虛擬裝配技術(shù)在行星減速器設(shè)計上的應(yīng)用

陳傳省+宋國民

[摘 要]為了提高機(jī)械產(chǎn)品的裝配效率，提出了在行星減速器設(shè)計中虛擬裝配的方法，介紹了虛擬裝配中的關(guān)鍵問題，驗證了行星減速器的虛擬裝配、運(yùn)動仿真、干涉檢驗、特性檢驗等。成功地實現(xiàn)了行星減速器在計算機(jī)虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

[關(guān)鍵詞]行星減速器 虛擬裝配 運(yùn)動仿真 干涉檢驗

中圖分類號：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0349-02

[Abstract]In order to improve the assembly efficiency of machinery product， this paper introduces several key problems in the virtual assembly of the planetary gear， and virtual assembly， motion simulation， interference test and identity test are verified. Successfully realized the product development and design process of the planetary reducer in computer virtual environment and shortened the period of product development cycle.

[Key words]Planetary Reducer； Virtual Assembly； Motion Simulation； Interference Detection

1 虛擬裝配概況

虛擬裝配（Virtual Assembly）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）在裝配領(lǐng)域的應(yīng)用，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要分支。它從產(chǎn)品裝配設(shè)計的角度出發(fā)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立一個具有聽覺、視覺、觸覺的多模式虛擬環(huán)境，借助于虛擬現(xiàn)實的輸入輸出設(shè)備，設(shè)計者在虛擬環(huán)境中人機(jī)交互式地進(jìn)行裝配和拆卸操作，檢驗和評價產(chǎn)品的裝配性能，從而生成經(jīng)濟(jì)、合理、實用的裝配方案。虛擬裝配對優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、避免或減少物理模型制作、縮短裝配周期、降低裝配成本，提高裝配操作人員的培訓(xùn)速度、提高裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對虛擬裝配系統(tǒng)進(jìn)行的大量的研究。美國華盛頓州立大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所合作開發(fā)的虛擬裝配設(shè)計環(huán)境VADE[1]是第一個具有代表性的虛擬裝配系統(tǒng)；美國紐約州立大學(xué)機(jī)械與航空工程系虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗室開發(fā)了基于虛擬原型的裝配驗證環(huán)境VPAVE[2]；新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與產(chǎn)品工程系開發(fā)了桌面式虛擬環(huán)境系統(tǒng)V-REALISM[3]；意大利Bologna大學(xué)應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了基于CAD技術(shù)的裝配規(guī)劃與驗證系統(tǒng)PAA（Personal Active Assistant）[4]；英國索爾福德大學(xué)的CVE（centre for virtual environments）集成了CAD建模、碰撞檢測和虛擬環(huán)境管理等功能，開發(fā)了基于約束的沉浸式虛擬環(huán)境[5-6]。國內(nèi)，華中理工大學(xué)的熊有倫等[7]開發(fā)了基于虛擬原型的裝配序列規(guī)劃及評價系統(tǒng)VPASPE；浙江大學(xué)開發(fā)的VDVAS[8]系統(tǒng)集成了虛擬設(shè)計與虛擬裝配過程，用戶可以運(yùn)用三維操作和語音命令建立零件及其裝配模型；北京理工大學(xué)的寧汝新、劉檢華等[9]研究了基于虛擬現(xiàn)實的裝配工藝規(guī)劃理論、方法及實現(xiàn)技術(shù)；浙江大學(xué)的劉振宇、譚建榮等[10]研究了基于語義識別的虛擬裝配操作。

2 行星減速器虛擬裝配技術(shù)

（1）建立行星減速器主體模型

模型必須要保證減速器各零部件數(shù)據(jù)的完整性， 實現(xiàn)減速器在裝配系統(tǒng)中的高度集成。根據(jù)行星減速器的總體參數(shù)，應(yīng)用PRO/E軟件建立減速器各零件的三維實體模型。主要模型如圖1所示。

（2）虛擬裝配區(qū)域分層和劃分

裝配層次建立在減速器各個零件的三維實體模型基礎(chǔ)上，按照設(shè)計要求劃分出幾個裝配區(qū)域，然后再進(jìn)一步劃分裝配層次。

（3）裝配數(shù)據(jù)管理

設(shè)計數(shù)據(jù)的流動和數(shù)據(jù)的有效管理是實現(xiàn)虛擬裝配的重要環(huán)節(jié)。為了便于對設(shè)計數(shù)據(jù)的管理，所有的信息都要存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，并且由信息管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，這樣可以保證順利實現(xiàn)整個行星減速器自上向下的設(shè)計。

（4）建立虛擬裝配約束

進(jìn)行行星減速器模型虛擬裝配前應(yīng)先將其功能和設(shè)計意圖轉(zhuǎn)化為約束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，確保模型具有設(shè)計者所定義的約束關(guān)系，如平行、垂直、共軸和共面等，使行星減速器約束模型能夠管理所有組件的形狀特征、裝配特征及它們之間的約束關(guān)系。若某個特征發(fā)生改變，虛擬模型能夠根據(jù)約束關(guān)系發(fā)生相應(yīng)的特征變化，從而保證整個數(shù)據(jù)的一致性。由于行星減速器是典型的齒輪機(jī)構(gòu)， 運(yùn)動元件有太陽輪和行星輪，這兩個齒輪軸處建立銷釘聯(lián)接即可。圖2為借助PRO/E 軟件建立的減速器裝配圖。

（5）裝配運(yùn)動仿真和干涉分析

首先對減速器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，模擬減速器的實際工作狀態(tài)，檢查各運(yùn)動機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)關(guān)系。圖3為減速器的運(yùn)動仿真圖。

然后根據(jù)零部件的干涉和運(yùn)動情況，修改原三維設(shè)計模型。在保證減速器所有零件的干涉自由和運(yùn)動協(xié)調(diào)的條件下，完善減速器所有零件的設(shè)計工作。圖4、圖5分別為減速器的裝配序列表和干涉檢驗圖。

3 結(jié)語

本文針對產(chǎn)品裝配過程中出現(xiàn)的問題，以Pro/E軟件為平臺，以行星減速器組件為研究對象，利用虛擬裝配技術(shù)，成功地應(yīng)用計算機(jī)虛擬環(huán)境完成了產(chǎn)品的裝配過程。對裝配體進(jìn)行干涉檢驗、動態(tài)仿真等，根據(jù)檢驗結(jié)果進(jìn)行修改設(shè)計，大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程，降低了成本、提高了產(chǎn)品質(zhì)量；采用適當(dāng)?shù)奶摂M裝配方法，對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。虛擬裝配技術(shù)將在以后產(chǎn)品的設(shè)計和制造中發(fā)揮越來越重要的作用。

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作者簡介：

陳傳??；出生年月：1985-07；性別：男；民族：漢族；籍貫：山東巨野；學(xué)歷：本科；研究方向：工業(yè)自動化。法