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摘要：虚拟装配是虚拟产品设计的关键技术之一，应用也越来越广泛。在运用Pro/E软件上建立减速器的各个零件模型的基础上，通过自顶向下和自底向上并用的方法，完成了减速器的虚拟装配。用实例表明了虚拟装配技术在现代机械设计中具有的优点，如提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本等。关键词：虚拟装配；Pro/Engineer；减速器随着全球市场竞争日趋激烈，加快产品研发速度成为提高企业竞争力的重要手段之一，同时也是制造商把握先机更大地占有市场份额的重要保障。传统设计方法中的零部件装配要反复修改，进行多次试装配，导致产品研发周期长，成本高，不能适应目前敏捷制造的需要。利用虚拟装配技术，采用虚拟产品模型，可以在不需要制造真实产品的情况下，模拟工厂的装配环境，结合专用的机械设计软件，在计算机上对零部件进行预装配，有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，从而解决零部件从设计到生产所出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本以及优化产品性能等目的。1虚拟装配技术1.1虚拟装配技术的涵义当前，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一也越来越引人注目。虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本质体现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型，在计算机上仿真装配的全过程，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试[1]。虚拟装配技术的优点在于通过计算机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评价和预测产品模型，做出与装配相关的工程决策，而不需要实际产品作支持。从本质上讲，虚拟装配是一种将可视化技术，仿真技术、虚拟现实技术、决策理论以及装配和制造过程的研究成果加以综合运用的计算机辅助设计技术。1.2虚拟装配的设计流程在进行虚拟装配过程中，首先在虚拟装配环境中对产品的装配过程进行预先的规划，即需要考虑产品零部件之间的层次关系、装配关系和约束关系，对装配的可能性和通畅性进行判断，确定各对象间的公差分配、选择好装配顺序和装配路径。同时在对产品进行虚拟装配时，将起各部件之间在空间的运动路径记录下来，并在将这些路径导入CAD系统之前，对其进行优化。在虚拟装配过程中，还涉及到干涉检验技术。干涉包括静态干涉和动态碰撞检验。动态碰撞可通过由装配路径等信息形成的虚拟体的方式转化为静态干涉检验而实现；静态干涉检验首先检查零件的包容体的干涉情况，如无干涉则一定可装配，否则需通过公差分析来检查零件的干涉情况。干涉检验问题关键之一是如何减少计算量，虚拟装配设计的流程如图1所示。2基于Pro/E的虚拟装配零件之间装配关系实际上就是零件之间的位置约束关系。一个大型的零件装配模型可看作由多个子装配组成，因而在创建大型的零件装配模型时，可先创建各个子装配，子装配完成后，再将各个子装配按照它们之间的相互位置关系装配，最终创建一个大型的零件装配模型。Pro/Engineer的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发设计方法。所谓自下而上的设计模式，即先在零件模块中构造各个零件的三维实体模型，然后在装配模块中建立零部件之间的连接关系，这种连接关系的建立是通过对配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中，零部件的几何体是被装配利用，而不是复制到装配中。由于Pro/Engineer具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联性，如果修改某些零部件，则引用它的装配件自动更新，反映零部件的最新变化。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束。Pro/Engineer为用户提供了放置和连接两种约束方法，如图2所示。放置包括：匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点和曲面上的边；连接包括：刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承、常规和6DOF这十种类型，每一种类型都有自己的约束方式。在进行普通零部件装配时采用放置方法即可，如果需要对装配后的部件进行运动仿真分析，则需要采用连接的方法完成装配。在零件装配时，必须合理地选取第一个装配零件，第一个装配零件应该满足两个条件：①它是整个装配模型中最为关键的零件；②用户在以后的工作中不会删除该零件。进行零件装配的一般步骤如下：(1)单击新建，选取组件模块，进入零件装配模式；(2)调入第一个零件模型并使其坐标系与装配坐标系重合；(3)调入一个与第一个零件模型有装配关系的零件模型，分析两个零件之间的装配约束关系，然后选取相应的约束选项装配零件；(4)调入其他与已装配零件有约束关系的零件模型并进行装配；(5)全部零件装配完毕后，将装配模型存盘。3减速器的虚拟装配与研究本文以减速器的虚拟装配为实例来说明基于Pro/Engineer的虚拟装配技术在机械设计中的实现过程及其较之于传统设计方法的优点。3.1减速器的装配模式及应用虚拟装配有两种装配模式。一种模式Top-down即自顶而下的设计模式，另一种是Bottom-up，即自底向上的装配模式。自顶而下装配模式的优点在于：所有设计的零件都是根据最终产品的要求在虚拟装配环境下完成的，因此能够保证每个零件从产品设计开始就被有效地控制在最终产品可装配的范围内，真实反映了设计过程，节省了不必要的重复设计，提高了设计效率，尤其适合全新产品的研发；自底向上的装配模式的优点在于：设计者从最简单的零件每个单独设计，并利用装配约束将其组合成装配体，然后对整个装配过程进行分析，如果发现不符合要求的零件，需要重新设计、重新装配，直至零件满足设计的要求。该方法充分利用了现有的设计资料，有效地避免了重复设计，因此非常适合产品的更新和系列化开发。笔者在实际的减速器设计过程中，采用了自顶向下和自底向上并用的方法。具体而言，先考虑产品的功能及装配方面的事项，然后对组成装配体的零部件进行详细设计。这一过程考虑零部件在装配、功能及制造等方面的设计，即后期零部件的设计依赖于前期的功能及装配设计；后期为前期规定了行为准则和性能要求，这一过程是一种自顶向下的设计过程。但是，在这个过程中存在着后期和前期相互反复的过程，所以实际的设计并不是严格的自顶向下，在局部上仍属于自底向上的设计方法。通过这种方法，所设计部件的主模型在所属的装配配合中被描述，允许设计人员的工作与整个产品的进展过程相关联，部件模型的变化将自动反映到相应的装配部件中，从而保证了模型数据的集成，避免了设计工作的重复性。图2Pro/Engineer的约束方式3.2减速器虚拟装配的实现减速器内的零件模型创建完成后，就可以开始创建装配模型。通过组件模块进行零部件的组合装配时，可以结合实际的装配过程，通过装配约束将各个零件联系在一起。零件之间的装配约束主要有匹配、对齐、定向、坐标系[2]等几种，它也是通过人机交互来指定，起到确定零件之间的几何约束和装配顺序的作用。具体而言，装配可以分为小部件装配、整体装配和运动组件装配。和实际装配过程类似，其中的小部件装配是为整体装配做准备的。例如：轴上除端盖以外的轴系零件属于小部件装配，应用对齐等命令将各个零件完全约束，就可以完成初步的子装配；减速器各轴在箱座中的定位与固定、箱盖和箱座的固接、轴承端盖及附件的安装等则属于整体装配，和小部件相比整体装配较前者复杂，工作量大。同样，可利用装配命令将小部件或零件完全约束。图3为虚拟装配完成后的减速器三维实体模型。通过虚拟装配不但可以将多个元件组成一个完整的组件，还可以在装配环境中对某一个具体元件进行修饰，使之更为完善。本设计在装配模式下使用布尔运算切出底座和箱盖上的螺栓孔，不但简单易行，而且可以确保这些孔和螺栓能够更好的配合。3.3干涉的检查与排除在以往的减速器设计中，零部件之间的结合是通过绘制二维装配图来表达的，设计者必须通过平面图纸去想象零部件的三维安装定位情况，容易出现偏差，并且设计中的某个零部件的修改必然带来一连串的相关修改，不仅造成很大的麻烦，而且容易出错。运用Pro/E软件，在设计时根据总体方案中的装配简图，将已建立的三维实体的零部件进行虚拟装配，一旦发现干涉现象，可随时修改相关零件，而且零件的修改方便快捷。如果设计中发现存在尺寸问题，只要修改这个尺寸，零件和装配件的相关部分自动修改，并按比例自动重新生成，能真实反映零部件的实际形状，便于确认修改结果。在全部零件都装配完成后，单击菜单栏中的【分析】菜单下的【模型分析】，系统弹出模型分析的对话框，在对话框类型选项选取全局干涉，然后单击计算，系统将自动计算装配是否有干涉，如果有干涉，系统将显示干涉的零件，用户可以据此来进行相应的修改，直到达到装配的要求；如果没有干涉，保存就可以了。4结论虚拟装配技术从根本上改变了传统的产品设计、制造模式，在实际产品生产之前，首先在虚拟制造环境中完成虚拟产品原型代替实际产品进行试验，对其性能和可装配性等进行评价，从而达到全局最优。基于Pro/Engineer的机械零件虚拟装配技术，可以在产品的设计阶段直接检查机械系统各个零部件在空间的装配情况和干涉情况，进一步实现可视化设计和分析，使得机械设计人员能够及时地发现问题和解决问题。本文通过应用对减速器进行虚拟装配，在设计阶段就可以对减速器进行干涉检测以及各部件之间装配关系的分析，及时修改设计中存在的问题，进而优化设计方案，大大地缩短了减速器的设计研发周期，降低了设计成本，为现代机械设计提供了一种有效的开发途径。参考文献1隋爱娜，吴威.虚拟装配与原型机的理论与技术分析[J].系统仿真学报，2000，12(4)：386~388.2林清安.Pro/ENGINEER2000零件设计基础篇(上、下)[M].北京：清华大学出版社，2001.3朱文华，马登哲.虚拟装配技术的应用研究[J]机械设计与研究，2004，20(6)：47-48.4谭雪松，朱金波，岳贵友.Pro/Engineer机械设计实战训练[M].北京：人民邮电出版社，2004.5王凯，曹西京.基于Pro/E的机械产品机构运动的仿真设计[J].轻工机械，2006，24(1)：62-64.6致谢致谢中主要感谢导师和对论文(设计)工作有直接贡献和帮助的人士、单位，谢辞应谦虚诚恳，实事求是。机械电子工程学院