雙級圓柱齒輪減速器虛擬裝配的仿真與優(yōu)化

楊馥寧，王洪申，閆金堂，趙紅紅

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

隨著CAD技術和計算機技術的發(fā)展，虛擬裝配技術在工程領域中應用越來越普遍。虛擬裝配是虛擬制造的重要一環(huán)，它是以零件三維實體模型為基礎，用計算機模擬裝配的全過程[1]，以驗證機器或部件設計的正確性和可裝配性[2]，及時幫助工程技術人員找到設計中出現(xiàn)的問題，直觀地發(fā)現(xiàn)和修改不合理的設計環(huán)節(jié)。DELMIA[3](digital enterprise lean manufacturing interactive application)是一款數(shù)字企業(yè)精益制造的交互式應用軟件，在DELMIA的實時三維協(xié)同環(huán)境下，產品生命周期的早期就可直觀地計劃、定義、驗證和優(yōu)化其制造工藝和裝配仿真路徑。本文在DELMIA軟件的虛擬環(huán)境中模擬了雙級圓柱齒輪減速器的裝配工藝，包括通過裝配模型與裝配約束得到裝配建模、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、干涉碰撞檢測、裝配可達性分析和裝配過程仿真。傳統(tǒng)的裝配方法只有在實際裝配階段才能發(fā)現(xiàn)設計缺陷，通常需要多次修改，周期長、效率低、成本高，不能適應當前敏捷制造的要求[4]。本文基于“可拆定可裝”的原理，即“反裝”思路，以DELMIA軟件為開發(fā)平臺，在數(shù)據(jù)建模的基礎上對雙級圓柱齒輪減速器的可視化裝配進行模擬仿真和分析，結合時序圖和仿真結果對雙級圓柱齒輪減速器的裝配可行性進行優(yōu)化和調整，實現(xiàn)在設計階段優(yōu)化產品以保證產品裝配的可行性。

1 雙級圓柱齒輪減速器虛擬裝配分析

雙級圓柱齒輪減速器(圖1所示)是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，應用減速器降低轉速和增大轉矩的功能來滿足工作中的需要。為了在設計中確保其裝配可行性、提高裝配精度，有必要研究其虛擬裝配，以便驗證裝配設計的正確性，及早發(fā)現(xiàn)問題并改正。

圖1 減速箱總成

雙級圓柱齒輪減速器裝配樹如圖2所示。對裝配樹中各零部件間的從屬關系進行觀察并分析，根據(jù)“反裝”原理對雙級圓柱齒輪減速器進行拆卸序列規(guī)劃[5]。為簡化說明，本文以傳動軸中軸總成為例，零部件主要包括中軸、中鍵、大斜齒輪、中直齒輪、中墊圈、中軸承。

圖2 減速器裝配樹

對雙級圓柱齒輪減速器進行虛擬裝配仿真，在三維裝配建模的基礎上生成裝配序列[6]，將雙級圓柱齒輪減速器裝配樹轉換成關聯(lián)圖[7-8]表達形式，關聯(lián)圖又稱關系圖，是對原因與結果、目的與手段等問題的因果關系用箭頭將各要素之間進行邏輯的連接，以便得到更合理的制造與裝配的方法，在本文中用關聯(lián)圖G=(A，E)表示裝配體集合，其中A為非空節(jié)點集，可表示為{Ai|0≤i≤n-1,n≥1,A∈Vertex}；E為子裝配體或零件之間具有裝配關系的邊集。雙級圓柱齒輪減速器裝配集合為{A0,A1,A2,A3}={上箱體，傳動軸，下箱體，軸承蓋}，傳動軸裝配集合為{A1}={A11,A12,A13}={大軸總成，中軸總成，小軸總成}，中軸總成裝配集合為{A12}={A121,A122,A123,A124,A125,A126}={中軸，中鍵，大斜齒輪，中直齒輪，中墊圈，中軸承}，如圖3所示。將中軸總成各零件間關系轉化為如圖4所示的關聯(lián)圖，觀察到中軸A121有5個節(jié)點度，節(jié)點度是指和該節(jié)點有聯(lián)系的邊的條數(shù)。根據(jù)裝配層次，由A121出發(fā)依次訪問A122～A126直至結束，得出A122～A126的裝配順序。對于多種裝配序列，考慮到實際裝配先后順序的可行性，即零件A122在A123之前、A123在A124之前、A124在A125之前、A125在A126之前，生成最優(yōu)裝配順序為{A121,A122,A123,A124,A125,A126}。

圖4 中軸總成裝配部件關聯(lián)圖

由中軸總成各零件間關系轉化為關聯(lián)圖的方法生成雙級圓柱齒輪減速器的關聯(lián)圖，如圖5所示。

A0—上箱體;A01—螺釘;A02—螺母;A03透視板;A04—螺栓;A05—透視孔塞；A1—傳動軸;A11—大軸總成;A12—中軸總成;A13—小軸總成;A2—下箱體;A21—螺釘;A22—螺母;A23—油閥;A24—油

標;A3—軸承蓋;A31—連接螺釘

圖5 雙級圓柱齒輪減速器關聯(lián)圖

2 雙級圓柱齒輪減速器虛擬裝配實現(xiàn)

本文研究雙級圓柱齒輪減速器各零部件的結構層次及工藝規(guī)劃，基于DELMIA軟件實現(xiàn)對該雙級圓柱齒輪減速器虛擬裝配的仿真與優(yōu)化，基于DPM 模塊實現(xiàn)虛擬裝配仿真。DPM模塊是提供產品工藝分析以及對產品設計以及功能仿真應用的虛擬環(huán)境，也可實現(xiàn)對產品三維模型的數(shù)字化虛擬裝配。圖6所示為減速器裝配過程的仿真流程。

圖6 減速器裝配過程的仿真流程

2.1 導入產品裝配模型并建立產品的PPR結構樹

PPR HUB即產品(product)、工藝(process)、生產資源(resource)和集成中樞(HUB)，提供數(shù)字樣機和裝配現(xiàn)場的資源作為底層數(shù)據(jù)，定義數(shù)字化工廠布局、資源規(guī)劃、裝配關系和人機工程模擬。

圖7 裝配仿真用模型

本文三維模型由SolidWorks創(chuàng)建，保存成.CAT Product中間格式，在制造的數(shù)字化處理DPM-APS(assembly process simulation)環(huán)境下，將.CAT Product格式的模型導入DELMIA產品列表中(即雙級圓柱齒輪減速器組件)，如圖7右側所示，然后對其進行動態(tài)仿真裝配，體現(xiàn)設計裝配一體化；在資源結構的創(chuàng)建上，為簡化起見，DPM中的資源不包括如工作臺、工具、機器設備以及其他靜態(tài)的環(huán)境設施，在Resources-list節(jié)點下插入仿真所需的資源，如創(chuàng)建工作臺(workbench)和地板(plant floor)；最后是工藝結構的創(chuàng)建，根據(jù)“反裝”原理，對雙級圓柱齒輪減速器進行虛擬裝配過程仿真，依次記錄雙級圓柱齒輪減速器的拆卸過程，并創(chuàng)建產品各零部件的工藝節(jié)點，將工藝順序通過反置拆卸，依次完成裝配過程。雙級直齒圓柱齒輪減速器裝配過程的PPR結構樹形式如圖7左側所示。

2.2 創(chuàng)建Process-list仿真流程

在工藝流程Process節(jié)點下，對雙級圓柱齒輪減速器總成進行拆卸并創(chuàng)建動作，根據(jù)裝配序列規(guī)劃得出虛擬裝配路徑并添加零部件Move Activities子工藝，即在工藝流程Process節(jié)點下建立.CAT Process擴展文件。圖8所示為產品的最初始結構形態(tài)，各零部件按照最開始規(guī)劃好的裝配工藝路徑和先后順序進行拆卸。依據(jù)確定好的裝配順序裝配仿真：下箱體—油閥—油標—小軸裝配體—中軸裝配體—大軸裝配體—上箱蓋—新通蓋—螺栓M12—M20_GB_FASTENER_BOLT—M20_螺母—透視孔_板—螺栓M12—透視孔。在DELMIA仿真環(huán)境中指定各零部件順序并通過Assembly Process Simulation實現(xiàn)雙級圓柱齒輪減速器組件的虛擬裝配過程仿真。在創(chuàng)建Move子工藝時，需根據(jù)產品的實際裝配工位狀況確定觀察視角、裝配順序以及時間信息，如需修改，可雙擊Move Activities對已編輯的內容做進一步修改，然后記錄。對于裝配順序可以在點擊Process后點擊PERT進行修改。產品整個裝配仿真驗證的過程基于“反裝”的思路即“可拆定可裝”原理，在所有可拆卸零部件都定義好運動路徑后，運用“反裝”原理，將整個產品的拆卸流程“反轉倒置”，單擊Reverse the Process，選擇Reverse the Entire Process選項，雙級圓柱齒輪減速器總成拆卸的逆過程即為裝配過程，在Simulation工具條中單擊 Process Simulation即可看到裝配仿真的裝配演示過程，如圖8所示。

1—下箱體;2—小軸裝配體;3—上箱蓋;4—透視孔;5—螺栓M12;6—透視孔_板;7—中軸裝配體;8—大軸裝配體;9—M20_GB_FASTENER_BOLT;10—油閥;11—螺栓M12;12—油標;13—新通蓋;

14—M20_螺母

圖8 雙級圓柱齒輪減速器總成虛擬裝配仿真

2.3 減速箱小部件裝配過程的動態(tài)仿真

按照流水線作業(yè)的要求對雙級圓柱齒輪減速器各個小部件進行裝配仿真。本文以軸承蓋部件為例，該部件包含軸承蓋和6個螺栓。在對軸承蓋進行裝配時考慮其與上下箱體之間的配合情況，先定義軸承蓋的路線，其次是螺栓的路線，定義好的螺栓等部件的路線情況如圖9所示，即在裝配過程中先安裝軸承蓋，緊接著用螺栓來固定。其他所有零件的路徑定義都采用同樣的方法。

1—軸承蓋；2—螺栓 圖9 定義好的軸承蓋等的路徑情況

2.4 干涉分析與優(yōu)化以及文件輸出

在虛擬裝配技術中，通常對虛擬仿真過程進行靜態(tài)和動態(tài)干涉檢驗[9]，以便判斷裝配路徑和順序的有效性，并對不合理之處進行調整完善。干涉碰撞在實際裝配中是不允許發(fā)生的。雙級圓柱齒輪減速器總成是汽車的重要組成部分，需保持精確的傳動比，因此對其裝配進行干涉檢測是很有必要的。

DELMIA具有相當強大的碰撞檢測功能，在對雙級圓柱齒輪減速器的裝配過程進行干涉檢查時，打開Analyze,單擊Clash事件的碰撞檢測(Clash Analysis),對process進行干涉分析(Interactive Analysis)，檢測過程中，干涉發(fā)生時仿真過程自動停止，并彈出分析檢測窗口，如圖10所示。

圖10 干涉檢測結果

通過干涉檢查，發(fā)現(xiàn)裝配過程中該雙級圓柱齒輪減速器組件有不合理的裝配情況，分析發(fā)現(xiàn)干涉主要發(fā)生在兩處:1)設計階段固定軸與箱體間的合理裝配，只考慮到能將其穩(wěn)定地固定，沒有考慮到小軸上的墊圈與箱體壁的距離，從而造成墊圈與箱體間發(fā)生干涉，干涉值為-1.41，此處可通過調整墊圈在軸上的深度來解決；2)只考慮螺栓固定連接上下箱體的軸承套的孔徑，而雙級圓柱齒輪減速器的螺栓孔深度不夠，就會使得用來固定減速器的從動齒輪螺栓與雙級圓柱齒輪減速器殼產生干涉，所以此處可增加墊片厚度，從而間接增大深度，或直接加大螺紋孔深度來解決可能會產生的干涉問題。

2.5 甘特圖分析與優(yōu)化

甘特圖(Gantt圖)主要以圖示的方式通過活動列表和時間刻度形象地表示出每一個工位的活動順序與持續(xù)時間，編制出其產品生產計劃、確定合理的瓶頸工位以及調節(jié)生產周期。單擊Gantt圖標，如圖11的裝配時序圖自動彈出，圖11(a)的表格表示出了每個動作所消耗的時間及其起始時間，圖11(b)為每個動作所耗時間相對應的條形圖。

圖11 Gantt圖中每個動作所消耗的時間

對Gantt圖進行分析，雙級圓柱齒輪減速器裝配共耗時148.2s，為了提高產品的裝配效率、體現(xiàn)并行的設計思想，需對產品裝配順序進行調整，使減速器左側和右側的零部件同時進行裝配，即兩側螺栓、螺母、螺釘和軸承蓋的裝配同時進行，圖12(a)所示為兩側螺栓、螺母、螺釘和軸承蓋未并行前所消耗的時間，共耗時51.6s，圖12(b)為通過并行思想使減速器兩側螺栓、螺母、螺釘和軸承蓋同時進行裝配優(yōu)化后的裝配周期，共耗時25.8s。對優(yōu)化后的Gantt圖(圖13)進行分析可知，總裝配周期為122.4s，相比優(yōu)化前縮短了25.8s。進一步分析發(fā)現(xiàn)，雙級圓柱齒輪變速器傳動軸安裝總耗時55.4s，這部分耗時長的原因在于下箱體內壁厚度過大從而導致留給傳動軸的裝備空間得不到保證，此部分屬于裝配瓶頸工位。因此在保證結構強度的情況下合理調整箱體的壁厚，以達到優(yōu)化裝配工藝的目的。

圖12 Gantt圖中優(yōu)化前后所消耗的時間

圖13 裝配時間優(yōu)化后的Gantt圖

通過系統(tǒng)提供的仿真功能，經仿真驗證合理、正確的裝配過程，完成干涉和Gantt圖分析優(yōu)化[10]后，導出可作為演示文件的裝配工藝文檔以及裝配過程的視頻對現(xiàn)場操作人員進行崗前培訓，指導現(xiàn)場裝配，加強產品知識傳播，以避免錯裝、漏裝，從而提高裝配效率。

3 結束語

本文采用“反裝”思路，利用三維數(shù)字化工廠仿真軟件DELMIA對雙級圓柱齒輪減速器進行了可視化裝配工藝仿真，模擬和解決裝配中可能出現(xiàn)的瓶頸問題，可提前檢測到設計缺陷、減少產品的交付周期、提高裝配精度和產品質量以及最大限度地降低制造成本。仿真結果表明，為檢驗產品的可裝配性，可在虛擬裝配中根據(jù)產品設計的外形輪廓、精度等級，最大限度模擬產品實體裝配過程，以達到預測干涉進而避免干涉，對工業(yè)實體拆裝具有極大的實施性和借鑒意義。

參考文獻：

[1] LI Jianguang, XIA Pingjun. Survey of virtual assembly and its perspective[J]. Aeronauticai Manufacturing Technology,2010 (3): 34-38.

[2] LIU Xinhua, LIU Youhui, LI Qi.Virtual assembly and simulation of vibration sieve based on a human-Interface environment[J]. Procedia Engineering, 2011,15:2988-2992.

[3] 盛選禹,盛選君.DELMIA人機工程模擬教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[4] WU Weijiang. Research and application on virtual assembly technologies of aircraft based on DELMIA[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008(5):7-8.

[5] 吳見.基于DELMIA的十字萬向聯(lián)軸器虛擬裝配技術研究與應用[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2016：22-23.

[6] MING C L, ELMARAGHY H A, NEE A C Y, et al.CAD model based virtual assembly simulation, planning and training[J].CIRP Annals - Manufacturing Technology , 2013,62(2):799-822.

[7] 王帥,曹巖,劉紅軍.基于DELMIA的機翼裝配工藝規(guī)劃研究[J].工程設備與材料,2017(4):129-130.

[8] HU B, MA L, ZHANG W, et al.Can virtual reality predict body part discomfort and performance of people in realistic world for assembling tasks?[J]. International Journal of Industrial Ergonomics,2011,41(1):64-71.

[9] 潘福星.基于遺傳算法的醫(yī)療顯示器支架虛擬裝配技術研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2017：49-50.

[10] 任永強,張強強.基于DELMIA的主減速器及差速器總成裝配仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2016，11(33):122-125.