肖啟明，蘇道齊，陳冀文，余海燕

（重慶三峽學(xué)院，重慶 404000）

虛擬設(shè)計與虛擬裝配，作為一種前沿的科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)廣泛使用在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、制造等關(guān)鍵領(lǐng)域。虛擬設(shè)計與虛擬裝配，大多是基于三維軟件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，本文選用通用三維軟件SolidWorks對二級齒輪減速器進(jìn)行零部件的設(shè)計、裝配、齒輪減速器的干涉檢查、運(yùn)動仿真等，真實再現(xiàn)了齒輪減速器的結(jié)構(gòu)，模擬了齒輪減速器的工作情況。該技術(shù)的運(yùn)用，在很大程度上縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，同時能對產(chǎn)品進(jìn)行制造前的檢查，節(jié)省大量的人力、物力，增強(qiáng)了產(chǎn)品競爭能力。

1 減速器的三維建模

實體建模，是將物體及其特征屬性通過計算機(jī)處理后轉(zhuǎn)換為內(nèi)部數(shù)字加以存儲的原理與方法[1]。減速器各零部件三維模型的構(gòu)建，是實現(xiàn)虛擬裝配、運(yùn)動仿真的前提條件，因此需要耗費(fèi)大量的時間和精力。三維建模不僅應(yīng)該滿足產(chǎn)品自身信息的表達(dá)要求，還應(yīng)該能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計、制造、管理等過程的信息需求。只有這樣，才能建立正確的模型，實現(xiàn)虛擬裝配和動態(tài)仿真的技術(shù)要求。

1.1 特征分析

減速器各零件建模之前，首先分析其實體特征，將每個零件以相應(yīng)的特征分解，把握特征建模的先后順序。如箱座總體上為對稱結(jié)構(gòu)，將對稱部分建模完成后，采用鏡像命令生成實體，然后完成非對稱結(jié)構(gòu)的銷孔、吊環(huán)座等部分結(jié)構(gòu)。Solid Works擁有豐富的特征命名，對于同一實體，其建模的方式有多種選擇，對于階梯軸類回轉(zhuǎn)體零件的實體建模既可采用旋轉(zhuǎn)，也可選擇分段拉伸實現(xiàn)，但總的是要把握住建模迅速、修改方便的原則。

1.2 實體建模

根據(jù)特征類型繪制草圖輪廓，分別對減速器的箱座、箱蓋、齒輪等零件建模。齒輪是建模的重點(diǎn)，也是仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，齒輪能否正確嚙合，與草圖準(zhǔn)確繪制有關(guān)。采用Solid Works無法手動繪制出準(zhǔn)確的漸開線齒廓，利用CAXA電子圖板生成漸開線齒輪齒廓，將草圖轉(zhuǎn)換到Solid Works中進(jìn)行建模，齒廓的精確度得以大幅度提高。為提高草圖繪制效率，草圖要充分使用各元素之間的約束關(guān)系，精簡尺寸，添加必要的尺寸約束，以尺寸驅(qū)動草圖，達(dá)到草圖的完全定義。草圖應(yīng)盡量反映零件輪廓的主要部分；倒角和修緣等特征，可在零件主體建立之后快速實現(xiàn)。中間齒輪軸的實體建模如圖1所示。

圖1 齒輪軸

減速器部分零件采用的是標(biāo)準(zhǔn)件，Solid Works設(shè)計庫自帶有標(biāo)準(zhǔn)件模型。點(diǎn)擊工具欄里的插件，同時選中Solid Works Toolbox和Solid Works Toolbox Browser并激活，設(shè)計庫會自動提供各種標(biāo)準(zhǔn)件，以滿足用戶的需求。

2 虛擬裝配

虛擬裝配是一門發(fā)展?jié)摿薮蟮男录夹g(shù)。采用虛擬裝配技術(shù)，可明顯縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，節(jié)約成本，提高效率。以Solid Works為平臺，在電腦虛擬的環(huán)境中，將減速器的實體模型進(jìn)行虛擬裝配，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下，通過分析、評估改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計和裝配體的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的高效性。

2.1 組建裝配體

裝配體的組建，是實現(xiàn)虛擬裝配的重要環(huán)節(jié)，虛擬的展現(xiàn)了減速器的整個裝配過程，并規(guī)劃減速器的裝配步驟和路線。Solid Works會自動將第一個調(diào)入的零件默認(rèn)為固定不動，所以減速器的建模，應(yīng)以箱座作為裝配基準(zhǔn)，然后在此基礎(chǔ)上插入其他零件。Solid Works包含的同心、重合、距離等多種標(biāo)準(zhǔn)配合關(guān)系，是保證零件之間進(jìn)行準(zhǔn)確裝配的基本命令。調(diào)整好齒輪位置關(guān)系，在高級選項中添加齒輪配合，設(shè)定傳動比率。最后建立的三維二級圓柱齒輪減速器的裝配圖如圖2所示。

圖2 減速器模型

2.2 碰撞干涉檢查

裝配體的碰撞干涉檢查，主要分為兩大部分：裝配過程的碰撞檢查，以及裝配完成之后的干涉檢查。

零件按裝配路線移動，若與其他零件發(fā)生碰撞，則零件無法移動到正確的位置，就會影響減速器的正常裝配。利用碰撞檢查，可以檢測裝配過程中的碰撞問題，碰撞部分會以高亮顯示，以此對裝配體進(jìn)行修改和規(guī)劃合理的裝配路線。

對已建立好的靜態(tài)模型，可采用干涉檢查。裝配完成的模型，并不一定完全正確，之間是否發(fā)生重疊現(xiàn)象，需要反復(fù)地檢查和修改。在干涉檢查中，裝配體會高亮地顯示干涉區(qū)域，通過在裝配體中直接點(diǎn)擊或單獨(dú)打開零件，即可快速地對零件進(jìn)行修改，達(dá)到最終的設(shè)計要求。

3 動態(tài)仿真

每一種產(chǎn)品在生成前，都必須對其工作原理進(jìn)行分析，判斷產(chǎn)品能否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計要求。面對日益復(fù)雜的系統(tǒng)，只有采用仿真技術(shù)，才能滿足大量的數(shù)字計算，獲得理想的實驗數(shù)據(jù)。

基于Solid Works自帶的插件COSMOS Motion，可實現(xiàn)減速器的動態(tài)仿真。由MSC、ADAMS驅(qū)動的COSMOS Motion是專門進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真的軟件，可分析減速器各運(yùn)動部件的速度、位移、受力、干涉等情況，并輸出相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，作為分析產(chǎn)品性能的依據(jù)。

3.1 齒輪運(yùn)動仿真

選擇智能運(yùn)動構(gòu)建器設(shè)定減速器的各種運(yùn)行參數(shù)，將齒輪和軸均設(shè)定為運(yùn)動部件，其余為靜止部件。COSMOS Motion會自動將配合關(guān)系映射為相應(yīng)的約束，配合好的齒輪可不再添加約束。仿真時按設(shè)計要求為齒輪添加運(yùn)動，選擇高速級輸入軸，定義運(yùn)動為恒定角速度繞Z軸旋轉(zhuǎn)。在齒輪實際工作中，齒輪會受到力的作用，對齒輪添加一定數(shù)值的反作用力矩，分析其受力情況，運(yùn)行仿真，此時各運(yùn)動零件可繪制出各種仿真曲線。高速級輸入軸的運(yùn)動力矩幅值曲線如圖3所示。

圖3 運(yùn)動力矩曲線

3.2 動態(tài)干涉檢查

齒輪仿真的過程中，每齒的嚙合都可能發(fā)生干涉，運(yùn)用COSMOS Motion中的干涉檢查，動態(tài)觀測仿真時每幀的嚙合情況，根據(jù)干涉點(diǎn)體積大小，判斷干涉的嚴(yán)重程度，對干涉處進(jìn)行修改，優(yōu)化齒輪設(shè)計。

4 結(jié)束語

通過利用三維建模軟件Solid Works對齒輪減速器進(jìn)行三維模型的建立與運(yùn)動仿真，得到以下結(jié)論：

（1）借助Solid Works軟件平臺，采用合理的建模方法，快速高效構(gòu)建減速器三維模型，通過虛擬裝配技術(shù)，最終實現(xiàn)了減速器整體的正確安裝和拆卸，此技術(shù)在實際工程中能大幅度縮短開發(fā)時間，同時能在設(shè)計前期對產(chǎn)品進(jìn)行檢查。

（2）結(jié)合COSMOS Motion軟件，動態(tài)模擬了減速器的工作原理，分析齒輪減速器的動態(tài)特性，運(yùn)用仿真技術(shù)，增強(qiáng)了企業(yè)產(chǎn)品的競爭力。

[1]姚英學(xué)，蔡 穎.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造[M].北京：高等教育出版社，2002.