工作廓面在坐标系S1中的三维坐标；x2、y2、z2为滚子工作面上共轭接触点在坐标系S2中的三维坐标；
Figure BDA0003044128000000032
为弧面分度凸轮转角；δ为滚子位置角；l为凸轮与转盘之间的中心距；p为弧面分度凸轮旋向系数，左旋时为+1，右旋时为-1；
3)计算弧面分度凸轮工作廓面点阵，从步骤一参数文件中提取弧面分度凸轮结构初步设计中的初始参数，根据工作廓面方程，基于ANSYS软件的参数化设计语言APDL编写凸轮工作廓面点阵生成程序，获取弧面分度凸轮工作廓面的点阵；将生成的曲面点阵数据存入曲面点阵文件；
4)根据曲面插值原理，基于APDL编写均匀双三次B样条曲面插值程序，利用该程序创建弧面分度凸轮结构工作廓面，并以IGES格式存入文件；
5)在ANSYS软件中读取生成的弧面分度凸轮结构工作廓面，基于ASKIN命令，连接工作廓面的边缘，得到封闭的工作廓面，然后利用ANSYS软件的闭合曲面生成实体功能，创建工作廓面实体模型；
6)基于ANSYS软件的建模功能创建凸轮基体模型，并通过布尔运算将创建的凸轮工作廓面实体和凸轮基体合并成凸轮的初始模型；利用ANSYS软件布尔运算功能去除凸轮初始模型中超出凸轮实际边界的部分，得到凸轮的真实三维实体模型；
7)利用ANSYS软件中的CYLIND命令创建转盘的基体和单个滚子，然后利用ANSYS软件的VGEN命令，将创建的单个滚子阵列生成其他圆柱滚子，最后通过VADD命令完成转盘及滚子模型的创建；
8)根据弧面分度凸轮的装配关系，调整凸轮和转盘之间的距离以及滚子的位置，创建弧面分度凸轮的装配实体模型；
9)为实体模型配置单元类型，定义材料属性，自适应网格划分方式，设置网格尺寸为2mm～5mm，选择凸轮工作廓面与各滚子上的工作面建立接触对，根据材料属性设置摩擦系数，正则处罚刚度因子FKN取为0.1，用实常数FTOLN定义最大允许穿透值，取值范围在0.01～1.0之间；
10)在凸轮的旋转中心施加一个pilot主节点，并将主节点与凸轮的轴孔内表面节点耦合在一起，使pilot主节点及与其耦合的节点具有相同的自由度，从而形成刚性区，对转盘按照同样的办法设置刚性区；
11)分别对凸轮和转盘旋转中心的pilot主节点进行旋转自由度控制，使凸轮只具有绕Z1轴方向旋转的自由度、转盘只具有绕Z2轴方向旋转的自由度，作用在凸轮或转盘上的转矩或转速加在pilot主节点上，转矩或转速通过刚性区传递到凸轮或者转盘上，加载完成后，弧面分度凸轮有限元模型创建完成；
步骤三，通过性能分析模块调用ANSYS的LS-DYNA模块，对创建的弧面分度凸轮有限元模型分别进行运动学分析和瞬态动力学分析；
步骤四，性能评价模块通过提取性能分析模块获得的结果，对弧面分度凸轮的传动性能进行评价，评价指标包括传动精度和啮合性能两方面；
步骤五，参数化优选模块采用正交试验的方法对圆柱滚子型弧面分度凸轮的4个重要影响参数进行试验优选，根据凸轮机构的主要作用，确定弧面分度凸轮最优设计结果。
优选的，步骤一中，所述向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数及材料参数具体包括设计人员按照初始工况要求输入凸轮结构参数，转盘及滚子参数，机构运动参数，机构性能参数；其中凸轮工况参数包括输入轴转速、分度数、凸轮廓线头数、凸轮与机构中心距；转盘及滚子参数包括转盘节圆半径、转盘轴孔直径、转盘宽度、滚子半径、滚子宽度、相邻两滚子之间的夹角、滚子与凸轮槽底部之间沿滚子宽度方向的间隙；机构运动参数包括凸轮的角速度、凸轮分度期转角、凸轮停歇期转角、转盘滚子数、转盘分度期转位角、啮合重叠系数、压力角、旋向系数；机构性能参数包括转盘许用最大角位移误差、转盘许用最大角速度误差、凸轮工作廓面许用接触应力、滚子根部许用弯曲应力。
优选的，步骤五中，所述正交试验包括如下步骤：
1)选择凸轮与转盘之间的中心距l，凸轮宽度B，凸轮直径d，压力角α四个影响因子，通过正交试验对这四个影响因子进行优选；选取四个影响因子的取值范围为0.8l0≤l≤1.2l0，0.9B0≤B≤1.1B0，0.85d0≤d≤1.15d0，α0-2°≤α≤α0+2°，其中l0、B0、d0、α0均为输入的原始设计参数；对每一个影响因子划分四个影响水平，即分别在其取值范围内各自均匀选取4个数值，按照正交试验设计方法构造L16(44)正交试验表，得到16组试验数据；
2)将步骤1)所得16组试验数据分别代入实体模型和有限元模型创建模块，分别创建实体模型及有限元模型，并利用性能分析模块对16组模型分别进行传动性能仿真分析，获取各组模型在传动过程中的转盘最大角位移误差、最大角速度误差、凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力；
3)根据凸轮机构的工作性能要求对16组试验参数进行优选；首先剔除不满足传动性能基本要求的性能参数，将16组试验模型的4项分析结果转盘最大角位移误差、转盘最大角速度误差、凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力分别与原始参数中给定的误差阈值进行对比，若4项分析结果均小于给定的阈值，表明该组试验参数满足传动性能基本要求，保留该组试验参数，否则，不满足传动性能基本要求，剔除该组试验参数；
然后对保留下来的试验参数进行优选，如果凸轮机构的主要功能为分度，则以传动精度作为主要评价指标，从保留下来的试验参数中，选出转盘最大角位移误差和转盘最大角速度误差均最小的一组参数作为最优结构参数，若不能选出满足条件的试验参数，则选取最大角位移误差最小的一组参数作为最优结构参数；如果凸轮机构的工作载荷较大，对承载能力有较高的要求，则以啮合性能作为主要评价指标，从保留下来的试验参数中，选出凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力均最小的一组参数作为最优结构参数，若不能选出满足条件的试验参数，因为凸轮工作廓面最大接触应力对啮合性能的影响更大，则选取凸轮工作过程中工作廓面最大接触应力数值最小的一组参数作为最优结构参数。
优选的，所述原始参数输入模块基于Visual C++2018软件开发平台下的MFC开发，所述参数化优选模块基于Visual C++2018平台构建，结合ANSYS的参数化设计语言APDL编程实现。
一种服务器，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，其上存储有一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序被处理器执行时实现上述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
本发明的技术特点和有益效果：
1、本发明提出的一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及CAD优化设计系统,可以有效实现弧面分度凸轮的参数化精确建模、参数化传动性能仿真分析，能对所设计的凸轮机构的传动性能进行有效分析与评价。
2、本发明提出的一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及CAD优化设计系统，能基于凸轮机构的原始参数，利用正交试验方法对影响传动性能的重要结构参数进行优选，使凸轮机构获得更佳的传动性能。
3、本发明提出的一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法及CAD优化设计系统，采用面向对象方法进行开发，操作简便快捷，易于上手，便于一般技术人员使用。
附图说明
图1为弧面分度凸轮机构的建模坐标系示意图；
图2为弧面分度凸轮建模和传动性能优化设计方法流程图；
其中：1-原始参数输入模块，2-实体模型和有限元模型创建模块，3-性能分析模块，4-性能评价模块，5-参数化优选模块。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
本实施例提供一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化的CAD优化设计系统，该系统主要由按照计算程序依次电连接的原始参数输入模块、实体模型和有限元模型创建模块、性能分析模块、性能评价模块及参数化优选模块组成；
先通过向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数和材料参数，进行凸轮结构的初步设计；接着实体模型和有限元模型创建模块通过调用原始参数输入模块所输入的圆柱滚子型弧面分度凸轮设计参数，进行实体模型和有限元模型的创建；性能分析模块再对创建的实体模型和有限元模型进行接触性能分析和运动学分析，再借助性能评价模块提取性能分析模块获得的结果，对弧面分度凸轮的传动性能进行评价；最后利用参数化优选模块，对圆柱滚子型弧面分度凸轮的4个重要影响参数进行试验优选，根据凸轮机构的主要作用，确定弧面分度凸轮最优设计结果。其中，原始参数输入模块基于Visual C++2018软件开发平台下的MFC开发，参数化优选模块基于Visual C++2018平台构建，结合ANSYS的参数化设计语言APDL编程实现。
该系统基于Visual C++2018平台构建使用微软MFC结合ANSYS参数化设计语言APDL编写实现弧面分度凸轮实体模型和有限元模型的创建、运动学分析以及啮合性能的仿真分析，并进行参数化优选。
实施例2：
如图1-2所示，本实施例提供一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法，利用实施例1所述的系统，包括以下步骤：
步骤一，向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数及材料参数，进行凸轮结构初步设计；输入参数具体包括设计人员按照初始工况要求输入凸轮结构参数，转盘及滚子参数，机构运动参数，机构性能参数；其中凸轮工况参数包括输入轴转速、分度数、凸轮廓线头数、凸轮与机构中心距；转盘及滚子参数包括转盘节圆半径、转盘轴孔直径、转盘宽度、滚子半径、滚子宽度、相邻两滚子之间的夹角、滚子与凸轮槽底部之间沿滚子宽度方向的间隙；机构运动参数包括凸轮的角速度、凸轮分度期转角、凸轮停歇期转角、转盘滚子数、转盘分度期转位角、啮合重叠系数、压力角、旋向系数；机构性能参数包括转盘许用最大角位移误差、转盘许用最大角速度误差、凸轮工作廓面许用接触应力、滚子根部许用弯曲应力。
向原始参数输入模块输入的参数均通过用户界面输入，并存入参数文件，供后续建模及分析时调用；
步骤二，通过实体模型和有限元模型创建模块调用原始参数输入模块所输入的圆柱滚子型弧面分度凸轮设计参数，按照如下步骤建立实体模型和有限元模型；
1)在弧面分度凸轮结构中建立坐标系，其中，S1＝{O1，X1，Y1，Z1}为与凸轮相连的动坐标系，其原点O1取在凸轮中心，X1轴在过凸轮中心并且垂直于凸轮转动轴线的平面上，X1O1Y1平面垂直于凸轮的转动轴线，Z1轴沿凸轮的转动轴线方向；S2＝{O2，X2，Y2，Z2}为与转盘相连的动坐标系，其原点O2取在转盘中心，X2轴沿滚子的自转轴线(即转盘的径向线)，X2O2Y2平面为滚子的中心平面，Z2轴沿为转盘的转动轴线方向；
2)创建工作廓面方程，根据空间啮合原理，可求得弧面分度凸轮的工作廓面方程如下式(1)：
Figure BDA0003044128000000081
式(1)中：x1、y1、z1为弧面分度凸轮工作廓面在坐标系S1中的三维坐标；x2、y2、z2为滚子工作面上共轭接触点在坐标系S2中的三维坐标；
Figure BDA0003044128000000082
为弧面分度凸轮转角；δ为滚子位置角；l为凸轮与转盘之间的中心距；p为弧面分度凸轮旋向系数，左旋时为+1，右旋时为-1；
3)计算弧面分度凸轮工作廓面点阵，从步骤一参数文件中提取弧面分度凸轮结构初步设计中的初始参数，根据工作廓面方程，基于ANSYS软件的参数化设计语言APDL编写凸轮工作廓面点阵生成程序，获取弧面分度凸轮工作廓面的点阵；为了便于后续的布尔运算等操作，生成工作廓面点阵时，宽度方向适当向外延伸，超出弧面分度凸轮工作廓面的实际边界，将生成的曲面点阵数据存入曲面点阵文件。
4)根据曲面插值原理，基于APDL编写均匀双三次B样条曲面插值程序，利用该程序创建弧面分度凸轮结构工作廓面，并以IGES格式存入文件；
5)在ANSYS软件中读取生成的弧面分度凸轮结构工作廓面，基于ASKIN命令，连接工作廓面的边缘，得到封闭的工作廓面，然后利用ANSYS软件的闭合曲面生成实体功能，创建工作廓面实体模型；
6)基于ANSYS软件的建模功能创建凸轮基体模型，并通过布尔运算将创建的凸轮工作廓面实体和凸轮基体合并成凸轮的初始模型；利用ANSYS软件布尔运算功能去除凸轮初始模型中超出凸轮实际边界的部分，得到凸轮的真实三维实体模型；
7)利用ANSYS软件中的CYLIND(创建圆柱体)命令创建转盘的基体和单个滚子，然后利用ANSYS软件的VGEN(复制体)命令，将创建的单个滚子阵列生成其他圆柱滚子，最后通过VADD(体相加)命令完成转盘及滚子模型的创建；
8)根据弧面分度凸轮的装配关系，调整凸轮和转盘之间的距离以及滚子的位置，创建弧面分度凸轮的装配实体模型；
9)为实体模型配置单元类型，定义材料属性，自适应网格划分方式，设置网格尺寸为2mm～5mm，选择凸轮工作廓面与各滚子上的工作面建立接触对，根据材料属性设置摩擦系数，正则处罚刚度因子FKN取为0.1，用实常数FTOLN定义最大允许穿透值，取值范围在0.01～1.0之间；
10)在凸轮的旋转中心施加一个pilot主节点，并将主节点与凸轮的轴孔内表面节点耦合在一起，使pilot主节点及与其耦合的节点具有相同的自由度，从而形成刚性区，对转盘按照同样的办法设置刚性区；
11)分别对凸轮和转盘旋转中心的pilot主节点进行旋转自由度控制，使凸轮只具有绕Z1轴方向旋转的自由度、转盘只具有绕Z2轴方向旋转的自由度，作用在凸轮或转盘上的转矩或转速加在pilot主节点上，转矩或转速通过刚性区传递到凸轮或者转盘上，加载完成后，弧面分度凸轮有限元模型创建完成；
步骤三，通过性能分析模块调用ANSYS的LS-DYNA模块，对创建的弧面分度凸轮有限元模型分别进行运动学分析和瞬态动力学分析。运动学分析探究弧面分度凸轮传动精度，通过分析得到凸轮机构工作过程中任意时刻转盘的角位移与角速度，通过与理论结果对比，可求得凸轮机构工作过程中任意时刻转盘的角位移误差与角速度误差，并进而求得凸轮机构工作过程中的最大角位移误差与最大角速度误差。瞬态动力学分析探究弧面分度凸轮的啮合性能，主要包括工作廓面接触应力分析、凸轮根部弯曲应力分析和滚子根部弯曲应力分析，分别得出弧面分度凸轮机构工作过程中不同位置处凸轮工作廓面的接触应力、凸轮根部的弯曲应力、滚子根部的弯曲应力，绘制各种应力的时间历程曲线，可求得凸轮机构工作过程中凸轮工作廓面的最大接触应力、凸轮根部最大弯曲应力和滚子根部弯曲应力。
步骤四，性能评价模块通过提取性能分析模块获得的结果，对弧面分度凸轮的传动性能进行评价，评价指标包括传动精度和啮合性能两方面；弧面分度凸轮机构传动精度取决于工作过中转盘最大角速度误差与最大角位移误差的大小，传动精度的基本要求是转盘的最大角速度误差与最大角位移误差分别小于允许的误差阈值。在满足基本要求的情况下，误差值越少，传动精度越高。反之，传动精度越低。弧面分度凸轮的主要失效形式为接触疲劳失效，极少因根部断裂失效，评价其啮合性能时，通常只考虑工作廓面的接触应力，不考虑凸轮根部弯曲应力。因此，弧面分度凸轮机构啮合性能的评价指标为工作过程中凸轮工作廓面的最大接触应力及滚子根部的最大弯曲应力。啮合性能的基本要求是凸轮工作廓面的最大接触应力及滚子根部的最大弯曲应力分别小于凸轮工作廓面的许用接触应力和滚子的许用弯曲应力。在满足基本要求的情况下，凸轮工作廓面的最大接触应力及滚子根部的最大弯曲应力越小，啮合性能越好。反之，啮合性能越差。系统根据不同工作环境对凸轮的要求不同，评价凸轮传动性能的优劣。当工作环境要求凸轮具有较高的传动精度时，以转盘最大角位移误差和最大角速度误差为主要评价指标，以工作廓面最大接触应力与滚子根部最大弯曲应力作为次要评价指标。在传动精度和啮合性能均满足基本要求的前提下，转盘最大角位移误差及最大角速度误差的数值越小，传动性能越高，反之，越少。
当工作环境要求凸轮具有较强的啮合性能时，以弧面分度凸轮工作廓面最大接触应力和滚子根部最大弯曲应力为主要评价指标，转盘最大角位移误差与最大角速度误差作为次要评价指标。在传动精度和啮合性能均满足基本要求的前提下，转盘最大角位移误差及最大角速度误差的数值越小，传动性能越高，反之，越少。
步骤五，参数化优选模块采用正交试验的方法对圆柱滚子型弧面分度凸轮的4个重要影响参数进行试验优选，根据凸轮机构的主要作用，确定弧面分度凸轮最优设计结果。
所述正交试验包括如下步骤：
1)选择凸轮与转盘之间的中心距l，凸轮宽度B，凸轮直径d，压力角α四个影响因子，通过正交试验对这四个影响因子进行优选；选取四个影响因子的取值范围为0.8l0≤l≤1.2l0，0.9B0≤B≤1.1B0，0.85d0≤d≤1.15d0，α0-2°≤α≤α0+2°，其中l0、B0、d0、α0均为输入的原始设计参数；对每一个影响因子划分四个影响水平，即分别在其取值范围内各自均匀选取4个数值，按照正交试验设计方法构造L16(44)正交试验表，得到16组试验数据；
2)将步骤1)所得16组试验数据分别代入实体模型和有限元模型创建模块，分别创建实体模型及有限元模型，并利用性能分析模块对16组模型分别进行传动性能仿真分析，获取各组模型在传动过程中的转盘最大角位移误差、最大角速度误差、凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力；
3)根据凸轮机构的工作性能要求对16组试验参数进行优选；首先剔除不满足传动性能基本要求的性能参数，将16组试验模型的4项分析结果转盘最大角位移误差、转盘最大角速度误差、凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力分别与原始参数中给定的误差阈值进行对比，若4项结果均小于给定的阈值，表明该组试验参数满足传动性能基本要求，保留该组试验参数，否则，不满足传动性能基本要求，剔除该组试验参数；
然后对保留下来的试验参数进行优选，如果凸轮机构的主要功能为分度，则以传动精度作为主要评价指标，从保留下来的试验参数中，选出转盘最大角位移误差和转盘最大角速度误差均最小的一组参数作为最优结构参数，若不能选出满足条件的试验参数，则选取最大角位移误差最小的一组参数作为最优结构参数；如果凸轮机构的工作载荷较大，对承载能力有较高的要求，则以啮合性能作为主要评价指标，从保留下来的试验参数中，选出凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力均最小的一组参数作为最优结构参数，若不能选出满足条件的试验参数，因为凸轮工作廓面最大接触应力对啮合性能的影响更大，则选取凸轮工作过程中工作廓面最大接触应力数值最小的一组参数作为最优结构参数。
实施例3：
一种服务器，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，其上存储有一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现实施例2所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
实施例4：
一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序被处理器执行时实现实施例2所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法，基于弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化的CAD优化设计系统，该系统由按照计算程序依次电连接的原始参数输入模块、实体模型和有限元模型创建模块、性能分析模块、性能评价模块及参数化优选模块组成；
先通过向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数和材料参数，进行凸轮结构的初步设计；接着实体模型和有限元模型创建模块通过调用原始参数输入模块所输入的圆柱滚子型弧面分度凸轮设计参数，进行实体模型和有限元模型的创建；性能分析模块再对创建的实体模型和有限元模型进行接触性能分析和运动学分析，再借助性能评价模块提取性能分析模块获得的结果，对弧面分度凸轮的传动性能进行评价；最后利用参数化优选模块，对圆柱滚子型弧面分度凸轮的四个重要影响参数进行试验优选，四个重要影响参数为凸轮与转盘之间的中心距l，凸轮宽度B，凸轮直径d，压力角α，根据凸轮机构的作用，确定弧面分度凸轮最优设计结果；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数及材料参数，进行凸轮结构初步设计；
向原始参数输入模块输入的参数均通过用户界面输入，并存入参数文件，供后续建模及分析时调用；
步骤二，通过实体模型和有限元模型创建模块调用原始参数输入模块所输入的圆柱滚子型弧面分度凸轮设计参数，按照如下步骤建立实体模型和有限元模型；
1)在弧面分度凸轮结构中建立坐标系，其中，S1＝{O1，X1，Y1，Z1}为与凸轮相连的动坐标系，其原点O1取在凸轮中心，X1轴在过凸轮中心并且垂直于凸轮转动轴线的平面上，X1O1Y1平面垂直于凸轮的转动轴线，Z1轴沿凸轮的转动轴线方向；S2＝{02,X2,Y2,Z2}为与转盘相连的动坐标系，其原点O2取在转盘中心，X2轴沿滚子的自转轴线，X2O2Y2平面为滚子的中心平面，Z2轴沿为转盘的转动轴线方向；
2)创建工作廓面方程，根据空间啮合原理，可求得弧面分度凸轮的工作廓面方程如下式(1)：
Figure FDA0003981860160000021
式(1)中：x1、y1、z1为弧面分度凸轮工作廓面在坐标系S1中的三维坐标；x2、y2、z2为滚子工作面上共轭接触点在坐标系S2中的三维坐标；
Figure FDA0003981860160000022
为弧面分度凸轮转角；δ为滚子位置角；l为凸轮与转盘之间的中心距；p为弧面分度凸轮旋向系数，左旋时为+1，右旋时为-1；
3)计算弧面分度凸轮工作廓面点阵，从步骤一参数文件中提取弧面分度凸轮结构初步设计中的初始参数，根据工作廓面方程，基于ANSYS软件的参数化设计语言APDL编写凸轮工作廓面点阵生成程序，获取弧面分度凸轮工作廓面的点阵；将生成的曲面点阵数据存入曲面点阵文件；
4)根据曲面插值原理，基于APDL编写均匀双三次B样条曲面插值程序，利用该程序创建弧面分度凸轮结构工作廓面，并以IGES格式存入文件；
5)在ANSYS软件中读取生成的弧面分度凸轮结构工作廓面，基于ASKIN命令，连接工作廓面的边缘，得到封闭的工作廓面，然后利用ANSYS软件的闭合曲面生成实体功能，创建工作廓面实体模型；
6)基于ANSYS软件的建模功能创建凸轮基体模型，并通过布尔运算将创建的凸轮工作廓面实体和凸轮基体合并成凸轮的初始模型；利用ANSYS软件布尔运算功能去除凸轮初始模型中超出凸轮实际边界的部分，得到凸轮的真实三维实体模型；
7)利用ANSYS软件中的CYLIND命令创建转盘的基体和单个滚子，然后利用ANSYS软件的VGEN命令，将创建的单个滚子阵列生成其他圆柱滚子，最后通过VADD命令完成转盘及滚子模型的创建；
8)根据弧面分度凸轮的装配关系，调整凸轮和转盘之间的距离以及滚子的位置，创建弧面分度凸轮的装配实体模型；
9)为实体模型配置单元类型，定义材料属性，自适应网格划分方式，设置网格尺寸在2mm～5mm之间，选择凸轮工作廓面与各滚子上的工作面建立接触对，根据材料属性设置摩擦系数，正则处罚刚度因子FKN取为0.1，用实常数FTOLN定义最大允许穿透值，取值范围在0.01～1.0之间；
10)在凸轮的旋转中心施加一个pilot主节点，并将主节点与凸轮的轴孔内表面节点耦合在一起，使pilot主节点及与其耦合的节点具有相同的自由度，从而形成刚性区，对转盘按照同样的方法设置刚性区；
11)分别对凸轮和转盘旋转中心的pilot主节点进行旋转自由度控制，使凸轮只具有绕Z1轴方向旋转的自由度、转盘只具有绕Z2轴方向旋转的自由度，作用在凸轮或转盘上的转速加在各自的pilot主节点上，转速通过刚性区传递到凸轮或者转盘上，加载完成后，弧面分度凸轮有限元模型创建完成；
步骤三，通过性能分析模块调用ANSYS的LS-DYNA模块，对创建的弧面分度凸轮有限元模型分别进行运动学分析和瞬态动力学分析；
步骤四，性能评价模块通过提取性能分析模块获得的结果，对弧面分度凸轮的传动性能进行评价，评价指标包括传动精度和啮合性能两方面；
步骤五，参数化优选模块采用正交试验的方法对圆柱滚子型弧面分度凸轮的四个重要影响参数进行试验优选，根据凸轮机构的作用，确定弧面分度凸轮最优设计结果。
2.如权利要求1所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法，其特征在于，步骤一中，所述向原始参数输入模块输入工况参数、运动参数及材料参数具体包括设计人员按照初始工况要求输入凸轮结构参数，转盘及滚子参数，机构运动参数，机构性能参数；其中凸轮结构参数包括输入轴转速、分度数、凸轮廓线头数、凸轮与机构中心距；转盘及滚子参数包括转盘节圆半径、转盘轴孔直径、转盘宽度、滚子半径、滚子宽度、相邻两滚子之间的夹角、滚子与凸轮槽底部之间沿滚子宽度方向的间隙；机构运动参数包括凸轮的角速度、凸轮分度期转角、凸轮停歇期转角、转盘滚子数、转盘分度期转位角、啮合重叠系数、压力角、旋向系数；机构性能参数包括转盘许用最大角位移误差、转盘许用最大角速度误差、凸轮工作廓面许用接触应力、滚子根部许用弯曲应力。
3.如权利要求1所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法，其特征在于，步骤五中，所述正交试验包括如下步骤：
1)选择凸轮与转盘之间的中心距l，凸轮宽度B，凸轮直径d，压力角α四个影响因子，通过正交试验对这四个影响因子进行优选；选取四个影响因子的取值范围为0.8l0≤l≤1.2l0，0.9B0≤B≤1.1B0，0.85d0≤d≤1.15d0，α0-2°≤α≤α0+2°，其中l0、B0、d0、α0均为输入的原始设计参数；对每一个影响因子划分四个影响水平，即分别在其取值范围内各自均匀选取四个数值，按照正交试验设计方法构造L16(44)正交试验表，得到16组试验数据；
2)将步骤1)所得16组试验数据分别代入实体模型和有限元模型创建模块，分别创建实体模型及有限元模型，并利用性能分析模块对16组模型分别进行传动性能仿真分析，获取各组模型在传动过程中的转盘最大角位移误差、最大角速度误差、凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力；
3)根据凸轮机构的工作性能要求对16组试验参数进行优选；首先剔除不满足传动性能要求的性能参数，将16组试验模型的4项分析结果转盘最大角位移误差、转盘最大角速度误差、凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力分别与原始参数中给定的误差阈值进行对比，若4项分析结果均小于给定的阈值，表明该组试验参数满足传动性能要求，保留该组试验参数，否则，不满足传动性能要求，剔除该组试验参数；
然后对保留下来的试验参数进行优选，如果凸轮机构的功能为分度，则以传动精度作为评价指标，从保留下来的试验参数中，选出转盘最大角位移误差和转盘最大角速度误差均最小的一组参数作为最优结构参数，若不能选出满足条件的试验参数，则选取最大角位移误差最小的一组参数作为最优结构参数；如果凸轮机构的工作载荷较大，对承载能力有较高的要求，则以啮合性能作为评价指标，从保留下来的试验参数中，选出凸轮工作廓面最大接触应力、滚子根部最大弯曲应力均最小的一组参数作为最优结构参数，若不能选出满足条件的试验参数，因为凸轮工作廓面最大接触应力对啮合性能的影响更大，则选取凸轮工作过程中工作廓面最大接触应力数值最小的一组参数作为最优结构参数。
4.如权利要求1所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法，其特征在于，所述原始参数输入模块基于VisualC++2018软件开发平台下的MFC开发，所述参数化优选模块基于Visual C++2018平台构建，结合ANSYS的参数化设计语言APDL编程实现。
5.一种服务器，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，其上存储有一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-4任一项所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
6.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的弧面分度凸轮模型创建和传动性能优化设计方法。
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