申请/专利权人：山东科技大学

申请日：2021-04-28

公开（公告）日：2023-01-24

公开（公告）号：CN113158377B

主分类号：G06F30/17

分类号：G06F30/17;G06F30/23;G06T17/20;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.01.24#授权;2021.08.10#实质审查的生效;2021.07.23#公开

摘要：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。

主权项：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： 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；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。

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百度查询： 山东科技大学 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

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