級(jí)聯(lián)骨架模型驅(qū)動(dòng)的2K—V型減速機(jī)數(shù)字化建模

徐文博

【摘 要】在Pro/E環(huán)境中，基于自頂向下方法中的級(jí)聯(lián)骨架模型設(shè)計(jì)，建立減速機(jī)的產(chǎn)品層、部件層骨架模型，并通過(guò)骨架模型和參數(shù)化方式創(chuàng)建相關(guān)零件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中信息和數(shù)據(jù)的傳遞、變更?；谕队霸韯?chuàng)建可以為技術(shù)人員提供設(shè)計(jì)、加工相關(guān)信息的工程圖。

【關(guān)鍵詞】級(jí)聯(lián)骨架；自頂向下；參數(shù)化設(shè)計(jì)；Pro/E

1 2K-V型減速機(jī)特點(diǎn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式

隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越嚴(yán)重，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期就可以使企業(yè)有效地提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力。傳統(tǒng)的串行開發(fā)模式，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及變更時(shí)有很多不可避免的重復(fù)工作，工作效率低[1]。為了減少設(shè)計(jì)研究時(shí)間，提高新產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)趨向并行工程開發(fā)模式，使用自頂向下的裝配設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行系列化產(chǎn)品的開發(fā)。自頂向下的設(shè)計(jì)方法符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)人員的思維過(guò)程，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，最初考慮的是產(chǎn)品應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，最后才考慮實(shí)現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu)；期間建立的產(chǎn)品模型是智能化的，零部件繼承了上層的多種控制信息如參數(shù)，空間尺寸等；通過(guò)模型中設(shè)計(jì)的約束關(guān)系，更新產(chǎn)品裝配模型，以便縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期[2]。自頂向下設(shè)計(jì)方法主要包括主控件技術(shù)、布局和骨架模型三種[3]。產(chǎn)品的骨架模型是指在考慮產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段將產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)布局、設(shè)計(jì)約束、參照基準(zhǔn)及其布局等抽象出來(lái)，利用基準(zhǔn)面、軸線、點(diǎn)、坐標(biāo)系、曲線和曲面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從頂部模型傳遞到底部模型的參數(shù)化過(guò)程。

2K-V型減速機(jī)是一種少齒差齒輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由2K-H型和K-H-V型兩種行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可以獲得較大的傳動(dòng)比、傳動(dòng)精度高、扭轉(zhuǎn)剛度大、效率高等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化裝置中被廣泛應(yīng)用[4] 。本文是在Pro/Engineer Wildfire 5.0環(huán)境下，以級(jí)聯(lián)骨架驅(qū)動(dòng)2K-V型減速機(jī)數(shù)字化建模，系統(tǒng)的研究自頂向下產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)施方法。

2 2K-V型減速機(jī)數(shù)字化建模主要方法與步驟

2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

首先收集必要的設(shè)計(jì)信息，通過(guò)創(chuàng)建概略草繪或零部件行為描述的設(shè)計(jì)邏輯表，控制行為范圍、尺寸等來(lái)獲取產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，然后定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)產(chǎn)品功能以及裝配流程等進(jìn)行規(guī)劃。然后結(jié)合2K-V 型減速機(jī)的傳動(dòng)原理，將其按照具體裝配流程進(jìn)行部件劃分，可劃分為輸出端部件、曲軸傳動(dòng)端部件、支撐端部件以及需要單個(gè)裝配的零件（如輸入軸、針齒銷、同步輪等），最后在考慮裝配過(guò)程、數(shù)據(jù)的可重用性、高效設(shè)計(jì)等前提下，逐步創(chuàng)建2K-V 型減速機(jī)部件配置表、樹形圖，以便描述產(chǎn)品概要情況。

2.2 概念設(shè)計(jì)

在Pro/E環(huán)境下，依照2K-V型減速機(jī)的部件配置表、樹形圖，逐層創(chuàng)建整體骨架模型樹，主要包括產(chǎn)品層映射、部件層映射和零件層映射[5]；然后創(chuàng)建全局設(shè)計(jì)框架，即產(chǎn)品層骨架模型（頂層骨架模型），需要構(gòu)建若干基準(zhǔn)平面用來(lái)描述輸出盤、針齒殼、針齒銷、軸承等零件的相對(duì)位置關(guān)系，依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備中的裝配規(guī)劃，產(chǎn)品層骨架中必須要有部件層裝配基準(zhǔn)和單個(gè)零件裝配基準(zhǔn)等重要因素；逐次構(gòu)建部件級(jí)骨架模型，如輸出端、曲柄傳動(dòng)端以及支撐端骨架模型等，部件級(jí)骨架中應(yīng)繼承上層控制特征，再以此特征為基礎(chǔ)來(lái)建立新特征，這如此一來(lái)，部件中新建特征就與上層的關(guān)聯(lián)特征建立了級(jí)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)頂層骨架模型的大小、形狀發(fā)生變化時(shí)，則這種變化由級(jí)聯(lián)骨架逐層傳遞信息，直至最小單元體（單個(gè)零件）更新完參數(shù)為止。全局設(shè)計(jì)框架完成后，部件級(jí)的詳細(xì)設(shè)計(jì)就可以按照工作范圍下達(dá)給相應(yīng)的設(shè)計(jì)者，從而實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)開發(fā)，以便提高了設(shè)計(jì)效率。

2.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)指的就是零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，在 Pro/E環(huán)境下，依據(jù)整體骨架模型樹逐層創(chuàng)建實(shí)體零件特征，零件若是繼承上層的控制特征，就要以繼承特征信息出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)建實(shí)體零件，也就是說(shuō)，與產(chǎn)品層級(jí)聯(lián)的零部件的結(jié)構(gòu)或參數(shù)會(huì)跟隨產(chǎn)品層骨架中關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)或參數(shù)的改變而更新[6]。

2K-V型減速機(jī)中的一般零件，如油封、針齒殼、針齒銷等，可使用“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”等特征命令直接創(chuàng)建，但傳動(dòng)裝置中的漸開線齒輪和擺線輪，則需要用參數(shù)化建模，這種方法相對(duì)復(fù)雜，建模過(guò)程中會(huì)使用到很多與齒輪有關(guān)的參數(shù)、關(guān)系式以及輪廓線函數(shù)方程。下面以漸開線齒輪為例介紹參數(shù)化創(chuàng)建齒輪的過(guò)程。進(jìn)入建模界面，打開“參數(shù)”對(duì)話框，添加模數(shù)M、壓力角ALPHA、凹槽直徑DD0、軸孔直徑DD1、鍵槽高LL1等二十個(gè)參數(shù)，并依次輸入新參數(shù)的名稱、值、和說(shuō)明等，在“關(guān)系”對(duì)話框內(nèi)輸入齒輪的分度圓直徑關(guān)系、基圓直徑關(guān)系等關(guān)系式后，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)生未指定參數(shù)的值；草繪四個(gè)任意大小的圓，并且標(biāo)注圓的直徑尺寸，添加尺寸關(guān)系；以“從方程”方式創(chuàng)建漸開線線，在彈出的記事本窗口中輸入曲線的方程，如圖1所示；然后鏡像漸開線，并將新建的鏡像參考平面的旋轉(zhuǎn)角度“360/（4*z）”添加為關(guān)系式；創(chuàng)建齒根圓創(chuàng)建齒形時(shí)使用“if……endif”語(yǔ)句完成齒根圓角尺寸關(guān)系的判定，陣列其余輪齒及凹槽等特征創(chuàng)建過(guò)程均使用關(guān)系式方式。完成用參數(shù)化方法設(shè)計(jì)直齒圓柱齒輪后，可以 在“參數(shù)”對(duì)話框，修改其中的參數(shù)值，然后在主菜單上依次單擊 “編輯”→ “再生”，即可獲得其它參數(shù)的齒輪。

構(gòu)建零件的詳細(xì)幾何形狀，不一定能夠一次性成功。這就要求建模時(shí)必須保證產(chǎn)品的細(xì)節(jié)層次的一致性，也就說(shuō)，高層次幾何創(chuàng)建時(shí)，需要檢查評(píng)估裝配組件是不是存在問(wèn)題。借助Pro/E模擬仿真功能，就能較輕松地檢查評(píng)估零部件之間的定位和相互作用關(guān)系等，同時(shí)階段性完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)于保證設(shè)計(jì)進(jìn)程也很有必要。

2.4 輸出工程圖

基于Pro/E創(chuàng)建的三維模型，結(jié)構(gòu)雖然清晰，但是技術(shù)人員并不能從模型中識(shí)別全部加工信息。現(xiàn)階段機(jī)械制造行業(yè)，主要是以二維工程圖來(lái)傳遞設(shè)計(jì)、加工相關(guān)信息的。因此完成三維模型創(chuàng)建后，仍需在 Pro/E 環(huán)境將三維模型投影為二維工程圖。

2K-V型減速機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其包含的零部件比較多。創(chuàng)建工程圖時(shí)，可以通過(guò)詳細(xì)視圖、輔助視圖、旋轉(zhuǎn)視圖等視圖功能描述零部件結(jié)構(gòu)信息。由于裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被輸出盤、剛性盤以及針齒殼等遮蔽住了，以至于投影無(wú)法清晰表達(dá)，這時(shí)可以使用半剖視圖、階梯剖視圖等剖視圖來(lái)表達(dá)零件的截面特征，然而生成的零部件剖面及剖面線不一定復(fù)合規(guī)格要求，仍需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的修正。自動(dòng)生成的尺寸若不能詳盡地表達(dá)零部件模型信息時(shí)，需手動(dòng)補(bǔ)充必要尺寸加以完善。新創(chuàng)建的工程圖中，視圖之間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的，若有尺寸需要做修改，則需通過(guò)任意一個(gè)視圖的修改，就可以直接完成對(duì)其余所有視圖的調(diào)整。當(dāng)級(jí)聯(lián)骨架模型驅(qū)動(dòng)的2K-V型減速機(jī)中骨架模型發(fā)生變化時(shí)，其二維工程圖中的整體視圖或截面視圖也會(huì)隨之自動(dòng)更新相關(guān)信息和數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于自頂向下的級(jí)聯(lián)骨架驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)在全局框架下進(jìn)行設(shè)計(jì)零件的思想，能夠保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)與裝配；實(shí)現(xiàn)了信息和數(shù)據(jù)的傳遞、變更，即產(chǎn)品層骨架模型的信息和數(shù)據(jù)可以傳遞到零部件層，還能同時(shí)將設(shè)計(jì)意圖的變更傳遞下去，使與產(chǎn)品層骨架模型級(jí)聯(lián)的零部件的結(jié)構(gòu)或參數(shù)及時(shí)更新，減少不必要的重復(fù)工作，提高設(shè)計(jì)效率。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]