基于Pro/E行星齒輪減速板手的運動仿真

黃永程+覃羨烘+王鵬程+李俏

摘 要：Pro/E軟件進行三維模型的設計是在很直觀的三維環(huán)境中進行，同時也為此避免了大量而且繁瑣的空間尺寸計算，代之以直接的觀察和測量來保證整個設計的正確性。行星齒輪作為重要的傳動裝置，在機械等領域應用十分廣泛，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，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對建立好的行星齒輪減速扳手進行裝配約束并運動仿真，以滿足其使用性能。

關鍵詞：傳動裝置；行星齒輪；減速扳手；運動仿真

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

0 引言

通過行星齒輪傳動減速放大力矩，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，很適合應用于我國貨車運輸領域。一般市場上銷售的便攜帶式扳手，其工作原理是通過增大力臂和作用力來增大扭矩。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，只能通過增大力臂來增大輸出力矩，即增長扳手手柄的長度，與其便于攜帶這一特點產(chǎn)生矛盾，且即使這樣增大的輸出的扭矩也有限。

20世紀70年代行星齒輪減速扳手第一次出現(xiàn)。70年代末日本、美國和德國等工業(yè)發(fā)達國家已有定型的大扭矩變扭扳手產(chǎn)品供應市場[1]。其中最大力的20-1800P型特尼扳手，最大輸出扭矩達到1800N.m。現(xiàn)在國外的放大力矩扳手產(chǎn)品已向自動化，輕型化方向發(fā)展，而智能化已是其發(fā)展趨勢。而國內(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，包括運動的合成與分解。我國對用做力矩放大機構(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，可以分別進行草圖的繪制、零件的制作等保證用戶可按照自己的需要進行選擇使用。參數(shù)化設計--相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成是幾何模型，而無論是多么復雜的幾何模型，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。基于特征建模Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計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，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。64型行星齒輪減速扳手的建模主要對齒輪、軸、芯架、筒體的建模，完成對部件的裝配圖，各個齒輪采用參數(shù)化建模[2-4]，各個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，選擇連接類型創(chuàng)建機構(gòu)連接，是運動仿真設置的最重要環(huán)節(jié)，該操作直接影響運動仿真的設置效果。連接就是元件與元件、元件與組件通過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確定的運動關系。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)建運動的先決條件。當向一個裝配體中添加一個元件時，系統(tǒng)進入裝配約束操作界面。在設置連接約束時，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運動，運動類型與選取的連接類型有關。每一種連接類型都與一組獨立的幾何約束相關聯(lián)，而這些約束與傳統(tǒng)的Pro/E裝配約束（對齊、匹配）意義相同[5]。在設計一個機械裝配時，應當熟悉元件與裝配中其他各元件間相對運動關系和放置約束關系，以及該元件的自由度。例如：銷釘連接需要定義一個軸對齊和一個平面匹配（對齊）約束或點對齊約束，這樣銷釘連接就有一個旋轉(zhuǎn)自由度，這就意味著使用銷釘連接的元件可以相對于它所依附的元件旋轉(zhuǎn)，但不能在該元件上移動或移開，如圖2-1所示是輸入軸的銷釘連接：

由于銷釘約束是最基本的連接類型，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)仿真做準備。

3 建立動力模型

在Pro/E5.0中，單靠設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法移動或旋轉(zhuǎn)，必須對該連接組件的某些元件賦予動力，這樣元件才能夠做仿真運動。在機械操作環(huán)境中，伺服電動機能夠為機構(gòu)提供“動力”，而使用運動副可實現(xiàn)機構(gòu)中兩構(gòu)件互做相對運動的活動聯(lián)接。伺服電動機可規(guī)定機構(gòu)以特定方式運動（可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及平移運動），并且能夠以函數(shù)的方式定義運動輪廓。伺服電動機引起在兩個主體之間、單個自由度內(nèi)的特定類型的運動，將位置、速度或加速度指定為時間的函數(shù)，并可控制平移或旋轉(zhuǎn)運動。通過指定伺服電動機函數(shù)，可以定義運動的輪廓。允許用戶從多個預定義的函數(shù)中選取指定函數(shù)，也可輸入自己的函數(shù)，并且可以在一個圖元上定義任意多個伺服電動機。最終選擇輸入軸為運動軸，如圖3-1所示：

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

4 建立運動副

機構(gòu)的重要特征是構(gòu)件之間具有確定的相對運動，為此必須對各個構(gòu)件的運動加以必要的限制。在機構(gòu)中，每個構(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的連接，從而使兩個相互接觸的構(gòu)件之間的相對運動受到限制。兩個構(gòu)件之間的這種可動連接，稱為運動副。運動副限制了兩構(gòu)件之間的某些運動，而又允許有另一些相對動。兩構(gòu)件組成運動副時，構(gòu)件上能參與的點、線、面稱為運動副元素[6]。

由于該機構(gòu)屬于齒輪傳動，使用齒輪副可以控制兩個連接軸之間的速度關系，用以模擬齒輪系統(tǒng)的仿真運動。設計者可以方便地定義齒輪參數(shù)，從而大大提高了設計效率。齒輪副中的每個齒輪都需要定義兩個主體和一個約束集。第一個主體指定為托架，通常保持靜止。第二個主體能夠運動。根據(jù)所創(chuàng)建的齒輪副的不同，該運動副可分為“標準”和“齒條與齒輪”兩種類型。最終定義的齒輪副連接如圖4-1所示：

在裝配設計中，確定零件間運動關系，給定主動件的運動并且給個伺服電機，可以模擬顯示整個機構(gòu)的運動，通過動態(tài)仿真可以檢查機器各零部件間的位置約束和運動關系的正確性。

上述過程給出了行星齒輪減速扳手三維實體傳動之間連接的過程，其傳動部件的連接過程可以仿此進行。圖4-2是運動仿真圖片：

5 總結(jié)

Pro/E中的機構(gòu)運動仿真模塊Mechanism進行裝配模型的運動學分析和仿真，使得原來在二維圖紙上難以表達和設計的運動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機構(gòu)的設計開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。在Pro/Mechanism中創(chuàng)建的機構(gòu)，可以導入到Pro/E Mechanica motion中，以便進行進一步分析，或者將機械設計模型引入到設計動畫中。Pro/E運動仿真大大提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本。對于促進企業(yè)的技術(shù)的進步和發(fā)展具有良好的推進作用。

（下轉(zhuǎn)第285頁）

（上接第280頁）

參考文獻：

[1]日本工業(yè).技術(shù)展覽會.北京，1975.

[2]孫恒，陳作模.機械原理[M].第七版.高等教育出版社，2006.

[3]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].第八版.高等教育出版社，2010.

[4]周大偉.Pro/E參數(shù)化設計在直齒輪建模中的應用[J].河南科技，2014（11）：135.

[5]張延，胡修池.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0應用教程[M].機械工業(yè)出版社，2012.

[6]葉華.Proe（MXD）運動仿真與機構(gòu)運動分析實例[J].智能城市，2016（11）：96.

項目名稱：廣東理工學院精品資源共享課機械制圖與CAD（JPKC2015001）

作者簡介：黃永程（1989-），男，安徽宿州人，碩士，助教，研究方向：數(shù)字化設計與制造。

*為通訊作者