来源：第三维度
    作者：肖启明，苏道齐，陈冀文，余海燕

    摘要：通过Solid Works 软件的三维建模、虚拟装配和运动仿真等技术，在PC 机上实现了二级圆柱齿轮减速器的实体建模、零件虚拟装配和工作原理的动态仿真，保证了减速器设计的正确性和可靠性，提高了整体设计效率和精度，对实际设计及装配具有重大意义。

    虚拟设计与虚拟装配，作为一种前沿的科学技术，已经广泛使用在现代工业设计、制造等关键领域。虚拟设计与虚拟装配，大多是基于三维软件的基础上实现的，本文选用通用三维软件Solid Works 对二级齿轮减速器进行零部件的设计、装配、齿轮减速器的干涉检查、运动仿真等，真实再现了齿轮减速器的结构，模拟了齿轮减速器的工作情况。该技术的运用，在很大程度上缩短了产品的研发周期，同时能对产品进行制造前的检查，节省大量的人力、物力，增强了产品竞争能力。

    1 减速器的三维建模

    实体建模，是将物体及其特征属性通过计算机处理后转换为内部数字加以存储的原理与方法[1]。减速器各零部件三维模型的构建，是实现虚拟装配、运动仿真的前提条件，因此需要耗费大量的时间和精力。三维建模不仅应该满足产品自身信息的表达要求，还应该能够满足产品设计、制造、管理等过程的信息需求。只有这样，才能建立正确的模型，实现虚拟装配和动态仿真的技术要求。

    1.1 特征分析

    减速器各零件建模之前，首先分析其实体特征，将每个零件以相应的特征分解，把握特征建模的先后顺序。如箱座总体上为对称结构，将对称部分建模完成后，采用镜像命令生成实体，然后完成非对称结构的销孔、吊环座等部分结构。SolidWorks 拥有丰富的特征命名，对于同一实体，其建模的方式有多种选择，对于阶梯轴类回转体零件的实体建模既可采用旋转，也可选择分段拉伸实现，但总的是要把握住建模迅速、修改方便的原则。

    1.2 实体建模

    根据特征类型绘制草图轮廓，分别对减速器的箱座、箱盖、齿轮等零件建模。齿轮是建模的重点，也是仿真的关键环节，齿轮能否正确啮合，与草图准确绘制有关。采用SolidWorks 无法手动绘制出准确的渐开线齿廓，利用CAXA 电子图板生成渐开线齿轮齿廓，将草图转换到Solid Works 中进行建模，齿廓的精确度得以大幅度提高。为提高草图绘制效率，草图要充分使用各元素之间的约束关系，精简尺寸，添加必要的尺寸约束，以尺寸驱动草图，达到草图的完全定义。草图应尽量反映零件轮廓的主要部分；倒角和修缘等特征，可在零件主体建立之后快速实现。中间齿轮轴的实体建模如图1 所示。

图1 齿轮轴

    减速器部分零件采用的是标准件，Solid Works 设计库自带有标准件模型。点击工具栏里的插件，同时选中Solid WorksToolbox 和Solid Works Toolbox Browser 并激活，设计库会自动提供各种标准件，以满足用户的需求。

    2 虚拟装配

    虚拟装配是一门发展潜力巨大的新技术。采用虚拟装配技术，可明显缩短产品设计周期，节约成本，提高效率。以Solid Works 为平台，在电脑虚拟的环境中，将减速器的实体模型进行虚拟装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评估改进产品的设计和装配体的结构，实现产品装配的高效性。

    2.1 组建装配体

    装配体的组建，是实现虚拟装配的重要环节，虚拟的展现了减速器的整个装配过程，并规划减速器的装配步骤和路线。Solid Works 会自动将第一个调入的零件默认为固定不动，所以减速器的建模，应以箱座作为装配基准，然后在此基础上插入其他零件。Solid Works 包含的同心、重合、距离等多种标准配合关系，是保证零件之间进行准确装配的基本命令。调整好齿轮位置关系，在高级选项中添加齿轮配合，设定传动比率。

    最后建立的三维二级圆柱齿轮减速器的装配图如图2 所示。

图2 减速器模型

    2.2 碰撞干涉检查

    装配体的碰撞干涉检查，主要分为两大部分：装配过程的碰撞检查，以及装配完成之后的干涉检查。零件按装配路线移动，若与其他零件发生碰撞，则零件无法移动到正确的位置，就会影响减速器的正常装配。利用碰撞检查，可以检测装配过程中的碰撞问题，碰撞部分会以高亮显示，以此对装配体进行修改和规划合理的装配路线。

    对已建立好的静态模型，可采用干涉检查。装配完成的模型，并不一定完全正确，之间是否发生重叠现象，需要反复地检查和修改。在干涉检查中，装配体会高亮地显示干涉区域，通过在装配体中直接点击或单独打开零件，即可快速地对零件进行修改，达到最终的设计要求。

    3 动态仿真

    每一种产品在生成前，都必须对其工作原理进行分析，判断产品能否达到预期的设计要求。面对日益复杂的系统，只有采用仿真技术，才能满足大量的数字计算，获得理想的实验数据。基于Solid Works 自带的插件COSMOS Motion，可实现减速器的动态仿真。由MSC、ADAMS 驱动的COSMOS Motion 是专门进行机械系统动态仿真的软件，可分析减速器各运动部件的速度、位移、受力、干涉等情况，并输出相应的实验数据，作为分析产品性能的依据。

    3.1 齿轮运动仿真

    选择智能运动构建器设定减速器的各种运行参数，将齿轮和轴均设定为运动部件，其余为静止部件。COSMOS Motion会自动将配合关系映射为相应的约束，配合好的齿轮可不再添加约束。仿真时按设计要求为齿轮添加运动，选择高速级输入轴，定义运动为恒定角速度绕Z 轴旋转。在齿轮实际工作中，齿轮会受到力的作用，对齿轮添加一定数值的反作用力矩，分析其受力情况，运行仿真，此时各运动零件可绘制出各种仿真曲线。高速级输入轴的运动力矩幅值曲线如图3 所示。

图3 运动力矩曲线

    3.2 动态干涉检查

    齿轮仿真的过程中，每齿的啮合都可能发生干涉，运用COSMOS Motion 中的干涉检查，动态观测仿真时每帧的啮合情况，根据干涉点体积大小，判断干涉的严重程度，对干涉处进行修改，优化齿轮设计。

    4 结束语

    通过利用三维建模软件Solid Works 对齿轮减速器进行三维模型的建立与运动仿真，得到以下结论：

    （1）借助Solid Works 软件平台，采用合理的建模方法，快速高效构建减速器三维模型，通过虚拟装配技术，最终实现了减速器整体的正确安装和拆卸，此技术在实际工程中能大幅度缩短开发时间，同时能在设计前期对产品进行检查。

    （2）结合COSMOS Motion 软件，动态模拟了减速器的工作原理，分析齿轮减速器的动态特性，运用仿真技术，增强了企业产品的竞争力。

    参考文献：

    [1] 姚英学，蔡颖. 计算机辅助设计与制造[M].北京：高等教育出版社，2002.