可视化虚拟装配技术在扭力限制器设计开发中的应用

许刚 王林刚 陈云

摘要：在SolidWorks平台下，以扭力限制器为例说明可视化虚拟装配技术的工程应用。首先通过自顶向下的虚拟装配、干涉检查，然后生成与PowerPoint相链接的装配动画，最终完成扭力限制器的可视化虚拟装配过程。不难看出，利用此技术不仅能够提高产品的设计质量及效率，而且可以实现产品装配工艺的可视化，为企业的无纸化办公提供技术参考。

关键词：虚拟装配扭力限制器动画设计SolidWorks

0 引言

传统产品的装配往往会由于设计不正确或装配过程不合理而导致产品的研发周期变长、研发成本增加，近些年随着计算机技术的快速发展，兴起了一个新的研究领域——可视化虚拟装配，它无需制造真实产品就可以在计算机上实现产品零部件装配的形象化、可视化，早期发现并解决实际装配中所出现的问题。本文以扭力限制器为例来说明可视化虚拟装配技术在机械产品设计开发中的具体应用。

1 虚拟装配技术

虚拟装配是在计算机上利用虚拟的实体模型进行仿真装配，分析产品的装配性能，确保产品顺利装配。实际上，虚拟装配技术融合了仿真技术、决策理论、制造技术等多种技术。

1.1 设计流程 在机械产品设计开发中，可将虚拟装配技术的设计流程划分为如图1所示的几个过程。

1.1.1 建立初始模型。在机械产品设计研发过程中，初始主模型可作为虚拟装配的顶层基本骨架，其他零部件根据使用要求在装配环境下完成，从而实现产品自顶向下（top-down）装配设计。

1.1.2 划分装配层次。机械产品一般由具有层次关系的零部件相互组成系统，即：一个总装配体包含若干个零件和子装配体，如图2所示。

[初始

主模

型][虚拟装配

初始设计

阶段][有][静态干涉检查][无][详细

装配][动态干涉检查][无][设计

输出][有]

图1虚拟装配设计流程

[子装配体1][总装配体][零件1][…][…][零件n][子装配体n]

图2虚拟装配设计层次划分

1.1.3 确立装配约束

为了表达装配关系，需建立配合约束，实际上就是装配零件上点、线、面之间的约束关系，常见的有：同轴、平行、垂直、面贴合等等。如：工程实际中轴与孔的配合，在虚拟装配中则采用面与面间的贴合和同轴约束来实现。有了装配约束，就能保证设计出的总装配体符合机械工程师的设计思路。

1.1.4 检查干涉。干涉检查是评价虚拟装配效果的有效手段，分静态和动态干涉两种。通过静态干涉检查可以发现设计的零部件结构是否合理，及时修改不合理的结构，确保零部件无干涉地装在一起；而动态干涉检查可以确保装配设计的正确性。

1.2 装配路径 当在某个平台（如SolidWorks、UG等）下进行虚拟装配操作时，可以利用路径数据生成装配爆炸视图；或利用路径库生产演示动画。

2 虚拟装配可视化

将生成的装配路径动画文件（avi、mp4等格式）链接到Powerpoint中，从而替代产品的装配工艺卡片，装配过程用动画来描述，形象、逼真、易懂。

3 工程应用实例研究

下面以在SolidWorks平台下完成扭力限制器的可视化装配过程为例。

3.1 组成零件分析。扭力限制器组成零件主要有：滚珠、连接法兰、移位法兰、碟形弹簧、调节螺母、轴套等，其三维实体如图3所示。

3.2 工作原理。扭力限制器的结构如图4所示，其工作原理为：在动力输出端的轴所受负载较小时，碟簧不压缩，滚珠不打滑，与主动及从动端的牙槽接触；当负载过大时，所需扭矩超过规定值，碟簧压缩，滚珠在弧形槽上打滑，与主动端脱离（从动轴转动停止，限制传动系统的扭矩），此时，移位法兰轴向移动，导致传感器限位开关关闭动力源。当过载消失后又恢复正常状态，这样既防止了机械损坏，又避免了停机所导致的损失。

3.3 虚拟装配

在SolidWorks平台下，根据扭力限制器功能要求及零件之间的关系，以轴套为初始主模型，通过装配约束管理，完成其总装图，如图5所示。

3.4 干涉检查

利用SolidWorks静态干涉检查工具可以发现装配体存在干涉的部位并及时修改，确定产品的可装配性。例如：若调节螺母和螺栓存在干涉，则干涉区域会在solidworks里高亮显示，如图6所示。产生干涉的原因可能是：①螺栓的规格选大了；②调节螺母上的孔径小了。经过修改后的模型经干涉分析不再存在干涉，如图7所示。

[干涉]

图6有干涉的扭力限制器

图7修改后的扭力限制器（无干涉）

动态干涉检查可以使用SolidWorks内置插件“COSMOS/motion”来实现，使零部件按约束条件运动，待运动结束，点“check interferences”，查看有无碰撞（干涉）发生。

3.5 爆炸视图的生成

装配完成后利用SolidWorks的爆炸技术将总装图拆分，如图8所示，详细查看各个零件。

图8扭力限制器爆炸视图

3.6 可视化装配动画的生成

为了真实再现产品的装配过程（装配工艺），可以利用“动画解除爆炸”（如图9所示）形象地描述扭力限制器的装配过程，动画截屏如图10所示。

图9“动画解除爆炸”窗口

图10扭力限制器装配动画截屏

将装配工艺动画文件与PowerPoint进行链接，单击

“总装动画”，即可查看扭力限制器的装配过程，形象易懂。

4 结语

在SolidWorks平台下，本文详细介绍了可视化虚拟装配技术在扭力限制器设计开发的应用，通过与传统设计方法的对比，可以看出基于可视化虚拟装配技术的设计方法不仅能够缩短研发周期、降低研发成本，而且还能实现产品装配的形象化、可视化，对提高企业产品市场竞争力、加快无纸化办公具有重要意义。

参考文献：

[1]Sankar Jayaram.Virtual assembly using virtual reality technique[J].Computer-Aided Design，1997，29(8):575-584.

[2]郑太雄.虚拟装配理论与方法研究[D].重庆：重庆大学，2003.

[3]夸克工作室.精通SolidWorks2000[M].北京：中国青年出版社，2001:130-162.

[4]念勇，张荣等.可视化装配工艺的制作[J].制造技术与机床， 2013(3):74-75.

[5]朱林，孔凡让等.虚拟装配技术在轴承座中的应用[J].农业机械学报，2006，37(10):165-168.

[6]闫勇刚，龚自坚等.虚拟装配技术在液力变矩器设计开发中的应用[J].集美大学学报(自然科学版)，2008，13(4):360-364.

作者简介：

许刚，男，硕士研究生，工程师，主要从事汽车产品优化设计。