基于反求設計的減速器虛擬裝配及數控加工仿真的應用

吳志清

（廣州工程技術職業學院，廣州 510000）

0 引言

在工程機械中，開發新產品，一般是按傳統的正向設計方式進行，在產品開發過程中通常是在產品制造出來以后才能發現產品在造型、性能、工藝、裝配可行性等方面存在的問題，又需要對產品的設計進行反復修改、模型重建，該過程造成了巨大的浪費，加大了開發成本，延長了產品的開發周期。

本文嘗試運用現代一些先進的產品設計軟件對原有的產品進行掃描，重構三維CAD 模型，并可在現有模型基礎上作一些結構性的改進或創新；利用虛擬裝配技術對產品的裝配性能和可制造性進行預測和評估，保證產品的可裝配性；運用數控加工仿真軟件，自動編程，驗證其加工的可行性。

1 減速器的反求設計

1.1 箱體的反求設計

實例對象為減速器下箱體，如圖1 所示，先選用Infinite 關節臂激光掃描設備進行數據采集，如圖2 所示。圖3 就是采集的完整的減速器下箱初始“點云”數據模型。

圖1 減速器下箱體掃描的模型

圖2 模型掃描過程

Geomagic Studio 軟件具有強大的建模功能，該軟件遵循“點階段→多邊形階段→曲面階段”的三階段作業流程。Geomagic Studio 軟件點階段是對導入的原始點云數據進行技術處理，生成一個完整可用的點云數據，并封裝成可用的多邊形數據模型，如圖4 所示。

對得到的多邊形數據模型進行一系列的技術操作，如填充孔、凸起特征或多余特征去除、用砂紙來打磨并光滑多邊形、進行銳化處理，對多邊形模型進行松弛操作，如圖5 所示。

圖3 完整的減速器下箱初始點云數據模型

圖4 封裝后的模型

圖5 封裝并松馳后模型

圖6 裁剪并縫合得到NURBS 曲面

形狀階段是指從多邊形階段轉換后進行的一系列技術處理，如輪廓技術處理、曲面片處理、格柵處理，最后得到理想的NURBS 曲面，如圖6所示。

1.2 箱體的創新改進

將曲面數據模型通過參數轉換導入至具有良好的機械設計功能的軟件Pro/E 中，進行實體化操作，重構零件的CAD 模型，并在現有模型基礎上進行結構性的改進或創新。

由于掃描時部分安裝孔特征數據的缺失，我們可利用已有的一些孔特征運用特征鏡像功能進行鏡像，可得到缺失孔。為了能更好地承重，箱底的縱向切槽改進為橫向切槽。針對一些面、加強筋、翻邊、倒角或工藝孔等也進行相應的修改設計，使其結構更合理，外觀更美觀。如圖7 所示的減速器下箱體。同樣的操作也可實現圖8 所示的減速器上箱蓋。

1.3 齒輪的參數化反求設計

運用Pro/E 軟件的參數化設計功能，可以對齒輪進行參數化的設計。

運用草繪工具中的圓工具來草繪4 個基本圓，即齒頂圓、基圓、分度圓、齒根圓。用設置好的參數來控制圓的大小，這樣圓的尺寸更新可通過修改參數來進行，如圖9所示。

圖7 減速器下箱體

圖9 添加關系式

圖10 創建漸開線曲線方程

圖11 創建漸開線曲線

圖12 齒頂圓

創建基準曲線，選擇從方程的方式來創建漸開線，輸入漸開線方程式（如圖10 所示），即可在XY 平面創建出一條漸開線（如圖11 所示）。

先創建一個用于鏡像的基準平面，然后通過該平面，鏡像剛創建的漸開線，并且通過關系式來控制鏡像平面的角度。運用拉伸工具來創建齒坯的實體，即齒頂圓實體（如圖12 所示），然后再創建一個齒槽（如圖13 所示），復制一個齒槽，同時增加齒厚的關系式。

運用陣列工具將復制齒槽進行以軸為中心的環形陣列，輸入陣列數量，如圖14 所示，同時添加關系式，完成齒輪的基本外形。

最后是通過拉伸、鏡像等工具來創建齒輪的鍵槽，減輕環及中間孔、小孔等特征，同時也給這些特征添加相應的關系式，如圖15 所示。

同樣方法可創建其他零件，如圖16 所示的輸入齒輪軸、圖17 所示的輸出軸等。

2 減速箱虛擬裝配的實現

當今綠色設計與制造的提出也讓我們考慮應用在虛擬裝配環境下生成的軟產品模型（Soft Prototype）來代替傳統的硬樣品（Hard Prototype）進行裝配實驗，對其裝配性能和可制造性進行預測和評估，從而減少損耗和污染，降低成本。

2.1 組件裝配

利用Pro/E 的虛擬裝配功能，在裝配模式下進行零件的組裝，組裝成減速器產品，根據各零件裝配的情況再對產品重新進行設計或修改，最后完成滿意產品的設計。輸出軸系的裝配如圖18 所示，輸入軸系的裝配如圖19 所示，整體總裝配如圖20 所示。

2.2 組件機構仿真

在虛擬環境中，對產品的裝配過程進行仿真，進行干涉檢測，分析裝配的可行性，并能在早期發現設計上的缺陷，及時改進設計方案，避免設計后續工藝變更，保證其設計的正確性。

組件裝配完畢后，除了檢查產品的結構是否完整外，還需要通過仿真分析檢查部件之間的相對運動是否協調、有無干涉，如圖21、圖22 所示，還可以進一步進行受力分析和優化設計。

圖13 生成后的齒槽

圖14 陣列后的齒輪

圖15 最終齒輪

圖16 輸入齒輪軸

圖17 輸出軸

圖18 輸出軸裝配圖

圖19 輸入軸裝配圖

圖20 最終完成整個減速器的裝配

圖21 輸入傳動軸的轉速

圖22 仿真傳動

3 數控加工仿真

對反求設計重構的減速箱的三維數據經格式轉換接口輸入CAM 系統，可運用UG 軟件的功能重生成CAD模型，從而設計合理的加工路徑，生成刀具軌跡，設置各項工藝參數，進行數控加工仿真模擬和后置處理后，生成刀具軌跡文件和CNC 加工代碼，最后使用數控機床進行加工。

3.1 數控機床仿真系統

數控機床仿真系統是應用虛擬現實技術來模擬實際加工過程的仿真技術，模擬零件的實際加工過程，同時檢驗工件、工具、刀柄之間的運動干涉與碰撞。刀具軌跡動態圖形仿真能以三維動畫的方式模擬加工切削過程，還能計算出完工零件的體積和毛坯的切除量以及加工殘留部分。

3.2 下箱體型腔銑的粗加工

我們以減速器下箱體為例，使用刀具為φ30 的平底刀進行粗加工的操作。

啟動UG 軟件，打開下箱體文件，進入加工模塊的工作界面。

首先創建刀具，單擊創建工具條上的“創建刀具”圖標，如圖23 所示。系統默認新建銑刀為“5-參數”銑刀，設置刀具形式參數，單擊“確定”按鈕創建銑刀“Mill”。

圖23 創建刀具

圖24 型腔銑操作

圖25 顯示刀具

其次創建型腔銑操作，打開型腔（Cavity-Mill）操作對話框，如圖24 所示。在型腔銑操作對話框頂部的選項卡中單擊“組”按鈕進行組設置。選中“刀具：MILL”單選按鈕，在操作對話框中單擊“顯示”按鈕，在坐標原點位置上顯示刀具，如圖25 所示。

打開“工件幾何體”對話框，選擇所有體對象為工件幾何體，打開“切削區域”對話框，選擇內腔表面圍成的區域為切削區域。

在操作對話框中單擊“切削”按鈕參數設置，設置精加工的余量參數和內外公差參數。在操作對話框中，單擊“進給率”按鈕進行速度設置，設置“主軸速度”為“600rpm”，設置銑刀和剪切的進給參數，單擊“確定”按鈕完成進給的設置，返回操作對話框。

然后生成操作，在操作對話框中單擊“生成”圖標，計算生成刀路軌跡。計算完成后，在圖形區顯示切削區域范圍，如圖26 所示；同時彈出“顯示參數”對話框，取消選中所有的復選框，單擊“確定”按鈕進行刀路軌跡產生，如圖27 所示。

最后后處理，確認刀軌后單擊操作對話框底部的“確定”按鈕接受刀軌并關閉操作對話框。單擊工具欄上的“保存”按鈕，保存文件。最后對所生成的刀軌進行后處理，如圖28 所示，生成符合機床標準格式的數控程序。如圖28 所示，用記事本方式打開的后處理文件。

圖26 刀路軌跡

圖27 顯示選項

圖28 數控加工程序文件

4 結論

本文的研究能較好地吸收國內外已有的先進設計技術，同時把各自獨立的先進設計制造技術有機地融合在一起，并應用到整個產品的設計制造中，更好地體現了各先進設計技術的優勢。

［1］成思源.Geomagic Studio 逆向工程技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］高駿.逆向工程技術與虛擬現實技術在產品設計中的綜合運用研究［D］.上海：同濟大學，2005.

［3］邵芝梅，孫建華.基于Pro/E 的齒輪減速器三維造型設計及機構仿真［J］.煤礦機械，2006（7）：98-100.

［4］李小力.基于UG 的數控編程及加工自動化的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.