虚拟装配技术在行星减速器设计上的应用

[摘 要]为了提高机械产品的装配效率，提出了在行星减速器设计中虚拟装配的方法，介绍了虚拟装配中的关键问题，验证了行星减速器的虚拟装配、运动仿真、干涉检验、特性检验等。成功地实现了行星减速器在计算机虚拟环境中的产品开发设计过程，缩短了产品开发周期。

[关键词]行星减速器 虚拟装配 运动仿真 干涉检验

中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0349-02

[Abstract]In order to improve the assembly efficiency of machinery product， this paper introduces several key problems in the virtual assembly of the planetary gear， and virtual assembly， motion simulation， interference test and identity test are verified. Successfully realized the product development and design process of the planetary reducer in computer virtual environment and shortened the period of product development cycle.

[Key words]Planetary Reducer； Virtual Assembly； Motion Simulation； Interference Detection

1 虚拟装配概况

虚拟装配（Virtual Assembly）是虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）在装配领域的应用，是虚拟现实技术的重要分支。它从产品装配设计的角度出发，利用虚拟现实技术建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆卸操作，检验和评价产品的装配性能，从而生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本，提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。

近年来，随着虚拟现实技术的发展，国内外学者对虚拟装配系统进行的大量的研究。美国华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所合作开发的虚拟装配设计环境VADE[1]是第一个具有代表性的虚拟装配系统；美国纽约州立大学机械与航空工程系虚拟现实技术实验室开发了基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE[2]；新加坡南洋理工大学机械与产品工程系开发了桌面式虚拟环境系统V-REALISM[3]；意大利Bologna大学应用增强现实技术开发了基于CAD技术的装配规划与验证系统PAA（Personal Active Assistant）[4]；英国索尔福德大学的CVE（centre for virtual environments）集成了CAD建模、碰撞检测和虚拟环境管理等功能，开发了基于约束的沉浸式虚拟环境[5-6]。国内，华中理工大学的熊有伦等[7]开发了基于虚拟原型的装配序列规划及评价系统VPASPE；浙江大学开发的VDVAS[8]系统集成了虚拟设计与虚拟装配过程，用户可以运用三维操作和语音命令建立零件及其装配模型；北京理工大学的宁汝新、刘检华等[9]研究了基于虚拟现实的装配工艺规划理论、方法及实现技术；浙江大学的刘振宇、谭建荣等[10]研究了基于语义识别的虚拟装配操作。

2 行星减速器虚拟装配技术

（1）建立行星减速器主体模型

模型必须要保证减速器各零部件数据的完整性， 实现减速器在装配系统中的高度集成。根据行星减速器的总体参数，应用PRO/E软件建立减速器各零件的三维实体模型。主要模型如图1所示。

（2）虚拟装配区域分层和划分

装配层次建立在减速器各个零件的三维实体模型基础上，按照设计要求划分出几个装配区域，然后再进一步划分装配层次。

（3）装配数据管理

设计数据的流动和数据的有效管理是实现虚拟装配的重要环节。为了便于对设计数据的管理，所有的信息都要存储在统一的数据库中，并且由信息管理系统进行统一的产品数据管理，这样可以保证顺利实现整个行星减速器自上向下的设计。

（4）建立虚拟装配约束

进行行星减速器模型虚拟装配前应先将其功能和设计意图转化为约束，并进行数据管理，确保模型具有设计者所定义的约束关系，如平行、垂直、共轴和共面等，使行星减速器约束模型能够管理所有组件的形状特征、装配特征及它们之间的约束关系。若某个特征发生改变，虚拟模型能够根据约束关系发生相应的特征变化，从而保证整个数据的一致性。由于行星减速器是典型的齿轮机构， 运动元件有太阳轮和行星轮，这两个齿轮轴处建立销钉联接即可。图2为借助PRO/E 软件建立的减速器装配图。

（5）装配运动仿真和干涉分析

首先对减速器进行运动学仿真，模拟减速器的实际工作状态，检查各运动机构间的协调关系。图3为减速器的运动仿真图。

然后根据零部件的干涉和运动情况，修改原三维设计模型。在保证减速器所有零件的干涉自由和运动协调的条件下，完善减速器所有零件的设计工作。图4、图5分别为减速器的装配序列表和干涉检验图。

3 结语

本文针对产品装配过程中出现的问题，以Pro/E软件为平台，以行星减速器组件为研究对象，利用虚拟装配技术，成功地应用计算机虚拟环境完成了产品的装配过程。对装配体进行干涉检验、动态仿真等，根据检验结果进行修改设计，大大缩短了新产品的开发设计过程，降低了成本、提高了产品质量；采用适当的虚拟装配方法，对设计数据进行有效的管理。虚拟装配技术将在以后产品的设计和制造中发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]Sankar Jayaram， Uma Jayaram， WANG Y， et al. VADE： a virtual assembly design environment [J]. IEEE Computer Graphics and Applications， 1999， 19（6）： 44-50.

[2]DEVIPRASAD T， KESAVADAS T. Virtual prototyping of assembly components using process modeling [J].Journal of Manufacturing Systems， 2003， 22（1）：16 -27

[3]Li J R， Khoo L P， Tor S B. Desktop virtual reality for maintenance training： an object oriented prototype system （V-REALISM） [J]. Computers in Industry （S0166-3615）， 2003， 52（9）： 109-125.

[4]MARCELINO L， MURRAY N. A constraint manager to support virtual maintainability [J]. Computers & Graphics. 2003， 27（1）：19-26.

[5]Fernando T， Marcelino L. Constraint-based immersive virtual environment for supporting assembly and maintenance tasks [C]. Proceedings of the 9th International Conference on Human Computer Interaction， New Orleans， 2001： 943 -947.

[6]Marcelino L， Murray N， Fernando T. A constraint manager to support virtual maintainability [J]. Computers & Graphics， 2003， 27（1）： 19-26.

[7]YIN Z P， DING H， X IONG Y L. A virtual prototyping approach to generation and evaluation of mechanical assembly sequences [J]. Proc Instn Mech Engrs Part B， 2004， 218（1）：87- 102.

[8]万华根， 高曙明， 彭群生. VDVAS： 一个集成的虚拟设计与虚拟装配系统[J]. 中国图象图形学报， 2002， 7（1）： 27-35.

[9]刘检华， 宁汝新. 虚拟装配工艺规划实现技术研究[J]. 机械工程学报， 2004， 40（ 6）： 138- 143.

[10]刘振宇，谭建荣，张树有.基于语义识别的虚拟装配运动引导研究[J].软件学报.2002，13（3）：382-389.

作者简介：

陈传省；出生年月：1985-07；性别：男；民族：汉族；籍贯：山东巨野；学历：本科；研究方向：工业自动化。法