基于 MBD 的數(shù)字化裝配技術(shù)可以通過集成的三維模型來完整表述產(chǎn)品的產(chǎn)品尺寸、公差等制造信息，具有成本低、效率高、精度高及自動化程度高等優(yōu)勢，在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中備受重視。本文針對某型傳動系統(tǒng)裝配中的工藝繁雜、出錯率高、效率低、精度差和生產(chǎn)與裝配周期長等問題，結(jié)合傳動系統(tǒng)裝配特點與已有工藝知識，開展基于 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)是用一個集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，在三維實體模型中包括產(chǎn)品尺寸、公差等制造信息的定義和表達(dá)。基于 MBD 的數(shù)字化裝配技術(shù)利用建立零部件三維實體模型，通過模擬裝配工藝順序及裝配過程中的運動、力學(xué)及動態(tài)性能，對實際裝配過程進(jìn)行真實反映，從而提高產(chǎn)品設(shè)計質(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、精度高及自動化程度高等先進(jìn)性與特點，受到許多國家的普遍關(guān)注與重視，已經(jīng)投入了大量人力、物力開展相關(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。我國對于基于 MBD 的數(shù)字化裝配的研究開展較晚，但發(fā)展迅速，對數(shù)字化的相關(guān)技術(shù)，如數(shù)據(jù)庫技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實時仿真技術(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、并行工程技術(shù)也開展了大量研究。

　　本文是在已有工藝知識庫與傳統(tǒng)裝配工作的基礎(chǔ)上，針對傳動系統(tǒng)，開展基于 MBD 的主減速器裝調(diào)技術(shù)研究，解決目前傳動系統(tǒng)裝配過程中的錯誤率高、精度差、效率低和設(shè)計與制造周期長的問題，提高工作性能，對高性能的生產(chǎn)與研制具有重要意義。

　　二、主減速器簡介

　　傳動系統(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)驗豐富的工藝人員、現(xiàn)場裝配人員完成，工作勞動量大，裝配過程中漏裝、錯裝時有發(fā)生，裝配效率低、精度差，難以滿足現(xiàn)代傳動系統(tǒng)的高性能使用要求。并且產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快，已由過去十幾年的單一品種發(fā)展到同一型號的系列機(jī)型，一個型號可能在幾年內(nèi)衍生出若干個改進(jìn)型或發(fā)展型，在更新?lián)Q代與新機(jī)型的研制過程中，有很多類似的問題會多次出現(xiàn)。另一方面，傳動系統(tǒng)的設(shè)計、加工制造與裝配是一個循環(huán)往復(fù)的過程，在進(jìn)行裝配時會發(fā)現(xiàn)與設(shè)計所要達(dá)到的目標(biāo)有偏差，需要根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗與已有數(shù)據(jù)重新對傳動系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)與加工精度進(jìn)行調(diào)整，在耗費大量人力物力資源的同時，增加了生產(chǎn)成本，延長了生產(chǎn)周期，裝配精度無法得到根本保證。主減速器總裝配工藝流程簡圖如圖 1 所示。

　　現(xiàn)有數(shù)字化裝配技術(shù)與傳動系統(tǒng)的數(shù)字化裝配有很多差異，在結(jié)構(gòu)工況、工藝知識、軟件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等方面存有異同之處。首先需要對已有的數(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;再從傳動系統(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，提取傳動系統(tǒng)與現(xiàn)有數(shù)字化裝配的共性技術(shù);對于現(xiàn)有技術(shù)不適用的情況，進(jìn)行針對傳動系統(tǒng)的專門研究。

　　三、主減速器的 MBD 適用性研究

　　MBD 技術(shù)是一種面向計算機(jī)應(yīng)用，將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計定義、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 定義的過程中融入了基本的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、知識工程和協(xié)同過程，將各種抽象、分散的知識更加形象和集中，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，而以三維實體模型為輔的制造方法。

　　將 MBD 技術(shù)引入產(chǎn)品設(shè)計研發(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，使研制過程的各個環(huán)節(jié)(設(shè)計、制造、檢驗和維護(hù)等)實現(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)計意圖，降低了因理解偏差而導(dǎo)致出錯的可能性;

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

　　5)MBD 技術(shù)極大地推動了 CAD、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程、協(xié)同技術(shù)和知識工程等技術(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)而來完善主減速器裝配過程。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)品裝配過程對其他信息系統(tǒng)的過度依賴。通過研究該技術(shù)，可以較好地為主減速器型號研制帶來便利。

　　四、主減速器數(shù)字化模型的建立

　　分析了主減速器傳動系統(tǒng)建模工藝方法，根據(jù)主減速器傳動系統(tǒng)制造工藝需求及其結(jié)構(gòu)特點，建立基于 MBD 的可表達(dá)各種工藝信息的工藝模型。結(jié)合主減傳動系統(tǒng)零部件設(shè)計、加工及裝配等制造工藝信息，明確了適用于主減傳動系統(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 模塊實現(xiàn)主減速器裝配模型的標(biāo)注，通過進(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 - 附加說明文字的流程實現(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，建立傳動系統(tǒng)裝配過程模型，分析裝配過程有無運動干涉，確定各個零部件的裝配順序，對裝配過程與順序進(jìn)行模擬仿真，并錄制裝配動畫，指導(dǎo)現(xiàn)場裝配過程，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)實體模型，再將 LTCA 算得的加載接觸點位置和載荷轉(zhuǎn)換到實體模型上，對小齒輪和大齒輪分別計算一個嚙合周期內(nèi)隨瞬時接觸點位置變化的齒根彎曲應(yīng)力。這種方法不必進(jìn)行有限元接觸計算，簡化了分析過程，減小了計算規(guī)模，十分適合工程化計算和參數(shù)化實現(xiàn)。

　　由齒面方程算得的凹面、凸面離散點云，采用“點 - 線 - 面 - 體”的方法形成帶輪轂的單齒實體。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體劃分為 6 個六面體，以實現(xiàn)六面體單元的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。對于單齒模型，在齒高方向劃分 20 層單元，在齒根過渡部分劃分 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)點六面體實體單元 SOLID95，最終形成的單齒有限元模型共有 9 580 個節(jié)點，5 400 個單元。對于不同齒形，調(diào)整網(wǎng)格層數(shù)使齒高和齒寬方向的節(jié)點密度盡量一致。

　　對于齒根彎曲應(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)對稱結(jié)構(gòu)的特點，對建立的螺旋錐齒輪單齒實體模型進(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，三齒實體有限元模型如圖 6 所示。

　　螺旋錐齒輪的瞬時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，所需的單元數(shù)量將十分龐大。因此本文采用接觸橢圓長軸線加載的方法。將 LTCA 算得的瞬時接觸點和橢圓長短軸轉(zhuǎn)換到實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瞬時接觸點的摩擦熱載荷分配到瞬時接觸橢圓長軸上的 K 個節(jié)點上，載荷在接觸橢圓長軸節(jié)點的空間分配如圖 7 所示。

　　對一個嚙合周期內(nèi)的每一個瞬時接觸點，先寫出大齒輪軸截面二維坐標(biāo)系下的橢圓長軸方程，再經(jīng)過坐標(biāo)變換，得到實體模型三維坐標(biāo)系下的接觸點坐標(biāo)和橢圓長軸方程，基于橢圓分布進(jìn)行每一接觸點載荷的節(jié)點分配和線加載?；跈E圓分布的瞬時接觸長軸線加載如圖 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)力分析的前處理過程。

　　以某航空螺旋錐齒輪為分析對象，其基本設(shè)計參數(shù)見表 1。

　　計算工況下小齒輪轉(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)、運動誤差和載荷分配曲線如圖 9 所示。

　　注：圖8a中紅線表示正常口齒合區(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紅線表示幾何傳動誤差，藍(lán)線表示承載傳動誤差。

　　螺旋錐齒輪材料為特級高合金結(jié)構(gòu)熱強鋼，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)力計算結(jié)果如圖 10 所示。由一個嚙合周期內(nèi)最大齒根彎曲應(yīng)力所在瞬時載荷步的應(yīng)力分布可以看出，此時兩對輪齒同時承擔(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)力計算結(jié)果如圖 11 所示。由一個嚙合周期內(nèi)最大齒根彎曲應(yīng)力所在瞬時載荷步的應(yīng)力分布可以看出，此時三對輪齒同時承擔(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)計上存在的裝配干涉，并對零部件的裝配順序、裝配路徑和工裝夾具的使用進(jìn)行驗證;研究了主減關(guān)鍵零部件加工應(yīng)力狀況;對傳動系統(tǒng)配合應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計算，研究裝配過盈量、配合間隙等對裝配單元性能的影響，確定合理配合方式。及時發(fā)現(xiàn)傳動系統(tǒng)設(shè)計、工藝和工裝設(shè) 計存在的缺陷，優(yōu)化裝配工藝，保證裝配質(zhì)量。

　　六、結(jié)束語

　　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)，在實際的型號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，實現(xiàn)典型結(jié)構(gòu)的傳動系統(tǒng)的數(shù)字化裝配，驗證傳動系統(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，制定傳動系統(tǒng)數(shù)字化裝配規(guī)程，實現(xiàn)研究成果在某型號上的工程化應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)略.