基于特征建模技术的双级减速箱的虚拟设计

    虚拟设计方法中的特征建模技术由于其众多优点越来越多地被人们所应用.近年来，商业CAD软件及工具基本都融人了特征建模的思想和方法，例如:PTC公司的产品SolidWorks, Pro/Engineer, SDRC的产品I-DEAS Master Series ,UGS公司的产品Unigraphics等，也推动了特征建模技术的发展.本文正是基于这种特征建模的设计方法的双级减速箱的虚拟设计.
   
    1 双级减速箱的方案设计
   
    减速器是一种用途十分广泛的机械装置.设计要求用于码头运型砂、单班制工作、有轻微振动、使用年限为10。基本数据为输送带拉力2 060 N，运输带速1. 2 m/s，卷筒直径300 mm.由于圆锥圆柱齿轮减速箱十分适合输人轴和输出轴位置布置成相交的场合，且圆锥齿轮的精加工比较困难，允许圆周速度较低Cz7考虑到传动比要求，采用圆锥圆柱齿轮双级减速箱设计方案，并选用SolidWorks作为三维设计平台.
   
    2基于特征建模的虚拟设计过程
   
    产品的总体虚拟设计过程包含总体方案设计、性能优化与仿真、结构特征建模、分析评价四个部分.其中性能优化与仿真分为运动和干涉检查、整机运动分析、零部件设计优化等，结构特征建模分为零件特征建模、装配体建模等.
   
    2.1相似零件的参数化设计
   
    零部件的参数化设计使得许多尺寸不同、形状相似零部件的设计更为方便，设计效率大大提高.可以应用参数化设计建模的零件有:轴端挡肩、轴套、各种垫片、闷盖、轴承、齿轮、键、透盖、螺钉、螺母、轴承油毡、挡油盘等.通过修改零部件的外观颜色、透明度、光泽度、散射度、环境光源等得到更加美观诱人的视景，通过修改零部件的纹理、材质等使其达到更加真实的效果(如图1中齿轮和轴承).
   
    应用SolidWorks2007设计出了m=5,x=34的锥齿轮，m=4,x=44的直齿轮，直径分别为45,35,25 mm的滚动轴承以及上述可以参数化的零件.部分零部件三维视觉效果见图1.
   

    2.2基于SolidWorks齿轮轴的特征建模
   
    齿轮轴是支撑零件、传递运动的关键性部件，它的设计好坏对减速器的寿命、性能等声生很大的影响.因此，设计者应该借助于虚拟设计软件对轴进行优化和仿真分析，使轴具有良好的制造加工工艺性能，减少轴的应力集中，增加轴的质量和使用寿命.
   
    按轴的设计理论得到的高速轴和中间轴上安装齿轮的轴段尺寸与该处需要安装的齿轮直径尺寸非常接近，因此为保证轴和齿轮二者的强度和刚度，此轴段将齿轮和轴设计成一体，即所谓的齿轮轴(图2)，这样设计后无论按强度理论计算还是对齿轮轴进行Ansys分析，强度均满足要求.这种齿轮轴的设计方法在实际设计中最为常用.
   

    2. 3虚拟减速箱的装配设计
   
    装配是机器制造的重要阶段，装配质量的好坏对机器的性能和使用寿命有很大的影响.因此，装配前有必要对产品进行虚拟装配( Virtual Assembly)，来模拟实际装配过程.
   
    在虚拟装配中，装配关系是零件之间相对位置和配合关系，它反映了零件之间的相互约束及相对运动.Solidworks中有标准配合和高级配合，其中标准配合应用最广泛，例如:重合、平行、垂直、相切和同轴心配合;当需要机构运动模拟时就用到高级配合，此时须加一些辅助动力装置，如:线性马达、旋转马达、线性弹簧和引力.
   
    产品虚拟装配时，要考虑零件的装配层次、装配顺序以及装配约束关系等，一定要严格按照实际产品的现实装配过程来实施，首先要确定各个零件装配的先后顺序，再确定应用哪几个配合可以实现两个零件的完全配合，一般来说2个零件的配合关系不会超过3个，例如:同轴心和轴肩与齿轮面的距离2个配合关系即可完成齿轮与轴的配合.对于零件比较繁多的产品，虚拟装配前可以考虑2种方案:直接插人零件完成整个装配过程、先完成需要的子装配体，插人子装配体完成整个装配.选用方案时因人而异，装配前考虑方案的优化对装配完成后的后期工作有很好的帮助.例如:该减速箱的装配可以先完成3根轴与轴上零件的装配保存形成子装配体再与下箱体整体装配，也可以选择下箱体为装配基准，插人零件按轴、键、齿轮、轴套、轴承等装配顺序一起完成装配.
   
    图3为该减速箱的整体虚拟装配图，左侧是整个装配过程的装配树.为了看清其内部结构，修饰过程中将减速箱上盖进行了透明处理.
   

    3高效虚拟装配的实现
   
    为了实现减速箱的高效虚拟装配，就要对装配体进行简化、分析、显示、爆炸、干涉检查、碰撞检查、智能扣件、Animator插件虚拟现实等处理。
   
    3.1智能扣件和干涉检查
   
    对于虚拟装配中的螺栓、螺钉等与孔的装配，可以使用智能扣件功能选择相应的螺栓与孔进行配合.在智能扣件中，也可以进行配置螺栓阵列、分割孔系列等智能操作，使得装配更为方便快捷.
   
    在建模或装配过程中可能产生误差，因而在装配完成后，须进行干涉检验.Solidworks2007装配体中应用干涉检查命令，可以检查零件之间的嵌人现象，即发生干涉，将装配图转换到线框模式下可以清晰的看到干涉的部位，并且能查看所检查到的干涉体积.及时查出原因做出修改，避免实际制造过程中的不良后果，体现出虚拟产品的优越性.此外还应该进行碰撞检查，查看零部件之间是否有冲突.该功能可以与动态间隙同时使用.
   
    3.2装配体爆炸图的生成
   
    为便于形象地分析零部件之间的相互关系，有必要对装配体设计爆炸视图(图4)，也可以完成装配体爆炸直线图，将其中的零件分离显示.在对装配体进行爆炸时，其爆炸顺序应符合实际生产时的安装顺序，这样可以使得虚拟更为真实.装配体的爆炸动画和解除爆炸动画，二者可以单独保存为AVI格式视频文件，也可以同时保存为一个AVI格式视频文件.
   

    3.3基于Animator插件的动画仿真
   
    虚拟设计(Virtual Design)可以为用户提供一个基于视觉、听觉、触觉等感官的动画模拟，让人们能够及时、没有限制地观察三度空间内的事物.为了更好的展示虚拟设计的产品模型，使用Animator插件的动圈功能，在高速锥齿轮轴的伸出端施加模拟命令中的旋转马达后，减速器就能像实际减速器一样运动起来，达到更加逼真的虚拟效果，并保存为AVI格式的视频文件(图5).为了能够清晰的看清齿轮传动运动情况，在做AVI动画时将减速箱的上箱体盖和闷盖隐藏.图5所示为在暴风影音播放器下播放的动画.
   

    4结语
   
    本文通过对减速箱的虚拟设计技术的研究，实现了减速箱的高效虚拟装配、动画仿真等，使得虚拟减速箱具有真实的效果.虚拟设计技术的应用使得设计者可以按照自己的构思去进行产品的虚拟模拟，及时修改和进一步完善设计要素，节省了大量的人力、物力和财力，是一种应用效果十分诱人的技术.