目前齒輪的設(shè)計(jì)僅憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)（experience)進(jìn)行，設(shè)計(jì)的結(jié)果過于保守，為了減少機(jī)械設(shè)計(jì)過程(guò chéng)中不可控因素對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響(influence)，在產(chǎn)品(Product)開發(fā)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)用穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，并與其他設(shè)計(jì)專業(yè)軟件相結(jié)合，與數(shù)據(jù)庫(Database)、知識(shí)庫、專家?guī)煜噙B接，建立齒輪穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由方案設(shè)計(jì)模塊、參數(shù)(parameter)及容差設(shè)計(jì)模塊、參數(shù)化建模等模塊組成，實(shí)現(xiàn)了從方案設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)各個(gè)設(shè)計(jì)階段的穩(wěn)健性分析和穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。
    1.設(shè)計(jì)結(jié)果具有可行穩(wěn)健性在一般的機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，均是將設(shè)計(jì)參數(shù)作為確定值對(duì)待，而在實(shí)際工程中，這些值會(huì)發(fā)生一定的變差，從而導(dǎo)致質(zhì)量波動(dòng)，所以一般優(yōu)化設(shè)計(jì)的解是不穩(wěn)健的，本系統(tǒng)采用穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法克服了這種缺點(diǎn)，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。行星齒輪減速機(jī)相對(duì)其他減速機(jī),行星減速機(jī)具有高剛性,高精度(單級(jí)可做到1分以內(nèi)),高傳動(dòng)效率(單級(jí)在97%-98%),高的 扭矩/體積比,終身免維護(hù)等特點(diǎn)。
    2.優(yōu)良的方法庫根據(jù)穩(wěn)健優(yōu)化的實(shí)際對(duì)象的特點(diǎn)，齒輪穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)(system)的求解算法選用具有高度穩(wěn)健性并能進(jìn)行全局優(yōu)化的混合離散基因遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，最終可獲得較優(yōu)的解。
    3.共享數(shù)據(jù)庫機(jī)械中的零/部件是相互聯(lián)系、相互約束的，系統(tǒng)(system)中采用共享數(shù)據(jù)庫，把設(shè)計(jì)中所需要的基本數(shù)據(jù)及穩(wěn)健優(yōu)化的結(jié)果，存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，便于管理(guǎn lǐ)和使用。
    4.使用方便快捷該系統(tǒng)集的方案設(shè)計(jì)、零/部件的設(shè)計(jì)、建模于一體，能大大節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。
    二 體系結(jié)構(gòu)
    在方案設(shè)計(jì)階段，引入穩(wěn)?。╬rudent)性思想進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的功能和質(zhì)量準(zhǔn)則，確定總體性能方案，針對(duì)不同的方案進(jìn)行穩(wěn)健性分析和綜合評(píng)判，選擇性能穩(wěn)健性較好的方案，為詳細(xì)設(shè)計(jì)階段做準(zhǔn)備(ready)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，確定穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，建立穩(wěn)健性隨機(jī)模型，從而控制設(shè)計(jì)變量和噪聲因素的變差對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的影響，使設(shè)計(jì)結(jié)果滿足穩(wěn)健性要求，主要包括確定齒輪零/部件的質(zhì)量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)及容差設(shè)計(jì)三個(gè)模塊，這三個(gè)模塊可以分步使用，也可以并行使用。在獲得優(yōu)質(zhì)的參數(shù)組合后，建立數(shù)字化樣機(jī)，以進(jìn)行模擬仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)。所有的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)果都存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，便于使用和管理。
    三 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行
    1.方案(fāng àn)設(shè)計(jì)模塊
    方案設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中非常重要的一環(huán)，產(chǎn)品的性能、成本等指標(biāo)往往取決于方案設(shè)計(jì)階段.方案設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的、創(chuàng)造性的知識(shí)密集型勞動(dòng)。在這個(gè)階段設(shè)計(jì)者應(yīng)該正確地了解用戶的要求，運(yùn)用工程和科學(xué)知識(shí)提出滿足用戶要求的設(shè)計(jì)方案。但由于評(píng)價(jià)信息具有比較強(qiáng)的不確定性，要使評(píng)價(jià)結(jié)果盡可能合理，需要充分考慮各種波動(dòng)的信息源。因此在齒輪穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，方案設(shè)計(jì)模塊采用模糊穩(wěn)健性分析的方法對(duì)產(chǎn)品總體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的具體設(shè)計(jì)信息以及確定的評(píng)價(jià)目標(biāo)，考慮評(píng)價(jià)信息的不確定性，由質(zhì)量屬性隸屬度的波動(dòng)間接地反映方案的波動(dòng)，從而獲取穩(wěn)健性較好的設(shè)計(jì)方案，為了防止一層的指標(biāo)太多，權(quán)重不能很好地分配，該模塊可以對(duì)方案進(jìn)行多層質(zhì)量屬性的穩(wěn)健性分析。各個(gè)指標(biāo)項(xiàng)目及權(quán)重集等評(píng)價(jià)參數(shù)都存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，便于管理及使用。進(jìn)行穩(wěn)健性分析之前，先要清空結(jié)果庫，然后選擇質(zhì)量指標(biāo)的層數(shù)，并相應(yīng)地填寫指標(biāo)項(xiàng)及其權(quán)重。
接下來通過專家評(píng)價(jià)建立評(píng)價(jià)矩陣，評(píng)價(jià)矩陣中的元素需按列輸入便于程序處理。齒輪減速機(jī)是我國廣泛運(yùn)用在華東地區(qū)、華東地區(qū)、用于塔引入式起重機(jī)機(jī)械的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、起重、運(yùn)輸、水泥、建筑、化工、紡織、印染、制藥等領(lǐng)域。
    2.參數(shù)及容差設(shè)計(jì)模塊經(jīng)過方案設(shè)計(jì)后，得到了產(chǎn)品的總體技術(shù)設(shè)計(jì)方案，接下來的工作是確定具體尺寸和公差。參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)是穩(wěn)健設(shè)計(jì)的核心部分，也是齒輪穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的核心。參數(shù)設(shè)計(jì)的基本思想是合理選擇設(shè)計(jì)變量(Variable)，使干擾變量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)（Character)量的影響達(dá)到最小且成本較低。容差設(shè)計(jì)的過程是確定各參數(shù)最合適的容差，即在考慮各參數(shù)的波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特性值影響之后，從經(jīng)濟(jì)角度（angle)考慮是否需要對(duì)某參數(shù)的容差給予調(diào)整。因此從工程應(yīng)用觀點(diǎn)出發(fā)，提供多種穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型，如圖3所示。
    2.1齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)模塊
    選擇參數(shù)及容差設(shè)計(jì)菜單下的齒輪子菜單，彈出齒輪設(shè)計(jì)條件設(shè)置對(duì)話框，在這一級(jí)對(duì)話框中給出了齒輪設(shè)計(jì)所需的初始設(shè)
計(jì)條件，設(shè)計(jì)者首先選擇(xuanze)齒輪類型，接下來可根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求輸入原動(dòng)機(jī)輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速、比、壓力角、螺旋角等設(shè)計(jì)參數(shù)，以及工作情況、"嚙合（niè hé） "方式、大小齒輪材料、精度等級(jí)、應(yīng)用場(chǎng)合、主動(dòng)齒輪布置情況、預(yù)計(jì)工作年限及工作時(shí)間等內(nèi)容。設(shè)定的參數(shù)確認(rèn)無誤后，即可進(jìn)行穩(wěn)健優(yōu)化（optimalize）模型選擇并進(jìn)行求解。設(shè)計(jì)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(Database)并在結(jié)果框中顯示。
    2.2軸的參數(shù)(parameter)設(shè)計(jì)模塊
    在完成齒輪（Gear）的穩(wěn)健優(yōu)化后，從所得到的參數(shù)以及技術(shù)要求、布局條件出發(fā)，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)入軸系的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)校核模塊。硬齒面齒輪減速機(jī)傳動(dòng)的效率是所有傳動(dòng)式中效率最高的一種，其效率比蝸桿傳動(dòng)要高的多。齒輪減速機(jī)的效率主要由齒輪及軸承的摩擦決定。
    在此模塊中，首先根據(jù)軸的受力情況選擇轉(zhuǎn)軸模型，并輸入軸的功率和軸的轉(zhuǎn)速或從設(shè)計(jì)初始條件數(shù)據(jù)庫中提取參數(shù)。然后對(duì)軸的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括軸上力的大小，受力點(diǎn)的位置以及元件的直徑等內(nèi)容。系統(tǒng)將根據(jù)輸入的參數(shù)計(jì)算軸所受到的彎矩和扭矩，并將計(jì)算結(jié)果存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)為了更加直觀地反映軸的受力，系統(tǒng)還提供了繪制彎矩圖、扭矩圖和彎扭合成圖等功能，并且以報(bào)表的形式給出軸上各點(diǎn)的具體數(shù)值。通過(tōng guò)分析彎扭合成圖，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所確定的初始軸徑，確定軸上危險(xiǎn)截面的位置，進(jìn)行許用彎曲應(yīng)力的校核，校核成功后才能進(jìn)入抗疲勞穩(wěn)健設(shè)計(jì)模塊，否則需要返回，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
進(jìn)行穩(wěn)?。╬rudent)優(yōu)化時(shí)，需要設(shè)定設(shè)計(jì)變量的取值范圍和容差范圍。對(duì)于材料的疲勞極限值的設(shè)定，使用者可自行填寫，也可查詢軸的材料庫獲得極限應(yīng)力值。
    考慮到載荷的變差，故還需設(shè)定載荷的波動(dòng)比例值，為了減少查閱資料的時(shí)間，系統(tǒng)(system)中已經(jīng)建立了有效應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)據(jù)庫、尺寸系數(shù)數(shù)據(jù)庫、表面加工系數(shù)數(shù)據(jù)庫等知識(shí)庫，針對(duì)不同的應(yīng)力集中只要選擇(xuanze)相應(yīng)的按鈕并進(jìn)行相關(guān)數(shù)值的輸入后，系統(tǒng)即會(huì)查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，獲得均值及標(biāo)準(zhǔn)差。整個(gè)優(yōu)化過程通過(tōng guò)遺傳算法求解模塊進(jìn)行。
    3.建模模塊
    為了便于設(shè)計(jì)結(jié)果的進(jìn)一步分析，基于VC++對(duì)UG進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了零/部件參數(shù)(parameter)化建模模塊，參數(shù)建模所用的幾何參數(shù)從設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中提取，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵零/部件的快速設(shè)計(jì)。建模模塊包括用的主要零/部件，如軸的建模、齒輪的建模及軸承的建模等。
    四 結(jié)語
    本文基于VC++平臺(tái)，研制了齒輪的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了模塊化思想，力求以實(shí)現(xiàn)開放性、可拓展性和可移植性為目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)齒輪穩(wěn)健性分析和關(guān)鍵零/部件的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能。使用該系統(tǒng)可以使齒輪的設(shè)計(jì)過程簡單快捷、設(shè)計(jì)速度大大提高，同時(shí)采用穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品(Product)質(zhì)量(Quality)，因此在工程實(shí)際中有著廣泛的使用價(jià)值。