艦艇三相異步電機(jī)虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)研究*

劉亞雷，張凱淇，孟春寧

(公安海警學(xué)院 機(jī)電管理系，浙江　寧波　315801)

0　引言

20世紀(jì)90年代中期，虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(Virtual Product Development，VPD)技術(shù)的出現(xiàn)引起了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注[1]。起初，其基本思維是利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建虛擬模型及預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、穩(wěn)定性等，因此，VPD的實(shí)現(xiàn)需要一系列的計(jì)算機(jī)硬件及專(zhuān)用的二維或三維建模軟件作為支撐工具。在機(jī)械工程領(lǐng)域，其核心關(guān)鍵技術(shù)之一是虛擬裝配。虛擬裝配技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，近年來(lái)在車(chē)輛制造[2-3]、CAD產(chǎn)品研發(fā)[4]、人工智能[5]等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著制造工業(yè)和電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，艦艇三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)性能有了明顯的提高。艦艇電機(jī)的生命力、壽命在很大程度上取決于裝配質(zhì)量與工藝水平，而傳統(tǒng)的實(shí)物裝配不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，而且會(huì)在很多細(xì)節(jié)上無(wú)法直觀地顯示出來(lái)，在裝配的時(shí)候沒(méi)有數(shù)字化裝配驗(yàn)證手段，會(huì)發(fā)生很多零部件之間的干涉或者裝配順序不合理等現(xiàn)象，從而致使艦艇電機(jī)質(zhì)量低、返工率高。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，基于SolidWorks軟件對(duì)艦艇三相異步電機(jī)拆裝進(jìn)行研究，不再使用實(shí)物進(jìn)行裝配試驗(yàn)，擺脫了對(duì)實(shí)物的過(guò)度依賴(lài)，從而減少設(shè)計(jì)成本，簡(jiǎn)化制造工藝，提高電機(jī)裝配的質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。當(dāng)艦艇電機(jī)拆裝教學(xué)受到各種原因限制時(shí)，使用虛擬拆裝來(lái)代替現(xiàn)實(shí)操作可以解決此類(lèi)問(wèn)題。因此，本文基于SolidWorks開(kāi)展艦艇三相異步電機(jī)虛擬裝配和拆裝仿真研究，以驗(yàn)證裝配的層次、順序、約束是否合適，確定最佳裝配次序、路徑。

1　艦艇三相異步電機(jī)零件的三維建模

艦艇三相異步電動(dòng)機(jī)的虛擬裝配是基于電機(jī)各零件建模的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，艦艇三相異步電機(jī)由多個(gè)零件構(gòu)成，包括轉(zhuǎn)子、繞組、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇、端蓋、機(jī)殼、風(fēng)扇罩等，其中，軸承、平鍵與部分連接所用的螺釘是標(biāo)準(zhǔn)件，可從SolidWorks設(shè)計(jì)庫(kù)中直接調(diào)取，不需另外建模。SolidWorks強(qiáng)大的功能使得電機(jī)零部件建模方便又快捷，通過(guò)拉伸基體從而可以快速做出轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子的大致形狀，通過(guò)圓周陣列可以使風(fēng)扇的風(fēng)翼與定子繞組的線(xiàn)圈快速陣列，通過(guò)鏡像與線(xiàn)性陣列可以簡(jiǎn)單而又準(zhǔn)確地生成風(fēng)扇罩的通氣孔。三相異步電機(jī)部分零件模型如圖1所示。

2　艦艇三相異步電機(jī)的虛擬裝配過(guò)程

虛擬拆裝是以拆裝對(duì)象及其零部件的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)的[6],分為以下三個(gè)部分：虛擬拆裝部件的建模、虛擬拆裝的規(guī)劃和虛擬拆裝評(píng)估。電機(jī)裝配體的建模依托于電機(jī)零件的3D模型，通過(guò)電機(jī)零件的組合實(shí)現(xiàn)整體建模，在組裝部件的時(shí)候，需充分利用裝配信息并求解得出一條最合適的裝配路線(xiàn)，從而得到最優(yōu)的效果，虛擬拆裝評(píng)估是對(duì)虛擬裝配結(jié)果是否合適的檢驗(yàn), 它可以檢測(cè)出設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)是否合理、 零件間是否有干涉等。

設(shè)計(jì)裝配體有多種方式，可以從上到下，也可以自下往上，還可以先設(shè)計(jì)重要零部件，后設(shè)計(jì)不重要的零部件。從重要到不重要的裝配體設(shè)計(jì)方式可以使思路明朗，首先弄懂裝配體的工作原理，通過(guò)工作原理，依次按順序?qū)⒀b配體設(shè)計(jì)出來(lái)，這樣可以最大限度地符合裝配體的要求。插入裝配體時(shí)，只需先插入一個(gè)重要零部件，然后各個(gè)零部件圍繞著此零部件裝配即可。因此，插入的第一個(gè)零部件十分重要，此零部件不僅是裝配體上重要的零部件，而且其他零部件可以在此零部件的基礎(chǔ)上配合組裝起來(lái)，并且SolidWorks軟件默認(rèn)首先裝配上的零部件為固定零部件，不可移動(dòng)。

圖1　三相異步電機(jī)部分零件三維模型圖

進(jìn)行虛擬裝配時(shí)，首先要熟悉艦艇電機(jī)的工作原理、技術(shù)要求與安裝工藝，弄懂電機(jī)的結(jié)構(gòu)、零部件的功用與連接方式，確定連接約束，如：風(fēng)扇這一部分是由風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸、連接鍵構(gòu)成的，風(fēng)扇與轉(zhuǎn)軸之間是通過(guò)鍵連接與同心軸連接完成，這樣，轉(zhuǎn)軸可以帶動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。風(fēng)扇與轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)模型如圖2所示。

圖2　風(fēng)扇與轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)模型

艦艇三相異步電機(jī)是由許多零部件正確組合而成，通過(guò)許多加工工序，雖然艦艇三相異步電動(dòng)機(jī)在大小、結(jié)構(gòu)、形式上有很多差異，但它們的裝配形式大體一致，可分為準(zhǔn)備、裝配部件、分段預(yù)裝與總裝四個(gè)階段。通過(guò)SolidWorks軟件進(jìn)行虛擬拆裝練習(xí)，通過(guò)反復(fù)拆裝得到幾個(gè)可行的裝配方式，之后選擇這幾個(gè)可行的裝配順序，檢查每個(gè)裝配路徑中各個(gè)零部件是否有干涉的情況。圖3為艦艇三相異步電機(jī)的拆裝序列圖，圖4為艦艇三相異步電機(jī)的三維實(shí)體總裝圖。

圖3艦艇三相異步電機(jī)的圖4艦艇三相異步電機(jī)的

拆裝序列圖三維實(shí)體總裝圖

3　艦艇三相異步電機(jī)的虛擬拆裝仿真

為了可以直觀地看到艦艇三相異步電機(jī)的拆裝，通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)電機(jī)拆裝體制作拆裝動(dòng)畫(huà)。拆裝仿真分為兩種[7]，一種是簡(jiǎn)單拆裝仿真，另一種是動(dòng)態(tài)拆裝仿真。簡(jiǎn)單裝配仿真是指按照一定的裝配路線(xiàn)對(duì)拆裝過(guò)程進(jìn)行干涉試驗(yàn)，以動(dòng)畫(huà)的形式將拆裝的路徑直接表現(xiàn)出來(lái)；動(dòng)態(tài)拆裝仿真是以初始拆裝為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)拆裝路徑的關(guān)鍵點(diǎn)與位姿的動(dòng)態(tài)調(diào)整與確認(rèn)，對(duì)裝配體進(jìn)行模擬拆卸形成復(fù)雜拆裝工藝。

動(dòng)態(tài)拆裝仿真通過(guò)SolidWorks軟件的3D動(dòng)畫(huà)技術(shù)展現(xiàn)各零部件的拆裝。通過(guò)SolidWorks軟件的“運(yùn)動(dòng)算例”功能，在電機(jī)裝配體上選取零部件和零部件的拆裝信息，并選取其路徑，在兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)間插入節(jié)點(diǎn)，計(jì)算位姿，并加入到動(dòng)畫(huà)中去。圖5為拆裝中的電機(jī)。

4　艦艇三相異步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

艦艇三相異步電機(jī)裝配完后，運(yùn)用SolidWorks中的“運(yùn)動(dòng)算例”功能，通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型功能使轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)行艦艇三相異步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真。從三相異步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真中，可以觀察到轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。艦艇三相異步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真可以保存為AVI的視頻文件。

圖5　拆裝中的電機(jī)

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)虛擬拆裝對(duì)艦艇電機(jī)進(jìn)行仿真研究有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①在虛擬拆裝過(guò)程中更加容易且可清晰看出艦艇三相異步電機(jī)裝配時(shí)的缺陷，并容易改正，能很大程度地降低成本，提高效率；②在艦艇的機(jī)艙里，空間有限，但真實(shí)的電機(jī)拆裝需要比較大的空間，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較麻煩，而利用虛擬拆裝，電機(jī)的拆裝只需一臺(tái)電腦，從而節(jié)約了空間資源；③利用虛擬拆裝，可以看到許多實(shí)物拆裝中無(wú)法察覺(jué)到的細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)單明了地展現(xiàn)出電機(jī)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，使我們更加直觀地了解電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得電機(jī)拆裝教學(xué)更加簡(jiǎn)易方便，并能降低教學(xué)成本。

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