基于SolidWorks的減速器裝配設(shè)計(jì)-SolidWorks培訓(xùn)

2013-05-25 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

虛擬裝配是新興的虛擬產(chǎn)品開發(fā)研究的重要內(nèi)容.采用虛擬裝配技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段就驗(yàn)證零件之間的配合和可裝配性,保證設(shè)計(jì)的正確性.通過在SolidWorks軟件平臺(tái)上對(duì)減速器產(chǎn)品典型零件進(jìn)行3D建模和參數(shù)化設(shè)計(jì),確保了應(yīng)用三維CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì),進(jìn)而完成了實(shí)體建模和虛擬裝配設(shè)計(jì).

沈琛林陳定方來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 虛擬裝配虛擬現(xiàn)實(shí) 動(dòng)態(tài)仿真

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和加工技術(shù)也發(fā)生了很大的變化。然而,在裝配環(huán)節(jié)上,人工操作歷來都作為一個(gè)生產(chǎn)要素出現(xiàn),依賴于人的技巧和判斷能力來進(jìn)行復(fù)雜的操作,具有很強(qiáng)的智能性和復(fù)雜性,因而在設(shè)計(jì)技術(shù)、加工技術(shù)快速發(fā)展的今天,裝配工藝成為薄弱環(huán)節(jié),成為先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸;同時(shí)以往的裝配過程被局限在"設(shè)計(jì)——制造(裝配)——評(píng)價(jià)"和"實(shí)物驗(yàn)證"的封閉時(shí)空模式中,裝配關(guān)系的滯后檢驗(yàn),帶來成本的巨大浪費(fèi),同時(shí)也不符合快速反映市場(chǎng)的需要。

虛擬裝配是新興的虛擬產(chǎn)品開發(fā)研究的重要內(nèi)容。采用虛擬裝配技術(shù)可在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證零件之間的配合和可裝配性,保證設(shè)計(jì)的正確性舊。隨著社會(huì)的發(fā)展,虛擬制造成為制造業(yè)發(fā)展的重要方向之一,而虛擬裝配技術(shù)作為虛擬制造的核心技術(shù)之一也越來越引人注目虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)有助于對(duì)產(chǎn)品零部件進(jìn)行虛擬分析和虛擬設(shè)計(jì),有助于解決零部件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)出現(xiàn)的技術(shù)問題,以達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本及優(yōu)化產(chǎn)品性能等目的問。

在許多世界級(jí)大企業(yè)中被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)(CAD)的高端主流軟件SolidWorks 的裝配模塊就采用了虛擬裝配技術(shù),即便是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段,所產(chǎn)生的最初模型也可放入虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建產(chǎn)品模型,使產(chǎn)品的外表、形狀和功能得到模擬,而且有關(guān)產(chǎn)品的人機(jī)交互性能也能得到測(cè)試和校驗(yàn),產(chǎn)品的缺陷和問題在設(shè)計(jì)階段就能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以解決。本文是對(duì)直齒輪傳動(dòng)減速器應(yīng)用SolidWorks 三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和虛擬裝配設(shè)計(jì)工作的介紹。

1 虛擬裝配的實(shí)施方案和步驟

建立裝配信息和規(guī)則庫,如裝配順序規(guī)劃基本準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)件聯(lián)接和裝配的原則、尺寸鏈的查找和裝配評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等,建立基于裝配語義的裝配關(guān)系表達(dá)。

虛擬環(huán)境中裝配語義識(shí)別:根據(jù)設(shè)計(jì)者的交互操作,當(dāng)裝配零件運(yùn)動(dòng)到己裝配零部件附近時(shí),通過兩者裝配特征屬性匹配,自動(dòng)識(shí)別出裝配零部件間的裝配關(guān)系。在準(zhǔn)確捕捉設(shè)計(jì)者裝配意圖的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)虛擬裝配建模過程中零件的約束運(yùn)動(dòng),確保設(shè)計(jì)者能準(zhǔn)確自如地進(jìn)行產(chǎn)品裝配建模操作。這需要以裝配精度模型為基礎(chǔ),利用屬性拓?fù)鋱D進(jìn)行裝配公差傳播方向和公差累積的分析計(jì)算,解決產(chǎn)品的可裝配性分析。

交互式裝配順序規(guī)劃:對(duì)虛擬環(huán)境中的裝配模型進(jìn)行交互拆卸,基于"可拆即可裝"的假定,通過拆卸得到可行序列;對(duì)于幾種可能的裝配序列,根據(jù)裝配操作的穩(wěn)定性、裝配操作中零部件的定位和定向次數(shù)及裝配序列的并行度等進(jìn)行優(yōu)化及選擇。

裝配仿真:以裝配順序?yàn)榛A(chǔ),對(duì)初始路徑及其關(guān)鍵點(diǎn)位置實(shí)時(shí)交互修改與調(diào)整,對(duì)裝夾工具的可達(dá)性、裝配空間的可操作性進(jìn)行仿真,檢查各條裝配路徑上零件在裝配過程中是否存在干涉情況。

虛擬環(huán)境接受速度或者位置輸入,并根據(jù)有關(guān)的物理模型計(jì)算出相應(yīng)的力,通過適當(dāng)?shù)耐┖掀ヅ?由力再現(xiàn)裝置反饋給操作者,反饋對(duì)物體的重力感受。

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圖1 虛擬裝配的實(shí)施方案和步驟圖

2 零件3D 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)械產(chǎn)品的3D 設(shè)計(jì)主要包括產(chǎn)品零件的3D建模與設(shè)計(jì)、虛擬裝配與干涉檢查、關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化、2D 工程固的轉(zhuǎn)換和參數(shù)標(biāo)注等。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的思想是零件尺寸的參數(shù)驅(qū)動(dòng),即在設(shè)計(jì)零件之初只要給出零件外形輪廓,后續(xù)只需通過簡(jiǎn)單的表達(dá)式來給變量賦值,定義幾何尺寸。 SolidWorks 不僅記錄了建模過程中的尺寸定義,而且將整個(gè)建模過程中的特征操作完整地記錄下來,只需給尺寸變量賦值就可以實(shí)現(xiàn)模型更新。當(dāng)然,參數(shù)化設(shè)計(jì)也是要遵循一定規(guī)律的,并不是針對(duì)任何零部件都可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),只有結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,國(guó)標(biāo)或廠標(biāo)對(duì)其有準(zhǔn)確描述的零件才可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)。例如減速器中所使用的各種墊片、螺釘、螺母、軸承以及齒輪等部件就完全可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用SolidWorks 簡(jiǎn)單、快速的建模功能,在最短時(shí)間里按照客戶提供的外部接口尺寸和性能要求,設(shè)計(jì)出合適的零件。

3 基于特征的產(chǎn)品虛擬裝配設(shè)計(jì)

對(duì)直齒輪傳動(dòng)減速器產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計(jì)(Virtual Assembly Design) 過程,即在計(jì)算機(jī)上對(duì)已經(jīng)建立的產(chǎn)品零件按照產(chǎn)品的裝配關(guān)系完成部件和整機(jī)的三維裝配模型,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用軟件提供的功能,進(jìn)行裝配零件之間的動(dòng)、靜態(tài)干涉檢查。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理之處及時(shí)調(diào)整與修改設(shè)計(jì)圖紙,從而可縮短產(chǎn)品制造與裝配生產(chǎn)過程的時(shí)間,降低產(chǎn)品的裝配成本,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.1 確定裝配層次

裝配層次是指減速器總裝配體的子裝配體組成,即減速器裝配體由幾大部件來組成。直齒輪傳動(dòng)減速器主要由減速器下箱、減速器上箱、輸入軸、輸出軸、軸承、鍵、一對(duì)嚙合齒輪與軸承蓋等部分組成,幾大部件由SolidWorks 分別建模而成?？傮w裝配體包含子裝配體和零件組成,子裝配體又包含零件和下一級(jí)的子裝配體,如此繼續(xù)。對(duì)于該減速器,因其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,所以只有軸承子裝配體。同級(jí)的零件有減速器上箱、輸入袖、輸出軸、一對(duì)嚙合齒輪和軸承蓋,軸承子裝配體又有內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾珠和保持架四個(gè)零件組成。

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圖2 直齒輪傳動(dòng)減速器3D 虛擬裝配設(shè)計(jì)

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圖3 虛擬裝配設(shè)計(jì)流程圖

3.2 確定裝配順序圖

根據(jù)減速器的結(jié)構(gòu)尺寸形式和各個(gè)部件間的約束關(guān)系,確定整個(gè)減速器的裝配順序。選定減速器下箱為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配。接下來將大齒輪、鍵、輸出軸裝配起來,固定在配套的軸承上面。用同樣的方法完成小齒輪軸的裝配。再接下來將減速器上箱裝配起來,最后完成軸承蓋(包括悶蓋和透蓋)和螺釘、墊圈的裝配。

3.3 確定裝配約束

裝配約束是確定基準(zhǔn)件和其他組成件的定位及相互約束關(guān)系,主要由裝配特征、約束關(guān)系和裝配設(shè)計(jì)管理樹組成。標(biāo)準(zhǔn)配合有重合、平行、垂直、距離、角度、相切和同軸心配合,高級(jí)配合有對(duì)稱、凸輪、寬度和齒輪配合,還有一些高級(jí)配合,如線性馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、線性彈簧和引力。如完成軸承蓋的配合,根據(jù)軸承蓋的軸心和下箱上的軸承孔的重合,完成軸心定位;根據(jù)軸承蓋的內(nèi)壁面和下箱的外壁面重合以及軸承蓋和箱體上的螺栓孔完成軸承蓋的裝配。

3.4 完成零件設(shè)計(jì)后做出總成模型

在SolidWorks 軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)完成的直齒輪傳動(dòng)減速器3D 虛擬裝配圖如圖(4)所示。通過總成模型,清楚的表達(dá)出各個(gè)零件的位置。

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圖4 減速器總成模型

3.5 干涉檢查

3D 物理模型中的物體在運(yùn)動(dòng)過程中很有可能會(huì)發(fā)生碰撞、接觸及其他形式的相互作用。基于3D物理模型的動(dòng)畫系統(tǒng)必須能夠檢測(cè)物體之間的這種相互作用,并作出適當(dāng)響應(yīng),否則就會(huì)出現(xiàn)物體之間相互穿頭彼此重疊等不真實(shí)的現(xiàn)象。

4 直齒輪傳動(dòng)減速器整機(jī)的3D 設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真

為避免設(shè)備制造裝配后在運(yùn)行過程中發(fā)生干涉現(xiàn)象,確保設(shè)備研制和運(yùn)行一次成功,應(yīng)用SolidWorks三維CAD 軟件建立設(shè)備的整機(jī)3D 模型,應(yīng)用3D 技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及其運(yùn)行全過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真與模擬,很好地再現(xiàn)了設(shè)備的運(yùn)行狀況。因?yàn)樵谔摂M裝配的過程中對(duì)各個(gè)零件間添加了約束關(guān)系,即某-個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)與其有約束關(guān)系的零件發(fā)生作用,從而當(dāng)對(duì)某一個(gè)零件添加動(dòng)力后它就會(huì)在零件間的約束下傳遞力或是扭矩,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)態(tài)仿真。在該減速器中對(duì)高速級(jí)齒輪(較小的齒輪)添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)并設(shè)定相應(yīng)的參數(shù),由于齒輪對(duì)的啃合關(guān)系將扭矩從高速級(jí)傳向低速級(jí);由于鍵和齒輪及軸的配合關(guān)系將扭矩輸出。通過仿真可以清晰地看到各個(gè)零部件在實(shí)際過程中的運(yùn)行情況。

5 結(jié)論

虛擬裝配可幫助產(chǎn)品擺脫對(duì)于試制物理樣機(jī)并裝配物理樣機(jī)的過度依賴,有效地提高產(chǎn)品裝配建模的質(zhì)量與速度,有助于降低產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。通過在SolidWorks 軟件平臺(tái)上對(duì)減速器產(chǎn)品典型零件進(jìn)行3D 建模和參數(shù)化設(shè)計(jì),確保了應(yīng)用三維CAD 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì),進(jìn)而完成了減速器的3D 實(shí)體建模和虛擬裝配設(shè)計(jì),為方便、快捷、準(zhǔn)確地研制開發(fā)系列產(chǎn)品提供了有力的技術(shù)保障,同時(shí)提高了技術(shù)應(yīng)用的水平,為后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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