[发明专利]一种基于梯度下降法的谐波减速器柔轮结构集成优化方法

摘要

本发明公开了一种基于梯度下降法的谐波减速器柔轮结构集成优化方法，采用梯度下降优化算法对谐波减速器柔轮的关键结构参数进行优化，本方法使用Solidworks对柔轮进行精确建模，建立带齿的柔轮参数化模型；创建.vbs文件，将建立的柔轮参数化模型导出为.igs文件进行ANSYS有限元的分析，提取有限元仿真中的最大应力，采用isight集成Solidworks、ANSYS和MATLAB对柔轮的优化参数、优化目标和约束进行定义，基于梯度下降优化算法对柔轮进行结构优化，最终得到了以柔轮体积最小，寿命达到额定寿命的柔轮结构参数。本发明使用的优化算法大大降低了优化迭代次数，考虑柔轮轮齿对谐波减速器应力和寿命的影响，建立了和实际工作情况相符的带齿的柔轮参数模型。

主权项

1.一种基于梯度下降法的谐波减速器柔轮结构集成优化方法，其特征在于：本方法的具体步骤如下：步骤一：使用SolidWorks软件建立谐波减速器关键部件刚轮、柔轮和波发生器的三维模型，为了更加符合谐波减速的实际工作情况，得出更加准确的仿真结果，增加优化结果的可靠性，建立带有精确渐开线齿廓的柔轮和刚轮优化模型，对建立的刚轮、柔轮、波发生器在SolidWorks软件中进行参数化处理，建立参数化三维模型，参数化的主要参数有柔轮的筒体长度L、柔轮内径R、柔轮齿圈前端圆角R1、柔轮齿圈末端圆角R2、光滑圆筒壁厚δ、齿圈壁厚δ1、齿圈宽度B；步骤二：建立SolidWorks的.vbs文件，在文件中输入模型参数化处理的命令，对柔轮结构参数进行命名并赋予其优化的初始数值，最后生成ANSYS仿真分析所需要的.igs模型文件；步骤三：运行步骤二所建立SolidWorks的.vbs文件，生成.igs模型文件，编写ANSYS命令流，通过命令流将.igs文件导入到ANSYS仿真软件中，对柔轮、刚轮和波发生器施加约束和载荷、设置接触对，对柔轮、刚轮、波发生器进行接触仿真分析，进行求解设置，输出柔轮在波发生器和刚轮共同作用下所产生的最大应力，并将分析结果输出到已经建立好的out.txt文件中；生成.lgw ANSYS命令流文件；步骤四：书写批处理文件，生成.bat文件，通过批处理文件，运行ANSYS软件，读取.lgw命令流文件自动执行命令流中的分析命令，生成out.txt文件；步骤五：建立MATLAB文件，在MATLAB文件中书写柔轮结构参数优化的约束函数和目标函数；本方法考虑柔轮的工作环境和使用过程中所遇到的问题，以柔轮体积最小为优化目标，以减速器的额定寿命和运转过程中的弯曲刚度为约束条件进行优化；柔轮体积V的目标函数表达式为：其中h为柔轮轮齿的全齿高，取h＝0.5mm；h1为柔轮杯底凸缘的厚度，取h1＝2mm；所以关于柔轮体积V的目标函数简化为：约束函数为：D——柔轮的弯曲刚度；E——弹性模量，MPa；δ1——柔轮齿圈壁厚，mm；ν——泊松比；L——柔轮筒长，mm；对柔轮进行疲劳寿命分析绘制出S‑N曲线，得到在保证谐波减速器产品额定寿命的条件下的最大应力，以此最大应力为参数优化的另一个约束条件；步骤六：使用isight软件集成SolidWorks、ANSYS和MATLAB软件，(1)首先将.vbs文件添加到SolidWorks组件中，以.vbs文件为输入文件，通过运行.vbs文件生成输出文件，定义文件中的结构参数，作为优化的输入参数，输出文件为柔轮、刚轮和波发生器的装配体模型文件，其格式为.igs格式，添加SolidWorks批处理文件到ANSYS组件中；(2)将.lgwAPDL文件添加到ANSYS组件中，作为ANSYS组件的输入文件，添加out.txt文件为ANSYS组件的输出文件，添加并定义文件中的输出参数，输出参数为最大等效应力S；同时添加ANSYS批处理文件到ANSYS组件中；(3)将.m文件作为命令文件添加到MATLAB组件中，.m文件中书写了柔轮优化的约束条件和目标函数，.m文件中的变量为柔轮的优化参数，优化参数主要有柔轮的筒体长度L、柔轮内径R、柔轮齿圈前端圆角R1、柔轮齿圈末端圆角R2、光滑圆筒壁厚δ、齿圈壁厚δ1、齿圈宽度B；步骤七：在优化组件(optimization)中选取优化算法，为提高计算速度，减少迭代的次数，采用梯度下降优化算法(LSGRG)对谐波减速器柔轮的关键结构参数进行优化；设置优化变量的参数范围，主要的优化变量为谐波减速器柔轮的筒体长度L、柔轮内径R、柔轮齿圈前端圆角R1、柔轮齿圈末端圆角R2、光滑圆筒壁厚δ、齿圈壁厚δ1、齿圈宽度B；，然后对优化约束条件和优化目标进行设置，以谐波减速器达到额定寿命时的应力S为最大应力和柔轮的扭转刚度为约束条件，以柔轮体积最小为优化目标进行优化。