稳健优化设计及其在摆线针轮减速机中的应用研究 机械电子工程专业毕业设计 毕业论文.doc
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1、 江苏科技大学本 科 毕 业 设 计(论文)学 院 机械工程学院 专 业 机械电子工程 学生姓名 班级学号 指导教师 二零一零年六月江苏科技大学本科毕业论文稳健优化设计及其在摆线针轮减速机中的应用研究Study on Modern Robust Optimal Design and Key Technology of its Application in cycloid speed reducer(理工类):江苏科技大学毕业论文(设计)任务书学 院:张家港校区 专 业:(张家港)机械电子工程 学 号: 姓 名: 指导教师: 职 称: 教授 2010年 2 月 20 日 毕业设计(论文)题目:稳
2、健优化设计及其在摆线针轮减速机中的应用研究一、毕业设计(论文)内容及要求(包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等)1、 熟悉稳健设计理论及方法,查阅文献资料,给出文献综述2、 结合摆线针轮减速器,采用稳健设计方法对其进行设计摆线针轮减速器的给定参数如下:输入功率NH=5.5KW 输入轴转速nH=1500转/分传动比I=29每天工作8小时 工作平稳3、 绘制摆线针轮减速器总装图及部分部件图(运用UG、CAD实现)4、 外文文献资料翻译5、 毕业论文二、完成后应交的作业(包括各种说明书、图纸等)1. 毕业设计论文一篇;2. 外文译文一篇;3. 机械装配图、零件工程图一套;4.零件三维造型
3、;5.软件原型系统。三、完成日期及进度自 2010年3月22日起至2010年6月11日止。进度安排:3.13.24, 搜集、阅读资料,调研;3.243.27, 整理资料,并完成开题报告;3.284.10, 稳健设计理论学习;3.284.10, 绘制工程图;翻译;4.114.25, 系统体系结构研究,三维造型;4.265.5, 软件操作训练;5.66. 1, 完成原型系统开发,准备论文提纲;6. 26.11, 毕业论文书写、并准备论文答辩。 6. 126.13, 论文答辩。四、同组设计者(若无则留空): 五、主要参考资料(包括书刊名称、出版年月等):1 李泳鲜,孟庆国,姬振豫.机械稳健设计的研究
4、概况与趋势J.工程设计,1991:142 韩之俊主编.三次设计M.北京:机械工业出版社,19923 Thomas B. Barber, Quality Engineering By Design:Tagchis Philosophy. Quality Progress,1986:3242.4 陈立周.稳健设计M.北京:机械工业出版社,1999,125Shoemaker AC, Tsui KL Wu CFJ. Economical experimentation methods for robust designJ.Techno metrics 1991,33(4):4154277 Dary P
5、regibon. Review of generalized linear models J. The Annals of Statistics, 1984,12(4):158915968 张端红,孙力峰,段国林等.基于工程模型现代稳健化设计J.河北工业大学学报,1999.19 陈建江,钟毅芳,肖人彬.基于正交试验的稳健优化设计方法及其工程应用J.中国机械工程,2004,15(4):28328610 李泳鲜,李自贵.三次模糊设计在工程机械中的应用方法J.工程机械,2000(9):202311 郭惠昕.产品质量的模糊稳健性研究及模糊稳健优化设计方法J.中国机械工程,2002,13(3):4745
6、12 刘佳.基于随机模拟试验的稳健优化设计方法研究硕士论文.昆明:昆明理工大学,2002.313 陈立周,何晓峰,翁海珊等编著.工程随机变量优化设计方法M.北京:科学出版社,1997 系(教研室)主任: (签章) 年 月 日 学院主管领导: (签章) 年 月 日注:1、如页面不够可加附页 2、以上一四项由指导教师填写摘 要随着人们对于产品质量的要求越来越高,稳健设计在工业中的应用显得愈来愈重要,特别是优化设计与稳健设计的结合正在受到人们的高度关注。稳健优化设计思想应贯穿于整个设计过程中,在产品的方案设计、参数设计和工艺设计中都可以运用稳健优化设计的方法以确保产品的质量性能。摆线针轮行星减速器作
7、为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高的特点。在很多情况下,它可以代替一般多级圆柱齿轮传动或蜗杆传动。摆线针轮传动已经受到了国内外的广泛重视,正日益增多地应用在许多工业部门中。本论文将稳健优化设计运用于摆线针轮行星减速中,将目标函数及约束条件的灵敏度最小作为附加目标函数引入摆线针轮行星减速器的优化设计模型中,通过实例计算表明该方法能够保证最优点的可行稳健性,达到稳健优化设计的要求。关键词:稳健优化设计;摆线针轮行星传动;减速器;灵敏度分析AbstractThe application of robust design in industry is more and more imp
8、ortant. Especially the combination of optimal design and robust design is of interest currently. The thought of robust optimal design should be embodied in the whole design process. In the phase of conceptual design and detailed design, robust optimal design methods can be used to insure the quality
9、 of product.The cycloidgear reducer is one of the most important transmission components of the pumping unit by its smaller volume,lighter weight and effective transmission. In many cases, it can replace the general multi-stage cylindrical gear drive or worm drive. Cycloid drive has been extensive a
10、ttention both at home and abroad, and is increasingly used in many industrial sectors.This thesis uses the robust optimal design methods into the Cycloid drive. Advances a kind of method that puts sensitivity analysis of target function and restriction conditions into optimal design of cycloid cam p
11、lanetary speed reducerAn applied example shows that the method can improve feasibility robustness of optimal result and enhance sensitivity robustness of quality functionKey Words: Robust optimal design; cycloid cam planetary transmission; speed reducer; sensitivity analysis目 录第一章 绪论11.1 课题的背景及意义11.
12、2 稳健设计的研究概况21.2.1 传统稳健设计方法21.2.2 现代稳健设计方法41.3 研究现状51.4 课题研究内容及章节安排61.4.1 课题研究内容61.4.2 章节安排71.5 小结7第二章 稳健优化设计理论体系82.1稳健优化设计基本原理82.1.1功能参数分类82.1.2 稳健优化设计的一般模型92.2 产品质量稳健性指标112.2.1 部分缺陷112.2.2功能特性指数112.2.3质量损失函数132.3稳健性指标的获取方法162.3.1试验设计(DOE)162.3.2质量准则的随机性分析182.4小结22第三章 摆线针轮减速器传统设计计算233.1 摆线针轮传动的原理233
13、.2 摆线针轮的结构243.3摆线针轮传统设计计算26第四章 摆线针轮减速器的稳健优化设计334.1 基于最小灵敏度的工程稳健优化设计模型334.2 摆线针轮减速器稳健优化数学模型344.2.1 确定设计参变量344.2.2 确定约束条件354.2.3 确定目标函数374.2.4 多目标优化模型的求解374.3 计算实例与分析384.4 小结39第五章 稳健优化设计软件原型系统的开发405.1 软件系统整体设计405.2 系统实现与运行405.2.1 系统主界面405.2.2系统主要模块415.3 运行实例455.4 小结47第六章 摆线针轮减速器关键零件的CAE分析486.1 系统环境介绍4
14、86.1.1 PRO/E概述496.1.2 ANSYS概述496.2 摆线轮的三维实体建模496.2.1 摆线副共轭齿廓的形成原理496.2.2 主要设计步骤506.3 摆线轮的有限元分析516.3.1 PRO/E中模型导入ANSYS中的探讨526.3.2 摆线轮的有限元分析53总结58致谢60参考文献61第一章 绪论1.1 课题的背景及意义进入21世纪以来,随着经济全球化的发展,市场竞争日趋激烈。人民生活水平不断提高,购物观念日趋成熟,产品消费面向多元化。另外,科技水平的不断提高,使得生产工艺和经营理念也在不断进步。在这种情况下,产品的竞争已不再局限于价格的竞争,质量竞争逐渐转变为市场竞争的
15、主要形式。因此,产品质量成为判别企业竞争力高低和企业能否在全球竞争中生存的决定性因素。在我国质量不稳定是产品普遍存在的问题,提高产品质量稳定性是我国产品赶超国际先进水平的关键所在。多年来,质量控制实施的阶段和方法在不断变化。传统方法是在生产线上布置大量的检测人员,由这些检测人员检测产品的质量是否符合要求,那时人们认为质量是检测出来的。后来随着统计技术的利用,人们开始发展和采用统计过程控制(SPC:Statistical Process Control)技术来控制生产过程,并保证在生产过程中获得人们期望的质量。于是观念转变为质量是生产出来的。但是,随着工业生产的发展,产品的功能和结构日趋复杂,产
16、品设计在整个生命周期内占有越来越重要的位置,产品质量保证也由过去的以纠正、控制为主向着预防为主发展。研究表明,设计阶段实际投入的费用只占总成本的5%,但却决定了产品质量和总成本的70%80%。由此可见,质量首先是设计出来的,这是产品质量保证的首要环节,是质量保证得以实施的源头,是生产质量实现的前提。提高产品的质量及其稳定性应从传统的生产过程质量控制向产品设计/开发质量控制转变,从质量过程控制向前推进到设计过程控制。针对这种需要,研究有关面向产品质量设计(DFQ)的理论和方法,对提高产品质量,增强企业的市场竞争力具有重要的理论意义和实用价值。根据这种指导思想,在设计领域逐渐发展了一种面向产品质量
17、、提高产品性能稳健性的新设计方法,即稳健设计(Robust Design)。稳健设计的出发点是力图将产品质量与设计过程有机地结合在一起,在设计阶段尽可能准确地把握用户需求,及早地考虑到产品全寿命周期内下游阶段的众多质量因素,以减少由于设计质量问题带来的反复修改所造成的人力、物力和时间上的巨大浪费,确保产品质量,缩短开发周期,降低产品的成本。1.2 稳健设计的研究概况近年来,稳健设计方法作为一种保证产品质量的有效设计方法,已经在电子、化工、机械、航空航天等诸多领域得到重视和应用。并且从原来的试验设计发展到与优化设计方法相结合,运用计算机技术,扩充了稳健设计的适用范围,形成了新型的稳健优化设计方法
18、。目前有关工程稳健设计的方法大体上可分为两类:一类是以经验或半经验设计为基础的方法,统称为传统的稳健设计方法;另一类是以工程模型为基础的方法,并与优化技术相结合称为工程稳健优化设计方法,主要有容差多面体法、灵敏度法、变差传递法、随机模型法等。1.2.1 传统稳健设计方法(1)三次设计法 稳健设计方法的研究与使用始于第二次世界大战后的日本,田口玄一博士(Dr. Genichi Taguchi)于本世纪70年代创立了三次设计法(Three stage design),确立了稳健设计的基本原理,奠定了稳健设计的基础,并将稳健设计方法广泛地应用于各种问题,成为日本工业迅速发展的重要因素。 三次设计理论
19、是将传统的试验设计即正交试验设计应用于质量工程的一种系统化设计方法,其核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制,试图用最低的制造成本生产出满足顾客要求的、对社会造成损失最小的产品。三次设计在设计步骤上,将传统的两段设计方法改变为三阶段设计方法,即将产品设计分成系统设计、参数设计和容差设计3个阶段。在设计目标上,不仅如传统设计中要求的那样,使产品达到目标值,而且要使产品保证性能稳健可靠,具有较强的抗干扰能力。国外又将三次设计称做健壮设计或鲁棒设计。系统设计是根据产品规划所要求的功能,利用专业知识和技术,对该产品的整个系统结构和功能,包括原材料、零部件及组装系统进行设计和选择,相当于传统的概念设计和
20、结构设计。参数设计阶段是三次设计的重点,传统的参数设计方法是通过实验设计(DOE)来确定产品参数值和工艺操作水平,使得干扰因素对质量的影响最小。参数设计包括两项主要内容:第一项是考虑各种因素,选择最佳参数值,使产品的质量性能对种种干扰的反应“不灵敏”;第二项是减少各种干扰因素的“干扰性”。容差设计的目的是确定各个参数误差范围的大小。在一个系统中,各个参数对系统输出特性的影响大小取决于误差的传递路线。容差设计的基本思想是对于系统输出特性值影响大的参数给予较小的公差值,对于系统输出特性值影响小的参数给予较大的公差值,从而在保证质量的前提下使产品(系统)的总成本最小。三次设计法是一种有效提高和改进产
21、品质量的工程设计方法,此方法已愈来愈受到学术界和工程界的高度重视。目前在我国该技术普遍应用于医药、石化、电子、化工、机械、轻工等各种工业,不仅可用于提高新产品的开发设计质量,还可用于改进现有老产品的质量。对于产品配方优选及参数优化尤为有效。此法的优点如下:设计变量可以是连续变量、离散变量甚至非数值型变量;优化过程对模型的连续性和可微性等数学性态要求不高,从而可求解相当复杂的模型;通过正交表的统计分析,可以定量地了解各设计参数对目标性能的影响;求得的解无需再圆整或标准化,可以直接运用于工程。但使用这种方法时必须要事先知道最优解的大致范围和水平,否则就需要通过多轮的正交试验求解,从而明显降低了计算
22、效率。2)基于响应面模型的稳健设计 响应面法(Response Surface Methodology-RSM)是以统计试验和方差分析为基础的用于处理多变量问题建模和分析的一套统计处理技术。将响应面法应用与稳健设计一般分为参数筛选、区域寻优和优化三个阶段。此法优点:由于其实验目的是拟合响应面数学模型,故试验次数较少且是半试验性的,最佳参数水平组合则通过理论计算得出,从而克服了田口方法预先要知道解的大致范围的不足,适用于较多设计变量的复杂问题。缺点:对试验中所缺失的数据非常敏感,所得结果会出现较大误差;当参数维数较高或噪声因素之间出现相关时,模型的拟合将非常复杂和困难。因此现时流行使用的是计算机
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