可視化虛擬裝配技術在扭力限制器設計開發中的應用

許剛 王林剛 陳云

摘要：在SolidWorks平臺下，以扭力限制器為例說明可視化虛擬裝配技術的工程應用。首先通過自頂向下的虛擬裝配、干涉檢查，然后生成與PowerPoint相鏈接的裝配動畫，最終完成扭力限制器的可視化虛擬裝配過程。不難看出，利用此技術不僅能夠提高產品的設計質量及效率，而且可以實現產品裝配工藝的可視化，為企業的無紙化辦公提供技術參考。

關鍵詞：虛擬裝配扭力限制器動畫設計SolidWorks

0 引言

傳統產品的裝配往往會由于設計不正確或裝配過程不合理而導致產品的研發周期變長、研發成本增加，近些年隨著計算機技術的快速發展，興起了一個新的研究領域——可視化虛擬裝配，它無需制造真實產品就可以在計算機上實現產品零部件裝配的形象化、可視化，早期發現并解決實際裝配中所出現的問題。本文以扭力限制器為例來說明可視化虛擬裝配技術在機械產品設計開發中的具體應用。

1 虛擬裝配技術

虛擬裝配是在計算機上利用虛擬的實體模型進行仿真裝配，分析產品的裝配性能，確保產品順利裝配。實際上，虛擬裝配技術融合了仿真技術、決策理論、制造技術等多種技術。

1.1 設計流程 在機械產品設計開發中，可將虛擬裝配技術的設計流程劃分為如圖1所示的幾個過程。

1.1.1 建立初始模型。在機械產品設計研發過程中，初始主模型可作為虛擬裝配的頂層基本骨架，其他零部件根據使用要求在裝配環境下完成，從而實現產品自頂向下（top-down）裝配設計。

1.1.2 劃分裝配層次。機械產品一般由具有層次關系的零部件相互組成系統，即：一個總裝配體包含若干個零件和子裝配體，如圖2所示。

[初始

主模

型][虛擬裝配

初始設計

階段][有][靜態干涉檢查][無][詳細

裝配][動態干涉檢查][無][設計

輸出][有]

圖1虛擬裝配設計流程

[子裝配體1][總裝配體][零件1][…][…][零件n][子裝配體n]

圖2虛擬裝配設計層次劃分

1.1.3 確立裝配約束

為了表達裝配關系，需建立配合約束，實際上就是裝配零件上點、線、面之間的約束關系，常見的有：同軸、平行、垂直、面貼合等等。如：工程實際中軸與孔的配合，在虛擬裝配中則采用面與面間的貼合和同軸約束來實現。有了裝配約束，就能保證設計出的總裝配體符合機械工程師的設計思路。

1.1.4 檢查干涉。干涉檢查是評價虛擬裝配效果的有效手段，分靜態和動態干涉兩種。通過靜態干涉檢查可以發現設計的零部件結構是否合理，及時修改不合理的結構，確保零部件無干涉地裝在一起；而動態干涉檢查可以確保裝配設計的正確性。

1.2 裝配路徑 當在某個平臺（如SolidWorks、UG等）下進行虛擬裝配操作時，可以利用路徑數據生成裝配爆炸視圖；或利用路徑庫生產演示動畫。

2 虛擬裝配可視化

將生成的裝配路徑動畫文件（avi、mp4等格式）鏈接到Powerpoint中，從而替代產品的裝配工藝卡片，裝配過程用動畫來描述，形象、逼真、易懂。

3 工程應用實例研究

下面以在SolidWorks平臺下完成扭力限制器的可視化裝配過程為例。

3.1 組成零件分析。扭力限制器組成零件主要有：滾珠、連接法蘭、移位法蘭、碟形彈簧、調節螺母、軸套等，其三維實體如圖3所示。

3.2 工作原理。扭力限制器的結構如圖4所示，其工作原理為：在動力輸出端的軸所受負載較小時，碟簧不壓縮，滾珠不打滑，與主動及從動端的牙槽接觸；當負載過大時，所需扭矩超過規定值，碟簧壓縮，滾珠在弧形槽上打滑，與主動端脫離（從動軸轉動停止，限制傳動系統的扭矩），此時，移位法蘭軸向移動，導致傳感器限位開關關閉動力源。當過載消失后又恢復正常狀態，這樣既防止了機械損壞，又避免了停機所導致的損失。

3.3 虛擬裝配

在SolidWorks平臺下，根據扭力限制器功能要求及零件之間的關系，以軸套為初始主模型，通過裝配約束管理，完成其總裝圖，如圖5所示。

3.4 干涉檢查

利用SolidWorks靜態干涉檢查工具可以發現裝配體存在干涉的部位并及時修改，確定產品的可裝配性。例如：若調節螺母和螺栓存在干涉，則干涉區域會在solidworks里高亮顯示，如圖6所示。產生干涉的原因可能是：①螺栓的規格選大了；②調節螺母上的孔徑小了。經過修改后的模型經干涉分析不再存在干涉，如圖7所示。

[干涉]

圖6有干涉的扭力限制器

圖7修改后的扭力限制器（無干涉）

動態干涉檢查可以使用SolidWorks內置插件“COSMOS/motion”來實現，使零部件按約束條件運動，待運動結束，點“check interferences”，查看有無碰撞（干涉）發生。

3.5 爆炸視圖的生成

裝配完成后利用SolidWorks的爆炸技術將總裝圖拆分，如圖8所示，詳細查看各個零件。

圖8扭力限制器爆炸視圖

3.6 可視化裝配動畫的生成

為了真實再現產品的裝配過程（裝配工藝），可以利用“動畫解除爆炸”（如圖9所示）形象地描述扭力限制器的裝配過程，動畫截屏如圖10所示。

圖9“動畫解除爆炸”窗口

圖10扭力限制器裝配動畫截屏

將裝配工藝動畫文件與PowerPoint進行鏈接，單擊

“總裝動畫”，即可查看扭力限制器的裝配過程，形象易懂。

4 結語

在SolidWorks平臺下，本文詳細介紹了可視化虛擬裝配技術在扭力限制器設計開發的應用，通過與傳統設計方法的對比，可以看出基于可視化虛擬裝配技術的設計方法不僅能夠縮短研發周期、降低研發成本，而且還能實現產品裝配的形象化、可視化，對提高企業產品市場競爭力、加快無紙化辦公具有重要意義。

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作者簡介：

許剛，男，碩士研究生，工程師，主要從事汽車產品優化設計。