可視化虛擬裝配技術(shù)在扭力限制器設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用

許剛 王林剛 陳云

摘要：在SolidWorks平臺(tái)下，以扭力限制器為例說明可視化虛擬裝配技術(shù)的工程應(yīng)用。首先通過自頂向下的虛擬裝配、干涉檢查，然后生成與PowerPoint相鏈接的裝配動(dòng)畫，最終完成扭力限制器的可視化虛擬裝配過程。不難看出，利用此技術(shù)不僅能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率，而且可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配工藝的可視化，為企業(yè)的無紙化辦公提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：虛擬裝配扭力限制器動(dòng)畫設(shè)計(jì)SolidWorks

0 引言

傳統(tǒng)產(chǎn)品的裝配往往會(huì)由于設(shè)計(jì)不正確或裝配過程不合理而導(dǎo)致產(chǎn)品的研發(fā)周期變長、研發(fā)成本增加，近些年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，興起了一個(gè)新的研究領(lǐng)域——可視化虛擬裝配，它無需制造真實(shí)產(chǎn)品就可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零部件裝配的形象化、可視化，早期發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際裝配中所出現(xiàn)的問題。本文以扭力限制器為例來說明可視化虛擬裝配技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中的具體應(yīng)用。

1 虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上利用虛擬的實(shí)體模型進(jìn)行仿真裝配，分析產(chǎn)品的裝配性能，確保產(chǎn)品順利裝配。實(shí)際上，虛擬裝配技術(shù)融合了仿真技術(shù)、決策理論、制造技術(shù)等多種技術(shù)。

1.1 設(shè)計(jì)流程 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，可將虛擬裝配技術(shù)的設(shè)計(jì)流程劃分為如圖1所示的幾個(gè)過程。

1.1.1 建立初始模型。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，初始主模型可作為虛擬裝配的頂層基本骨架，其他零部件根據(jù)使用要求在裝配環(huán)境下完成，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自頂向下（top-down）裝配設(shè)計(jì)。

1.1.2 劃分裝配層次。機(jī)械產(chǎn)品一般由具有層次關(guān)系的零部件相互組成系統(tǒng)，即：一個(gè)總裝配體包含若干個(gè)零件和子裝配體，如圖2所示。

[初始

主模

型][虛擬裝配

初始設(shè)計(jì)

階段][有][靜態(tài)干涉檢查][無][詳細(xì)

裝配][動(dòng)態(tài)干涉檢查][無][設(shè)計(jì)

輸出][有]

圖1虛擬裝配設(shè)計(jì)流程

[子裝配體1][總裝配體][零件1][…][…][零件n][子裝配體n]

圖2虛擬裝配設(shè)計(jì)層次劃分

1.1.3 確立裝配約束

為了表達(dá)裝配關(guān)系，需建立配合約束，實(shí)際上就是裝配零件上點(diǎn)、線、面之間的約束關(guān)系，常見的有：同軸、平行、垂直、面貼合等等。如：工程實(shí)際中軸與孔的配合，在虛擬裝配中則采用面與面間的貼合和同軸約束來實(shí)現(xiàn)。有了裝配約束，就能保證設(shè)計(jì)出的總裝配體符合機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)思路。

1.1.4 檢查干涉。干涉檢查是評(píng)價(jià)虛擬裝配效果的有效手段，分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉兩種。通過靜態(tài)干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的零部件結(jié)構(gòu)是否合理，及時(shí)修改不合理的結(jié)構(gòu)，確保零部件無干涉地裝在一起；而動(dòng)態(tài)干涉檢查可以確保裝配設(shè)計(jì)的正確性。

1.2 裝配路徑 當(dāng)在某個(gè)平臺(tái)（如SolidWorks、UG等）下進(jìn)行虛擬裝配操作時(shí)，可以利用路徑數(shù)據(jù)生成裝配爆炸視圖；或利用路徑庫生產(chǎn)演示動(dòng)畫。

2 虛擬裝配可視化

將生成的裝配路徑動(dòng)畫文件（avi、mp4等格式）鏈接到Powerpoint中，從而替代產(chǎn)品的裝配工藝卡片，裝配過程用動(dòng)畫來描述，形象、逼真、易懂。

3 工程應(yīng)用實(shí)例研究

下面以在SolidWorks平臺(tái)下完成扭力限制器的可視化裝配過程為例。

3.1 組成零件分析。扭力限制器組成零件主要有：滾珠、連接法蘭、移位法蘭、碟形彈簧、調(diào)節(jié)螺母、軸套等，其三維實(shí)體如圖3所示。

3.2 工作原理。扭力限制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理為：在動(dòng)力輸出端的軸所受負(fù)載較小時(shí)，碟簧不壓縮，滾珠不打滑，與主動(dòng)及從動(dòng)端的牙槽接觸；當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，所需扭矩超過規(guī)定值，碟簧壓縮，滾珠在弧形槽上打滑，與主動(dòng)端脫離（從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)停止，限制傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩），此時(shí)，移位法蘭軸向移動(dòng)，導(dǎo)致傳感器限位開關(guān)關(guān)閉動(dòng)力源。當(dāng)過載消失后又恢復(fù)正常狀態(tài)，這樣既防止了機(jī)械損壞，又避免了停機(jī)所導(dǎo)致的損失。

3.3 虛擬裝配

在SolidWorks平臺(tái)下，根據(jù)扭力限制器功能要求及零件之間的關(guān)系，以軸套為初始主模型，通過裝配約束管理，完成其總裝圖，如圖5所示。

3.4 干涉檢查

利用SolidWorks靜態(tài)干涉檢查工具可以發(fā)現(xiàn)裝配體存在干涉的部位并及時(shí)修改，確定產(chǎn)品的可裝配性。例如：若調(diào)節(jié)螺母和螺栓存在干涉，則干涉區(qū)域會(huì)在solidworks里高亮顯示，如圖6所示。產(chǎn)生干涉的原因可能是：①螺栓的規(guī)格選大了；②調(diào)節(jié)螺母上的孔徑小了。經(jīng)過修改后的模型經(jīng)干涉分析不再存在干涉，如圖7所示。

[干涉]

圖6有干涉的扭力限制器

圖7修改后的扭力限制器（無干涉）

動(dòng)態(tài)干涉檢查可以使用SolidWorks內(nèi)置插件“COSMOS/motion”來實(shí)現(xiàn)，使零部件按約束條件運(yùn)動(dòng)，待運(yùn)動(dòng)結(jié)束，點(diǎn)“check interferences”，查看有無碰撞（干涉）發(fā)生。

3.5 爆炸視圖的生成

裝配完成后利用SolidWorks的爆炸技術(shù)將總裝圖拆分，如圖8所示，詳細(xì)查看各個(gè)零件。

圖8扭力限制器爆炸視圖

3.6 可視化裝配動(dòng)畫的生成

為了真實(shí)再現(xiàn)產(chǎn)品的裝配過程（裝配工藝），可以利用“動(dòng)畫解除爆炸”（如圖9所示）形象地描述扭力限制器的裝配過程，動(dòng)畫截屏如圖10所示。

圖9“動(dòng)畫解除爆炸”窗口

圖10扭力限制器裝配動(dòng)畫截屏

將裝配工藝動(dòng)畫文件與PowerPoint進(jìn)行鏈接，單擊

“總裝動(dòng)畫”，即可查看扭力限制器的裝配過程，形象易懂。

4 結(jié)語

在SolidWorks平臺(tái)下，本文詳細(xì)介紹了可視化虛擬裝配技術(shù)在扭力限制器設(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用，通過與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的對(duì)比，可以看出基于可視化虛擬裝配技術(shù)的設(shè)計(jì)方法不僅能夠縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，而且還能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的形象化、可視化，對(duì)提高企業(yè)產(chǎn)品市場競爭力、加快無紙化辦公具有重要意義。

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作者簡介：

許剛，男，碩士研究生，工程師，主要從事汽車產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。