来源：第三维度
    作者：沈琛林，陈定方
    单位：武汉理工大学物流工程学院

    [摘要] 虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容．采用虚拟装配技术可以在设计阶段就验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性．通过在SolidWorks软件平台上对减速器产品典型零件进行3D建模和参数化设计，确保了应用三维CAD技术进行产品的高效设计，进而完成了实体建模和虚拟装配设计．

    随着计算机软硬件技术的发展，机械零件的计算机辅助设计和加工技术也发生了很大的变化．然而，在装配环节上，人工操作历来都作为一个生产要素出现，依赖于人的技巧和判断能力来进行复杂的操作，具有很强的智能性和复杂性，因而在设计技术、加工技术快速发展的今天，装配工艺成为薄弱环节，成为先进制造技术发展的瓶颈；同时以往的装配过程被局限在“设计——制造(装配)——评价”和“实物验证”的封闭时空模式中，装配关系的滞后检验，带来成本的巨大浪费，同时也不符合快速反映市场的需要[1]．

    虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容．采用虚拟装配技术可在设计阶段验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性[1]．随着社会的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之～也越来越引人注目．虚拟装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等目的[3]．

    在许多世界级大企业中被广泛应用的计算机辅助三维设计(CAD)的高端主流软件SolidWorks的装配模块就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可放入虚拟环境进行实验，可在虚拟环境中创建产品模型，使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决‘引．本文是对直齿轮传动减速器应用SolidWorks三维设计软件进行参数化设计和虚拟装配设计工作的介绍．

    1、虚拟装配的实施方案和步骤

    建立装配信息和规则库，如装配顺序规划基本准则、标准件联接和装配的原则、尺寸链的查找和装配评价准则等，建立基于装配语义的装配关系表达‘2|．

    虚拟环境中装配语义识别：根据设计者的交互操作，当装配零件运动到己装配零部件附近时，通过两者装配特征属性匹配，自动识别出装配零部件问的装配关系．在准确捕捉设计者装配意图的基础上，实现虚拟装配建模过程中零件的约束运动，确保设计者能准确自如地进行产品装配建模操作．这需要以装配精度模型为基础，利用属性拓扑图进行装配公差传播方向和公差累积的分析计算，解决产品的可装配性分析．

    交互式装配顺序规划：对虚拟环境中的装配模型进行交互拆卸，基于“可拆即可装”的假定，通过拆卸得到可行序列；对于几种可能的装配序列，根据装配操作的稳定性、装配操作中零部件的定位和定向次数及装配序列的并行度等进行优化及选择．

     装配仿真：以装配顺序为基础，对初始路径及其关键点位置实时交互修改与调整，对装夹工具的可达性、装配空间的可操作性进行仿真，检查各条装配路径上零件在装配过程中是否存在干涉情况．虚拟环境接受速度或者位置输入，并根据有关的物理模型计算出相应的力，通过适当的耦合匹配，由力再现装置反馈给操作者，反馈对物体的重力感受[2]．

    2、零件3D参数化设计技术
 
    机械产品的3D设计主要包括产品零件的3D建模与设计、虚拟装配与干涉检查、关键零部件的结构有限元分析与优化、2D工程图的转换和参数标注等．三维参数化设计软件的思想是零件尺寸的参数驱动，即在设计零件之初只要给出零件外形轮廓，后续只需通过简单的表达式来给变量赋值，定义几何尺寸．SolidWorks不仅记录了建模过程中的尺寸定义，而且将整个建模过程中的特征操作完整地记录下来，只需给尺寸变量赋值就可以实现模型更新．当然，参数化设计也是要遵循一定规律的，并不是针对任何零部件都可以进行参数化设计，只有结构尺寸相对标准化、系列化，国标或厂标对其有准确描述的零件才可以进行参数化设计[3]．例如减速器中所使用的各种垫片、螺钉、螺母、轴承以及齿轮等部件就完全可实现参数化设计．利用SolidWorks简单、快速的建模功能，在最短时间里按照客户提供的外部接口尺寸和性能要求，设计出合适的零件．

    3、 基于特征的产品虚拟装配设计

    对直齿轮传动减速器产品的虚拟装配设计(Virtual Assembly Design)过程，即在计算机上对已经建立的产品零件按照产品的装配关系完成部件和整机的三维装配模型，在此基础上应用软件提供的功能，进行装配零件之间的动、静态干涉检查．一旦发现设计不合理之处及时调整与修改设计图纸，从而可缩短产品制造与装配生产过程的时间，降低产品的装配成本，提高设计质量[3]．

    3．1 确定装配层次

    装配层次是指减速器总装配体的子装配体组成，即减速器装配体由几大部件来组成．直齿轮传动减速器主要由减速器下箱、减速器上箱、输入轴、输出轴、轴承、键、一对啮合齿轮与轴承盖等部分组成，几大部件由SolidWorks分别建模而成．总体装配体包含子装配体和零件组成，子装配体又包含零件和下一级的子装配体，如此继续．对于该减速器，因其结构较为简单，所以只有轴承子装配体．同级的零件有减速器上箱、输入轴、输出轴、一对啮合齿轮和轴承盖，轴承子装配体又有内环、外环、滚珠和保持架四个零件组成．

图2直齿轮传动减速器3D虚拟装配设计

图3虚拟装配设计流程图

    3．2 确定装配顺序图

    根据减速器的结构尺寸形式和各个部件间的约束关系，确定整个减速器的装配顺序．选定减速器下箱为基准进行装配．接下来将大齿轮、键、输出轴装配起来，固定在配套的轴承上面．用同样的方法完成小齿轮轴的装配．再接下来将减速器上箱装配起来，最后完成轴承盖(包括闷盖和透盖)和螺钉、垫圈的装配．

    3．3 确定装配约束

    装配约束是确定基准件和其他组成件的定位及相互约束关系，主要由装配特征、约束关系和装配设计管理树组成．标准配合有重合、平行、垂直、距离、角度、相切和同轴心配合，高级配合有对称、凸轮、宽度和齿轮配合．还有一些高级配合，如线性马达、旋转马达、线性弹簧和引力．如完成轴承盖的配合，根据轴承盖的轴心和下箱上的轴承孔的重合，完成轴心定位；根据轴承盖的内壁面和下箱的外壁面重合以及轴承盖和箱体上的螺栓孔完成轴承盖的装配。
 
    3．4 完成零件设计后做出总成模型

    在SolidWorks软件平台上设计完成的直齿轮传动减速器3D虚拟装配图如图(4)所示．通过总成模型，清楚的表达出各个零件的位置：

图4减速器总成模型

    3．5 干涉检查

    3D物理模型中的物体在运动过程中很有可能会发生碰撞、接触及其他形式的相互作用．基于3D物理模型的动画系统必须能够检测物体之间的这种相互作用，并作出适当响应，否则就会出现物体之间相互穿头彼此重叠等不真实的现象D]．

    4、直齿轮传动减速器整机的3D设计与动态仿真

    为避免设备制造装配后在运行过程中发生干涉现象，确保设备研制和运行一次成功，应用Solid—Works三维CAD软件建立设备的整机3D模型，应用3D技术对所设计的产品及其运行全过程进行三维动态仿真与模拟，很好地再现了设备的运行状况[3]．因为在虚拟装配的过程中对各个零件间添加了约束关系，即某一个零件的运动会对与其有约束关系的零件发生作用，从而当对某一个零件添加动力后它就会在零件间的约束下传递力或是扭矩，最终实现机器的动态仿真．在该减速器中对高速级齿轮(较小的齿轮)添加旋转马达并设定相应的参数，由于齿轮对的啮合关系将扭矩从高速级传向低速级；由于键和齿轮及轴的配合关系将扭矩输出．通过仿真可以清晰地看到各个零部件在实际过程中的运行情况．

    5、结论

    虚拟装配可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的过度依赖，有效地提高产品装配建模的质量与速度，有助于降低产品开发成本，缩短产品开发周期[2]．通过在SolidWorks软件平台上对减速器产品典型零件进行3D建模和参数化设计，确保了应用三维CAD技术进行产品的高效设计，进而完成了减速器的3D实体建模和虚拟装配设计，为方便、快捷、准确地研制开发系列产品提供了有力的技术保障，同时提高了技术应用的水平，为后续发展奠定了坚实的基础[5]．

    [参考文献]

    [1]陈定方，罗亚波．虚拟设计[M]．北京：机械工业出版社，2002．

    [2]谢叻，肖波，吴巧教，等．虚拟装配技术及其应用[J]．模具技术，2006(1)：60—63．

    [3]陆颖，关继锋，王鹤．数控彩显玻壳屏压机参数化设计及虚拟装配[J1．CAD／CAM与制造业信息化，2004(7)：31—33．

    [4]卢小平．面向虚拟装配的装配顺序规划研究[J]．系统仿真学报，2003(1)：44—47．

    [5]张兰英．虚拟装配设计系统的研究[J]．机械设计与制造，2002(2)：37—38．