基于Solid Works的二級齒輪減速器虛擬裝配與運動仿真

肖啟明，蘇道齊，陳冀文，余海燕

（重慶三峽學院，重慶 404000）

虛擬設計與虛擬裝配，作為一種前沿的科學技術，已經廣泛使用在現代工業設計、制造等關鍵領域。虛擬設計與虛擬裝配，大多是基于三維軟件的基礎上實現的，本文選用通用三維軟件SolidWorks對二級齒輪減速器進行零部件的設計、裝配、齒輪減速器的干涉檢查、運動仿真等，真實再現了齒輪減速器的結構，模擬了齒輪減速器的工作情況。該技術的運用，在很大程度上縮短了產品的研發周期，同時能對產品進行制造前的檢查，節省大量的人力、物力，增強了產品競爭能力。

1 減速器的三維建模

實體建模，是將物體及其特征屬性通過計算機處理后轉換為內部數字加以存儲的原理與方法[1]。減速器各零部件三維模型的構建，是實現虛擬裝配、運動仿真的前提條件，因此需要耗費大量的時間和精力。三維建模不僅應該滿足產品自身信息的表達要求，還應該能夠滿足產品設計、制造、管理等過程的信息需求。只有這樣，才能建立正確的模型，實現虛擬裝配和動態仿真的技術要求。

1.1 特征分析

減速器各零件建模之前，首先分析其實體特征，將每個零件以相應的特征分解，把握特征建模的先后順序。如箱座總體上為對稱結構，將對稱部分建模完成后，采用鏡像命令生成實體，然后完成非對稱結構的銷孔、吊環座等部分結構。Solid Works擁有豐富的特征命名，對于同一實體，其建模的方式有多種選擇，對于階梯軸類回轉體零件的實體建模既可采用旋轉，也可選擇分段拉伸實現，但總的是要把握住建模迅速、修改方便的原則。

1.2 實體建模

根據特征類型繪制草圖輪廓，分別對減速器的箱座、箱蓋、齒輪等零件建模。齒輪是建模的重點，也是仿真的關鍵環節，齒輪能否正確嚙合，與草圖準確繪制有關。采用Solid Works無法手動繪制出準確的漸開線齒廓，利用CAXA電子圖板生成漸開線齒輪齒廓，將草圖轉換到Solid Works中進行建模，齒廓的精確度得以大幅度提高。為提高草圖繪制效率，草圖要充分使用各元素之間的約束關系，精簡尺寸，添加必要的尺寸約束，以尺寸驅動草圖，達到草圖的完全定義。草圖應盡量反映零件輪廓的主要部分；倒角和修緣等特征，可在零件主體建立之后快速實現。中間齒輪軸的實體建模如圖1所示。

圖1 齒輪軸

減速器部分零件采用的是標準件，Solid Works設計庫自帶有標準件模型。點擊工具欄里的插件，同時選中Solid Works Toolbox和Solid Works Toolbox Browser并激活，設計庫會自動提供各種標準件，以滿足用戶的需求。

2 虛擬裝配

虛擬裝配是一門發展潛力巨大的新技術。采用虛擬裝配技術，可明顯縮短產品設計周期，節約成本，提高效率。以Solid Works為平臺，在電腦虛擬的環境中，將減速器的實體模型進行虛擬裝配，在滿足產品性能與功能的條件下，通過分析、評估改進產品的設計和裝配體的結構，實現產品裝配的高效性。

2.1 組建裝配體

裝配體的組建，是實現虛擬裝配的重要環節，虛擬的展現了減速器的整個裝配過程，并規劃減速器的裝配步驟和路線。Solid Works會自動將第一個調入的零件默認為固定不動，所以減速器的建模，應以箱座作為裝配基準，然后在此基礎上插入其他零件。Solid Works包含的同心、重合、距離等多種標準配合關系，是保證零件之間進行準確裝配的基本命令。調整好齒輪位置關系，在高級選項中添加齒輪配合，設定傳動比率。最后建立的三維二級圓柱齒輪減速器的裝配圖如圖2所示。

圖2 減速器模型

2.2 碰撞干涉檢查

裝配體的碰撞干涉檢查，主要分為兩大部分：裝配過程的碰撞檢查，以及裝配完成之后的干涉檢查。

零件按裝配路線移動，若與其他零件發生碰撞，則零件無法移動到正確的位置，就會影響減速器的正常裝配。利用碰撞檢查，可以檢測裝配過程中的碰撞問題，碰撞部分會以高亮顯示，以此對裝配體進行修改和規劃合理的裝配路線。

對已建立好的靜態模型，可采用干涉檢查。裝配完成的模型，并不一定完全正確，之間是否發生重疊現象，需要反復地檢查和修改。在干涉檢查中，裝配體會高亮地顯示干涉區域，通過在裝配體中直接點擊或單獨打開零件，即可快速地對零件進行修改，達到最終的設計要求。

3 動態仿真

每一種產品在生成前，都必須對其工作原理進行分析，判斷產品能否達到預期的設計要求。面對日益復雜的系統，只有采用仿真技術，才能滿足大量的數字計算，獲得理想的實驗數據。

基于Solid Works自帶的插件COSMOS Motion，可實現減速器的動態仿真。由MSC、ADAMS驅動的COSMOS Motion是專門進行機械系統動態仿真的軟件，可分析減速器各運動部件的速度、位移、受力、干涉等情況，并輸出相應的實驗數據，作為分析產品性能的依據。

3.1 齒輪運動仿真

選擇智能運動構建器設定減速器的各種運行參數，將齒輪和軸均設定為運動部件，其余為靜止部件。COSMOS Motion會自動將配合關系映射為相應的約束，配合好的齒輪可不再添加約束。仿真時按設計要求為齒輪添加運動，選擇高速級輸入軸，定義運動為恒定角速度繞Z軸旋轉。在齒輪實際工作中，齒輪會受到力的作用，對齒輪添加一定數值的反作用力矩，分析其受力情況，運行仿真，此時各運動零件可繪制出各種仿真曲線。高速級輸入軸的運動力矩幅值曲線如圖3所示。

圖3 運動力矩曲線

3.2 動態干涉檢查

齒輪仿真的過程中，每齒的嚙合都可能發生干涉，運用COSMOS Motion中的干涉檢查，動態觀測仿真時每幀的嚙合情況，根據干涉點體積大小，判斷干涉的嚴重程度，對干涉處進行修改，優化齒輪設計。

4 結束語

通過利用三維建模軟件Solid Works對齒輪減速器進行三維模型的建立與運動仿真，得到以下結論：

（1）借助Solid Works軟件平臺，采用合理的建模方法，快速高效構建減速器三維模型，通過虛擬裝配技術，最終實現了減速器整體的正確安裝和拆卸，此技術在實際工程中能大幅度縮短開發時間，同時能在設計前期對產品進行檢查。

（2）結合COSMOS Motion軟件，動態模擬了減速器的工作原理，分析齒輪減速器的動態特性，運用仿真技術，增強了企業產品的競爭力。

[1]姚英學，蔡 穎.計算機輔助設計與制造[M].北京：高等教育出版社，2002.