虛擬設(shè)計(jì)方法中的特征建模技術(shù)由于其眾多優(yōu)點(diǎn)越來越多地被人們所應(yīng)用.近年來，商業(yè)CAD軟件及工具基本都融人了特征建模的思想和方法，例如:PTC公司的產(chǎn)品SolidWorks, Pro/Engineer, SDRC的產(chǎn)品I-DEAS Master Series ,UGS公司的產(chǎn)品Unigraphics等，也推動了特征建模技術(shù)的發(fā)展.本文正是基于這種特征建模的設(shè)計(jì)方法的雙級減速箱的虛擬設(shè)計(jì).
   
    1 雙級減速箱的方案設(shè)計(jì)
   
    減速器是一種用途十分廣泛的機(jī)械裝置.設(shè)計(jì)要求用于碼頭運(yùn)型砂、單班制工作、有輕微振動、使用年限為10。基本數(shù)據(jù)為輸送帶拉力2 060 N，運(yùn)輸帶速1. 2 m/s，卷筒直徑300 mm.由于圓錐圓柱齒輪減速箱十分適合輸人軸和輸出軸位置布置成相交的場合，且圓錐齒輪的精加工比較困難，允許圓周速度較低Cz7考慮到傳動比要求，采用圓錐圓柱齒輪雙級減速箱設(shè)計(jì)方案，并選用SolidWorks作為三維設(shè)計(jì)平臺.
   
    2基于特征建模的虛擬設(shè)計(jì)過程
   
    產(chǎn)品的總體虛擬設(shè)計(jì)過程包含總體方案設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化與仿真、結(jié)構(gòu)特征建模、分析評價四個部分.其中性能優(yōu)化與仿真分為運(yùn)動和干涉檢查、整機(jī)運(yùn)動分析、零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化等，結(jié)構(gòu)特征建模分為零件特征建模、裝配體建模等.
   
    2.1相似零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)
   
    零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)使得許多尺寸不同、形狀相似零部件的設(shè)計(jì)更為方便，設(shè)計(jì)效率大大提高.可以應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)建模的零件有:軸端擋肩、軸套、各種墊片、悶蓋、軸承、齒輪、鍵、透蓋、螺釘、螺母、軸承油氈、擋油盤等.通過修改零部件的外觀顏色、透明度、光澤度、散射度、環(huán)境光源等得到更加美觀誘人的視景，通過修改零部件的紋理、材質(zhì)等使其達(dá)到更加真實(shí)的效果(如圖1中齒輪和軸承).
   
    應(yīng)用SolidWorks2007設(shè)計(jì)出了m=5,x=34的錐齒輪，m=4,x=44的直齒輪，直徑分別為45,35,25 mm的滾動軸承以及上述可以參數(shù)化的零件.部分零部件三維視覺效果見圖1.
   

    2.2基于SolidWorks齒輪軸的特征建模
   
    齒輪軸是支撐零件、傳遞運(yùn)動的關(guān)鍵性部件，它的設(shè)計(jì)好壞對減速器的壽命、性能等聲生很大的影響.因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)該借助于虛擬設(shè)計(jì)軟件對軸進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析，使軸具有良好的制造加工工藝性能，減少軸的應(yīng)力集中，增加軸的質(zhì)量和使用壽命.
   
    按軸的設(shè)計(jì)理論得到的高速軸和中間軸上安裝齒輪的軸段尺寸與該處需要安裝的齒輪直徑尺寸非常接近，因此為保證軸和齒輪二者的強(qiáng)度和剛度，此軸段將齒輪和軸設(shè)計(jì)成一體，即所謂的齒輪軸(圖2)，這樣設(shè)計(jì)后無論按強(qiáng)度理論計(jì)算還是對齒輪軸進(jìn)行Ansys分析，強(qiáng)度均滿足要求.這種齒輪軸的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際設(shè)計(jì)中最為常用.
   

    2. 3虛擬減速箱的裝配設(shè)計(jì)
   
    裝配是機(jī)器制造的重要階段，裝配質(zhì)量的好壞對機(jī)器的性能和使用壽命有很大的影響.因此，裝配前有必要對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配( Virtual Assembly)，來模擬實(shí)際裝配過程.
   
    在虛擬裝配中，裝配關(guān)系是零件之間相對位置和配合關(guān)系，它反映了零件之間的相互約束及相對運(yùn)動.Solidworks中有標(biāo)準(zhǔn)配合和高級配合，其中標(biāo)準(zhǔn)配合應(yīng)用最廣泛，例如:重合、平行、垂直、相切和同軸心配合;當(dāng)需要機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬時就用到高級配合，此時須加一些輔助動力裝置，如:線性馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、線性彈簧和引力.
   
    產(chǎn)品虛擬裝配時，要考慮零件的裝配層次、裝配順序以及裝配約束關(guān)系等，一定要嚴(yán)格按照實(shí)際產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)裝配過程來實(shí)施，首先要確定各個零件裝配的先后順序，再確定應(yīng)用哪幾個配合可以實(shí)現(xiàn)兩個零件的完全配合，一般來說2個零件的配合關(guān)系不會超過3個，例如:同軸心和軸肩與齒輪面的距離2個配合關(guān)系即可完成齒輪與軸的配合.對于零件比較繁多的產(chǎn)品，虛擬裝配前可以考慮2種方案:直接插人零件完成整個裝配過程、先完成需要的子裝配體，插人子裝配體完成整個裝配.選用方案時因人而異，裝配前考慮方案的優(yōu)化對裝配完成后的后期工作有很好的幫助.例如:該減速箱的裝配可以先完成3根軸與軸上零件的裝配保存形成子裝配體再與下箱體整體裝配，也可以選擇下箱體為裝配基準(zhǔn)，插人零件按軸、鍵、齒輪、軸套、軸承等裝配順序一起完成裝配.
   
    圖3為該減速箱的整體虛擬裝配圖，左側(cè)是整個裝配過程的裝配樹.為了看清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，修飾過程中將減速箱上蓋進(jìn)行了透明處理.
   

    3高效虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)
   
    為了實(shí)現(xiàn)減速箱的高效虛擬裝配，就要對裝配體進(jìn)行簡化、分析、顯示、爆炸、干涉檢查、碰撞檢查、智能扣件、Animator插件虛擬現(xiàn)實(shí)等處理。
   
    3.1智能扣件和干涉檢查
   
    對于虛擬裝配中的螺栓、螺釘?shù)扰c孔的裝配，可以使用智能扣件功能選擇相應(yīng)的螺栓與孔進(jìn)行配合.在智能扣件中，也可以進(jìn)行配置螺栓陣列、分割孔系列等智能操作，使得裝配更為方便快捷.
   
    在建模或裝配過程中可能產(chǎn)生誤差，因而在裝配完成后，須進(jìn)行干涉檢驗(yàn).Solidworks2007裝配體中應(yīng)用干涉檢查命令，可以檢查零件之間的嵌人現(xiàn)象，即發(fā)生干涉，將裝配圖轉(zhuǎn)換到線框模式下可以清晰的看到干涉的部位，并且能查看所檢查到的干涉體積.及時查出原因做出修改，避免實(shí)際制造過程中的不良后果，體現(xiàn)出虛擬產(chǎn)品的優(yōu)越性.此外還應(yīng)該進(jìn)行碰撞檢查，查看零部件之間是否有沖突.該功能可以與動態(tài)間隙同時使用.
   
    3.2裝配體爆炸圖的生成
   
    為便于形象地分析零部件之間的相互關(guān)系，有必要對裝配體設(shè)計(jì)爆炸視圖(圖4)，也可以完成裝配體爆炸直線圖，將其中的零件分離顯示.在對裝配體進(jìn)行爆炸時，其爆炸順序應(yīng)符合實(shí)際生產(chǎn)時的安裝順序，這樣可以使得虛擬更為真實(shí).裝配體的爆炸動畫和解除爆炸動畫，二者可以單獨(dú)保存為AVI格式視頻文件，也可以同時保存為一個AVI格式視頻文件.
   

    3.3基于Animator插件的動畫仿真
   
    虛擬設(shè)計(jì)(Virtual Design)可以為用戶提供一個基于視覺、聽覺、觸覺等感官的動畫模擬，讓人們能夠及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物.為了更好的展示虛擬設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型，使用Animator插件的動圈功能，在高速錐齒輪軸的伸出端施加模擬命令中的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)后，減速器就能像實(shí)際減速器一樣運(yùn)動起來，達(dá)到更加逼真的虛擬效果，并保存為AVI格式的視頻文件(圖5).為了能夠清晰的看清齒輪傳動運(yùn)動情況，在做AVI動畫時將減速箱的上箱體蓋和悶蓋隱藏.圖5所示為在暴風(fēng)影音播放器下播放的動畫.
   

    4結(jié)語
   
    本文通過對減速箱的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了減速箱的高效虛擬裝配、動畫仿真等，使得虛擬減速箱具有真實(shí)的效果.虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用使得設(shè)計(jì)者可以按照自己的構(gòu)思去進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬模擬，及時修改和進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)要素，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力，是一種應(yīng)用效果十分誘人的技術(shù).