1. 前言

　　隨著市場(chǎng)的開(kāi)放性和全球化，用戶在追求高質(zhì)量低價(jià)格和短交貨期的同時(shí)，會(huì)縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，這就要求設(shè)計(jì)人員去改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，最大限度地利用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)者通過(guò)虛擬裝配檢查各零部件尺寸以及可裝配性，即時(shí)修改錯(cuò)誤;通過(guò)虛擬原型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，而不用再去做更多的實(shí)物試驗(yàn)。這樣，既節(jié)省了時(shí)間又節(jié)約了費(fèi)用。

　　虛擬設(shè)計(jì)(Virtual Design)是將VR技術(shù)和CAD技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)應(yīng)用于多領(lǐng)域的新技術(shù)。近年來(lái)，商業(yè)CAD軟件及工具的興起，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，推動(dòng)了虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展。本文基于SolidWorks三維軟件完成的雙級(jí)減速箱的虛擬設(shè)計(jì)。

　　2. 減速箱虛擬設(shè)計(jì)軟件的選用

　　減速器是一種用途十分廣泛的機(jī)械裝置。圓錐圓柱齒輪雙級(jí)減速器的可分為DBYK硬齒面、DCYK硬齒面、DBY硬齒面、DFY硬齒面、DCY硬齒面等多種類型。它主要適用于輸出輸入軸呈垂直方向布置的傳動(dòng)裝置，如帶式輸送機(jī)等各種運(yùn)輸機(jī)械，在冶金、礦山、建筑、水泥、能源等通用機(jī)械中也得到應(yīng)用[2]。

　　本次所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的雙級(jí)減速器的基本要求是用于碼頭運(yùn)型砂，單班制工作，有輕微振動(dòng)，使用年限為10年，基本數(shù)據(jù)為輸送帶拉力為2060N，運(yùn)輸帶速為1.2m/s，卷筒直徑為300mm。由于SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件含有豐富的方便快捷的設(shè)計(jì)資源和Toolbox、cosmos等插件，功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)十分直觀快捷，設(shè)計(jì)效率很高。因此，本設(shè)計(jì)選用SolidWorks作為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。

　　3. 基于SolidWorks的齒輪的二次開(kāi)發(fā)

　　齒輪齒形具有復(fù)雜的曲面特征，當(dāng)齒輪參數(shù)和尺寸不相同時(shí)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的齒輪零件的結(jié)構(gòu)也不相同，為了減少建模的工作量，減少同一零件的重復(fù)性工作，有必要進(jìn)行基于SolidWorks的齒輪二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行相似零件的參數(shù)化建模。

　　在SolidWorks可以利用其內(nèi)部強(qiáng)大的宏功能來(lái)進(jìn)行實(shí)體建模，通過(guò)VB語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的二次開(kāi)發(fā)。圖1為基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)得到的直齒輪，并對(duì)其進(jìn)行了材質(zhì)處理。它的實(shí)現(xiàn)主要過(guò)程如下：

　　(1)點(diǎn)擊工具中的錄制宏命令，開(kāi)始創(chuàng)建漸開(kāi)線齒輪三維實(shí)體模型，這樣就可以把齒輪建模的全過(guò)程錄制成宏文件。找出宏文件中與模型生成有關(guān)的關(guān)鍵函數(shù)，理解并確定其中的關(guān)鍵參數(shù)，把關(guān)鍵常數(shù)用變量來(lái)代替，這樣就完成了漸開(kāi)線齒輪的三維參數(shù)化建模程序;

　　(2)使用VB語(yǔ)言編制應(yīng)用程序界面，如圖2所示。設(shè)計(jì)者通過(guò)應(yīng)用程序界面錄入初始參數(shù)，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算出上述宏文件中所需要的相關(guān)參數(shù)、編譯程序并生成可執(zhí)行程序供SolidWorks程序調(diào)用;

　　(3)完成可執(zhí)行應(yīng)用程序后,使用SolidWorks中的"宏"操作命令將應(yīng)用程序嵌入SolidWorks中,實(shí)現(xiàn)二者的鏈接。

　　圖1：為基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)得到的直齒輪

　　圖2： 應(yīng)用程序界面

　　4. 基于SolidWorks的減速箱虛擬設(shè)計(jì)

　　SolidWorks軟件在產(chǎn)品性能優(yōu)化和仿真(運(yùn)動(dòng)和干涉檢查、整機(jī)運(yùn)動(dòng)分析、零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化等)、結(jié)構(gòu)特征建模、分析評(píng)價(jià)等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

　　4.1 SolidWorks中的齒輪軸的建模

　　在減速箱設(shè)計(jì)中，由于齒輪的尺寸較小，近似接近于軸段的尺寸，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，這種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)。

　　圖3所示的是在SolidWorks環(huán)境下建立的直齒輪軸和錐齒輪三維模型。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們采用了齒輪的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，先生成齒輪，然后在通過(guò)拉伸命令完成相應(yīng)的階梯軸。

　　圖3：直齒輪軸(上)和錐齒輪軸(下)

　　4.2 減速箱內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　為了清晰地呈現(xiàn)雙級(jí)圓錐圓柱減速箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將上下箱體和一些附屬部件在SolidWorks中隱藏后，得到了雙級(jí)圓錐圓柱減速箱內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖(如圖4)。從圖中可以清晰的看出雙級(jí)圓錐圓柱減速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和工作過(guò)程。該減速箱一級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)由圓錐齒輪組成，它具有傳動(dòng)平穩(wěn)、輸入軸與輸出軸垂直傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，二級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)采用圓柱齒輪傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比。

　　圖4：減速箱內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　5 減速箱的高效虛擬裝配

　　SolidWorks中的高效虛擬裝配一般分為對(duì)裝配體進(jìn)行簡(jiǎn)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]。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，先將雙級(jí)圓錐圓柱減速箱進(jìn)行虛擬裝配，然后進(jìn)行爆破、材質(zhì)、渲染、干涉檢查等完成減速箱的高效虛擬裝配。

　　5.1 減速箱的虛擬裝配

　　虛擬樣機(jī)可以在很短時(shí)間內(nèi)完成多次物理樣機(jī)無(wú)法完成的仿真試驗(yàn)以及極端工況的試驗(yàn)，如安全性能的測(cè)試等，直至獲得樣機(jī)模型整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化方案[4]。減速箱的虛擬裝配就是完成減速箱虛擬樣機(jī)的一個(gè)優(yōu)化過(guò)程。

　　在虛擬裝配中，裝配關(guān)系是零件之間相對(duì)位置和配合關(guān)系，它反映了零件之間的相互約束及相對(duì)運(yùn)動(dòng)。SolidWorks中有標(biāo)準(zhǔn)配合和高級(jí)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(dòng)模擬時(shí)就用到高級(jí)配合，此時(shí)須加一些輔助動(dòng)力裝置，如：線性馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、線性彈簧和引力。在配合時(shí)應(yīng)該注意過(guò)配合和欠配合的現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)配合時(shí)刪除多余約束即可，反之要添加約束條件使之正常配合。圖5為該減速箱的整體虛擬裝配圖的左右二等角軸測(cè)圖，左側(cè)的則是整個(gè)裝配過(guò)程的裝配樹(shù)。

　　圖5：減速箱虛擬裝配圖

　　5.2 基于PhotoWorks插件的虛擬裝配體渲染模型

　　虛擬設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相似的虛擬環(huán)境，使人們產(chǎn)生身臨其境的視景仿真。在SolidWorks2007虛擬設(shè)計(jì)中，使用PhotoWorks插件可以讓虛擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品獲得更加真實(shí)的產(chǎn)品效果，通過(guò)該插件中的相機(jī)與燈光、布景與材質(zhì)等功能進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，從而獲得一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境十分接近的虛擬渲染模型(圖6)。

　　圖6：虛擬裝配體渲染模型

　　此外，利用CosmosWorks插件還可以對(duì)零部件(如齒輪、軸等)以及整個(gè)虛擬裝配體進(jìn)行有限元分析，得到各個(gè)部位的受力情況，再進(jìn)行可靠性分析，實(shí)時(shí)修改受力不良的部位，改進(jìn)可靠性較差的部位，達(dá)到即符合可靠性系數(shù)，又能節(jié)省實(shí)際制造時(shí)的材料的目的。

　　5.3 減速箱爆炸圖

　　為了便于形象地分析零部件之間的相互關(guān)系，有必要對(duì)裝配體進(jìn)行爆炸視圖(圖7)。從爆破圖中可以很明顯的看到組成減速箱的各個(gè)部件，例如上箱體、下箱體、直齒輪、錐齒輪、齒輪軸、階梯軸、軸承、端蓋、悶蓋、螺栓、套筒等等零部件。SolidWorks在虛擬產(chǎn)品裝配體的爆炸技術(shù)方面比較突出，應(yīng)用爆炸命令可以很簡(jiǎn)單的根據(jù)用戶自己的意愿進(jìn)行爆炸。爆炸中應(yīng)注意的是爆炸過(guò)程最好符合實(shí)際生產(chǎn)的安裝順序，這樣可以使得爆炸過(guò)程和后續(xù)的解除爆炸過(guò)程更加真實(shí)。完成爆炸視圖后，可以利用Animator插件中的輔助動(dòng)畫(huà)向?qū)?shí)現(xiàn)裝配體的爆炸和解除爆炸動(dòng)畫(huà)。

　　圖7：虛擬裝配體爆炸圖

　　5.4 基于Animator插件的動(dòng)畫(huà)仿真

　　虛擬設(shè)計(jì)(Virtual Design)可以為用戶提供一個(gè)基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的動(dòng)畫(huà)模擬，讓人們能夠及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[1]。減速箱虛擬樣機(jī)模型建立以后，為了更好的展示減速箱的虛擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型，使用Animator插件的動(dòng)畫(huà)功能，完成相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)，并可以保存為AVI格式的視頻文件。圖8所示的是基于Animator插件的動(dòng)畫(huà)仿真界面，圖左是減速箱的爆炸視圖，圖右是選擇動(dòng)畫(huà)類型向?qū)В渲邪ㄐD(zhuǎn)模型、爆炸、解除爆炸、物理模擬等，圖下方所示的Animator插件自帶的完成動(dòng)畫(huà)的提示，這使得用戶使用該插件更為方便簡(jiǎn)單。

　　圖8：基于Animator的動(dòng)畫(huà)仿真圖

　　6. 結(jié)束語(yǔ)

　　虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，從某種意義上說(shuō)，它改變了人們的思維方式和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，使得產(chǎn)品能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)，為企業(yè)創(chuàng)造出更大的價(jià)值，這個(gè)價(jià)值是真實(shí)存在的價(jià)值。因此，虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是十分必要的。

　　本文選用SolidWorks作為虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，在雙級(jí)減速箱的虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，它使得減速箱的虛擬設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際意義，科學(xué)性也得到了提高。