基于 MBD 的數(shù)字化裝配技術(shù)可以通過(guò)集成的三維模型來(lái)完整表述產(chǎn)品的產(chǎn)品尺寸、公差等制造信息，具有成本低、效率高、精度高及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中備受重視。本文針對(duì)某型傳動(dòng)系統(tǒng)裝配中的工藝繁雜、出錯(cuò)率高、效率低、精度差和生產(chǎn)與裝配周期長(zhǎng)等問(wèn)題，結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)裝配特點(diǎn)與已有工藝知識(shí)，開(kāi)展基于 MBD 的主減速器數(shù)字化裝配技術(shù)研究。

　　一、引言

　　MBD(Model Based Definition，基于模型定義)技術(shù)是用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，在三維實(shí)體模型中包括產(chǎn)品尺寸、公差等制造信息的定義和表達(dá)?；?MBD 的數(shù)字化裝配技術(shù)利用建立零部件三維實(shí)體模型，通過(guò)模擬裝配工藝順序及裝配過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)、力學(xué)及動(dòng)態(tài)性能，對(duì)實(shí)際裝配過(guò)程進(jìn)行真實(shí)反映，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短研制周期。

　　基于 MBD 的數(shù)字化裝配技術(shù)由于其成本低、效率高、精度高及自動(dòng)化程度高等先進(jìn)性與特點(diǎn)，受到許多國(guó)家的普遍關(guān)注與重視，已經(jīng)投入了大量人力、物力開(kāi)展相關(guān)研究，取得了豐碩的研究成果，并已在航空航天等重要領(lǐng)域取得了應(yīng)用。我國(guó)對(duì)于基于 MBD 的數(shù)字化裝配的研究開(kāi)展較晚，但發(fā)展迅速，對(duì)數(shù)字化的相關(guān)技術(shù)，如數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)及分布式交互仿真技術(shù)等已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)、并行工程技術(shù)也開(kāi)展了大量研究。

　　本文是在已有工藝知識(shí)庫(kù)與傳統(tǒng)裝配工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)展基于 MBD 的主減速器裝調(diào)技術(shù)研究，解決目前傳動(dòng)系統(tǒng)裝配過(guò)程中的錯(cuò)誤率高、精度差、效率低和設(shè)計(jì)與制造周期長(zhǎng)的問(wèn)題，提高工作性能，對(duì)高性能的生產(chǎn)與研制具有重要意義。

　　二、主減速器簡(jiǎn)介

　　傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)件復(fù)雜、組件繁多，目前主要依靠繁雜的紙質(zhì)工藝規(guī)程，并必須由經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝人員、現(xiàn)場(chǎng)裝配人員完成，工作勞動(dòng)量大，裝配過(guò)程中漏裝、錯(cuò)裝時(shí)有發(fā)生，裝配效率低、精度差，難以滿足現(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)的高性能使用要求。并且產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，已由過(guò)去十幾年的單一品種發(fā)展到同一型號(hào)的系列機(jī)型，一個(gè)型號(hào)可能在幾年內(nèi)衍生出若干個(gè)改進(jìn)型或發(fā)展型，在更新?lián)Q代與新機(jī)型的研制過(guò)程中，有很多類(lèi)似的問(wèn)題會(huì)多次出現(xiàn)。另一方面，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工制造與裝配是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，在進(jìn)行裝配時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目標(biāo)有偏差，需要根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與已有數(shù)據(jù)重新對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)與加工精度進(jìn)行調(diào)整，在耗費(fèi)大量人力物力資源的同時(shí)，增加了生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，裝配精度無(wú)法得到根本保證。主減速器總裝配工藝流程簡(jiǎn)圖如圖 1 所示。

　　現(xiàn)有數(shù)字化裝配技術(shù)與傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化裝配有很多差異，在結(jié)構(gòu)工況、工藝知識(shí)、軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)等方面存有異同之處。首先需要對(duì)已有的數(shù)字化裝配的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)與深入分析;再?gòu)膫鲃?dòng)系統(tǒng)與已有技術(shù)背景在結(jié)構(gòu)、工藝上的異同分析入手，以現(xiàn)有的數(shù)字化裝配技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合功能需求、工藝分析、仿真模擬等方法，提取傳動(dòng)系統(tǒng)與現(xiàn)有數(shù)字化裝配的共性技術(shù);對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)不適用的情況，進(jìn)行針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)研究。

　　三、主減速器的 MBD 適用性研究

　　MBD 技術(shù)是一種面向計(jì)算機(jī)應(yīng)用，將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。在 MBD 定義的過(guò)程中融入了基本的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)工程和協(xié)同過(guò)程，將各種抽象、分散的知識(shí)更加形象和集中，最終形成能夠完整表示產(chǎn)品相關(guān)信息的 MBD 數(shù)據(jù)集，是生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以二維工程圖紙為主，而以三維實(shí)體模型為輔的制造方法。

　　將 MBD 技術(shù)引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中的意義：

　　1)MBD 數(shù)據(jù)集集成了完整的產(chǎn)品定義信息，使研制過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)(設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和維護(hù)等)實(shí)現(xiàn)高度的集成;

　　2)改變了傳統(tǒng)的工程信息授權(quán)方式，MBD 數(shù)據(jù)集是所有研制環(huán)節(jié)的單一數(shù)據(jù)源，降低了數(shù)據(jù)的維護(hù)難度;

　　3)MBD 數(shù)據(jù)集以其直觀的表現(xiàn)形式展示了設(shè)計(jì)意圖，降低了因理解偏差而導(dǎo)致出錯(cuò)的可能性;

　　4)MBD 數(shù)據(jù)集節(jié)約了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與時(shí)間。部分零件可以直接進(jìn)入制造環(huán)節(jié)，成倍地減少了 NC 編程時(shí)間;

　　5)MBD 技術(shù)極大地推動(dòng)了 CAD、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程、協(xié)同技術(shù)和知識(shí)工程等技術(shù)的深入應(yīng)用。

　　由于目前主減速器裝配主要依靠繁雜的紙質(zhì)工藝規(guī)程，以手動(dòng)裝配為主，本研究課題可以利用 MBD 技術(shù)建立集成完整的主減速器產(chǎn)品裝配相關(guān)工藝定義信息的三維模型，集成的三維模型包含幾何模型、標(biāo)注、屬性， 完整地定義了產(chǎn)品的裝配信息。三維工藝概述流程圖如圖 2 所示。

　　因此，為了適應(yīng)未來(lái)產(chǎn)品的裝配需求及提高主減速器產(chǎn)品相應(yīng)的裝配質(zhì)量，需要基于 MBD 的數(shù)字化裝配技術(shù)進(jìn)而來(lái)完善主減速器裝配過(guò)程。將 MBD 技術(shù)引入到研制流程中后，裝配人員只需要從 MBD 數(shù)學(xué)建模中即可獲取相關(guān)工藝信息，進(jìn)而減少了產(chǎn)品裝配過(guò)程對(duì)其他信息系統(tǒng)的過(guò)度依賴(lài)。通過(guò)研究該技術(shù)，可以較好地為主減速器型號(hào)研制帶來(lái)便利。

　　四、主減速器數(shù)字化模型的建立

　　分析了主減速器傳動(dòng)系統(tǒng)建模工藝方法，根據(jù)主減速器傳動(dòng)系統(tǒng)制造工藝需求及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立基于 MBD 的可表達(dá)各種工藝信息的工藝模型。結(jié)合主減傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)、加工及裝配等制造工藝信息，明確了適用于主減傳動(dòng)系統(tǒng)通用零部件及特殊零部件 MBD 方法及規(guī)范，并將產(chǎn)品工藝信息融入在零部件的三維工藝模型中，使主減速器 MBD 成為制造依據(jù)。

　　本項(xiàng)目選擇 UG 建立主減速器各零部件三維裝配模型，并利用 UG 中的 PMI 模塊實(shí)現(xiàn)主減速器裝配模型的標(biāo)注，通過(guò)進(jìn)入 PMI 環(huán)境 - PMI 的視圖創(chuàng)建方法 - 創(chuàng)建新的視圖 - 剖視圖的創(chuàng)建 - 尺寸標(biāo)注 - 注釋的標(biāo)注 - 標(biāo)注預(yù)設(shè)置 - PMI 標(biāo)注的管理 - 附加說(shuō)明文字的流程實(shí)現(xiàn)標(biāo)注。完成了各主要零部件三維模型的建立、裝配及標(biāo)注，尾傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組件裝配三維模型如圖 3 所示。

　　利用 UG 建模仿真軟件，建立傳動(dòng)系統(tǒng)裝配過(guò)程模型，分析裝配過(guò)程有無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉，確定各個(gè)零部件的裝配順序，對(duì)裝配過(guò)程與順序進(jìn)行模擬仿真，并錄制裝配動(dòng)畫(huà)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程，如圖 4 所示。

　　五、數(shù)字化裝調(diào)應(yīng)力可控配合技術(shù)

　　本文先采用有限元軟件 ANSYS，基于螺旋錐齒輪齒面方程建立三齒結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，再將 LTCA 算得的加載接觸點(diǎn)位置和載荷轉(zhuǎn)換到實(shí)體模型上，對(duì)小齒輪和大齒輪分別計(jì)算一個(gè)嚙合周期內(nèi)隨瞬時(shí)接觸點(diǎn)位置變化的齒根彎曲應(yīng)力。這種方法不必進(jìn)行有限元接觸計(jì)算，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，減小了計(jì)算規(guī)模，十分適合工程化計(jì)算和參數(shù)化實(shí)現(xiàn)。

　　由齒面方程算得的凹面、凸面離散點(diǎn)云，采用“點(diǎn) - 線 - 面 - 體”的方法形成帶輪轂的單齒實(shí)體。單齒結(jié)構(gòu)有限元模型如圖 5 所示，建立輔助分割面將實(shí)體劃分為 6 個(gè)六面體，以實(shí)現(xiàn)六面體單元的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。對(duì)于單齒模型，在齒高方向劃分 20 層單元，在齒根過(guò)渡部分劃分 5 層單元，在齒寬方向劃分 60 層單元，在齒厚方向劃分 6 層單元。采用適合曲面模型的 20 節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元 SOLID95，最終形成的單齒有限元模型共有 9 580 個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 400 個(gè)單元。對(duì)于不同齒形，調(diào)整網(wǎng)格層數(shù)使齒高和齒寬方向的節(jié)點(diǎn)密度盡量一致。

　　對(duì)于齒根彎曲應(yīng)力的靜態(tài)分析，已有研究證明取三齒模型是比較合適的方法。在 ANSYS 軟件中基于循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)建立的螺旋錐齒輪單齒實(shí)體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)擴(kuò)展。將單齒模型轉(zhuǎn)換到柱坐標(biāo)系下，使單齒模型分別繞其旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制單元，然后合并相同位置的結(jié)點(diǎn)，三齒實(shí)體有限元模型如圖 6 所示。

　　螺旋錐齒輪的瞬時(shí)接觸橢圓比往往很大，若要在接觸橢圓短軸上獲得足夠多的有限元節(jié)點(diǎn)，所需的單元數(shù)量將十分龐大。因此本文采用接觸橢圓長(zhǎng)軸線加載的方法。將 LTCA 算得的瞬時(shí)接觸點(diǎn)和橢圓長(zhǎng)短軸轉(zhuǎn)換到實(shí)體模型所在的三維坐標(biāo)系下。根據(jù)齒面上的網(wǎng)格劃分密度，基于橢圓分布將每個(gè)瞬時(shí)接觸點(diǎn)的摩擦熱載荷分配到瞬時(shí)接觸橢圓長(zhǎng)軸上的 K 個(gè)節(jié)點(diǎn)上，載荷在接觸橢圓長(zhǎng)軸節(jié)點(diǎn)的空間分配如圖 7 所示。

　　對(duì)一個(gè)嚙合周期內(nèi)的每一個(gè)瞬時(shí)接觸點(diǎn)，先寫(xiě)出大齒輪軸截面二維坐標(biāo)系下的橢圓長(zhǎng)軸方程，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，得到實(shí)體模型三維坐標(biāo)系下的接觸點(diǎn)坐標(biāo)和橢圓長(zhǎng)軸方程，基于橢圓分布進(jìn)行每一接觸點(diǎn)載荷的節(jié)點(diǎn)分配和線加載?；跈E圓分布的瞬時(shí)接觸長(zhǎng)軸線加載如圖 8 所示。最后在輪轂底面和側(cè)面施加固定約束邊界條件，完成螺旋錐齒輪齒根應(yīng)力分析的前處理過(guò)程。

　　以某航空螺旋錐齒輪為分析對(duì)象，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 1。

　　計(jì)算工況下小齒輪轉(zhuǎn)速為 19 706r/min，扭矩為 401.4N·m。結(jié)合齒輪軸幾何尺寸和安裝支承形式，采用螺旋錐齒輪 LTCA 程序算得小齒輪凸面 - 大齒輪凹面在該工況下的加載接觸區(qū)、運(yùn)動(dòng)誤差和載荷分配曲線如圖 9 所示。

　　注：圖8a中紅線表示正?？邶X合區(qū)域，綠線表示將安裝距向小端調(diào)整，藍(lán)線表示將安裝距向大端調(diào)整;圖8b紅線表示幾何傳動(dòng)誤差，藍(lán)線表示承載傳動(dòng)誤差。

　　螺旋錐齒輪材料為特級(jí)高合金結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)鋼，常溫下其彈性模量為 2.1×10¹¹MPa，泊松比為 0.4，密度為 7 850kg/m³。凸面受載小齒輪的齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖 10 所示。由一個(gè)嚙合周期內(nèi)最大齒根彎曲應(yīng)力所在瞬時(shí)載荷步的應(yīng)力分布可以看出，此時(shí)兩對(duì)輪齒同時(shí)承擔(dān)載荷，中間齒的受拉側(cè)齒根和受壓側(cè)齒根都形成了橢圓形的彎曲應(yīng)力集中區(qū)域，而另一個(gè)參與嚙合輪齒上的齒根彎曲應(yīng)力集中不明顯，且應(yīng)力值較中間齒小的多。峰值齒根彎曲應(yīng)力 346MPa 位于中間齒受壓側(cè)齒根應(yīng)力集中橢圓的中心，且齒根彎曲應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離應(yīng)力橢圓中心而迅速減小。

　　凹面受載大齒輪的齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖 11 所示。由一個(gè)嚙合周期內(nèi)最大齒根彎曲應(yīng)力所在瞬時(shí)載荷步的應(yīng)力分布可以看出，此時(shí)三對(duì)輪齒同時(shí)承擔(dān)載荷，中間齒的受拉側(cè)齒根和受壓側(cè)齒根都形成了橢圓形的彎曲應(yīng)力集中區(qū)域，而另兩個(gè)參與嚙合輪齒上的齒根彎曲應(yīng)力集中不明顯，且應(yīng)力值較中間齒小的多。峰值齒根彎曲應(yīng)力 282MPa 位于中間齒受拉側(cè)齒根應(yīng)力集中橢圓的中心。

　　在建立了基于 MBD 的裝配模型的基礎(chǔ)上，檢查設(shè)計(jì)上存在的裝配干涉，并對(duì)零部件的裝配順序、裝配路徑和工裝夾具的使用進(jìn)行驗(yàn)證;研究了主減關(guān)鍵零部件加工應(yīng)力狀況;對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)配合應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，研究裝配過(guò)盈量、配合間隙等對(duì)裝配單元性能的影響，確定合理配合方式。及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝和工裝設(shè) 計(jì)存在的缺陷，優(yōu)化裝配工藝，保證裝配質(zhì)量。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　本文主要研究了基于 MBD 的數(shù)字化裝配、調(diào)整技術(shù)，多是從理論和仿真的角度出發(fā)，在實(shí)際的型號(hào)工作上還需要深入推進(jìn)，利用研究得到的數(shù)字化裝配工藝方法與軟件，實(shí)現(xiàn)典型結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化裝配，驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化裝配技術(shù)的正確性與可操作性，以及裝配精度、效率等結(jié)果，制定傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化裝配規(guī)程，實(shí)現(xiàn)研究成果在某型號(hào)上的工程化應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)略.