任永強，張強強

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

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基于DELMIA的主減速器及差速器總成裝配仿真

任永強，張強強

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

針對主減速器及差速器總成裝配復(fù)雜、精度要求高等問題，文章采用“反裝”思路，以DELMIA軟件為平臺實現(xiàn)虛擬裝配。將產(chǎn)品工藝設(shè)計與虛擬裝配過程同時進行，凸顯了并行設(shè)計的思想。在對主減速器及差速器總成碰撞干涉檢測和甘特圖分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)問題并對裝配路徑和裝配節(jié)拍提出優(yōu)化方案；最終生成可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)的裝配序列和裝配視頻。仿真結(jié)果表明，運用虛擬裝配技術(shù)提高了主減速器裝配質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本、縮短了研發(fā)和交付周期。

主減速器及差速器總成；DELMIA；干涉分析；可視化仿真

0 引言

裝配設(shè)計不僅是產(chǎn)品研發(fā)的最后階段，也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計不但可以使裝配效率提高50%～100%，生產(chǎn)成本降低20%～40%，而且提高了裝配質(zhì)量；如何提出最優(yōu)的裝配設(shè)計方案和裝配序列是當代企業(yè)面臨的重要問題[1-2]。

傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)過于依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗，只有在實際裝配階段才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，在不斷改進和發(fā)現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上逐漸完善產(chǎn)品，此過程效率低、研發(fā)周期長，不能在設(shè)計階段驗證裝配的可行性。虛擬裝配可以很好地將設(shè)計人員的經(jīng)驗融入裝配系統(tǒng)，在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)裝配問題并提出改進意見，在產(chǎn)品開發(fā)中運用并行設(shè)計的思想將三維數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)與三維工藝數(shù)據(jù)同步。數(shù)字化制造分為工藝規(guī)劃、工藝細化與驗證和資源建模與仿真三個部分；在計算機上建立與實際工廠布局一致的虛擬裝配環(huán)境(Virtual Assembly Environment，VAE)，設(shè)計人員在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品進行拆、裝和裝配路徑分析，最終生成可用于指導(dǎo)實際裝配的工藝卡片[3]。

本文主要運用“可拆定可裝”，即“反裝”思路，以DELMIA軟件為平臺，創(chuàng)建某型號主減速器及差速器總成裝配仿真。在DELMIA 數(shù)字化制造工藝和工藝工程師模塊下，分析裝配過程的PERT時序圖和干涉結(jié)果，評價主減速器及差速器總成裝配的可行性并提出改進意見，最終達到在設(shè)計階段優(yōu)化產(chǎn)品的目的。

1 DELMIA簡介

由法國Dassault公司開發(fā)的DELMIA[4](Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application)是一款數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應(yīng)用軟件，也是應(yīng)用范圍和應(yīng)用度比較廣的仿真軟件。它包含上百個子模塊，按照功能的不同主要分為三個部分：DPE(Digital Process Engineer數(shù)字工藝工程)、DPM(Digital Process Manufacturing數(shù)字制造工藝)和Resource Modeling and Simulation(資源建模與仿真)。PPR HUB即工藝(Process)、產(chǎn)品(Product)和生產(chǎn)資源(Resource)，是所有模塊連接中樞；將數(shù)字樣機和裝配現(xiàn)場的資源作為底層數(shù)據(jù)來定義數(shù)字化工廠布局、資源規(guī)劃、裝配關(guān)系和人機工程模擬。

2 主減速器及差速器總成裝配過程

2.1 主減速器及差速器總成簡介

主減速器及差速器總成在汽車傳動系統(tǒng)中具有兩大作用：①差速器的行星齒輪結(jié)構(gòu)允許車輛在轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外側(cè)車輪以不同速度旋轉(zhuǎn)。②主減速器[5]將變速器輸出的縱向動力距轉(zhuǎn)換成驅(qū)動后橋轉(zhuǎn)動的橫向轉(zhuǎn)動距，同時將扭矩變大、轉(zhuǎn)速降低，減小對變速器和傳動軸尺寸的要求。根據(jù)嚙合齒輪對數(shù)可分為單級和雙級主減速器兩種，單級主減速器適用于輕、中車型，單級主減速器具有機構(gòu)簡單、傳動效率高、質(zhì)量輕和價格便宜等優(yōu)點，雙級減速器主要用于大傳功比和重型車。

主減速器及差速器總成裝配質(zhì)量和安裝精度會影響傳動平穩(wěn)性、噪聲大小和齒輪磨損情況，最終影響整車品質(zhì)和乘客的舒適性；因此，為了確保裝配可行性、提高裝配精度，對其進行裝配仿真研究是必要的。文章研究的減速器總成主要用于發(fā)動機縱向安裝的小型轎車，采用單級、錐齒、雙曲面形式，具有傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，如圖1所示。

圖1 主減速器及差速器總成

2.2 虛擬裝配原理

主減速器及差速器在仿真過程中零部件走過的路線即為裝配路徑，主要包括直線平移和旋轉(zhuǎn)兩種表現(xiàn)形式，在這個過程零件的尺寸大小不發(fā)生變化，零部件參照自身某點或某條旋轉(zhuǎn)軸作為基準運動。

用四維齊坐標(x,y,z,1)表示空間點(x,y,z)，坐標變換公式為：(u,v,w,1)=(x,y,z,1)T4×4，其中T4×4矩陣表達式[6]為：

2.2.1 平移變換矩陣

設(shè)零部件沿x、y、z軸移動距離分別為Lx、Ly、Lz后的四維齊坐標為(u,v,w,1)，用矩陣表示:

(x+Lx,y+Ly,z+Lz,1)

2.2.2 旋轉(zhuǎn)變換矩陣

設(shè)零部件沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度分別為α、β、γ后坐標變?yōu)?u,v,w,1)。

(1)沿x軸旋轉(zhuǎn)α度的矩陣計算公式為:

(x,ycosα-zsinα,ysinα+zcosα,1)

(2)沿y軸旋轉(zhuǎn)β角的矩陣計算公式為：

(xcosβ+zsinβ,y,zcosβ-xsinβ,1)

(3)沿z軸旋轉(zhuǎn)γ度的矩陣計算公式為：

(xcosγ-ysinγ,xsinγ+ycosγ,z,1)

2.3 主減速器關(guān)聯(lián)圖

裝配樹反映了產(chǎn)品的構(gòu)成關(guān)系，采用裝配樹形式可以直觀表達各零部件的之間的父子級關(guān)系，最末端表示零件。觀察裝配樹中產(chǎn)品的從屬關(guān)系并根據(jù)“反裝”原理，以減速器主軸為例進行拆卸序列規(guī)劃[7]，如圖2所示。

圖2 主動錐齒輪裝配樹關(guān)系

圖3 主動錐齒輪總成

圖4 裝配關(guān)聯(lián)圖

3 主減速器及差速器裝配仿真

3.1 構(gòu)建裝配仿真

PPR HUB[9]是DELMIA的核心內(nèi)容，在DPM模塊、DPE模塊和QUEST模塊的三維仿真數(shù)據(jù)均調(diào)用PPR樹，是生產(chǎn)過程、工藝資源、設(shè)計驗證和規(guī)劃的橋梁，因此仿真的首要工作是建立PPR結(jié)構(gòu)樹。DELMIA的三維建模[10]功能不如Catia、Solidworks、UG、Pro/E等軟件強大，本文三維模型由Solidworks創(chuàng)建，保存成STEP中間格式，在APS(Assembly Process Simulation)環(huán)境下，將STEP格式的模型導(dǎo)入DELMIA產(chǎn)品列表中；在Resourceslist節(jié)點下插入仿真所需的資源，如工作臺、機械設(shè)備、扳手等。

3.2 創(chuàng)建Processlist仿真流程

在工藝流程Process節(jié)點下創(chuàng)建主減速器及差速器總成拆卸動作，根據(jù)事先規(guī)劃的裝配路徑添加零部件Move Activities子工藝，實際上是建立CATProcess擴展文件。創(chuàng)建Move子工藝時根據(jù)實際裝配工位狀況確定觀察視角、裝配順序和時間信息，也可以雙擊Move Activities對已編輯的內(nèi)容做進一步修改。

在所有可拆卸零部件都定義好運動路徑后，運用“反裝”原理，單擊Reverse the Process，選擇Reverse the entire Process選項，主減速器及差速器總成拆卸的逆過程即為裝配過程，如圖5所示。

圖5 主減速器及差速器總成虛擬裝配仿真

3.3 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

3.3.1 干涉分析與優(yōu)化

干涉碰撞在實際裝配中是不允許發(fā)生的，特別對于重大設(shè)備和造價昂貴的設(shè)備，不僅影響裝配精度而且可能造成巨大經(jīng)濟損失。干涉[11]一般分為三類：軟干涉：零部件之間的距離小于預(yù)定值；硬干涉：零件之間部分區(qū)域交叉重疊；包容干涉：一個零件完全重疊隱藏在另一個零件內(nèi)。

主減速器及差速器總成是汽車的重要組成部分，在行駛過程要求保持精確的傳動比，因此對其裝配干涉檢測是必要的環(huán)節(jié)；無論何種干涉都不符合裝配要求，應(yīng)當在仿真階段檢測并改進。DELMIA具有強大的碰撞檢測功能，單擊Clash事件的碰撞檢測(Clash Analysis)和干涉分析(Interactive Analysis)，檢測到干涉發(fā)生時仿真過程自動停止并彈出干涉對話框，如圖6所示。

圖6 干涉檢測結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)干涉的主要發(fā)生在兩處：①設(shè)計階段只考慮檔塵罩內(nèi)徑大于主動錐齒輪緊固螺母直徑，沒有考慮到平墊片，從而造成平墊片與檔塵罩發(fā)生干涉，通過增大檔塵罩內(nèi)徑解決此干涉問題；②差速器殼螺栓孔深度不夠，造成固定差速器的從動錐齒輪螺栓與差速器殼產(chǎn)生干涉，干涉值為0.42mm，此處可通過增加墊片厚度或螺紋孔深度解決干涉問題。

3.3.2 Gantt圖分析與優(yōu)化

單擊Gantt(甘特圖)圖標會自動彈出主減速器及差速器總成裝配時序圖，Gantt圖用于編制生產(chǎn)計劃、合理安排瓶頸工位和調(diào)節(jié)生產(chǎn)周期，從而大大提高生產(chǎn)效率。Gantt圖的結(jié)構(gòu)與PPR樹相似，能夠清晰表達各工位父子級關(guān)系和裝配流程，精確定義裝配路徑、節(jié)拍和裝配順序，在實際生產(chǎn)中具有重要指導(dǎo)意義。分析Gantt圖，主減速器及差速器總成裝配共135s，為了提高裝配效率、體現(xiàn)并行性，調(diào)整裝配順序使減速器左側(cè)和右側(cè)裝配同時進行，優(yōu)化后總裝配周期為108s，縮短了27s。進一步分析發(fā)現(xiàn)，差速器行星齒輪安裝總耗時24s，此過程雖沒有發(fā)生干涉，但是用時過長屬于裝配瓶頸工位，主要原因是差速器殼外緣孔過小導(dǎo)致行星齒輪裝配空間不足，在不影響結(jié)構(gòu)強度的情況下加大差速器外緣孔大小達到優(yōu)化裝配工藝的目的。

完成干涉和Gantt圖分析優(yōu)化[12]后，運用DELMIA自帶視頻錄制功能導(dǎo)出虛擬裝配仿真視頻，作為演示文件分配到裝配車間用于現(xiàn)場指導(dǎo)，減少工人因讀圖能力不強造成錯裝、漏裝時間，提高裝配效率。

4 結(jié)束語

本文采用“反裝”思路，在DELMIA環(huán)境中模擬主減速器及差速器總成裝配過程。與傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)過程相比，虛擬裝配仿真可以提前檢測到設(shè)計缺陷、優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)、減少裝配時間、提高裝配精度；通過對Gantt圖分析，平衡生產(chǎn)負荷、調(diào)整裝配序列和生產(chǎn)瓶頸，同時避免直接使用樣機測試造成的損失。仿真結(jié)果表明，虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中具有重要指導(dǎo)意義，推進機械行業(yè)的進一步發(fā)展。

[1] 佘建國，范曉衛(wèi)，劉璐璐,等.基于DELMIA的車用空調(diào)虛擬裝配過程仿真[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012,26(3):249-253.

[2] 李曉楓，王仲奇，康永剛. 基于DELMIA的裝配過程仿真及其在飛機數(shù)字化柔性工裝設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù),2012(6)：92-95.

[3] 魏巍.虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)及其仿真應(yīng)用的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[4] 盛選禹，盛選軍.DELMIA人機工程模擬教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 石大勇.主減總成軸承預(yù)緊力與殼體變形關(guān)系仿真及實驗研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[6] 張姍姍.基于DELMIA/Ergonomics的變速箱虛擬裝配技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[7] 田文勝，譚一炯.基于DELMIA的三維裝配作業(yè)指導(dǎo)書生成方法研究[J].中國制造業(yè)信息化，2012,41(11):44-46.

[8] 王光慧.基于DELMIA的減速箱虛擬裝配技術(shù)與算法研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2013.

[9] 周爾民，彭小劍,王佳強,等.基于DELMIA的雙離合變速器裝配過程可視化仿真[J].機械傳動，2013，37(1):65-67.

[10] 侯朋，鄭紹春.基于DELMIA/Robotics船體分段焊接仿真[J].船舶工程，2014，36(2):81-84.

[11] 陳寧，解彥琦.基于DELMIA的發(fā)動機裝配過程可視化仿真[J].計算機輔助工程，2012,19(4)：66-69.

[12] 尹良.基于虛擬裝配仿真的人機功效分析[D].武漢:華中科技大學(xué)，2012.

(編輯 李秀敏)

Visual Simulation of Final Drive and Differential Assy Process Based on DELMIA

REN Yong-qiang, ZHANG Qiang-qiang

(School of Machinery and Automobile Engineering ，Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China)

In allusion to the problems of numerous parts and complex assembly of the Final Drive and Differential assy , the article adopts "anti loading" mentality and bases on DELMIA software to implement virtual assembly platform. The process design and virtual assembly are carried out simultaneously, which highlight the idea of concurrent design. On the basic of interference detection and gantt chart analysis of the Final Drive and Differential assy，the assembly problems and optimization schemes were put forward for assembly paths and assembly beats. Finally generating assembly sequences and assembly videos can be used to guide the actual production. The simulation results show that the virtual technology improve the main reducer assembly quality, reduces the production cost, shorten the development and delivery cycle.

final drive and differential assy; DELMIA; interference analysis; visual simulation

1001-2265(2016)11-0122-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.033

2016-01-10；

2016-02-21

國家智能制造裝備發(fā)展專項項目(發(fā)改辦高技[2012]2144號)

任永強(1968—)，男，浙江金華人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向為精密測量，汽車成套自動化裝備及測控研究；通訊作者：張強強(1990—)，男，安徽亳州人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為系統(tǒng)仿真、控制與優(yōu)化，(E-mail)1240095100@qq.com。

TH132;TG65

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