楊馥寧，王洪申，閆金堂，趙紅紅

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨著CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)在工程領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)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(shí)體模型為基礎(chǔ)，用計(jì)算機(jī)模擬裝配的全過(guò)程[1]，以驗(yàn)證機(jī)器或部件設(shè)計(jì)的正確性和可裝配性[2]，及時(shí)幫助工程技術(shù)人員找到設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，直觀地發(fā)現(xiàn)和修改不合理的設(shè)計(jì)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(yīng)用軟件，在DELMIA的實(shí)時(shí)三維協(xié)同環(huán)境下，產(chǎn)品生命周期的早期就可直觀地計(jì)劃、定義、驗(yàn)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(jí)圓柱齒輪減速器的裝配工藝，包括通過(guò)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(cè)、裝配可達(dá)性分析和裝配過(guò)程仿真。傳統(tǒng)的裝配方法只有在實(shí)際裝配階段才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，通常需要多次修改，周期長(zhǎng)、效率低、成本高，不能適應(yīng)當(dāng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)上對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器的可視化裝配進(jìn)行模擬仿真和分析，結(jié)合時(shí)序圖和仿真結(jié)果對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器的裝配可行性進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化產(chǎn)品以保證產(chǎn)品裝配的可行性。

1 雙級(jí)圓柱齒輪減速器虛擬裝配分析

雙級(jí)圓柱齒輪減速器(圖1所示)是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，應(yīng)用減速器降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩的功能來(lái)滿足工作中的需要。為了在設(shè)計(jì)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(yàn)證裝配設(shè)計(jì)的正確性，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改正。

圖1 減速箱總成

雙級(jí)圓柱齒輪減速器裝配樹(shù)如圖2所示。對(duì)裝配樹(shù)中各零部件間的從屬關(guān)系進(jìn)行觀察并分析，根據(jù)“反裝”原理對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行拆卸序列規(guī)劃[5]。為簡(jiǎn)化說(shuō)明，本文以傳動(dòng)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(shù)

對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行虛擬裝配仿真，在三維裝配建模的基礎(chǔ)上生成裝配序列[6]，將雙級(jí)圓柱齒輪減速器裝配樹(shù)轉(zhuǎn)換成關(guān)聯(lián)圖[7-8]表達(dá)形式，關(guān)聯(lián)圖又稱關(guān)系圖，是對(duì)原因與結(jié)果、目的與手段等問(wèn)題的因果關(guān)系用箭頭將各要素之間進(jìn)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(guān)聯(lián)圖G=(A，E)表示裝配體集合，其中A為非空節(jié)點(diǎn)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(guān)系的邊集。雙級(jí)圓柱齒輪減速器裝配集合為{A0,A1,A2,A3}={上箱體，傳動(dòng)軸，下箱體，軸承蓋}，傳動(dòng)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(guān)系轉(zhuǎn)化為如圖4所示的關(guān)聯(lián)圖，觀察到中軸A121有5個(gè)節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)度是指和該節(jié)點(diǎn)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(wèn)A122～A126直至結(jié)束，得出A122～A126的裝配順序。對(duì)于多種裝配序列，考慮到實(shí)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?yàn)閧A121,A122,A123,A124,A125,A126}。

圖4 中軸總成裝配部件關(guān)聯(lián)圖

由中軸總成各零件間關(guān)系轉(zhuǎn)化為關(guān)聯(lián)圖的方法生成雙級(jí)圓柱齒輪減速器的關(guān)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(dòng)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(biāo);A3—軸承蓋;A31—連接螺釘

圖5 雙級(jí)圓柱齒輪減速器關(guān)聯(lián)圖

2 雙級(jí)圓柱齒輪減速器虛擬裝配實(shí)現(xiàn)

本文研究雙級(jí)圓柱齒輪減速器各零部件的結(jié)構(gòu)層次及工藝規(guī)劃，基于DELMIA軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該雙級(jí)圓柱齒輪減速器虛擬裝配的仿真與優(yōu)化，基于DPM 模塊實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真。DPM模塊是提供產(chǎn)品工藝分析以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及功能仿真應(yīng)用的虛擬環(huán)境，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)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(guò)程的仿真流程。

圖6 減速器裝配過(guò)程的仿真流程

2.1 導(dǎo)入產(chǎn)品裝配模型并建立產(chǎn)品的PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)

PPR HUB即產(chǎn)品(product)、工藝(process)、生產(chǎn)資源(resource)和集成中樞(HUB)，提供數(shù)字樣機(jī)和裝配現(xiàn)場(chǎng)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(guān)系和人機(jī)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(dǎo)入DELMIA產(chǎn)品列表中(即雙級(jí)圓柱齒輪減速器組件)，如圖7右側(cè)所示，然后對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真裝配，體現(xiàn)設(shè)計(jì)裝配一體化；在資源結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建上，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，DPM中的資源不包括如工作臺(tái)、工具、機(jī)器設(shè)備以及其他靜態(tài)的環(huán)境設(shè)施，在Resources-list節(jié)點(diǎn)下插入仿真所需的資源，如創(chuàng)建工作臺(tái)(workbench)和地板(plant floor)；最后是工藝結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，根據(jù)“反裝”原理，對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行虛擬裝配過(guò)程仿真，依次記錄雙級(jí)圓柱齒輪減速器的拆卸過(guò)程，并創(chuàng)建產(chǎn)品各零部件的工藝節(jié)點(diǎn)，將工藝順序通過(guò)反置拆卸，依次完成裝配過(guò)程。雙級(jí)直齒圓柱齒輪減速器裝配過(guò)程的PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)形式如圖7左側(cè)所示。

2.2 創(chuàng)建Process-list仿真流程

在工藝流程Process節(jié)點(diǎn)下，對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器總成進(jìn)行拆卸并創(chuàng)建動(dòng)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(diǎn)下建立.CAT Process擴(kuò)展文件。圖8所示為產(chǎn)品的最初始結(jié)構(gòu)形態(tài)，各零部件按照最開(kāi)始規(guī)劃好的裝配工藝路徑和先后順序進(jìn)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(biāo)—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(guò)Assembly Process Simulation實(shí)現(xiàn)雙級(jí)圓柱齒輪減速器組件的虛擬裝配過(guò)程仿真。在創(chuàng)建Move子工藝時(shí)，需根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際裝配工位狀況確定觀察視角、裝配順序以及時(shí)間信息，如需修改，可雙擊Move Activities對(duì)已編輯的內(nèi)容做進(jìn)一步修改，然后記錄。對(duì)于裝配順序可以在點(diǎn)擊Process后點(diǎn)擊PERT進(jìn)行修改。產(chǎn)品整個(gè)裝配仿真驗(yàn)證的過(guò)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(yùn)動(dòng)路徑后，運(yùn)用“反裝”原理，將整個(gè)產(chǎn)品的拆卸流程“反轉(zhuǎn)倒置”，單擊Reverse the Process，選擇Reverse the Entire Process選項(xiàng)，雙級(jí)圓柱齒輪減速器總成拆卸的逆過(guò)程即為裝配過(guò)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(guò)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(biāo);13—新通蓋;

14—M20_螺母

圖8 雙級(jí)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(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真

按照流水線作業(yè)的要求對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器各個(gè)小部件進(jìn)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(gè)螺栓。在對(duì)軸承蓋進(jìn)行裝配時(shí)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(guò)程中先安裝軸承蓋，緊接著用螺栓來(lái)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(shù)中，通常對(duì)虛擬仿真過(guò)程進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢驗(yàn)[9]，以便判斷裝配路徑和順序的有效性，并對(duì)不合理之處進(jìn)行調(diào)整完善。干涉碰撞在實(shí)際裝配中是不允許發(fā)生的。雙級(jí)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(dòng)比，因此對(duì)其裝配進(jìn)行干涉檢測(cè)是很有必要的。

DELMIA具有相當(dāng)強(qiáng)大的碰撞檢測(cè)功能，在對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器的裝配過(guò)程進(jìn)行干涉檢查時(shí)，打開(kāi)Analyze,單擊Clash事件的碰撞檢測(cè)(Clash Analysis),對(duì)process進(jìn)行干涉分析(Interactive Analysis)，檢測(cè)過(guò)程中，干涉發(fā)生時(shí)仿真過(guò)程自動(dòng)停止，并彈出分析檢測(cè)窗口，如圖10所示。

圖10 干涉檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)干涉檢查，發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中該雙級(jí)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(shè)計(jì)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(méi)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(guò)調(diào)整墊圈在軸上的深度來(lái)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(jí)圓柱齒輪減速器的螺栓孔深度不夠，就會(huì)使得用來(lái)固定減速器的從動(dòng)齒輪螺栓與雙級(jí)圓柱齒輪減速器殼產(chǎn)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(lái)解決可能會(huì)產(chǎn)生的干涉問(wèn)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(guò)活動(dòng)列表和時(shí)間刻度形象地表示出每一個(gè)工位的活動(dòng)順序與持續(xù)時(shí)間，編制出其產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃、確定合理的瓶頸工位以及調(diào)節(jié)生產(chǎn)周期。單擊Gantt圖標(biāo)，如圖11的裝配時(shí)序圖自動(dòng)彈出，圖11(a)的表格表示出了每個(gè)動(dòng)作所消耗的時(shí)間及其起始時(shí)間，圖11(b)為每個(gè)動(dòng)作所耗時(shí)間相對(duì)應(yīng)的條形圖。

圖11 Gantt圖中每個(gè)動(dòng)作所消耗的時(shí)間

對(duì)Gantt圖進(jìn)行分析，雙級(jí)圓柱齒輪減速器裝配共耗時(shí)148.2s，為了提高產(chǎn)品的裝配效率、體現(xiàn)并行的設(shè)計(jì)思想，需對(duì)產(chǎn)品裝配順序進(jìn)行調(diào)整，使減速器左側(cè)和右側(cè)的零部件同時(shí)進(jìn)行裝配，即兩側(cè)螺栓、螺母、螺釘和軸承蓋的裝配同時(shí)進(jìn)行，圖12(a)所示為兩側(cè)螺栓、螺母、螺釘和軸承蓋未并行前所消耗的時(shí)間，共耗時(shí)51.6s，圖12(b)為通過(guò)并行思想使減速器兩側(cè)螺栓、螺母、螺釘和軸承蓋同時(shí)進(jìn)行裝配優(yōu)化后的裝配周期，共耗時(shí)25.8s。對(duì)優(yōu)化后的Gantt圖(圖13)進(jìn)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(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雙級(jí)圓柱齒輪變速器傳動(dòng)軸安裝總耗時(shí)55.4s，這部分耗時(shí)長(zhǎng)的原因在于下箱體內(nèi)壁厚度過(guò)大從而導(dǎo)致留給傳動(dòng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下合理調(diào)整箱體的壁厚，以達(dá)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(shí)間

圖13 裝配時(shí)間優(yōu)化后的Gantt圖

通過(guò)系統(tǒng)提供的仿真功能，經(jīng)仿真驗(yàn)證合理、正確的裝配過(guò)程，完成干涉和Gantt圖分析優(yōu)化[10]后，導(dǎo)出可作為演示文件的裝配工藝文檔以及裝配過(guò)程的視頻對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配，加強(qiáng)產(chǎn)品知識(shí)傳播，以避免錯(cuò)裝、漏裝，從而提高裝配效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用“反裝”思路，利用三維數(shù)字化工廠仿真軟件DELMIA對(duì)雙級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)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(wèn)題，可提前檢測(cè)到設(shè)計(jì)缺陷、減少產(chǎn)品的交付周期、提高裝配精度和產(chǎn)品質(zhì)量以及最大限度地降低制造成本。仿真結(jié)果表明，為檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性，可在虛擬裝配中根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的外形輪廓、精度等級(jí)，最大限度模擬產(chǎn)品實(shí)體裝配過(guò)程，以達(dá)到預(yù)測(cè)干涉進(jìn)而避免干涉，對(duì)工業(yè)實(shí)體拆裝具有極大的實(shí)施性和借鑒意義。

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