基于SolidWorks的減速器裝配設計-SolidWorks培訓

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

虛擬裝配是新興的虛擬產品開發(fā)研究的重要內容.采用虛擬裝配技術可以在設計階段就驗證零件之間的配合和可裝配性,保證設計的正確性.通過在SolidWorks軟件平臺上對減速器產品典型零件進行3D建模和參數化設計,確保了應用三維CAD技術進行產品的高效設計,進而完成了實體建模和虛擬裝配設計.

沈琛林陳定方來源:萬方數據
關鍵字:計算機輔助設計虛擬裝配虛擬現實動態(tài)仿真

隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展,機械零件的計算機輔助設計和加工技術也發(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生產要素出現,依賴于人的技巧和判斷能力來進行復雜的操作,具有很強的智能性和復雜性,因而在設計技術、加工技術快速發(fā)展的今天,裝配工藝成為薄弱環(huán)節(jié),成為先進制造技術發(fā)展的瓶頸;同時以往的裝配過程被局限在"設計——制造(裝配)——評價"和"實物驗證"的封閉時空模式中,裝配關系的滯后檢驗,帶來成本的巨大浪費,同時也不符合快速反映市場的需要。

虛擬裝配是新興的虛擬產品開發(fā)研究的重要內容。采用虛擬裝配技術可在設計階段驗證零件之間的配合和可裝配性,保證設計的正確性舊。隨著社會的發(fā)展,虛擬制造成為制造業(yè)發(fā)展的重要方向之一,而虛擬裝配技術作為虛擬制造的核心技術之一也越來越引人注目虛擬裝配的實現有助于對產品零部件進行虛擬分析和虛擬設計,有助于解決零部件從設計到生產出現的技術問題,以達到縮短產品開發(fā)周期、降低生產成本及優(yōu)化產品性能等目的問。

在許多世界級大企業(yè)中被廣泛應用的計算機輔助三維設計(CAD)的高端主流軟件SolidWorks 的裝配模塊就采用了虛擬裝配技術,即便是在產品設計的初期階段,所產生的最初模型也可放入虛擬環(huán)境進行實驗,可在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建產品模型,使產品的外表、形狀和功能得到模擬,而且有關產品的人機交互性能也能得到測試和校驗,產品的缺陷和問題在設計階段就能被及時發(fā)現并加以解決。本文是對直齒輪傳動減速器應用SolidWorks 三維設計軟件進行參數化設計和虛擬裝配設計工作的介紹。

1 虛擬裝配的實施方案和步驟

建立裝配信息和規(guī)則庫,如裝配順序規(guī)劃基本準則、標準件聯(lián)接和裝配的原則、尺寸鏈的查找和裝配評價準則等,建立基于裝配語義的裝配關系表達。

虛擬環(huán)境中裝配語義識別:根據設計者的交互操作,當裝配零件運動到己裝配零部件附近時,通過兩者裝配特征屬性匹配,自動識別出裝配零部件間的裝配關系。在準確捕捉設計者裝配意圖的基礎上,實現虛擬裝配建模過程中零件的約束運動,確保設計者能準確自如地進行產品裝配建模操作。這需要以裝配精度模型為基礎,利用屬性拓撲圖進行裝配公差傳播方向和公差累積的分析計算,解決產品的可裝配性分析。

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

裝配仿真:以裝配順序為基礎,對初始路徑及其關鍵點位置實時交互修改與調整,對裝夾工具的可達性、裝配空間的可操作性進行仿真,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,并根據有關的物理模型計算出相應的力,通過適當的桐合匹配,由力再現裝置反饋給操作者,反饋對物體的重力感受。

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圖1 虛擬裝配的實施方案和步驟圖

2 零件3D 參數化設計技術

機械產品的3D 設計主要包括產品零件的3D建模與設計、虛擬裝配與干涉檢查、關鍵零部件的結構有限元分析與優(yōu)化、2D 工程固的轉換和參數標注等。三維參數化設計軟件的思想是零件尺寸的參數驅動,即在設計零件之初只要給出零件外形輪廓,后續(xù)只需通過簡單的表達式來給變量賦值,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現模型更新。當然,參數化設計也是要遵循一定規(guī)律的,并不是針對任何零部件都可以進行參數化設計,只有結構尺寸相對標準化、系列化,國標或廠標對其有準確描述的零件才可以進行參數化設計時。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現參數化設計。利用SolidWorks 簡單、快速的建模功能,在最短時間里按照客戶提供的外部接口尺寸和性能要求,設計出合適的零件。

3 基于特征的產品虛擬裝配設計

對直齒輪傳動減速器產品的虛擬裝配設計(Virtual Assembly Design) 過程,即在計算機上對已經建立的產品零件按照產品的裝配關系完成部件和整機的三維裝配模型,在此基礎上應用軟件提供的功能,進行裝配零件之間的動、靜態(tài)干涉檢查。一旦發(fā)現設計不合理之處及時調整與修改設計圖紙,從而可縮短產品制造與裝配生產過程的時間,降低產品的裝配成本,提高設計質量。

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的子裝配體,如此繼續(xù)。對于該減速器,因其結構較為簡單,所以只有軸承子裝配體。同級的零件有減速器上箱、輸入袖、輸出軸、一對嚙合齒輪和軸承蓋,軸承子裝配體又有內環(huán)、外環(huán)、滾珠和保持架四個零件組成。

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圖2 直齒輪傳動減速器3D 虛擬裝配設計

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圖3 虛擬裝配設計流程圖

3.2 確定裝配順序圖

根據減速器的結構尺寸形式和各個部件間的約束關系,確定整個減速器的裝配順序。選定減速器下箱為基準進行裝配。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件和其他組成件的定位及相互約束關系,主要由裝配特征、約束關系和裝配設計管理樹組成。標準配合有重合、平行、垂直、距離、角度、相切和同軸心配合,高級配合有對稱、凸輪、寬度和齒輪配合,還有一些高級配合,如線性馬達、旋轉馬達、線性彈簧和引力。如完成軸承蓋的配合,根據軸承蓋的軸心和下箱上的軸承孔的重合,完成軸心定位;根據軸承蓋的內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 完成零件設計后做出總成模型

在SolidWorks 軟件平臺上設計完成的直齒輪傳動減速器3D 虛擬裝配圖如圖(4)所示。通過總成模型,清楚的表達出各個零件的位置。

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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動過程中很有可能會發(fā)生碰撞、接觸及其他形式的相互作用?；?D物理模型的動畫系統(tǒng)必須能夠檢測物體之間的這種相互作用,并作出適當響應,否則就會出現物體之間相互穿頭彼此重疊等不真實的現象。

4 直齒輪傳動減速器整機的3D 設計與動態(tài)仿真

為避免設備制造裝配后在運行過程中發(fā)生干涉現象,確保設備研制和運行一次成功,應用SolidWorks三維CAD 軟件建立設備的整機3D 模型,應用3D 技術對所設計的產品及其運行全過程進行三維動態(tài)仿真與模擬,很好地再現了設備的運行狀況。因為在虛擬裝配的過程中對各個零件間添加了約束關系,即某-個零件的運動會對與其有約束關系的零件發(fā)生作用,從而當對某一個零件添加動力后它就會在零件間的約束下傳遞力或是扭矩,最終實現機器的動態(tài)仿真。在該減速器中對高速級齒輪(較小的齒輪)添加旋轉馬達并設定相應的參數,由于齒輪對的啃合關系將扭矩從高速級傳向低速級;由于鍵和齒輪及軸的配合關系將扭矩輸出。通過仿真可以清晰地看到各個零部件在實際過程中的運行情況。

5 結論

虛擬裝配可幫助產品擺脫對于試制物理樣機并裝配物理樣機的過度依賴,有效地提高產品裝配建模的質量與速度,有助于降低產品開發(fā)成本,縮短產品開發(fā)周期。通過在SolidWorks 軟件平臺上對減速器產品典型零件進行3D 建模和參數化設計,確保了應用三維CAD 技術進行產品的高效設計,進而完成了減速器的3D 實體建模和虛擬裝配設計,為方便、快捷、準確地研制開發(fā)系列產品提供了有力的技術保障,同時提高了技術應用的水平,為后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎。

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