摘 要

本文以冶金用减速器为研究对象，对其总体结构及重点零部件结构进行了深入分析，利用SolidWorks软件建立了减速器各个零部件及其总装配体的三维模型，并利用3D MAX软件对模型进行了优化处理。然后综合考虑实际装配工艺方法及减速器的结构特征，采用装配树层次模型与装配工艺系统图相结合的方法对减速器的装配工艺顺序流程进行了合理规划。最后利用Unity3D软件开发出一套考虑装配工艺的减速器的交互式虚拟装配仿真系统。该系统界面美观，可交互性强，操作简单方便，既能让用户快速而深入地理解减速器的结构，又能让用户通过手动模拟装配的方式充分认识减速器的装配工艺顺序流程。本系统应用在学校的课程教育中，能够调动学生们的学习积极性，提高教学的效率和质量。

关键词：减速器；三维建模；装配工艺；虚拟装配；交互式仿真

Abstract

This paper takes the metallurgical reducer as the research object, analyzes its overall structure and key components structure, and uses the SolidWorks software to establish the three-dimensional model of each component of the reducer and its assembly ligands, and optimizes the model by using the 3DMAX software. Then, considering the actual assembly process and the structural characteristics of the reducer, the assembly tree hierarchy model and the assembly process system diagram are combined to reasonably plan the sequence process of the assembly process of the reducer. Finally, an interactive virtual assembly simulation system considering the assembly process reducer is developed by using Unity3D software. The system has beautiful interface, strong interactivity, easy and convenient operation. It can make the user understand the structure of the reducer quickly and deeply, and let the users fully understand the sequence process of the assembly process of the reducer by manual simulation. The system is applied in the curriculum education of schools, which can mobilize the enthusiasm of students and improve the efficiency and quality of teaching.

Key Words：reducer；3D modeling；Assembly process；Virtual assembly；interactive simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究目的及意义 3

1.4本论文研究内容 4

1.5本论文的结构 4

第2章 新型减速器结构介绍 6

2.1减速器整体结构 6

2.2减速器重点结构介绍 7

2.2.1传动部分中间轴模块 7

2.2.2变减速比模块 9

2.3减速器工作原理 10

第3章 减速器三维模型的建立 11

3.1建模软件的选用 11

3.2零件模型的建立 11

3.3总装配体的创建 14

3.4干涉检查与分析 15

3.5运动原理仿真 15

第4章 减速器三维模型的优化 17

4.1 模型文件格式的转换 17

4.2 模型外观的美化 17

4.3 模型坐标轴的调整 17

第5章 装配工艺规划 19

5.1 装配工艺概述 19

5.2装配信息模型的建立 19

5.2.1装配模型概述 19

5.2.2装配模型分类 19

5.3.3卷取机减速器装配模型 20

5.3 装配工艺系统图 21

5.3.1装配工艺系统图简介 22

5.3.2减速器装配工艺系统图 22

5.4本章总结 24

第6章 交互式虚拟装配仿真系统的设计 26

6.1 软件选用 26

6.2 仿真系统设计思路 26

6.3 系统功能分析 27

第7章 总结展望 31

7.1 经济性与环保性分析 31

7.2 本文总结 31

7.3 发展展望 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1研究背景

减速器是封闭于刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的一种独立部件。其中，以齿轮传动的减速器在现今的动力传动机械中的应用最为广泛。齿轮减速器通常安装于原动机和工作机之间，以实现从高转速到低转速的转化，减速器的正常运行是保证整个机器能够正常运行的必要条件。减速器的装配过程是其生产制造过程中极为重要的一环，对减速器最终的各项性能起着非常重要的作用。另外，减速器的零部件种类繁多，这使得减速器的装配过程具有一定的难度。尤其当生产一些精度要求极高的减速器时，装配质量还会受到诸多因素的影响，例如装配工艺准则、设备管理方法、零部件加工质量等等。

在工业制造领域，虚拟制造技术自出现以来就受到全世界的高度关注，并一直在发展和进步，现如今已成为制造业内一种高度智能化的制造技术。虚拟装配技术是以虚拟现实技术和仿真模拟技术为基础，对产品的设计、生产过程进行统一建模，然后在计算机上完成产品从设计开发、加工制造、装配检验和应用全部生命周期的模拟和仿真。相对于实际生产中传统的制造技术，虚拟制造技术由于是在电子设备上进行制造全过程模拟仿真，其能提前预估生产过程中错误并及时改正，这不仅缩短了产品的生产周期，还大大降低了产品制造成本。正是由于其多方面的优越性，虚拟制造技术已成为企业产品制造过程中非常重要的一部分。

虚拟制造技术需要对产品的设计、加工、装配和应用进行全面的仿真模拟，而在所有过程之中，虚拟装配则是最为重要的一个部分。虚拟装配技术是对虚拟现实技术和装配技术的综合,它以虚拟现实技术为辅助工具，将其融合于装配技术当中。虚拟装配技术以装配目标机械及其零部件的三维立体模型为基础,在计算机上对机械装配所需操作的所有过程进行模拟仿真，并对完成过程中机械零部件的特性进行分析,以实现产品的装配工艺的规划，得到能指导实际装配操作的工艺文件。就现今虚拟制造技术的发展应用而言，虚拟装配技术是其所有部分中发展最为缓慢的一部分，但同时也是未来发展空间最为广阔的一部分。利用传统的装配方法进行机械装配时，由于不能提前预估装配过程中可能出现的所有错误，因此大多数时候需要进行试装配，只有当试装配完全没有问题时才能进行大批量的装配，而当试装配出现问题时，需要从零部件设计构造、零部件加工精度、配合精度、装配方法等多个方面查找出原因，然后对错误进行修正。这种方法使得装配效率降低、装配成本提高，对整个产品的生产制造过程带来不利影响。虚拟装配技术能够在计算机设备上对产品及其零部件的整个装配过程进行模拟仿真，能够在仿真过程中预估出可能出现的错误和所需弥补的不足，从而使得技术人员可提前修正错误并完善。较传统装配方法而言，虚拟装配技术的运用具有可减短产品开发周期、降低生产成本以及优化产品性能等优势。但是，现在的虚拟装配技术还不够完美，还存在着诸如对软硬件性能要求太高、虚拟现实设备成本过高等问题，这也导致了在实际生活中虚拟制造技术的应用非常的有限。另外，虚拟装配技术在工业生产的应用虽已比较广泛，但其在仿真培训、学校虚拟教学方面的应用还有很大的发展空间。正是由于其还存在着缺憾，虚拟装配技术的突破也就成为目前虚拟制造技术研究领域内一个非常火热的课题。如果能够攻克虚拟装配技术的诸多难题，虚拟制造技术将得到迅速发展并形成一个完善的理论系统，从而得到更为广泛的应用。

1.2国内外研究现状

随着电子信息技术的飞速发展,机械产品的虚拟装配技术已引起了全世界各国的企业、大学和科研院所等的高度重视，有关虚拟装配技术方面的研究也一直在进行着。

在国外，虚拟制造技术的出现和应用比较早，其在各个领域都取得了巨大的研究成果。

德国BMW公司创建了一个Virtual Process Week系统^[1], 该系统能够识别输入的语言并完成相应操作,当发生干涉碰撞时会发出报警的声音，该系统的应用能够对汽车整个装配流程进行准确的测试评估。

Heriot-Watt大学的机械和化学工程系^[2]针对虚拟装配相关技术开展了两项研究,一个是运用虚拟环境设计并完善电缆连接,另一个是运用虚拟环境来获得用于装配规划的技术文件，这两项研究都取得了成功并给相关行业带来了显著的收益。

L Zhu、SS Peng 等人^[3]设计开发出一个3d虚拟装配过程仿真技术平台，该平台能够对大型特高压换流变压器的现场装配过程进行模拟和分析。运用此平台技术他们得出了材料流动干扰和人机效率问题的解决方案，获得了最佳的工艺和生产计划。

AD Chernyshev等^[4]对板材轧制的理论和技术进行了系统地研究，对板材轧制设备进行了探索分析，并利用Unity3D、SolidWorks和3D MAX等软件创建了交互式虚拟模拟器“Sheet Rolling”,它提供了初学者对板材轧制技术分析研究的可能性，而且其中的“考试模块”包括任务和测试，大大提高了这方面的教育质量和效率。

此外, 国内众多学者和科研机构也对虚拟装配技术进行了大量探索研究。

清华大学国家CIMS工程技术研究中心^[5]是国内率先对虚拟装配技术展开研究的机构,多年来己在装配建模、装配工艺规划、装配过程仿真等方面做了十分深入的探索,并以CAD软件平台PRO/ENGINEER为基础开发出了一个虚拟装配支持系统VASS。

浙江大学CAD/CG国家重点实验室^[6]开发出了一个虚拟设计与虚拟装配的系统,该系统可以在同一虚拟环境中修改尚未满足装配条件的零件的几何尺寸或外形,而无需在虚拟环境与CAD系统间进行数据转换和传输，这使得系统的可靠性得到了极大的提高。

孙军华等学者^[7]设计了一个全新的交互式虚拟装配系统,该系统以虚拟现实建模语言VRML为基础，可实现静态装配体的VRML文件与动态交互式虚拟装配的VRML文件之间的转换。

谭国锋等人^[8]利用Pro/E、AutoCAD、Photoshop/CorelDRAW等软件创造出虚拟制造虚拟装配技术,在产品的成型过程中综合运用此技术，可以给产品的制造生产到来十分良好的收益。

综上可以看出，国内外有关虚拟装配技术的研究一直在进步发展，虚拟装配技术在现实生活中的应用也越来越广。目前，虚拟装配技术在企业产品生产制造领域的应用最多，其给各个企业也带来了极大的收益。而在教育教学领域，虚拟装配技术的应用还并不广泛，它正处在高速发展当中，是时下虚拟装配有关研究的一大热点。本次的课题正是从这一点切入，以一个典型的卷取机减速器为例子，设计出一个考虑其装配工艺的可交互式的虚拟装配仿真系统，并将系统应用课程教学当中，以达到提高教学效率和质量的目的。

1.3研究目的及意义

虚拟装配仿真在工业生产制造、教育课程教学、学员技能培训等方面都有着重大的意义，其目前的应用还并不广泛，但已有的应用已经给这些领域带来了极大的好处。

其在工业制造的领域的作用最为明显，现今多数企业的新产品开发生产过程仍然是先通过试验品的生产制造、装配完后再进行检测修改，有问题出现就得重新从头改，这样的过程周期长，耗人力多，而且不能事先预测可能出现的问题，得在实际生产组装中发现问题再解决问题，这使得如果有问题时更多的浪费人力、物力和财力，虚拟装配仿真技术则能很好的解决这些问题。

在教育教学方面，虚拟装配仿真技术对工程领域的机械制造等相关的课程的教学有着重大的意义，传统的教学多数是通过老师的讲解、视频观看、实验操作等来让学生学习机器的构造和装配过程的，其中老师讲解和视频观看都过于单调枯燥，不能吸引学生的注意力；实验操作是个很好的方法，但其对学校的实验设备有着较高的要求，有较大的经济开销。虚拟装配仿真技术能完美达到传统教学方式所不能达到的效果而又没有它们的缺点，老师可以制作一系列的虚拟装配仿真系统，让学生们亲自动手进行装配过程的操作，这样既能将机械结构立体的展现在学生们面前又能极大的鼓舞学生们的学习兴趣，让他们更深地理解机械结构和装配过程，而且还能节省大量的时间和经济支出。

在学员培训方面，虚拟装配仿真技术能够让公司对新员工的培训减少很多的财力和物力，还能减少一些不必要的意外的出现。对一些复杂的精密机械来说，虚拟装配仿真培训是对新员工熟悉机器结构即组装过程必不可少的方式。

虚拟装配仿真技术目前的应用体现出了其独特的优越性，同时也显示出了其未来巨大的应用前景。虚拟装配仿真系统的宽广化、人性化、深度化及个性化使得其在未来有着更大的发展及应用，因此对其的研究也是目前受到高度关注的一个领域。

1.4本论文研究内容

本次论文着眼于虚拟装配仿真在教育教学方面的应用，以冶金用减速器为研究对象，开发出一个用于此减速器的可交互式的虚拟装配仿真系统，让学生们对此减速器的结构和装配过程有更加充分的学习和更加深入的理解。

为了实现此虚拟装配仿真系统的开发，提出以下的解决方案：根据对减速器二维图纸的透彻分析，运用SolidWorks三维建模软件建立减速器各个零件的三维模型，然后通过添加不同的约束关系将零件进行配合，完成整机的三维建模。将建立好的模型导入到3D MAX当中，对模型进行优化，其主要工作是为模型添加材质、颜色和调整其坐标原点，然后将模型从3D MAX中输出。值得注意的是，在SolidWorks文件导入3D MAX再导出3D MAX文件的过程中，还实现了文件不同格式间的转换。在模型建立完之后，再参考有关装配工艺方面的书籍资料，结合现实生活中的实际装配工作，对此卷取机减速机的整个装配工艺进行规划。最后再将从3D MAX中输出的模型文件导入到Unity3D软件中，结合之前的装配工艺规划再运用Unity3D软件来开发出能满足所需要求的卷取机减速器交互式虚拟装配仿真平台。对于每个步骤所对应的软件的特点及具体的操作步骤，在本论文后面的对应章节中都会有详细的介绍。

1.5本论文的结构

本次论文的结构框架如图1.1所示。

第1章为本文的绪论，先对本次研究内容大方向的研究背景以及国内外研究现状进行了介绍，再详细介绍本次论文研究的具体问题、实现方法及其意义。

第2章是对本次所研究减速器结构的介绍，包括其整体及零部件结构、工作原理以及装配工艺要求等。

第3章和第4章是建立减速器的三维模型的过程，描述了选择SolidWorks软件进行建模、选择3D MAX软件进行模型优化的优点，并会对建模过程中一些重难点的解决办法进行阐述，将建模的成果进行展示。

第5章是对减速器考虑装配工艺的装配过程的规划，本章将介绍不同的装配模型及装配序列优化的方法，并用层次模型法对此卷取机减速器的装配序列进行规划和展示。

第6章是通过Unity3D软件来创建减速机虚拟装配仿真系统过程的介绍，本章会讲述Unity3D目前的应用现状以及其优势特点，会对本次系统创建过程进行简介并展示最终成果。

第7章是总结展望，本章是对本论文研究成果的总体阐述，并指出其意义和作用，最后都未来的研究做出展望。

图1.1 论文结构框架

第2章 新型减速器结构介绍

2.1减速器整体结构

本次论文研究对象是一冶金用减速器，该减速器长:3.3m，高:2.3m，宽:1.7m，输入功率:900千瓦。此减速器是一个可变减速比的减速器，它共有两种减速比。第一种为低减速比：=5.710，第二种为高减速比=11.279。其每一种减速比下都是一个二级减速器，即从高速输入轴到中间轴再到低速输出轴的传动过程。此减速器的结构复杂，零部件众多，但其总体结构框架如图2.1所示。

图2.1 减速器总体结构框架

其中，箱体部分分为上、中、下三个部分，每个箱体的结构都比较复杂，既包含有箱体间相互连接的部分，又包含有箱体与传动部分的轴模块连接的部分，另外还包含有整个减速器与外部设备连接的部分，例如上箱体中的起吊环等。传动部分是整个减速器结构中最为复杂的一部分，也是减速器功能实现的最重要的部分。本论文以传动轴为分类基准，将此部分分为入轴、中间轴、出轴1和出轴2共四个大的模块，而每个大的模块里又包含有众多的零部件，如轴、齿轮、轴承、键、套筒、圆螺母等等，其结构及零部件的配合关系依然比较复杂。但是它们每个模块都能够以轴为基准，通过其他相关零件间的配合关系来形成一个单独的部件，再将整个模块用于减速器的总体装配中。对于每个模块内的具体结构，本论文将在下节挑选其中最为复杂的中间轴模块进行详细解释。变减速比模块是是实现减速器变速的一部分，其零部件也比较多，结构也比较复。其中，比较重要的零部件有液压缸、拨叉轴和拨叉，其具体的工作原理在下节阐述。总装连接件模块主要是指在减速器总体装配中用于定位、紧固物体等的连接件，半含有各种螺栓、螺母、垫片、螺柱等，其中最多的就是用于箱体连接以及轴与箱体连接的螺栓螺母。图2.2、2.3和2.4分别为减速器的前视图、左视图以及俯视图。

图2.2 减速器前视图 图2.3 减速器左视图

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