齿轮减速器的虚拟装配

摘 要：文章基于虚拟装配技术，对齿轮减速器进行了虚拟装配。采用CATIA三维绘图软件实现了对减速器的虚拟装配，采用SolidWorks运用零件库对轴承等零部件进行参数化设计。

关键词：虚拟装配；虚拟制造；参数化设计；齿轮减速器

中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）03-0084-02

虚拟制造技术是产品制造的重要环节，对产品的成本、质量以及制造周期有着重大影响。本文研究圆柱齿轮减速器的虚拟装配技术，对虚拟制造技术具有极其广泛的应用推广价值。

1 虚拟装配的一般方法和步骤

本文以齿轮减速器为基本模型，讨论虚拟装配的有关技术方法，包括箱体类零件的创建方法、齿轮的参数化设计方法、轴承的装配方法、大型组件的装配方法、装配时各个元件间的体积干涉检验方法等，基本涵盖了机械产品设计的全过程。

1.1 减速器零部件实体建模

图1和图2表示出了箱座、箱盖、轴系、端盖等的配合关系，图1中箱座、箱盖部分采用半透明化处理，图2隐藏箱盖、轴承座孔连接螺栓、箱体连接螺栓，这两种方法都能够表达清楚内部结构。模拟装配的第一步是进行零件的实体建模，或者利用已有的实体零件库，本文从零件的实体建模开始讨论，减速器零件的三维实体建模首先进行箱体、箱盖、两对齿轮传动副、三根传动轴和三对轴承设计。

1.2 减速器零部件实体建模

箱盖和箱座是减速器装配的两个大部件，在这两部分的实体造型完成后，可以先进行一次装配，检查是否有不合理或者是漏创建的部分。减速器箱座和箱座三维模型分别如图3和图4所示。

高速轴为齿轮轴，齿轮的建模过程包括绘制草图、拉伸、旋转、切除、挖槽、倒角，考虑到小齿轮尺寸与该轴段尺寸相差不多，所以将小齿轮与轴制成一体，成型后的高速轴见图5。

低速轴部分：由于是回转体，未切键槽时是轴对称图形，在草图绘制平面上绘制对称图形的一半，标注尺寸（添加约束）通过旋转即可生成模型。至于键槽部分：通过建立两个参考平面，在参考平面上绘制键槽孔草图，再拉伸切除即可。草图旋转体平面开槽腔倒棱边倒角，成型后的高速轴见图6。

中间轴同高速轴的造型方法相同，也是齿轮轴，创建过程同高速轴。齿轮是一种参数化的零件，一个齿轮的形状，可以由它的模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数以及齿宽完全确定，只要修改这些参数的数值，就可以改变齿轮的形状。根据斜齿轮特征，建立模型的关键在于确定螺旋线、渐开线、齿根过渡曲线和齿厚。

1.3 轴承实体的参数化设计

本研究中参数化设计选择标准件类型为圆锥滚子轴承30 000，公称直径30 208，（30 210同30 208只是参数不同）。按照所需的轴承代号，选择好类型及参数，点击确定按钮后，即可得到减速器所需的轴承型号的三维模型，添加到装配模型中，如图7所示。

2 减速器的虚拟装配

作为虚拟制造技术的重要部分，虚拟装配是在计算机上的产品仿真过程。用户根据需要能进行下述工作：装配工艺的规划与设计；在屏幕上实现零件到产品的预装配；装配过程的碰撞、干涉检查：可装配性评估；装配过程的优化分析：装配经济指标评价；装配可靠性评估。

齿轮轴、齿轮、键装配完成后的实体模型，如图8和9所示。

三根齿轮轴、齿轮等主要零部件完成虚拟装配后的三维图如图10所示：装配是对几何体的集合进行管理，而不是生成新几何体。如果组成装配的零件发生改变，装配中会自动更新。利用虚拟装配技术，在计算机上完成零部件的实体造型、装配、检查。为新产品研制提供了一种新的设计方法和实施途径。

3 零部件参数化设计

参数化设计是指在构造产品模型时，模型结构在保持模型拓扑关系不变的前提下，可随尺寸参数或改成参数的具体数值变化而自动改变，形成新的产品模型。参数化设计师使用约束来实现设计与修改产品的一种方法，约束可以理解为若干个对象之间的相互关系，即限制一个或多个对象满足一定得关系、条件。

减速器参数化设计系统由常用件设计、附件设计、标准件库、减速器设计、系统帮助五大模块组成。减速器零件很多，下面就以减速器的代表性零件轴承为例，演示一下系统中常用的标准件调用过程。通过参数化设计减速器各个零部件，最后参数化生成圆柱齿轮减速器三维实体模型，从而大大提高了减速器的设计效率。

系统中标准件的调用过程：选择标准件类型为圆锥滚子轴承30 000，公称直径30 208，（30 210同30 208只是参数不同）。按照所需的轴承代号，选择好类型及参数，点击确定按钮后，即可得到减速器所需的轴承型号的三维模型，添加到装配模型中。单从对轴承的调用，足以见得参数化设计的便捷优势，用户不仅可以享受到个性化的界面，还可以抛开厚厚的手册，将建模由几个小时缩短了几秒钟，设计的过程简化了，设计的效率也大大提高了。

4 结 语

本文对虚拟装配系统的若干理论和关键技术进行了研究和探讨，先运用CATIA对每个零部件进行三维实体造型，再利用CATIA的装配模块，完成减速器的虚拟装配。通过齿轮减速器零件的参数化设计和虚拟装配完成了减速器总成的快速虚拟制造过程，虚拟装配过程发现的问题，在设计阶段就及时发现并进行了修改，大大缩短了产品的研发周期。

参考文献：

[1] 孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 张建平.基于VRML的减速器虚拟装配技术研究[D].西安：西北工业大学，2003.

作者简介：陈红光（1972-），男，湖北武汉人，初级助理实验师，主要研究方向：机械制造。