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1、0 机械前沿讲座课程论文机械前沿讲座课程论文机械前沿讲座课程论文机械前沿讲座课程论文 2KH 型行星齿轮传动遗传算法优 化与参数化设计平台研究 专专专专业：机械设计及理论业：机械设计及理论业：机械设计及理论业：机械设计及理论 学学学学院：动力与机械学院院：动力与机械学院院：动力与机械学院院：动力与机械学院 姓姓姓姓名：名：名：名： 学学学学号：号：号：号： 1 目目目目 录录录录 目目 录录1 摘摘 要要2 第一章第一章 引言引言3 1.1 概述3 1.2 遗传算法优化3 1.3 参数化设计4 第二章第二章 行星齿轮参数化建模系统行星齿轮参数化建模系统5 2.1 系统概述5 2.2 系统框架6
2、 2.3 系统开发的设计流程6 第三章第三章 VBVB 与与 MATLABMATLAB 和和 CATIACATIA 链接链接 7 3.1 VB 与 MATLAB 数据接口7 3.2 VB 与 CATIA 的链接8 第四章第四章 遗传算法优化遗传算法优化10 4.1 遗传算法简介10 4.2 遗传算法原理10 4.3 遗传算法的 MATLAB 实现12 4.4 2K-H 型行星齿轮遗传算法优化模型12 第五章第五章 齿轮参数化建模与装配齿轮参数化建模与装配14 5.1 齿轮精确参数化建模14 5.2 行星齿轮的自动装配16 第六章第六章 2K2KH H 型行星齿轮传动遗传算法优化与参数化设计实例
3、型行星齿轮传动遗传算法优化与参数化设计实例 16 6.1 遗传算法优化17 6.2 行星齿轮参数化建模18 第七章第七章 总结总结18 参考文献参考文献19 2 摘 要 针对当前行星齿轮设计与开发过程中存在建模精度不够、 设计周期长以及设 计存在优化空间的问题， 开发了一个基于精确模型的行星齿轮参遗传算法优化与 参数化设计平台。该平台先运用 MATLAB 对参数进行遗传算法优化，再运用数据 库技术和编程语言 Visual Basic，利用 MATLAB 强大的数值计算功能获取精确的 齿廓线坐标，通过 Visual Basic 调用 CATIA 宏命令自动读取轮廓坐标数据，完 成行星齿轮精确的三
4、维模型参数化设计与自动装配，实现了设计知识的重用， 有 效地提高了行星齿轮的建模精度和产品的设计效率。 关键词：行星齿轮；遗传算法；参数化设计关键词：行星齿轮；遗传算法；参数化设计 3 第一章第一章第一章第一章 引言引言引言引言 1.11.11.11.1 概述概述概述概述 行星齿轮传动是机械设计中一种常用的构件，应用非常广泛。与普通 齿轮传动相比 行星齿轮传动具有体积小、重量轻，承载能力大， 工作平 稳等优点。 NGW型行星齿轮传动，更具有效率高的优点 它的单级效率可达 98 以上。体积可比普通圆柱齿轮减速器小l4-l2。因此，这种传动 被广泛应用于轻重工业、农业、化工及国防工业等部门。 （双
5、级NGW型行星 齿轮传动优化设计） 行星齿轮传动的缺点是结构复杂、制造精度要求高，设计中要求考虑的 问题错综复杂，计算量大。传统的齿轮减速器设计通常是设计人员凭借经 验采用类比、试凑等方法，其设计过程周期长，重复劳动多，很多设计都 有很大的优化空间，不能适应现代企业生产和市场竞争的需要。 1.21.21.21.2 遗传算法优化遗传算法优化遗传算法优化遗传算法优化 遗传算法(GA)是模拟遗传选择和生物进化过程的计算模型，它具有简 单通用、鲁棒性强、适于并行处理及高效实用等显著特点，在各个领域得 到了广泛应用。其本身并不要求对优化问题的性质做一些深入的数学分析， 从而对不太熟悉数学理论和算法的使用
6、者来说，无疑是方便的。行星齿轮 传动在工程中得到广泛应用，可以利用MATLAB遗传工具箱或者编写程序， 对2K-H型行星齿轮传动进行优化。MATI AB语言使人们从繁琐的程序代码中 解放出来，它具有强大的科学计算与可视化功能，特别是附带的多种功能 的工具箱，使其在许多领域中成为计算机辅助设计和分析、算法研究及应 用开发的首选平台。 机构设计优化属于非线性约束优化问题,并且它的目标函数复杂,采用传统 的算法往往搜索不到全局最优解。 遗传算法(简称GA)不要求目标函数和约束是可 微的,计算效率比较高,搜索结果的最好个体在概率意义上代表全局最优解,因此, 4 这一算法在机构设计领域开始逐渐得到了应用
7、。 1.31.31.31.3 参数化设计参数化设计参数化设计参数化设计 参数化设计是 Revit Building 的一个重要思想，它分为两个部分：参 数化图元和参数化修改引擎。Revit Building 中的图元都是以构件的形式 出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了 图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技 术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联 的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都 通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起 的参数变化会引起相关构件的参数产生关
8、联的变化，任一视图下所发生的 变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性， 毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。 用 CAD 方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开 发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配 验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修 改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任 意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状 的零件模型。 在 CAD 中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型 表示了零件图形的几何约束和工程
9、约束。几何约束包括结构约束和尺寸约 束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、 对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、 半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它 们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。 在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计 要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且 要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类： 其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信 5 息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能
10、够 自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正 是体现了设计人员的设计意图。 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设 计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数 化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方 法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。 本文采用CATIA软件作为参数化建模软件。CATIA软件是法国达索飞机 公司开发的高档擦掉CAD/CAM软件。CATIA软件以其强大的曲面设计功能而 在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。CATIA的曲面造型功能体 现在它提供了极
11、丰富的造型工具来支持用户的造型需求。比如其特有的高 次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的 苛刻要求。 CATIA采用统一的数据库，集三维实体、曲面造型、装配造型、三维工 程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、钣金设计、加工和装配工 艺过程设计等功能于一体，特别是其全参数化和相关功能强大的实体造型 技术，为设计提供了很大的方便。 第二章第二章第二章第二章 行星齿轮参数化建模系统行星齿轮参数化建模系统行星齿轮参数化建模系统行星齿轮参数化建模系统 2.12.12.12.1 系统概述系统概述系统概述系统概述 该参数化设计系统，将数据库技术和编程语言 Visual
12、 Basic（简写 VB）运 用于齿轮的设计中，并集成了 MATLAB 的数值计算和 CATIA 强大的参数化建模功 能， 为设计者开发了一个能实现行星齿轮中各齿轮精确建模与参数化设计的交互 式系统。该系统联合 VB 与 MATLAB 对 CATIA 进行二次开发，设计者使用时只需输 入设计行星齿轮的初始参数或对已有模板进行少量修改，系统便会先调用 MATLAB 完成齿轮复杂轮廓线坐标计算，然后通过 VB 调用 CATIA 宏命令自动读取 轮廓坐标数据 7，完成齿轮的三维建模，并将三维齿轮模型装配成行星齿轮传动 系统。基于该系统，可以完成齿轮的精确建模与参数化设计，使企业的设计知识 6 得以重
13、用，大大提高产品的设计质量和对市场的快速响应能力。 2.22.22.22.2 系统框架系统框架系统框架系统框架 行星齿轮参数化设计系统的总体框架如图1，主要有人机交互界面、参数化 设计管理平台、计算平台、CAD精确建模和数据库模块等组成。计算平台是利用 MATLAB强大的数值计算和数据处理功能完成齿轮复杂轮廓坐标点的计算；CAD建 模模块是利用CATIA宏命令读取轮廓坐标数据完成齿轮三维精确建模；知识库主 要是将设计经验、行业标准以及设计规则等知识融入三维精确造型设计中；数据 库系统采用SQL Server2005，主要用于管理设计过程中的数据信息，解决行业信 息共享的问题，通过全面的功能集成
14、、为企业提供一个完整、高效的数据解决方 案。计算平台和CAD建模模块通过二次开发和接口程序与参数化设计管理平台实 现链接 8。 2.32.32.32.3 系统开发的设计流程系统开发的设计流程系统开发的设计流程系统开发的设计流程 系统设计流程如图 2 所示，设计者使用时从界面对话框中输入初始参数， 该 系统先调用知识库系统相关知识对条件进行分析、判断，如果输入参数不满足知 识库要求，系统返回初始界面，要求用户重新输入；当输入参数满足知识库要求 时系统便调用 MATLAB 的遗传工具箱进行行星齿轮结构优化，然后调用 MATLAB 对行星齿轮中各齿轮轮廓线的一系列点的坐标值求解，之后将计算结果导入
15、excel 文件，然后通过 VB 建立 excel 文件与 CATIA 的连接，CATIA 通过宏命令自 动读取 excel 数据点4，并将这些数据进行重构，实现齿轮复杂轮廓的高精度 建模与参数化设计，设计者还可调用知识库知识对三维模型进行判断，检验其是 否满足有限元分析、NC 加工、快速成型等的设计要求，如果不满足设计要求， 系统返回初始界面，要求用户重新输入；如果满足条件则输出二维工程图、NC 加工程序等设计结果，并将本次设计的相关数据信息放入数据库系统进行存储， 方便下次设计时重新调用与修改。 7 设 计 者 人机交互界面 参数化设计管理平台 二次开发接口 计 算 平 台 (MATLAB
16、) C A D平 台 (CATIA) 数 据 库 系 统 （SQL serve） 知 识 库 系 统 规 则 库 知 识 推 理 算 法 库 输 入 参 数输 入 参 数 M ATLABM ATLABM ATLABM ATLAB遗 传 算遗 传 算 法 优 化法 优 化 基 于基 于M ATLABM ATLABM ATLABM ATLAB的的 轮廓线坐标计算轮廓线坐标计算 获 取 坐 标获 取 坐 标 计 算 结 果计 算 结 果 调 用调 用CATIACATIACATIACATIA 参数化精确建模参数化精确建模 结果存储与输出结果存储与输出 V B MATLAB 知 识 判 断 合 理 开
17、始 知 识 库 系 统 不 合 理 知 识 判 断 合 理 不 合 理 图 1 系统开发总体框图图图 2 系统开发设计流程 第三章第三章第三章第三章 VBVBVBVB 与与与与 MATLABMATLABMATLABMATLAB 和和和和 CATIACATIACATIACATIA 链接链接链接链接 3.13.13.13.1 VBVBVBVB 与与与与 MATLABMATLABMATLABMATLAB 数据接口数据接口数据接口数据接口 VB与 Matlab的连接： 利用VB 创建参数输入交互界面， 然后建立VB和 Matlab 的自动化连接，就可以在 VB 编写的应用程序中调用 Matlab 的命
18、令。首先在变量 声明部分进行定义：Dim Matlab as Object；然后在 Form_Load()部分用 set 语 句建立 VB 和 Matlab 的连接： Set Matlab=Create Object(“Matlabapplication”) MatlabVisible=False 这样就可以在 VB 中对 Matlab 对象进行操作，如同操作 VB 中的其他对象一 样。 Matlab 接受 VB 输入数据方法：VB 应用程序与 Matlab 集成借助 ActiveX， ActiveX 部件是 Microsoft 公司提供的一种用于模块集成的新协议,可以保证 VB界面输入的参数
19、能正确地传入Matlab 9。 Matlab支持ActiveX服务有Execute、 GetFullMatrix 和 PutFullMatrix 等方法。本次设计使用 Execute 方法，用来在 Matlab 中执行一条指令，将一个命令字符串作为变量并返回一个字符串。 VB程序接受Matlab输出的计算结果：Matlab接受VB输入数据并进行计算后， 8 调用Matlab中的内置函数csvwrite将计算结果保存为文本文件 9。然后利用VB中 Open语句打开文件，用Input#语句读取数据。 3.23.23.23.2 VBVBVBVB 与与与与 CATIACATIACATIACATIA 的
20、链接的链接的链接的链接 CATIA系统是一个集二维工程绘图、线框造型、曲面造型、实体造型、特征造 型等多种造型方法相结合，参数化和非参数化相混合的混合造型系统。CA TIA 系统与VB具有无缝接口，从而使基于CATIA系统的二次开发更加便捷。用VB编程 语言可以实现直接创建对象来调用CATIA系统。CATIA系统中的宏命令用VBA和 VBScript语言编写,实现VB和CATIA的链接，首先要定义CATIA对象，定义的对象、 变量可以是CATIA支持的所有类，下面是链接CATIA的代码 10： Dim CATIA As Object On Error Resume Next Set CATIA
21、= GetOject(,”CATIA.Application”) If Err.Number” x=excel.worksheets(1).cells.range(“B” Mai, Yun-Fei; Fan, Da-Fei; Jiang, Ai-Hua. Research on the system of optimization design and parametric modeling for gear drive based on Pro/EngineerJ Journal of University of Shanghai for Science and Technology,200
22、5,27:560564 3 Rui Li, Tian Chang, Jianwei Wang, Xiaopeng Wei, and Jinming Wang. Multi-objective Optimization Design of Gear Reducer Based on Adaptive Genetic Algorithms, AIP Conf. Proc. 1060, 273 (2008) 4 Marcelin, J.L. Genetic optimisation of gears, International Journal of Advanced Manufacturing T
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32、蒈螀袁莀蒇薀膇芆蒇蚂羀膂蒆螅膅肈蒅袇羈莇蒄薇螁芃薃虿羆膈薂螁蝿肄薁蒁羄羀薁蚃螇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇薇蚀袄莆蚆螂聿节蚅袄袂膈蚅薄肈膄芁螆袀肀芀衿膆莈艿薈罿芄艿蚁膄膀芈螃羇肆莇袅螀莅莆薅羅芁莅蚇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚁肂莇莂螄袅芃莁袆肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈螀袁莀蒇薀膇芆蒇蚂羀膂蒆螅膅肈蒅袇羈莇蒄薇螁芃薃虿羆膈薂螁蝿肄薁蒁羄羀薁蚃螇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇薇蚀袄莆蚆螂聿节蚅袄袂膈蚅薄肈膄芁螆袀肀芀衿膆莈艿薈罿芄艿蚁膄膀芈螃羇肆莇袅螀莅莆薅羅芁莅蚇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚁肂莇莂螄袅芃莁袆肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈螀袁莀蒇薀膇芆蒇蚂羀膂蒆螅膅肈蒅袇羈莇蒄薇螁芃薃虿羆膈薂螁蝿肄薁蒁羄羀薁蚃螇荿薀螆肃芅蕿袈袆膁薈薇肁肇薇蚀袄莆蚆螂聿节蚅袄袂膈蚅薄肈膄芁螆袀肀芀衿膆莈艿薈罿芄艿蚁膄膀芈螃羇肆莇袅螀莅莆薅羅芁莅蚇螈芇莄袀肄膃莃蕿袆聿莃蚁肂莇莂螄袅芃莁袆肀腿蒀薆袃肅葿蚈肈羁蒈螀袁莀蒇薀膇芆蒇蚂羀膂蒆