1. 前言

　　隨著市場的開放性和全球化，用戶在追求高質量低價格和短交貨期的同時，會縮短產品的更新換代周期，這就要求設計人員去改變傳統設計模式，最大限度地利用虛擬設計技術。設計者通過虛擬裝配檢查各零部件尺寸以及可裝配性，即時修改錯誤;通過虛擬原型進行虛擬試驗，而不用再去做更多的實物試驗。這樣，既節省了時間又節約了費用。

　　虛擬設計(Virtual Design)是將VR技術和CAD技術相結合的一個應用于多領域的新技術。近年來，商業CAD軟件及工具的興起，例如：PTC公司的產品SolidWorks，Pro/Engineer，SDRC的產品I-DEAS Master Series、UGS公司的產品Unigraphics等，推動了虛擬設計的發展。本文基于SolidWorks三維軟件完成的雙級減速箱的虛擬設計。

　　2. 減速箱虛擬設計軟件的選用

　　減速器是一種用途十分廣泛的機械裝置。圓錐圓柱齒輪雙級減速器的可分為DBYK硬齒面、DCYK硬齒面、DBY硬齒面、DFY硬齒面、DCY硬齒面等多種類型。它主要適用于輸出輸入軸呈垂直方向布置的傳動裝置，如帶式輸送機等各種運輸機械，在冶金、礦山、建筑、水泥、能源等通用機械中也得到應用[2]。

　　本次所設計生產的雙級減速器的基本要求是用于碼頭運型砂，單班制工作，有輕微振動，使用年限為10年，基本數據為輸送帶拉力為2060N，運輸帶速為1.2m/s，卷筒直徑為300mm。由于SolidWorks三維設計軟件含有豐富的方便快捷的設計資源和Toolbox、cosmos等插件，功能強大，設計十分直觀快捷，設計效率很高。因此，本設計選用SolidWorks作為三維設計平臺。

　　3. 基于SolidWorks的齒輪的二次開發

　　齒輪齒形具有復雜的曲面特征，當齒輪參數和尺寸不相同時，設計生產的齒輪零件的結構也不相同，為了減少建模的工作量，減少同一零件的重復性工作，有必要進行基于SolidWorks的齒輪二次開發，進行相似零件的參數化建模。

　　在SolidWorks可以利用其內部強大的宏功能來進行實體建模，通過VB語言編寫程序來實現齒輪的二次開發。圖1為基于二次開發技術得到的直齒輪，并對其進行了材質處理。它的實現主要過程如下：

　　(1)點擊工具中的錄制宏命令，開始創建漸開線齒輪三維實體模型，這樣就可以把齒輪建模的全過程錄制成宏文件。找出宏文件中與模型生成有關的關鍵函數，理解并確定其中的關鍵參數，把關鍵常數用變量來代替，這樣就完成了漸開線齒輪的三維參數化建模程序;

　　(2)使用VB語言編制應用程序界面，如圖2所示。設計者通過應用程序界面錄入初始參數，程序會自動計算出上述宏文件中所需要的相關參數、編譯程序并生成可執行程序供SolidWorks程序調用;

　　(3)完成可執行應用程序后,使用SolidWorks中的"宏"操作命令將應用程序嵌入SolidWorks中,實現二者的鏈接。

　　圖1：為基于二次開發技術得到的直齒輪

　　圖2： 應用程序界面

　　4. 基于SolidWorks的減速箱虛擬設計

　　SolidWorks軟件在產品性能優化和仿真(運動和干涉檢查、整機運動分析、零部件設計優化等)、結構特征建模、分析評價等方面具有獨到的優勢。

　　4.1 SolidWorks中的齒輪軸的建模

　　在減速箱設計中，由于齒輪的尺寸較小，近似接近于軸段的尺寸，為保證軸和齒輪二者的強度和剛度，此軸段將齒輪和軸設計成一體，即所謂的齒輪軸，這種設計方法在實際設計中比較常見。

　　圖3所示的是在SolidWorks環境下建立的直齒輪軸和錐齒輪三維模型。在設計過程中，我們采用了齒輪的二次開發技術，先生成齒輪，然后在通過拉伸命令完成相應的階梯軸。

　　圖3：直齒輪軸(上)和錐齒輪軸(下)

　　4.2 減速箱內部傳動結構

　　為了清晰地呈現雙級圓錐圓柱減速箱的內部結構，將上下箱體和一些附屬部件在SolidWorks中隱藏后，得到了雙級圓錐圓柱減速箱內部的傳動機構原理圖(如圖4)。從圖中可以清晰的看出雙級圓錐圓柱減速箱的傳動系統的組成和工作過程。該減速箱一級傳動系統由圓錐齒輪組成，它具有傳動平穩、輸入軸與輸出軸垂直傳動等優點，二級傳動系統采用圓柱齒輪傳動，可以實現較大的傳動比。

　　圖4：減速箱內部傳動結構原理圖

　　5 減速箱的高效虛擬裝配

　　SolidWorks中的高效虛擬裝配一般分為對裝配體進行簡化、分析、顯示、爆炸、干涉檢查、碰撞檢查、智能扣件、Animator插件虛擬現實等處理[3]。在實現過程中，先將雙級圓錐圓柱減速箱進行虛擬裝配，然后進行爆破、材質、渲染、干涉檢查等完成減速箱的高效虛擬裝配。

　　5.1 減速箱的虛擬裝配

　　虛擬樣機可以在很短時間內完成多次物理樣機無法完成的仿真試驗以及極端工況的試驗，如安全性能的測試等，直至獲得樣機模型整機系統的優化方案[4]。減速箱的虛擬裝配就是完成減速箱虛擬樣機的一個優化過程。

　　在虛擬裝配中，裝配關系是零件之間相對位置和配合關系，它反映了零件之間的相互約束及相對運動。SolidWorks中有標準配合和高級配合，其中標準配合應用最廣泛，例如：重合、平行、垂直、相切和同軸心配合;當需要機構運動模擬時就用到高級配合，此時須加一些輔助動力裝置，如：線性馬達、旋轉馬達、線性彈簧和引力。在配合時應該注意過配合和欠配合的現象，當出現過配合時刪除多余約束即可，反之要添加約束條件使之正常配合。圖5為該減速箱的整體虛擬裝配圖的左右二等角軸測圖，左側的則是整個裝配過程的裝配樹。

　　圖5：減速箱虛擬裝配圖

　　5.2 基于PhotoWorks插件的虛擬裝配體渲染模型

　　虛擬設計可以產生一個與現實相似的虛擬環境，使人們產生身臨其境的視景仿真。在SolidWorks2007虛擬設計中，使用PhotoWorks插件可以讓虛擬設計產品獲得更加真實的產品效果，通過該插件中的相機與燈光、布景與材質等功能進行實時渲染，從而獲得一個與現實工作環境十分接近的虛擬渲染模型(圖6)。

　　圖6：虛擬裝配體渲染模型

　　此外，利用CosmosWorks插件還可以對零部件(如齒輪、軸等)以及整個虛擬裝配體進行有限元分析，得到各個部位的受力情況，再進行可靠性分析，實時修改受力不良的部位，改進可靠性較差的部位，達到即符合可靠性系數，又能節省實際制造時的材料的目的。

　　5.3 減速箱爆炸圖

　　為了便于形象地分析零部件之間的相互關系，有必要對裝配體進行爆炸視圖(圖7)。從爆破圖中可以很明顯的看到組成減速箱的各個部件，例如上箱體、下箱體、直齒輪、錐齒輪、齒輪軸、階梯軸、軸承、端蓋、悶蓋、螺栓、套筒等等零部件。SolidWorks在虛擬產品裝配體的爆炸技術方面比較突出，應用爆炸命令可以很簡單的根據用戶自己的意愿進行爆炸。爆炸中應注意的是爆炸過程最好符合實際生產的安裝順序，這樣可以使得爆炸過程和后續的解除爆炸過程更加真實。完成爆炸視圖后，可以利用Animator插件中的輔助動畫向導實現裝配體的爆炸和解除爆炸動畫。

　　圖7：虛擬裝配體爆炸圖

　　5.4 基于Animator插件的動畫仿真

　　虛擬設計(Virtual Design)可以為用戶提供一個基于視覺、聽覺、觸覺等感官的動畫模擬，讓人們能夠及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物[1]。減速箱虛擬樣機模型建立以后，為了更好的展示減速箱的虛擬設計產品模型，使用Animator插件的動畫功能，完成相應的動畫，并可以保存為AVI格式的視頻文件。圖8所示的是基于Animator插件的動畫仿真界面，圖左是減速箱的爆炸視圖，圖右是選擇動畫類型向導，其中包括旋轉模型、爆炸、解除爆炸、物理模擬等，圖下方所示的Animator插件自帶的完成動畫的提示，這使得用戶使用該插件更為方便簡單。

　　圖8：基于Animator的動畫仿真圖

　　6. 結束語

　　虛擬設計技術的不斷發展，從某種意義上說，它改變了人們的思維方式和產品的設計方法，使得產品能夠快速響應市場，為企業創造出更大的價值，這個價值是真實存在的價值。因此，虛擬設計在產品設計中的應用是十分必要的。

　　本文選用SolidWorks作為虛擬設計平臺，在雙級減速箱的虛擬設計過程中發揮了重要的作用，它使得減速箱的虛擬設計具有一定的實際意義，科學性也得到了提高。