基于SolidWorks的2K-V型減速器虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真
為了提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效率，以SolidWorks軟件為平臺(tái)，以VisualBasic作為編程語(yǔ)言，對(duì)2K-V型減速器進(jìn)行裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，在SolidWorks現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上通過(guò)增加新功能模塊開(kāi)發(fā)出2K-V型減速器的虛擬裝配設(shè)計(jì)模塊；通過(guò)插件Motion對(duì)2K-V型減速器的運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
引言
2K-V型減速器是一種復(fù)雜的少齒差行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是傳動(dòng)比范圍大，回差小，剛度大，運(yùn)動(dòng)精度高，抗沖擊能力強(qiáng)，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高等。由于其優(yōu)越的性能，近年來(lái)在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。如果2K-V型減速器能夠?qū)崿F(xiàn)面向裝配的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，將會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。本文根據(jù)2K-V型減速器的結(jié)構(gòu)形式，采用自頂向下的裝配設(shè)計(jì)方法，在零件參數(shù)化設(shè)計(jì)以及模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以Solid-Works作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了2K-V型減速器裝配體的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，并模擬了裝配體的運(yùn)動(dòng)。
1、裝配體虛擬設(shè)計(jì)
面向裝配的設(shè)計(jì)DFA(DesignforAssembly)屬于并行工程的一種關(guān)鍵技術(shù)，其思想是在產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮并解決裝配時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的相關(guān)問(wèn)題，以確保參數(shù)化設(shè)計(jì)出來(lái)的零部件能夠便捷、高效地進(jìn)行裝配。
1.1、虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的
虛擬裝配設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)2K-V型減速器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)，它通過(guò)獲得產(chǎn)品信息以及2K-V型減速器裝配信息后進(jìn)行裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。在對(duì)2K-V型減速器的零部件進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)裝配關(guān)系來(lái)進(jìn)行相關(guān)描述，定義相應(yīng)零部件的裝配關(guān)系。主要的裝配關(guān)系有垂直、面重合、面對(duì)齊、同軸心等，基本上可以滿足2K-V型減速器自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的裝配關(guān)系約束需求。
該系統(tǒng)采用SolidWorks提供的OLEAutomation開(kāi)發(fā)工具，以VisualBasic作為編程語(yǔ)言，在Solid-Works現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上通過(guò)增加新的功能模塊開(kāi)發(fā)出2K-V型減速器的虛擬裝配設(shè)計(jì)模塊。該型減速器三維參數(shù)化系統(tǒng)的虛擬裝配設(shè)計(jì)模塊主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:
1)該模塊能夠自動(dòng)生成相應(yīng)的裝配環(huán)境，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)2K-V型減速器裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可操作復(fù)雜的圖形，迅速完成2K-V型減速器的裝配建模，還可以從SolidWorks環(huán)境中獲取各種所需的初始數(shù)據(jù)以及生成相關(guān)有用的數(shù)據(jù)；
2)該裝配模塊包含相關(guān)功能需求，能夠通過(guò)2K-V型減速器實(shí)體模型，在計(jì)算機(jī)上分析與驗(yàn)證該減速器的裝配性能，并將裝配分析結(jié)果反饋到相關(guān)設(shè)計(jì)階段；
3)該裝配模塊可應(yīng)用于2K-V型減速器的開(kāi)發(fā)過(guò)程，作為分析2K-V型減速器裝配性能的可視化工具，還能對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真及干涉檢查等；
4)該裝配模塊生成的各種相關(guān)數(shù)據(jù)能以固定的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，方便用戶管理與查尋。
1.2、虛擬裝配設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)
1)參數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化設(shè)計(jì)(PD，ParametricDesign)存儲(chǔ)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)及裝配的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)2K-V型減速器時(shí)，由于不同型號(hào)的減速器拓?fù)湫畔⑾嗤鴰缀涡畔⒉煌�，�?K-V型減速器裝配模塊應(yīng)在對(duì)減速器相關(guān)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上建立相關(guān)參數(shù)化模型，以確保參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中該型減速器的結(jié)構(gòu)相同。裝配體模塊以VB語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，充分利用SolidWorks軟件所提供的API函數(shù)來(lái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而迅速地對(duì)2K-V型減速器進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。
2)面向裝配的建模技術(shù)
裝配體建模通過(guò)SolidWorks三維實(shí)體造型軟件來(lái)建立相互之間的裝配關(guān)系，進(jìn)而形成2K-V型減速器的裝配體模型。減速器裝配信息主要包括減速器零件的幾何形狀、相互之間的位置關(guān)系以及裝配順序等信息。
面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)建模方法是在通過(guò)表達(dá)系統(tǒng)整體功能以及設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，從最初的抽象概念設(shè)計(jì)開(kāi)始，進(jìn)而對(duì)概念模型逐步細(xì)化，然后將概念模型映射成裝配模型。面向裝配的設(shè)計(jì)建模還注重2K-V型減速器的功能需求、結(jié)構(gòu)以及整體化，并通過(guò)對(duì)裝配模型的物理及動(dòng)態(tài)屬性加以描述和虛擬，實(shí)現(xiàn)了裝配環(huán)境中裝配設(shè)計(jì)對(duì)裝配零部件高信息集成的需求[2]。
3)裝配規(guī)劃技術(shù)
裝配規(guī)劃技術(shù)是進(jìn)行自動(dòng)裝配的核心技術(shù)，包括裝配順序規(guī)劃以及路徑規(guī)劃等技術(shù)。2K-V型減速器采用基于VA的裝配規(guī)劃，這種裝配規(guī)劃就是在Solidworks環(huán)境下模擬手工裝配，分析2K-V型減速器裝配體的可裝配性和可拆卸性，最終確定最優(yōu)裝配規(guī)劃方案。
4)零部件裝配信息提取
為了提取和存儲(chǔ)2K-V型減速器裝配體中每個(gè)相關(guān)零部件的裝配位置信息，需要在刪除裝配關(guān)系之前提取裝配體中對(duì)應(yīng)零部件的位置以及裝配關(guān)系等信息，并將這些信息儲(chǔ)存到相對(duì)應(yīng)的基本信息參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中。在2K-V型減速器的裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以用SolidworksAPI函數(shù)命令提取相關(guān)零部件的坐標(biāo)位置以及裝配關(guān)系等對(duì)應(yīng)信息。
5)干涉檢查以及約束處理
在對(duì)2K-V型減速器進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查。靜態(tài)干涉檢查主要是檢查2K-V型減速器裝配體所有零部件之間的相對(duì)位置是否存在干涉和間隙，同時(shí)進(jìn)行裝配公差設(shè)計(jì)是否合理等檢查；動(dòng)態(tài)干涉檢查則主要針對(duì)2K-V型減速器的可裝配性進(jìn)行評(píng)估，在2K-V型減速器裝配體的零部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)檢查對(duì)應(yīng)零部件的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體是否存在相互之間的運(yùn)動(dòng)干涉來(lái)判斷是否存在動(dòng)態(tài)干涉。裝配約束主要是確定2K-V型減速器裝配體中對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)件以及其他裝配件的定位、相互約束關(guān)系等，主要由約束關(guān)系、裝配特征和裝配設(shè)計(jì)管理樹(shù)組成。2K-V型減速器裝配體中的約束關(guān)系通過(guò)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)零部件的裝配約束關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的自由度進(jìn)行推理和求解來(lái)獲得。2K-V型減速器裝配系統(tǒng)通過(guò)對(duì)裝配環(huán)境下的各零部件之間的幾何關(guān)系和相互位置進(jìn)行分析、推理，并經(jīng)過(guò)匹配對(duì)應(yīng)的約束知識(shí)庫(kù)來(lái)自動(dòng)提取裝配約束。在2K-V型減速器的裝配過(guò)程中，裝配約束管理重新組合對(duì)于相應(yīng)零部件的裝配起指導(dǎo)性作用，零部件的新舊裝配約束關(guān)系組隨著2K-V型減速器裝配的深入而不斷更新，相關(guān)零部件的約束空間也同時(shí)隨著裝配過(guò)程約束的不斷添加而收縮，直到裝配所剩余空間為空時(shí)，才能確定2K-V型減速器對(duì)應(yīng)零部件的最終定位約束。
1.3、建立裝配體參數(shù)化設(shè)計(jì)主界面
良好的人機(jī)交互界面能夠幫助用戶迅速的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。為此，遵循2K-V型減速器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的整體部署，設(shè)計(jì)出2K-V型減速器虛擬裝配的人機(jī)交互界面。2K-V型減速器虛擬裝配系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配、轉(zhuǎn)換視角、以及爆炸視圖等一系列相關(guān)功能。
3、結(jié)論
本文主要介紹了2K-V型減速器裝配體設(shè)計(jì)的方法，并建立了裝配體參數(shù)化設(shè)計(jì)的主界面，同時(shí)通過(guò)SolidWorks本身自帶插件Motion對(duì)2K-V型減速器的運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
