高性能齿轮传动数据库软件设计与开发 (1).pdf
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1、第2 9卷第8期计算机集成制造系统V o l.2 9N o.82023年8月C o m p u t e r I n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m sA u g.2 0 2 3D O I:1 0.1 3 1 9 6/j.c i m s.2 0 2 3.0 8.0 0 1收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 0;修订日期:2 0 2 3-0 2-2 1。R e c e i v e d2 0O c t.2 0 2 2;a c c e p t e d2 1F e b.2 0 2 3.基金项 目:国 家 重 点 研 发 计 划 资
2、 助 项 目(2 0 2 2 Y F B 3 4 0 2 8 0 1)。F o u n d a t i o ni t e m:P r o j e c ts u p p o r t e db yt h e N a t i o n a lK e y R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a m,C h i n a(N o.2 0 2 2 Y F B 3 4 0 2 8 0 1).高性能齿轮传动数据库软件设计与开发刘怀举+,张洪春,魏沛堂,贾晨帆,李 扬(重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 4 0 0 0 4 4)摘 要:针对我国高
3、性能齿轮传动基础数据管理不规范,齿轮传动数据库和设计软件功能欠缺等问题,设计了高性能齿轮传动数据库软件框架和数据库结构,基于C+语言、Q t应用程序框架和轻量化数据库引擎S Q L i t e开发了高性能齿轮传动数据库软件,并应用于齿轮行业设计分析和生产管理。该软件实现了齿轮材料、工艺、结构、性能等基础数据的高效流程管理和科学数据分析;开发了包括工况分析、寿命预测、轴承选型、结构优化等齿轮传动系统设计模块,实现复杂可变边界条件下齿轮传动系统设计和多目标优化;成功应用于同向平双齿轮传动系统减重、特种车辆重载齿轮数据整理分析等,为高性能齿轮传动行业提供自主可控的有效工具支撑。关键词:齿轮传动;数据
4、库;软件开发;多目标优化中图分类号:TH 1 3 2.4 1 文献标识码:AD e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fh i g hp e r f o r m a n c eg e a r t r a n s m i s s i o nd a t a b a s e s o f t w a r eL I U H u a i j u+,ZHANG H o n g c h u n,WE IP e i t a n g,J I AC h e n f a n,L IY a n g(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM e c
5、h a n i c a lT r a n s m i s s i o n s,C h o n g q i n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4,C h i n a)A b s t r a c t:T os o l v et h en o n s t a n d a r dm a n a g e m e n to fg e a rb a s i cd a t aa n df u n c t i o nd e f i c i e n c i e s i nd o m e s t i cg e a rs o f t-w a r e,a
6、H i g h-P e r f o r m a n c eG e a rT r a n s m i s s i o nD a t a b a s ea n dD e s i g nS o f t w a r e(H P G T D S)w a sd e v e l o p e db yu s i n gt h eC+p r o g r a mm i n gl a n g u a g e,t h eQ ta p p l i c a t i o nf r a m e w o r k,a n dt h eS Q L i t ed a t a b a s ee n g i n e.H P G T D
7、Sw a sa p p l i e d i n t h eg e a r i n d u s t r y f o r d e s i g n,a n a l y s i s,a n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t,e n a b l i n gh i g h-e f f i c i e n c y f l o wm a n a g e-m e n t a n ds c i e n t i f i cd a t aa n a l y s i so fg e a rm a t e r i a l s,m a n u f a c t u r i n g
8、p r o c e s s e s,g e a rs t r u c t u r e s,a n do p e r a t i n gp e r-f o r m a n c e.T h eg e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g nm o d u l e i n c l u d i n gw o r k i n g-c o n d i t i o na n a l y s i s,c y c l e-l i f ep r e d i c t i o n,b e a r i n gs e l e c t i o n a n d s t
9、 r u c t u r e o p t i m i z a t i o n f u n c t i o n s w a s d e v e l o p e d,t h u s t h e d e s i g n a n d m u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fg e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m sw i t hc o m p l i c a t e dv a r i a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r er e a l
10、 i z e d.HP G T D Sw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e d i nt h ew e i g h t r e d u c t i o no fac o-r o t a t i n gt w i n-s c r e wg e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dah e a v y-d u t yg e a rd a t a b a s eo fv e h i c l e s,p r o v i d i n ge f f e c t i v es u p p o r t f o r t
11、h eh i g h-p e r f o r m a n c eg e a r i n d u s t r y.K e y w o r d s:g e a r t r a n s m i s s i o n;d a t a b a s e;s o f t w a r ed e v e l o p m e n t;m u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n0 引言高性能齿轮是机械传动系统中的关键基础零部件,广泛应用于航空、航天、风电、舰船、车辆和机器人等重要工业领域,直接决定了装备和系统的服役性能和可靠性1-2。工业4.0的发展趋势亟需推
12、进信息化和工业化的深度融合,“制造强国”和制造业的转型升级对高性能齿轮的设计制造及数据库提出了迫切需求3-4。目前,我国齿轮行业存在基础数据管理不规范、设计效率低下、国产齿轮传动设计系统软件功能欠缺等问题,极大地限制了高性能齿轮传动的功率密度和可靠性等技术水平。因此,开发具有齿轮基础数据流程管理、高效数据分析处理方法、传动系统主动设计和多目标参数优化功能的高性能计算机集成制造系统第2 9卷齿轮传动数据库软件,是助力我国齿轮传动行业高质量发展的重要途径。从齿轮行业信息化来看,发达国家的齿轮设计、制造和数据库软件较为成熟。德国慕尼黑工业大学F Z G齿轮研究中心从2 0世纪中叶持续开展齿轮基础数据
13、建设,主导开发了软件F VA-W o r k b e n c h5,可对圆柱齿轮、伞齿轮、轴、轴承等传动件进行几何参数和承载能力计算,所建设的齿轮疲劳强度等基础数据支撑了I S O和D I N齿轮标准的制订;美国G l e a s o n公司通过并购K I S S s o f t软件6完成了高端与中低端齿轮设计软件的有机结合,实现了圆柱齿轮、圆锥齿轮、行星轮系齿轮及其轴系零件标准计算、3 D建模、运动学分析等全流程设计分析功能;美国俄亥 俄州立大学 齿轮实验室 开发的W i n d o w sL D P软件7可以对渐开线圆柱齿轮传动副的载荷分布、齿根应力、传动误差、油膜厚度和轮齿修形进行精确分
14、析;英国R o m a x和MA S T A系列软件8-1 1可完成齿轮传动系统的设计分析、动力学分析、动力学仿真和结构优化工作,广泛应用于风电、航空航天、汽车 等领域齿轮 传动系统的 设计分析;德 国MD E S I GN系列软件1 2-1 3可实现多级圆柱齿轮传动系统的载荷分析、修形优化、传动轮系的快速布置及有限元求解行星传动系统的变形情况;L I1 4开发的摆线齿轮减速器设计软件可快速计算齿轮参数和结构尺寸,有效优化并降低齿轮的载荷和接触应力;A R S L AN等1 5开发的汽车齿轮变速箱分析软件通过汽车变速箱齿轮传动系统运行仿真,能计算出变速箱传动比、行程、拖动力等参数,实现变速箱齿
15、轮传动系统的信息化设计。国内齿轮行业信息化也有了一些发展,针对齿轮设计、制造、测试等各流程环节已形成了一系列设计和生产专用系统或软件。针对齿轮加工设备,苏丹1 6研究并开发了滚齿机刀夹具智能选配与管理系统,为滚齿机刀夹具智能选配提供了理论和技术支持;白雪等1 7基于W e bs e r v i c e s设计开发了齿轮加工数字化车间刀夹具管理系统,实现齿轮加工刀夹具计划、置办、使用和维护的全寿命周期数字化管理。针对齿轮工艺开发,张宇等1 8设计开发了弧齿锥齿轮高速切削数据库,可以快速获取弧齿锥齿轮机床、夹具、工件、加工等技术参数;文献1 9-2 2 开发了A RM(a d v a n c e
16、dr i s cm a c h i n e)+D S P(d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r)+F P GA(f i e l dp r o g r a mm a b l eg a t ea r r a y)硬件平台下的嵌入式滚齿加工工艺数据库数控系统和珩齿工艺数据库系统,一定程度上提高了齿轮制造的自动化及信息化。针对齿轮设计分析,郑州机械研究所开发的齿轮传动C A D集成系统软件Z G C A D2 3,囊括了常见的齿轮传动设计计算方法,包含圆柱齿轮、锥齿轮、双圆弧齿轮等齿轮等参数化计算和绘图功能;陈家乐2 4通过.N E T丰富的应 用 程
17、序 接 口(A p p l i c a t i o n P r o g r a mm i n gI n t e r f a c e,A P I)将MAT L A B、M y S Q L、E x c e l等软件集成一体,设计开发了齿轮参数化设计软件,促进了减速器齿轮智能优化设计;Z HU等2 5编写了齿廓计算软件,并二次开发了基于S o l i d W o r k s的渐开线直齿圆柱齿轮的精度模型,实现修形齿轮的参数化精确建模、动态模拟和干涉检查。尽管国内出现了一系列齿轮建模设计、生产制造及数据管理软件,但是与R o m a x、MA S T A、K I S S s o f t等国外先进齿轮设
18、计分析软件依然存在巨大差距,导致国外齿轮传动设计软件占据国内绝大多数市场份额。国内齿轮行业基础数据匮乏、数据管理不规范,齿轮设计、工艺、试验等基础数据难以得到有效管理和分析利用;设计制造试验多流程协同开发场景缺失,国内软件大多是面向齿轮单个流程开发,只适合齿轮设计制造全流程中特定的场景。国内齿轮传动系统设计和优化软件少,功能欠缺,目前对于齿轮参数优化往往都是基于单一目标函数,缺乏传动系统的多目标全局优化;软件及功能模块难以有效支撑高性能齿轮设计、制造、试验全流程数字化与智能化,明显制约了我国高性能齿轮行业的发展水平和齿轮传动装置的技术指标。本文研究开发了一款面向我国设计、材料、工艺和服役环境的
19、高性能齿轮传动数据库软件,实现了高性能齿轮基础数据流程管理、数据分析处理、传动系统主动设计及多目标优化等模块功能创新,在齿轮行业设计分析和生产管理中得到应用,为高性能齿轮传动研发提供了有效的工具支撑。1 软件总体设计高性能齿轮传动数据库软件是实现齿轮传动系统高效设计、数据科学管理、试验规范操作和构建正向研发体系的重要技术平台。高性能齿轮传动类型多、要求高、工况复杂,设计和制造流程长,涵盖齿轮几何结构、疲劳性能、材料工艺等参数,类型众多、数量庞大2 6。因此,分析高性能齿轮传动设计需求和流程,开发的高性能齿轮传动数据库软件应实现以4152第8期刘怀举 等:高性能齿轮传动数据库软件设计与开发下功能
20、:齿轮材料、工艺、结构、试验、设备等参数的高效流程管理和数据分析;齿轮、轴、轴承等传动件参数精确计算和标准件选型;高性能齿轮传动系统结构设计、寿命校核和多目标优化。高性能齿轮传动设计与数据库软件基于客户端/服务器(C l i e n t/S e r v e r,C/S)形式的二层架构进行搭建,采用C+编程语言编写内核程序,利用Q t程序框架进行软件人机交互界面的设计,基于轻量型数据库引擎S Q L i t e实现底层数据库表的设计、管理和数据存储。同时,应用P y t h o n语言开发疲劳寿命数据分析、齿轮参数相关性和贡献度等算法模型,并将算法模型、M a t-p l o t l i b等第
21、三方库及运行依赖环境打包封装,通过C+程序预留的A P I进行算法模型调用。1.1 软件框架设计分析高性能齿轮传动设计和数据库软件的功能需求,并充分考虑软件后续完善与A P I接入需求,采用自顶向下的设计方法,从软件整体结构到各个局部结构逐级进行设计,得到完整的软件框架结构。如图1所示为软件框架结构图,软件框架分为系统平台层、数据层和应用层。其中,系统平台层主要包括操作系统、数据库和服务器引擎;数据层主要包括齿轮试验、齿轮几何、齿轮工艺、齿轮标准等数据库表;应用层是用户在屏幕上能直接看到和操作的部分,是软件功能模块的直接呈现。软件应用层共分为试验与数据管理、齿轮设计与分析、传动系统设计与优化、
22、系统后台管理4个模块。应用层中,试验与数据管理模块包括试验管理、基础数据库、数据分析3个子模块;齿轮设计与分析包括金属齿轮和塑料齿轮2个子模块;传动系统设计与优化模块包括工况输入、传动方案、齿轮设计校核、轴系设计校核和轴承选型设计5个子模块;系统后台管理包括个人中心、用户管理和权限管理3个子模块。以上4个模块相互关联,系统后台管理模块用于设置用户对另外3个功能模块的访问和操作权限;试验与数据管理模块为齿轮设计与分析模块、传动系统设计与优化模块提供数据支撑;齿轮设计与分析模块将数据库中的数据应用起来,并可将新设计的齿轮参数存储在试验与数据管理模块中;传动系统设计与优化模块和前两个模块关联,其中齿
23、轮、材料等数据来源于试验与数据管理模块,齿轮设计、校核等部分功能通过调用齿轮设计与分析模块实现。1.2 数据库设计数据库是该齿轮传动设计软件功能模块的基础,需要满足齿轮基础信息、齿轮试验参数等大量数据的存取、查询、删改等管理功能需求。根据软件功能框架,首先确定齿轮软件的整体概念模型,然后逐级分析并确定齿轮几何参数、齿轮材料参数、齿轮工艺参数等局部概念模型。齿轮传动设计中主要包含的实体集有试件、试件材料、试件工艺、加工试验设备、试验参数、润滑剂实体集等。实体集的属性主要包含齿轮齿数、模数、压力角、加载力、失效形式、疲5152计算机集成制造系统第2 9卷劳寿命、磨削速度、磨削深度等。根据上述描述建
24、立齿轮复杂数据间的实体关系和映射关系,绘制出如图2所示的高性能齿轮传动数据库软件的实体关系(E n t i t y-R e l a t i o n s h i p,E-R)图。根据概念模型向关系模型的转换规则,将概念模型图转换为齿轮传动数据信息表格及逻辑结构,根据关系规范化理论对关系模型进行减小冗余处理,为齿轮传动每一类数据创建数据表。以数据库概念模型图为基础,为齿轮传动中的实体建立相关数据表,建立了用户表、角色表、权限表、齿轮表、材料表、工艺表、试验表等齿轮传动软件包含的2 1张表。为了保证数据表项的完整性,邀请专业人员根据标准、规范对数据表项严格把关,反复核对和修改表项,并对数据表中每个字
25、段进行开会讨论和敲定。分析各表之间的相互关联关系以及表中的参数类型,设置各个数据表的数据类型、主键以及外键。在数据表中使用各表主键区别各个数据信息在数据库中的唯一性,并使用外键将各个表相互关联起来,建立了数据间的逻辑关系。2 功能模块开发2.1 系统后台管理模块系统后台管理模块用于提高软件的数据完备性,实现不同角色用户访问和操作权限分级管理,防止用户访问未授权数据或误操作删改数据库中数据,该模块包括个人中心、用户管理和权限管理3个子模块。如图3所示为软件的系统后台管理模块流程图,在用户进行登录并且身份验证成功后,系统会自动根据用户名在数据库中查询并返回当前用户对应的角色映射关系,根据返回的分配
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