基于ProE的D1500搅拌槽虚拟装配设计

1绪论

1.1搅拌槽设计课题的目的、意义、研究背景

1.1.1搅拌槽设计课题的目的及意义

毕业设计是为实现高职院校培养高级应用型、技术型人才培养目标和机电专业培养目标所必须的实践性教学环节。本次毕业设计通过对D1500搅拌槽的零件建模使我们熟悉了其各部分构造，并通过功率计算及关键零件的选择计算，使我们掌握了搅拌槽的的设计原则及设计过程，再经过虚拟装配，使我们初步了解了一种新的技术。虚拟装配是近年来兴起的重要研究方向之一，它从产品装配设计的角度出发，利用虚拟技术和计算机仿真技术，建立一个虚拟环境。利用它可优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短开发周期、减少开发风险、降低成本，提高装配人员的培训速度、提高装配质量和效率，解决难以用物理模型解决的技术问题。同时，通过本次设计可以强化我们对基本知识和基本技能的理解和掌握,培养我们收集资料和调查研究的能力,一定的方案比较、论证的能力,一定的理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力以及编写编制能力。另外对培养我们独立思考问题和解决问题的能力,为今后工作做好技术储备,都具有十分重要意义。

1.1.2搅拌设备的研究背景

搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的，对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器，约占反应器总数的90％.其它如染料、医药、农药、油漆等行业，搅拌设备的使用亦很广泛。有色冶金部门对全国有色冶金行业中的搅拌设备作了调查及功率测试，结果是许多湿法车间的动力消耗50％以上是用在搅拌作业上。搅拌设备的应用范围之所以这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的生产[6]。

搅拌设备使用历史悠久，应用范围广，但对搅拌操作的科学研究还很不够。对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。这方面已做出了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时，搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生湍动，湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的漩涡现象有密切关系。这些漩涡因经常地互相撞击破裂，使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中，对于流体力学理论的研究是极其重要的。搅拌操作看来似乎简单，但实际上，它所涉及的因素却极为复杂。对于搅拌器型式的选择，从工艺的观点以及力学观点来说，迄今都是研究不够的。过去有很多文献论述了搅拌设备的动力消耗，并给处了不少情况下的计算公式，但是由于使用介质操作条件的不同，物理化学性能的差异，容器形状及内部设施的不同以及各种搅拌器特性上的区别，正确确定搅拌功率并适当地选择驱动电机是十分困难的。在没有模拟试验的情况下，设计新的搅拌设备时，常采用现有设备数据的方法，宁大勿小，结果造成了不少的浪费。国内有些单位对一些生产中的搅拌设备进行了功率测试，从测试的结果可以看到，由于功率消耗难于计算准确，电动机选用过大，造成了负荷率很低的不合理现象。

1.2搅拌槽的工作原理

对于不同的介质，不同的化学反应过程，要求搅拌装置的结构和搅拌速度不同，根据

1

不同的场合一般分为以下几种情况：1、液-液互溶系统的场合，一般采用低速搅拌就能足够完成，这种场合常用浆叶式搅拌装置。2、液-液互不相溶的场合，这种场合则需要强烈的上下翻滚，常用浆叶搅拌器，在釜体内加有一定形状的挡板，或采用推进式搅拌器。3、反应介质里有少量的固体且不易沉降时可采用比较缓和的搅拌，反之当反应介质或反应过程的生成物中固体较多，且容易沉降时必须采用强烈的上下的翻动的搅拌，这些搅拌均属于固-液相的搅拌系统。

1.3设计条件及内容

已知的设计条件搅拌槽直径为1500mm，搅拌介质为水，黏度40mpa.S，搅拌槽体积2.7 m3。根据以上资料，需要进行D1500搅拌槽设备各组成部分的pro/e建模同时生成工程图以及搅拌槽设备功率计算及关键零件的选择计算，最后还需利用pro/e进行搅拌槽的虚拟装配并生成爆炸图。

1.4研究方法及预期目的

通过Pro/e wildfire 3.0中的三维建模板块对D1500搅拌槽的各组成部分进行三维建模并初步生成工程图，再将生成的工程图改为dwg格式导入CAD中完成最终工程图的制作。然后查阅有关文献，进行搅拌槽功率及部分关键零件的选择计算，并查阅关于机构虚拟装配的资料，总结出正确合理的装配工艺规划，再利用Pro/e完成虚拟装配。经过上面所做的工作后，最后得到设计中的零件选择都是符合设计要求的，同时虚拟装配成功并不发生装配干涉。

2

2 搅拌器安装方案确定及选用和校核

2.1搅拌装置安装方案确定

搅拌轴通常自搅拌釜顶部中心垂直插入釜内，有时也可采用侧面插入、底部伸入或侧面伸入方式，应根据不同的搅拌要求选择不同的安装方式。搅拌机和搅拌容器的典型组合形式如表2-1所示。

表2-1搅拌机和搅拌容器的典型组合形式

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 搅拌机 中心顶插式 偏心顶插式 顶插式 顶插式 底插式 斜插式 侧插式 侧插式 搅拌容器 立式圆筒形 立式圆筒形 卧式圆筒形 矩形或方釜 立式圆筒形 立式圆筒形 立式圆筒或矩形 卧式圆筒形 特点 这种形式应用最广泛；安装、操作和检修方便；可用于压力容器或常压容器；但这种形式的搅拌轴较长 这种形式应用较少，釜内无挡板时漩涡小 可插入多个搅拌机 在无压力的混凝土槽中有应用，如水处理槽、土槽等，这种形式可插入多个搅拌机 搅拌轴比较短，若与顶插式配合，可实现双速搅拌，但这种形式密封比较困难，更换是应有应急密封，这种形式应用较少 常用于3KW以下的快装式的可拆搅拌操作 在大型储油罐中有广泛应用，可插入多个搅拌机，但侧插式搅拌机密封困难，更换密封时须有应急密封 这种形式比较少见 搅拌设备按安装形式可分为： （1） 立式容器中心搅拌

将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动或齿轮传动，用普通点电机直接连接或与减速机直接连接。从功率方面看，可从0.1kw到数百kw。但在实际应用中，常用的功率为0.2-2kw。

（2）偏心式搅拌

搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区”，可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。搅拌中心偏离容器中心，会使液流在各点所处压力不同，因而使液层间相对运动加强，增强液层间的湍动，使搅拌效果得到显著提高。但偏心搅拌容易引起震动，一般用于小型设备上比较合适。

（3）倾斜式搅拌

为了防止涡流的产生，对简单的圆筒形或方形敞开的立式设备，可将搅拌器用夹板或卡盘直接安装在设备筒体的上缘，搅拌轴斜插入桶内。此种搅拌设备的搅拌器小型、轻便、结构简单，操作容易，应用范围广。用于药品等稀释、溶解、分解、调和及PH值的调整等。

（4）底搅拌

底搅拌设备的优点是，搅拌轴短、细、无中间轴承，可用机械密封，易维护、检修，寿命长。底搅拌轴的稳定性好，既节省材料又节省加工费，而且降低了安装要求。但其突出的问题是叶轮下部至轴封处的轴上常有固体物料粘积，时间一长，变成小团物料，混入产品中影响产品质量。

（5）旁入式搅拌

旁入式搅拌设备是将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上，所以轴封结构是最费脑筋的。在小型设备中，可以抽取设备内的物料，卸下搅拌装置更换轴封部分，所以搅拌装置的结构要尽量简单。旁入式搅拌一般用于防止原油贮存罐泥浆大的堆积，用于重油、汽油

3

等的石油制品的均匀搅拌，用于各种液体的混合和防止沉降等。特别是大型贮槽中投入少量的功率便可以得到适当的搅拌效果，因而被广泛采用。

由于搅拌的介质是水，对混合要求不高，操作简单，故在此选用应用最广泛及安装、操作、检修方便的中心顶插式的安装方式。这种安装方式是将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动或齿轮传动，用普通点电机直接连接或与减速机直接连接。从功率方面看，可从0.1kw到数百kw。但在实际应用中，常用的功率为0.2-2kw，以上叙述同样与设计初始条件要求吻合。

2.2搅拌器的分类

搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮等，它是机械搅拌设备的关键部件。 搅拌器的分类方法很多，主要有以下几种：

1．按搅拌桨叶结构 分为平叶、斜（折）叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。桨式、涡轮式搅拌器都有平叶和斜叶结构；推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶结构。根据安装要求又可分为整体式和剖分式结构，对于大型搅拌器，往往做成剖分式，便于把搅拌器直接固定在搅拌轴上而不用拆除联轴器等其他部件（如表2-2）。

表2-2搅拌器按浆叶结构分类

叶型 搅拌器 平叶 平桨、直叶开启涡斜（折）叶 斜叶桨式、斜叶弯叶 弯叶开启涡轮、弯叶圆盘涡轮、三叶后掠式 推进式、螺杆式、螺带式 螺旋面叶 轮、直叶圆盘涡轮、开启涡轮、斜叶锚式、框式 圆盘涡轮 2．按搅拌器的用途 分为低粘流体用搅拌器、高黏流体用搅拌器。用于低粘流体的搅拌器有：推进式、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式等。用于高黏流体的搅拌器有:锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式等（如表2-3）。

表2-3搅拌器按用途分类

黏度 低粘度流体 推进式、桨式、长薄叶螺旋桨式、开启涡轮式（平叶、斜叶、弯叶）、圆盘涡轮式（平叶、斜叶、弯叶）、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等 高粘度流体 锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带），螺杆式、螺带式 搅拌器 3．按流体流动形式 分为轴向流搅拌器和径向流搅拌器。有些搅拌器在运转时，流体既产生轴向流又产生径向流的称为混合流型搅拌器。推进式搅拌器是轴流型的代表，平 直叶圆盘涡轮搅拌器是径流型的代表，而斜叶涡轮搅拌器是混合流型的代表。

2.3搅拌器的选型

2.3.1搅拌器的流型

搅拌器的流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切，搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手，搅拌釜内的流型主要取决于搅拌方式、搅拌器、容器形状、挡板等几何特征，以及流体性质、转速等因素，对于工业应用最多的立式圆筒搅拌机顶插式中心安装，搅拌将产生三种基本流型：

1．径流型 流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、下流动，再回到叶端，不穿过叶片形成上、下两个循环流动，见图2-1（a）。

2．轴向流 流体的流动方向垂直于搅拌轴，流体由浆叶推动，使流体向下流动，再 回到叶端、不穿过叶片形成上、下两个循环流动，见图2-1（b）

4

3．切向流 无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时，液面会形成漩涡， 如图2-1（c）所示，此时流体从浆叶周围周向卷吸至浆叶区的流量很小，混合效果很差。

以上三种流型通常可能同时存在，其中轴向流与径向流对混合起主要作用，而切向流 应加以抑制，采用挡板可以削弱切向流，增加轴向流和径向流作用。

图2-1搅拌器的流型

搅拌器从电动机获得的机械能推动物料运动。搅拌器对流体产生两种作用，即剪切作用和循环作用。剪切作用于液-液搅拌体系中液滴的细化、固-液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气-液搅拌体系中气泡的细微化相关；循环作用则与混合时间、传热、固体的悬浮等相关。

2.3.2搅拌器的选型

一个好的选型方法最好具备两个条件，一是选择结果合理，一是选择方法简便，而这两点却往往难以同时具备。由于液体的粘度对搅拌状态有很大影响，所以根据搅拌介质粘度大小来选型是一种基本的方法。

由于搅拌的介质为水，液体粘度40mPa.s=40cP，再根据浆叶的流型，在查完浆型标准后，发现径向流的三叶后掠式浆型，配合指形挡板可得上下循环流，循环量大，在挡板配合下，剪切作用也好。符合要求，故选择此浆型，其如表2-4所示。

2-4三叶后掠式浆型及其重要参数

浆型 简图 常用尺寸 dj/D?0.5 运转条件 常用介质粘度范围 6流动状态 备注 最高叶端线速度可达n=80-150rpm b/D?0.05 三叶后掠式 b/h?2/5 径流型，配< 10cp 合指形挡板可得上??30?,50? 上翘角15-20? 下循环流。15m/s 循环量大，在挡板配合下，剪切作用也好 Z=3 关于搅拌器在搅拌轴上的安装层数，一般都是从浆叶的搅动范围来考虑的。液层过高则要考虑设置多层浆叶。对于低粘度的液体如粘度小于5000cp时，径流型浆叶可搅动槽内上下范围为浆径的4倍，所以对常用的液层深度H=D时，只要一层浆叶即可。已知水的粘度小于5000cp且三叶后掠式浆叶为径流型，从上表可知其浆直径与槽体直径之比为0.5，

5

所以采用一层浆叶即可。

2.4浆叶尺寸的确定及校核

2.4.1浆叶尺寸的确定

由表2-4中可知：dj/D?0.5 D=1500mm dj?750mm

b/D?0.05 b=75mm b/h?2/5 h=187.5mm

上翘角15-20?，选择20?； Z=3； n=80-150rpm，取80rpm；??30?,50? 在此选择30?；

叶片厚度??15mm。

式中：dj——浆叶直径，mm；D——槽体内径，mm； b——叶片宽度，mm； n——叶片转速，r/min； 浆叶结构见图2-2

图2-2浆叶结构图

2.4.2浆叶强度的校核

对于平直叶开启涡轮、弯叶开启涡轮及三叶后掠式同样可用计算平直叶浆式的道理进行浆叶强度计算，这时可以认为各浆叶分配的动力消耗相等，各浆叶受的外力相等[8]。

浆叶的危险断面在浆叶根部，该断面的抗弯断面模数，进行浆叶厚度校核时，所取b和δ应比实际尺寸各小1mm，以考虑腐蚀裕度的问题。

抗弯断面模数： W?b?62?7.4?1.462?2.42cm （2-1）

3式中：b——桨宽，cm；δ——浆叶厚度，cm

弯矩：

M?97400Nfz1nsin??974003?3.0180?1221.56kgf/cm （2-2）

2式中：z——叶片数量； n——搅拌器转速，r/min；Nf——浆叶强度计算中用的计算

功率，KW；

6

?弯?MW?1221.562.42 ?504.78kgf/cm?49.47Mpa （2-3）

2浆叶材料选Q235，其许用弯曲应力为158MPa，查表2-1，得碳钢浆叶的安全系数为3，

σ弯=49.47MPa＜

1583?52.67MPa，强度满足要求。

表2-5部分材料安全系数 不锈钢 3.5 铸不锈钢 5 铸铁 8 铝 4 铸铝 6 材质 ?b 碳钢 3 铸钢 4.2 7

3 电动机及减速机的选型

3.1搅拌器功率的确定

搅拌器消耗的能量主要是提供浆液池中物料的剪切与循环，搅拌功率是指搅拌时，单位时间输入浆液池物料的能量，它不包括在轴封和传动装置中消耗的能量。计算搅拌功率的目的，一是用于设计或校核搅拌轴的强度和刚度，二是用于选择电动机和减速器等传动装置。

影响搅拌功率的因素很多，主要有几何因素和物理因素两大类，包括以下四个方面： 1．搅拌器的几何尺寸与转速 搅拌器直径、浆叶宽度、浆叶的安放角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离底部的距离。

2．搅拌容器的结构 容器的半径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒的尺寸等。

3．搅拌介质 液体的密度、粘度。 4．重力加速度。

要弄清影响因素与功率的关系，目前都是采用相似论和因次分析方法。搅拌介质的流动，应遵守质量和动量的守恒定律。对于密度一定的牛顿型流体，表示局部压力和局部速度关系的是奈维-斯托克斯方程。为此可以将浆径dj作为特性长度量，将搅拌器转速的倒数1/n作为特性时间量，将液体密度与浆径立方之积ρd3j作为特性质量，将浆叶直径dj和搅拌转速n之积djn最为特性速度量，进而导出无因次速度v*和无因次压力p*，代入奈维-斯托克斯方程即得其无因次形式。从这个无因次方程中可以看出，无因次速度v*和无因次压力p*都是两个无因次数群——雷诺准数Re和弗鲁德准数Fr的函数。其中Re=n·d2jρ/μ表示流体惯性力与粘滞力之比，Fr=n2·dj/g表示流体惯性力与重力之比。

功率N是搅拌器的转速与所加扭矩的乘积，而扭矩可从浆叶表面的局部压力分布积分而得，这样就可求出无因次压力p*和无因次功率之间的关系：p*∝N/ρ·n3·d5取Np=N/ j，

ρn3·d5j叫功率准数。因为已知无因次压力p*是Re和Fr的函数，所以Np也应是Re和Fr的函数，即：

Np?P?ndj35?K(Re)(Fr)f(rqdDD,b,HD,......) （3-1）

式中：Np——功率准数； b——浆叶宽度，m； dj——搅拌器直径，m； D——搅拌2nd容器直径，m； Fr——弗鲁德准数，Fr?； H——液面高度，m； K——系数n——搅拌转

g速，r/s； P——搅拌功率，Kw；?——介质密度，kg/m3； r，q——指数；

挡板是改变槽内流动状态的一种搅拌槽附件，研究较多的是侧壁直立挡板。实验证明，挡板的宽度、数量以及安装方法都影响流动，也都影响功率的大小。

当挡板条件符合下式时：

(W/D)1.2z1?0.35 （3-2） 搅拌器的功率最大，这种挡板条件叫全挡板条件。一般认为，当取4块挡板，其宽度W=(110~112)D时，即可接近全挡板条件。

全挡板情况下，挡板消除了漩涡，弗鲁德准数Fr的影响较小，同时由于高速流体的惯性力很大，流体粘滞力的影响也相对变小，而容器内径D，浆叶宽度b等几何参数可归结到系数K,由上式功率P为：

8

P?Np?ndj （3-3）

35式中，?、n、dj为已知数，故计算搅拌功率关键是功率准数Np。而功率准数可根据雷诺数从图3-1中查出。

图3-1Np—Re图

Re??ndj?2?1000?1.33?0.751.005?10?32?7.44?105 （3-4）

式中：Re——雷诺准数；μ——介质粘度，Pa·s； dj——搅拌器直径，m； ?——介质密度，kg/m3；n——搅拌器转速，r/s；

根据雷诺数从图中查得功率准数为5.4

从而可出P?Np?n3dj5?5.4?1000?1.333?0.755?3.01KW （3-5）

3.2电动机的及减速器的选型

搅拌设备具有单独的传动机构，一般包括电动机、减速装置、联轴节及搅拌轴等。在此我们将讨论电动机及减速器的选用。

3.2.1电动机选型

1．电动机选用的基本原则

通常应根据搅拌轴功率和搅拌设备周围的工作环境因素选择电动机的型号，并遵循一下基本原则：

（1）根据搅拌设备的负载性质和工艺条件对电动机的启动、制动、运转、调速等要求，选择电动机类型；

（2）根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度的等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，合理选择电动机容量，并确定冷通风方式。同时选定的电动机型号和额定功率应满足搅拌设备开车时启动功率增大的要求；

（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰水等，考虑必要的防护方式和电动机的结构形式，确定电动机的防爆等级和防护等级；

9

（4）根据企业电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级；

（5）根据搅拌设备的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的性能要求，以及机械减速的复杂程度，选择电动机的额定转速[8]。

除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，并综合考虑运行可靠性、备品备件通用性、安装检修难易程度、产品价格、运行和维修费用等因素。

2．电动机额定功率的确定

电动机额定功率可按下式确定：

PN?P?Ps? （3-6）

式中：PN——电动机功率，kw；P——搅拌器功率，kw； Ps——轴封装置的摩擦损

失功率，kw；η——传递装置的机械效率；

轴封装置摩擦造成的功率损失因密封系统的机构而异。一般来说 ，填料密封的功率损失较大，机械密封的功率损失相对较小。作为粗略计算，填料密封损失约为搅拌器功率的10%或至少为0.368kw，而机械密封密封损失仅为填料密封的10%-50%。由文献[6]中表9-5得：摆线针轮行星减速机传动效率为η>0.9，取0.9；滚动轴承传动效率为η=0.99-0.995，取0.99；弹性联轴器传动效率为η=0.99-0.995，取0.99；带传动效率为η=0.95-0.96，取0.95。 PN?P?Ps??3.01?0.1?3.010.95?0.9?0.994（3-7） ?4.04kw

3．电动机的选型

当搅拌器由静止启动时，浆叶除要克服自身的惯性，还要克服浆叶所推动液体的惯性以及液体的摩擦力。这时浆叶与液体的相对转速最大，浆叶受液体阻力的作用面积最大，因而所需的功率值必然增大，故存在过载现象。选取电动机时应考虑此因素。

一般一步电动机的同步转速按电动机的级数而分成几档，如3000、1500、1000、750及600rpm等，其中1500rpm的电动机价格较低，供应也较普遍，故应用的最广泛。

查文献[2]中表14-1，选择Y132S4三相异步电动机，额定功率为5.5kw，满载转速1440r/min，同步转速1500r/min,最大转速/额定转速=2.2。

3.2.2减速器选型

在众多减速机品种中，搅拌设备应用最多的是立式结构，其结构和技术性能也与普通减速机有所区别。这时因为搅拌设备用减速机必须能够使用于各种化学工业环境的工艺要求，同时能够承担各种不同搅拌操作过程产生的工作负载和稳定支承问题，而且体积上要求尽可能小的占用高度空间。

立式减速机的选用原则：

（1） 应优先选用标准减速机以及专业生产的产品；

（2） 应考虑减速机在震动和载荷变化情况下工作的平稳性，并连续工作； 一般选择传动效率高的齿轮或行星摆线针轮减速机；

（3） 出轴旋转方向要求正反向传动的，不宜选用蜗轮蜗杆减速机；

（4） 对于易燃、易爆的工作环境，一般不采用带传动减速，否则必须有防 静电措施；

（5）减速机的额定功率应大于或等于正常运行中减速机输出轴的传动效率，同时还必须满足搅拌设备开车时启动轴功率增大的要求；

（6）搅拌轴向力原则上不应由减速机轴承承受，若必须由减速机承受时，需经验算

10

核定；

（7）输入轴转速应与电动机转速相匹配，输出轴转速应与要求的搅拌转速一致，当不一致时，可在满足工艺过程要求的前提下相应改变搅拌转速；

（8）输入和输出轴相对位置的选择应适合釜顶或釜底传动布置的要求；

（9）外形尺寸要满足安装及检修的要求。釜顶传动装置，一般应采用单台立式传动机构；

（10）选用减速机时应对使用环境、工厂制造水平、检修能力、造价高低以及其他特殊要求等因素进行综合考虑[8]。

根据以上原则，选取摆线针轮减速器，其主要特点是体积小、质量轻、传动比大、传动效率高、故障少、使用寿命长、运转平稳可靠、拆卸方便、容易维修以及承受能力较强、耐冲击、惯性力矩小，适用于启动频繁和正反转的场合等特点。

易知传动比i=1500/80=18.75，查文献[6]中表9-28 传动比、输出转速、输入功率及输出许用扭矩，选得的减速器机型号为XL7，功率为5.5kw，转速为1445r/min，传动比为21，输出轴许用转矩1000N·m。

11

4 轴及部分轴上零件的设计

4.1联轴器的选择

4.1.1联轴器的选型原则

选择一种合用的联轴器类型可以考虑一以下几点：

（1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减震功能的要求； （2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力的大小；

（3）两轴相对位移的大小和方向。在安装调整过程中，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用饶性联轴器；

（4）联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀介质及强光等比较敏感，而且容易老化；

（5）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的前提下，应选用拆装方便、维护简单、成本低的联轴器。一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，广泛适用于一般的中小功率传动[8]。

4.1.2计算联轴器的计算转矩

由于机器启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩Tca。计算转矩按下式计算：

Tca?[T] （4-1） 式中：T——公称转矩，N?m；KA——工作情况系数 查文献[2]表14.1，可得KA=1.7

T?9.55?106Pn （4-2）

此处我们需选取两个联轴器，一个为连接减速机与第一根传动轴，另一个为连接传动轴与搅拌轴。

T1?9.55?106Pn?9.55?1064.04?0.980?434N?m （4-3）

Tca1?KAT1?1.7?434?737.8N?m （4-4） T2?9.55?106Pn?9.55?1063.0180?359.3N?m （4-5）

Tca2?KAT2?1.7?359.3?610.8N?m （4-6）

4.1.3确定联轴器的型号

根据计算转矩Tca，按照Tca?[T]的条件由联轴器标准中选定该联轴器型号。式中的[T]为该型号联轴器的许用转矩。

根据以上条件，从文献[2]中查GB5843-86得YL11型凸缘联轴器的许用转矩为1000N?m，许用最大转速为5300r/min，符合要求，故选用此种型号的联轴器。

查GB4323-84中得TL8型弹性弹性套柱销联轴器许用转矩为710N?m，许用最大转速

12

为2850r/min，符合要求，故选用此种型号的联轴器。

4.2轴的设计

4.2.1传动轴的设计

（1）按扭矩强度条件确定最小轴径

对于传动轴而言其仅仅承受扭矩的作用，故可按扭转计算其强度。在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径，对于不大重要的轴也可作为最后的计算结果。轴的扭转强度条件为：

TWT9550000?P3 τ

式中：τ

=T0.2dn?[τT（4-7） ]

T——扭转切应力，MPa；T—

轴所受的扭矩，N?mm；WT——轴的抗扭

截面系数，mm3；n ——轴的转速，r/min；P——轴传递的功率，kw；d——计算截面处轴的直径，mm；[τT]——许用扭转切应力，MPa，见文献[1]中表4-1。

表4-1部分材料[τT轴的材料 Q235-A、20 [τTQ275、35（1Cr18Ni9Ti） 20~35 135~112 ]及A0值 45钢 25~45 126~103 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 35~55 112~97 ]/MPa A015~25 149~126 注：1）表中[τT]值是考虑影响而降低了的许用扭转切应力。

2）在下述情况时，[τT]取较大值，A取较小值；弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较

0平稳或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只做单向旋转；反之，[τT]取较小值，A取较大值。

由上式可得轴的直径d?95500000.2??T9550000P300.2??T?n?955000030.2??T?3Pn?A03Pn （4-8）

式中A= 30? 轴材料为45钢，由上表可得[τT]=20~35，A=126~103，取A=126。

00 d?9550000P30.2??T?n?955000030.2??T?3Pn?A03Pn?126?34.04?0.95?0.980（4-9） ?44.2mm

（2）确定传动轴的各段轴径及轴段长度

已知轴的最小直径为44.2mm，在此初步取为50mm。然后根据最小轴径逐一确定各轴段直径。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。

为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴做过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制

13

出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整间隙。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。根据以上原则，传动轴的结构图如下所示。

图4-1传动轴

第I段轴轴段上需要安装联轴器，根据已选择的YL11型凸缘联轴器查得其孔径为50mm，与初步确定的最小轴径吻合，故取第一段轴径为50mm。联轴器轴孔长度为84mm，为了保证轴向定位可靠，与联轴器零件相配合的轴段长度一般应比其轴孔长度短2-3mm，故第一段轴长取82mm。联轴器采用平键进行轴向固定。

第II段轴的作用相当于轴肩，其作用是联轴器的轴向定位，轴肩高度一般为2-3mm，故轴径取为56mm，其长度不需太长，在此取5mm。

由于第IV段轴上需安装轴承，由于圆锥滚子轴承既能承受轴向力由能承受轴向力，符合要求，所以选用此种轴承。根据前面选取的轴径大小，轴承可选的合适尺寸有60mm和65mm两种。若选取内径为60mm的轴承，会造成各轴段直径过于接近，故第III段轴选取的轴径应大些，在此选取为70mm。

第IV段轴上安装的轴承在文献[2]中查GB/T297-94选取型号为7213E型的圆锥滚子轴承。其内径为65mm，外径为120mm，T=24.75mm。圆锥滚子轴承内外圈均需固定，内圈用轴套加螺母固定，外圈用透盖固定。由于轴套不是标准件，其长度定为10mm。由于内圈还有圆螺母固定，而轴承加轴套长度不为整数，所以轴长可以稍微比其总长度稍短些，取33mm。

在选取轴承后，就可以确定第三段轴上安装的透盖的尺寸，从而确定第三段轴长。由于轴承外径为120mm，故可确定固定透盖的螺钉直径d为10mm。根据文献[2]可知e=1.2d=12mm，而m由结构确定，此处选取为20mm，因此第三段轴长定为45mm。

第V段轴上需安装一个圆螺母来固定轴承内圈。根据第四段轴径大小，在文献[2]中查GB812-88，初步选取型号为M64?2的圆螺母，其厚度为12mm。由于该段轴上有螺纹，为减小应力集中造成的影响，故不能太长，定其长度为30mm。

由于轴肩高度一般为2-3mm，故第VI段轴径取为60mm。轴上同样需要安装轴承，由于圆锥滚子轴承一般成对使用，故此段轴上也安装圆锥滚子轴承。在文献[2]中查GB/T297-94选取型号为7212E型，其内径为60mm，外径为110mm，T=23.75mm，符合要求。轴承外圈靠机架固定，内圈同样采用轴套加圆螺母的形式固定。此段轴的长度需考虑整体布局，可以选长些，所以将其定为230mm。

第VII段轴上需安装圆螺母固定轴承内圈，在文献[2]中查GB812-88，初步选取型号为M56?2的圆螺母，其厚度为12mm。同样为减小应力集中造成的影响，定其长度为30mm，轴径为56mm。

第VIII段为过渡段，其作用是方便圆螺母的安装，故不应过长，取其长度为5mm。考虑到对中性和便于调整，轴两端的轴径一般应相同，故其轴径为50mm。

第IX段轴因为要安装联轴器，根据我们之前选择的TL8型弹性联轴器查GB4323-84得其孔径为50mm，锥度为1:10，孔长112mm.。为了保证轴向定位可靠，与联轴器零件相配合的轴段长度一般应比其轴孔长度短2-3mm，故第一段轴长取110mm。

14

轴上倒角均为1?45? （3）传动轴的校核

由于之前就是通过轴的扭矩强度来确定轴的最小轴径，故不用再进行轴的强度校核，只需进行其刚度校核。

轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。故进行轴的刚度校核是十分重要的。轴的弯曲刚度以饶度或偏转角来度量；扭转刚度以扭转角来测量。轴的刚度校核计算通常是计算出轴在受载时的变形量，并控制其不大于允许值。常见的轴若是光轴，可直接用材料力学中的公式计算，若是阶梯轴，如果对计算精度要求不高，则可用当量直径法做计算。在此就采用这种方法计算。当量直径d为

v d?vli4z?di?1li4i?565482504?5564?45704?33654?30644?230604?30564?11538.54 ?49.74mm（4-10）

式中：li——阶梯轴第i段的长度，mm；di——阶梯轴第i段直径，mm；L——阶梯轴的计算长度，mm；z——阶梯轴计算长度内的轴段数。

（4-11）

轴的扭转刚度校核用每米长的扭转角?来表示。圆轴扭转角?[单位为（?）/m]的计算公式为

??5.73?104TGIp?5.73?1044348.1?10?43.14?49.74324?0.57?/m （4-11）

式中：T——轴所受的扭矩，N?mm；

G——轴的材料的剪切弹性模量，Mpa，对于钢材，G=8.1?104Mpa； Ip——轴截面的极惯性矩，mm，对于圆轴，Ip?4?d324。

轴的扭转刚度条件为：?????

关于扭转角的选择应按实际情况而定，一般有如下规定： （1） 在精密稳定的传动中，[φ]?可选取

14~

1（2） 在一般传动和搅拌轴的计算中科选取~1°；

221°；

（3） 对精度要求低的传动中可选取[φ]? >1°。 在此选取???为1°

因为?=0.57°

4.2.2搅拌轴设计

按搅拌轴的传递功率、轴强度、轴刚度以及临界转速来分别计算轴的最小直径，取计算值中较大值作为轴的最小直径。在此选择轴强度和扭转变形来确定搅拌轴最小直径。

15

（1）按扭矩强度条件确定最小轴径

搅拌轴工作中承受扭转和弯曲联合作用，但以扭转作用为主。所以工程应用中常按扭转作用进行近似计算，在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径，对于不大重要的轴也可作为最后的计算结果。轴的扭转强度条件为：

TWT9550000?P3τ

T=

0.2dn?[τT]

式中：τT——扭转切应力，MPa；T—轴所受的扭矩，N.mm；WT——轴的抗扭截面

系数，mm3；n ——轴的转速，r/min；P——轴传递的功率，kw；d——计算截面处轴的直径，mm；[τT]——许用扭转切应力，MPa，见文献[1]中表4-2。

表4-2部分材料[τ轴的材料 [τ]/MPa A0 T]及A0值 Q235-A、20 Q275、35（1Cr18Ni9Ti） 15~25 149~126 20~35 135~112 45钢 25~45 126~103 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 35~55 112~97 T注：1）表中[τT]值是考虑影响而降低了的许用扭转切应力。

2）在下述情况时，[τT]取较大值，A取较小值；弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较

0平稳或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只做单向旋转；反之，[τT]取较小值，A取较大值。

由上式可得轴的直径d?95500000.2??T9550000P300.2??T?n?955000030.2??T?3Pn?A03Pn 式中A= 30? 轴材料为45钢，由上表可得[τT]=20~35，A =126~103，取A =126。

00 d?9550000P30.2??T?n?955000030.2??T?3Pn?A03Pn?126?33.0180 ?42.2mm （4-12）

（2）按扭转变形计算搅拌轴的最小轴径

Mmax44 dmin?155.4????G?1?N0?4?155.4?80?49.02mm （4-13） 40.35??8.1?109553?3.01式中：???——轴的许用扭转角，对于悬臂轴????0.35?/m； Mmax——搅拌轴传递的最大扭矩，Mmax?9553Pn，N?m；

G——搅拌轴材料的剪切弹性模量，对于钢材G=8.1?104Mpa； N0——空心轴内径与外径之比。

16

所以最小轴径我们取大的值作为参考。

搅拌装置包括传动装置、搅拌轴和搅拌器，由电动机和减速器驱动搅拌轴，使搅拌器按一定转速旋转以实现搅拌目的。作为搅拌装置的主要零件之一的搅拌轴既要与搅拌器连接，又要与轴封装置以及轴承、联轴器等组成轴系，且须保证以一定转速回转，其设计计 算需考虑诸多因素。对于直径小于6m，高径比小于1.2的搅拌轴采用实心轴，底部可不加 轴承；对于直径大于6m，高径比大于1.2的搅拌轴采用空心轴，底部需加装轴承。此处设计为实心轴。在搅拌设备设计中，采用悬臂轴结构，以解决在采用底轴承和中间轴承结构时带来的安装检修困难、对中麻烦、在有磨损性颗粒物料造成轴承磨损、堵住咬死等问题。国内外搅拌设备也大量采用这种结构。在此也将其设计为悬臂轴。轴的结构形式如图4-2所示。

图4-2搅拌轴

（3）确定底间距

在确定搅拌轴尺寸之前我们还应确定搅拌轴距槽体底部的间距。底间距与搅拌器内径比值一般在0.05-0.3范围内选取。在浆型、浆径确定的前提下，该比值越小，固相完全离底部悬浮临界转速越小，有利于较少底部沉淀。因此，在满足底层浆轴向排量的前提下，该比值尽量取小值，在此取250mm。

(4）确定搅拌轴各段轴径及轴段长度

根据上面确定的最小轴径，我们将最小轴径定为50mm。

第I段轴轴段上因为要安装联轴器，根据我们之前选择的TL8型弹性联轴器查GB4323-84得其孔径为50mm，锥度为1:10，孔长112mm.。为了保证轴向定位可靠，与联轴器零件相配合的轴段长度一般应比其轴孔长度短2-3mm，故第一段轴长取110mm。

第II段为过渡段，其作用是方便螺母的安装，故不应过长，取其长度为5mm，其轴径为50mm。

第III段上安装了一个可拆卸螺母，由于其为非标准件，我们参考标准件的尺寸，将其设计为M56?2,厚度为12mm。由于该段轴上有螺纹，为减小应力集中造成的影响，故不能太长，定其长度为30mm，其轴径为56mm。

第IV段为退刀槽，其深度一般为1-2mm，在此选1mm，所以该段轴径为54mm，其长度不需太长，取5mm即可。

第V段应与第III段轴径相同，其长度取24mm。

第VI轴的长度需考虑整体布局，可以选长些，所以将其定为2021mm，其轴径取60mm。 第VII段轴上需安装浆，已知浆宽为75mm，故此段轴长取100mm。考虑到对中性和便于调整，轴两端的轴径一般应相同，故其轴径为50mm。浆与轴采用键与轴端挡圈固定，键型号b?h为16?10，长度56mm。

轴上倒角均为1?45? (5)搅拌轴的校核

由于之前就是通过轴的扭矩强度来确定轴的最小轴径，故不用再进行轴的强度校核，只需进行其刚度校核。

17

轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。故进行轴的刚度校核是十分重要的。轴的弯曲刚度以饶度或偏转角来度量；扭转刚度以扭转角来测量。轴的刚度校核计算通常是计算出轴在受载时的变形量，并控制其不大于允许值。常见的轴若是光轴，可直接用材料力学中的公式计算，若是阶梯轴，如果对计算精度要求不高，则可用当量直径法做计算。在此就采用这种方法计算。当量直径d为

v d?vL4z?di?1li4i?4239530564?5544?24564?2121604?100504?11538.54（4-14） ?56.32mm

式中：li——阶梯轴第i段的长度，mm；di——阶梯轴第i段直径，mm；L——阶梯轴的计算长度，mm；z——阶梯轴计算长度内的轴段数。

轴的扭转刚度校核用每米长的扭转角?来表示。圆轴扭转角?[单位为（?）/m]的计算公式为

??5.73?104TGIp?5.73?104359.38.1?10?43.14?56.32324?0.26?/m （4-15）

式中：T——轴所受的扭矩，N?mm；

G——轴的材料的剪切弹性模量，Mpa，对于钢材，G=8.1?104Mpa； Ip——轴截面的极惯性矩，mm，对于圆轴，Ip?4?d324。

轴的扭转刚度条件为：?????

在此选取???为0.35?

因为?=0.26?

进行搅拌轴刚度校核后还应按临界转速校核搅拌轴的稳定性。当搅拌轴的转速达到轴的自振频率时会发生强烈振动，并出现很大弯曲，这时的转速称为轴的临界转速。轴在靠近临界转速运转时，常因强烈震动而损坏，或破坏轴封而停产，因此工程上要求搅拌轴的工作转速避开临界转速。通常把工作转速n低于第一阶ncr的轴称为刚性轴，要求n?0.7ncr；工作转速大于第一阶临界转速的轴称为柔性轴，要求n?1.3ncr。轴尚有第二、三阶临界转速，但一般搅拌轴的工作转速较低，很少达到第二、三阶临界转速。所以搅拌轴按临界转速的校核是很有必要的，此处按第一临界转速校核。

对于小型搅拌设备，由于轴径细，长度短，轴的质量小，因而往往把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子系统来计算轴的临界转速。此时一般采用等效质量的方法，把轴本身的分布质量和轴上各个搅拌器的质量按等效原理，分别转化到一个特定点上，然后累加组成一个集中地等效质量。这样吧原来复杂多自由度轴系统简化为无质量轴上只有一个集中等效质量的单自由度问题。

搅拌轴为悬臂轴，其结构简图如图4-3所示。

18

图4-3搅拌轴简图

1)搅拌轴及圆盘（搅拌器及附件）有效质量的计算 搅拌轴有效质量的计算：

刚性轴（不包括带錨式和框式搅拌器的刚性轴）的有效质量等于自身的质量加上轴附带的液体质量。

mLe?1?4dL1L1?S1?N02??2?????10?9 Kg （4-16）

圆盘（搅拌器及附件）有效质量的计算

刚性搅拌轴（不包括带錨式和框式搅拌器的刚性轴）的圆盘有效质量等于圆盘自身重量加上搅拌器附带的液体质量（附件附带的液体质量不计）。 mie?mi??ki?4Djihicos?i??102?9 Kg （4-17）

?ki——第i个搅拌器的附加质量系数，式中：按表4-3查得为0.27；

i个搅拌器直径，mm；

hi——第i个搅拌器的叶片宽度(见图4-4)，mm；

?——搅拌物料密度，kg/m；

3Dji——第

?s——轴材料密度，kg/m3；

a——悬臂轴两支点间距离，mm；

N0——空心轴内径与外径比值；

表4-3 搅拌器附加质量系数?k

叶片数 2 叶片角? 0（直叶） ?mi——搅拌器质量，kg； 图4-4浆叶简图

附加质量系数?k 0.31 19

2 3 3 4 4 6 6 ?45（斜叶） 0.31 0.27 0.17 0.29 0.29 0.53 0.30

?0（直叶） ?45（斜叶） ?0（直叶） 45（斜叶） ?0（直叶） ?45（斜叶） ?2）第一阶临界转速的确定

悬臂及跨间二轴段的直径是相等的，其作用集中质量的悬臂轴。轴有效质量mLe在末

1端S点处的相当质量W：

W?mLe?1140a2?231L1?a?99L1420?L1?a?22 Kg （4-18）

第i个圆盘有效质量mie在末端S点处的相当质量Wi： Wi?Li?LI2L1?L12?a??a??mie Kg （4-19）

在S点处所有相当质量的总和Ws:

m WS?W? ?W Kg （4-20）

ii?1具有m个圆盘的等直径悬臂轴的一阶临界转速?k:

.7dL nk?11421E1?N0L12?4??L1?a?Ws r/min （4-21）

在该设计中：m=1；i=1；dL?d1=50mm；L1?2.2?0.25?1.95m；a=260mm；

1?s=7.85?10kg/m；?=1?10kg/m；hi=75mm；Dji=750mm；E=206Gpa；

3333联立式（4-16）-（4-21），并将上述数据代入，得：?k=95.8 r/min;轴的转速n与临界

转速?k的比值应满足表4-4所示。

表4-4 搅拌轴的抗振条件

刚性轴 搅拌介质 搅拌器 20

柔性轴 高速搅拌器 叶片式搅拌器

液体-液体 nnk?0.7 nnk?0.7和nnk??0.45~0.55? nnk?1.3~1.6 n/nk?0.7；经上述计算得出结论：该设计的搅拌轴符合临界转速条件。

4.3平键的选择的校核

键的选择包括类型选择和尺寸选择两方面，键的类型应根据键连接的结构特点、使用 要求和工作条件来选择，在此选择平键。键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸与长度。键的截面尺寸b?h按轴的直径由标准中选定。键的长度一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或略短于轮毂的长度。

根据所选联轴器的型号、孔长，在文献[2]中查GB1096-79选择的平键尺寸b?h为16

?10mm，长度为63mm，还需选定浆叶轴向固定的平键，其尺寸b?h为16?10，长度56mm。

平键的校核较为简单，只需按下面的公式校核即可：

?p1?2T1?10kl1d12T2?10kl2d233?2?434?105?63?503?55.1Mpa （4-16）

?p2??2?359.3?105?56?503?51.3Mpa （4-17）

式中：T——传递的转矩，N?m；

k——键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，mm； l——键的工作长度，mm； d——轴的直径，mm；

? ???p?——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，Mpa。 ?查文献[1]中表4-3，可知???p?=100-120Mpa

表4-3许用挤压应力

许用挤压应力 ? ???p? ??<< ???p?，?p1连接工作方式 静连接 键或毂、轴的材料 钢 铸铁 静载荷 120-150 70-80 载荷性质（Mpa） 轻微冲击 100-120 50-60 冲击 60-90 30-45 p2?<< ???p?，可见连接的挤压强度是足够的，皆采用单键布置即可。

21

5 搅拌槽的虚拟装配

虚拟装配技术是将DFA技术与VR技术相结合，建立一个与实际装配生产环境相一致的虚拟装配环境，使装配人员通过虚拟现实的交互手段进入VAE，用人的智慧直觉地进行产品的装配/拆卸操作，用计算机来记录人的操作过程，以确定产品的装、拆顺序和路径。面向虚拟装配技术的研究大体上可以分作两个层次:一是采用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观地展示产品装配过程中零、部件的运动形态和空间位置关系，并提供装配序列的性能及其优化结果。二是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境，操作人员有 身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配顺序和效果[16]。

5.1虚拟装配技术的研究现状及成果

5.1.1虚拟装配技术的研究现状

虚拟装配技术是虚拟现实技术在工程领域的一个全新的应用，还处于萌芽阶段，与虚拟装配技术相关的一系列标准还没有完善，所以国内外的研究人员都在不断的对虚拟装配技术进行理论探索。

（1）国内的研究现状

在国内，虚拟装配的研究起步比较晚，而且由于虚拟装配技术所需硬件价格昂贵，大多数研究机构都是在进行理论探索与研究。近年来国内各高校对虚拟装配技术的研究比较活跃，其中以浙江大学和华中科技大学为代表的一些学校的研究比较活跃，并且取得了阶段性的理论成果和初步的应用，特别是浙江大学的谭建荣教授及其学生，在虚拟装配领域建立了一整套具有实用价值的理论。

（2）国外的研究现状

国外对虚拟装配的研究起步较早，其中以美国华盛顿洲立大学开发的“虚拟装配设计环境”系统较成熟，并已成功开发出了第二套原型系统。而且在理论上国外的研究也较丰富，涉及的面比较广，包括虚拟装配环境中人机交互、虚拟拆卸的推理框架和基于网络的协同虚拟样机技术等很多技术与理论。

5.1.2虚拟装配技术的应用及取得的成果

虚拟装配技术带来了全新的设计和制造理念，改变了传统的产品开发从设计到生产的反复修改，不断试制的过程。为企业节约了大量的成本，缩短了新产品投放市场的时间。尤其是虚拟装配技术在汽车和航天工业的应用，取得了明显的经济效益。

通用汽车公司在应用虚拟样机方面处于世界领先地位。为了以更快的速度和更低的成本开发新型汽车，通用公司的全球CAD/CAM和可视化技术中心的技术人员已经开发出了洞穴式沉浸虚拟现实系统和墙壁式投影系统，在GM的汽车产品开发中从造型到装配过程中广泛应用先进的虚拟现实技术。应用虚拟现实技术不仅可以使设计人员在虚拟的环境中检查汽车车身的光顺性，而且可以验证汽车的装配工艺，由于在新车的开发中采用了虚拟现实技术，新车的开发速度大大提高[18]。

1995年福特汽车公司启动了C3P项目，该项目泛应用先进的计算机技术。其中虚拟装配技术被用于福特轿车的装配设计，使得福特汽车的设计改动减少多达20%，将新车的开发周期周期从36周缩短到24周，每年为公司节约2亿美元成本[18]。

5.2搅拌槽的装配设计

22

产品设计过程是一个复杂的创造性活动，产品设计从根本上决定着产品的内在质量和生产总成本，随着世界经济的飞速发展和市场的全球化，降低成本、提高产品质量、缩短产品的开发时间己成为企业生存、竞争、发展的关键。新的、有效的设计理论和方法的研究与实施受到了学术界和企业界的广泛重视。

装配体建模承接于基础零件建模，得到搅拌槽的三维零件模型，根据设计人员的装 配图纸生成装配模型。在Pro/Engineer中进行装配设计有两种基本方法:自底向上的设 计方法和自顶向下的设计方法。 （1）自底向上的设计方法

自底向上的设计过程，它的主要思路是先设计好各个零件，然后将这些零件拿到一起进行装配，如果在装配过程中发现某些零件不符合要求，诸如:零件之间产生干涉、某一零件根本无法进行安装等，就要对零件进行重新设计，重新装配，再发现问题，再进行修改，如此反复。自底向上的设计过程由于事先没有一个很好的规划，没有一个全局的考虑，设计阶段的重复工作很多，造成了时间和人力资源的很大浪费，工作效率低。如图5.1所示。

零件示意图零件零件零件零件部件装配体部件装配体装配体示意图装配体

图5.1自底向上的装配设计

（2）自底向上的设计方法

按照人的思维方式，通常的设计过程是:先需求分析、概念设计，再进行结构设计、详细设计、最后试制修改。其中的结构设计一般是先设计总装配图，再设计零件图，这就是自顶向下的设计方法。自底向上设计方法在零件设计的初期就考虑零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的整体设计之后，再实现单个零件的详细设计。自顶向下设计过程能充分利用计算机的优良性能，最大限度地发挥设计人员的设计潜力，最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作，使企业的人力、物力等资源得到充分的利用，大大地提高了设计效率，减少了新产品的设计研究时间如图5.2所示。

装配体示意图装配体部件装配体部件装配体零件示意图零件零件零件零件

图5.2自顶向下的装配设计

在以上提到的两种方法中，自底向上相对于自顶向下是比较低端的方法。因为在真正的概念设计中，很少利用一个零件来控制整个装配体的设计，往往都是拿出产品的外在概

23

念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化，直至细化到单个零件。但是由底向上的设计方法也有非常大的应用价值，对于一些已经比较成熟的产品的设计过程，采用这种设计方法效率反而高一些。由于搅拌槽已经是比较成熟的产品，在前面只进行了关键部件的设计，其余部分皆使用原图纸装配，因此在这次装配设计过程中混合使用这两种设计方法，以发挥各自的优点。

5.3搅拌槽的装配工艺规划

5.3.1搅拌槽装配顺序方案的确定

装配规划即装配工艺规划形象的描述，就是指装配过程中按要求制定的装配计划，它研究产品装配体是用什么工具、沿怎样的路径、按照怎样的次序装配起来的。装配规划研究的重点是装配过程设计。装配过程设计相当复杂，它不但要受零部件设计的几何和功能的影响，而且受制造、装配过程以及经济性的影响。由于装配设计是一个创造性相当强的过程，而目前计算机的创造能力仍无法与人的创造能力相比拟，所以，目前的装配规划基本上都是以计算机辅助装配规划为主，以自动装配规划为辅。以本文所介绍的方法为例，在进行装配规划时，可以随意的调入任意装配模型进行零部件的拆卸与路径的调整，并可以根据个人的意愿任意的选择所要拆卸的零部件数目，如果不想继承建模者所建立的装配模型，也可以很方便的打破原有模型的子装配体等框架进行装配，同时也可以通过仿真功能可视化地验证规划的合理性与可行性。在经过装配工艺规划确定装配顺序和装配路径后，便可进行装配仿真动画的生成。

对于装配顺序可以采用“可拆即可装”的原则来确定，因为拆卸比装配容易。如果拆卸的工件都是刚性的，拆卸时工件就会保持原来的形式。则拆卸的过程就是可逆的，即能拆就能装。当我们完成拆卸的过程，记录下拆卸顺序，再逆序操作，就是装配的顺序，则可以完成装配顺序规划。

搅拌槽的主要零件包括槽体、台架、栏杆、法兰、支架、减速电机、轴及轴上零件。根据上面原则，确定使装配顺序最简单的方案如下：

（1）先装配搅拌轴及传动轴上的零件，再通过联轴器将此传动轴和搅拌轴装配到一起；

（2）将轴装配到槽体中，并将台架、减速机、栏杆、法兰等零件装配到槽体上。

5.3.2搅拌槽装配路径方案的确定

装配路径规划是虚拟装配技术的主要研究内容之一。装配路径是指零部件在组装成产品时所应遵循的空间路径,从几何形状上,按照该装配路径可以避免零部在装配过程中出现相互干涉现象;从工艺活动上,采用该装配路径具有实施合理性,能够保证装配质量。在虚拟装配操作的过程中,利用鼠标直接操纵虚拟物体具有相当的随意性,并且有的零件之间的装配方法并不是唯一的,因此有必要对装配路径进行规化。在确定装配路径时，是有一定规律可寻的。那就是，必须装配完成一个零(部)件后，再根据已装配好的装配体和下一步需要装配的零(部)件的特点确定其装配路径，以避免发生干涉和碰撞。

与装配的顺序规划类似，这里路径规划主要采取“可拆即可装”的原则。因为一旦确定了进行虚拟装配的对象，用这种方法最直观和方便。

根据以上原则确定的装配路径如下：

（1）先将浆叶装配到搅拌轴上，再将销装配到搅拌轴上；

（2）依次将透盖、轴承、轴套、螺母从传动轴底部向上装配到传动轴上； （3）将联轴器装配到搅拌轴及传动轴上，使其装配成为一根轴；

24

（4）为避免干涉，应先将轴与减速机安装到支架上，再将装配好的轴与支架从槽体正上方装配到槽体上；

（5）最后将栏杆、法兰等零件装配到槽体上，即完成搅拌槽的整体装配。 下面将着重介绍轴的装配过程。

5.4搅拌槽的虚拟装配

在装配模式中单击添加模型按钮，使用浏览方式打开所需的元件搅拌轴，点击【放置】 对话框，使用缺省放置模式，放置搅拌轴。然后点击按钮，选择所需的下浆叶元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为匹配，然后选取曲面F5和曲面F11进行约束，偏移方式为重合，放置对话框设置选项如图5-1所示。最后点击配。

按钮，即完成浆叶的装

图5-1放置设置框

完成浆叶的装配后，接着进行的是固定浆叶的键及轴端挡圈的装配。点击按钮，

选择所需的键元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为匹配，然后选取面F5和F19进行约束，偏移方式为重合，最后点击按钮，即完成键的装配。点击按钮，选择所需的挡圈元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选轴A-1和A-2进行约束，偏移方式为重合，最后点击

按钮，即完成挡圈的装配。其装配图如图5-2所示。

图5-2浆叶装配图

搅拌轴装配完后，就将进行传动轴的装配了。传动轴上先装配的零件是轴段顶端的轴承。点击按钮，选择所需的轴承元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选取轴A-2进行约束，偏移方式为重合，最后点击钮，即完成轴承的装配。其装配图如图5-3所示。

25

图5-3轴承装配图

接着进行的是轴套和螺母的装配以对轴承进行轴向固定。点击按钮，选择所需的

轴套元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选取轴A-2和A-3进行约束，偏移方式为重合，最后点击钮，即完成轴套的装配。再点击按钮，选择所需的螺母元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选取轴A-2和A-10进行约束，偏移方式为重合，最后点击

钮，即完成螺母的装配。其装配图如图5-4所示。

图5-4轴套及螺母装配图

接下来就是进行另一个轴承、轴套及螺母的装配。点击按钮，选择所需的轴承元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选取轴A-2和A-6进行约束，偏移方式为重合，最后点击钮，即完成轴承的装配。再点击按钮，选择所需的轴套元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选取轴A-2和A-6进行约束，偏移方式为重合，最后点击

钮，即完成轴套的装配。接着点击

按钮，选择所需的螺母

元件。点击【放置】对话框，选择约束类型为对齐，然后选取轴A-2和A-12进行约束，偏移方式为重合，最后点击钮，即完成螺母的装配。至此传动轴的装配也已完成。其装配图如图5-5所示。

图5-5传动轴装配图

传动轴和搅拌轴通过联轴器连接，其连接后轴整体装配图如图5-6所示。

26

图5-6轴装配图

装配好轴后，就是将其装配进槽体，然后再进行台架、栏杆、法兰等的装配，由于其装配过程与方法大致与前面相同，且限于篇幅要求，就不在此详述。搅拌槽装配完成后的装配图如图5-7所示。

图5-7搅拌槽装配图

5.5干涉检查

干涉检查一般包括静态干涉检查和动态干涉检查。静态干涉检查是指在虚拟装配环境下,检查装配的各个零部件之间的相对位置关系是否存在干涉,装配公差设计是否合理。动态干涉检查是装配的零部件在装配运动过程中以及构件运动过程中,是否存在零部件之间的运动干涉。Pro/ E 的功能菜单中提供静态干涉检查的工具,而运动干涉检查可在机构运动模块中完成。在Pro/ E 中单击“分析”菜单下的“模型分析”命令,打开模型分析对话框,在对话框中选择分析对象,系统自动对整个搅拌槽零件进行干涉计算。其结果显示为无干涉，从而说明我们这次装配是成功的。

27

结论

本文根据提供的原始设计资料，首先是利用Pro/E进行了D1500搅拌槽各部分的三维建模工作并利用CAD软件生成工程图。在查阅相关文献后，进行了搅拌传动装置安装方案的设计及电动机、减速器的选用。并在原资料的基础上，改进了其浆型，选用了三叶后掠式的浆叶来替换原有浆叶。同时，也进行了传动轴及搅拌轴的设计及校核计算，并进行了轴上部分关键零件的选择计算设计。最后，在查阅有关虚拟装配的文件后，确定了合理的虚拟装配工艺规划，进行了D1500搅拌槽虚拟装配并生成爆炸图。本文不足之处在于限于时间所限，对搅拌槽及虚拟装配这一新技术的研究不够深入。总体来说，本次设计工作是成功的，虽然在设计过程中遇到了一些困难，但在指导老师和同组成员的帮助下，也都顺利得到了解决。

28

谢辞

在此论文完成之际，我衷心的感谢我的导师李志刚老师。这篇论文是在李老师的悉心指导下完成的。我从他那里学到了很多分析问题、解决问题的方法，这些都将使我在今后的学习、工作中受益终生。

感谢与我同组做毕设的同学，是他们营造的良好的学习氛围和指导老师认真传授给我们的知识，使我在专业知识和技能上有了很大的进步。

最后谨向审阅本文的专家、教授表示衷心的感谢。恳请所有读到这篇论文的同志多提宝贵意见，不吝赐教。

29

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]洪家娣，李明，黄兴元.机械设计指导[M].江西：江西高校出版社，2006. [3]单辉祖.材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，2004. [4]成大先.机械设计手册[S].北京：化学工业出版社，1992.

[5]肖乾，张海，周大路，周新建.Pro/Engineer Wildfire 3.0中文版实用教程[M].北京：中国电力出

版社，2008.

[6]陈志平，章序文，林兴华.搅拌与混合设备设计选用手册[M].北京：化学工业出版社，2004. [7]王凯，虞军.搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2004.

[8]王凯，冯莲芳.混合设备设计[M].北京：机械设计出版社，2005.

[9]董大勤，袁凤隐.压力容器与化工设备实用手册[M].北京：化学工业出版社,2000. [10]聂清德.化工设备设计[M]．北京：化学工业出版社，1991.

[11]杨而宁.反应釜搅拌轴总体设计与计算[J]. 四川化工，2007（2）:40-43.

[12]刘天婴.反应釜搅拌轴的设计计算[J]. 北京石油化工学院学报，2000（8）:57-60. [13]雷向军.新型搅拌机构的设计[J]. 机械工程师，2010（12）:43-44.

[14]王凯.釜内无支撑悬臂搅拌轴的设计[J].化工设备与管道，2001，(1)：16.

[15]朱玉红.基于Pro龙的机械零件虚拟装配方法[J].机械制造与自动化，2004，(2):33. [16]杜健.柴油机虚拟装配及仿真动画关键技术研究[D].大连：大连交通大学，2007. [17]杨骥.飞机构件虚拟装配技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007. [18]刘子强.虚拟装配的基础研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.

[19]Ong N S,Wong YC．Automatic subassembly detection from a product model for disassembly

sequence generation[J]．Interna2tional Journal of Advanced ManufacturingTechnology,1999,（15）：425～431.

[20]James H.Olive,H-THuang.Automated Path Planning for Integrated Assembly Design

[J] ．Computer-Aided Design．1994，(9)：658～666.

30

附录A外文翻译-------------原文部分

Research on Virtual Assembly System Based on WTK

Abstract: Assembly has been bottleneck of advanced manufacturing techno logy so that virtual as2sembly is the significant solution to that problem. The research of system structure and key technology of virtual assem -bly system p lays a decisive role in the research of virtual assembly. In this paper, the connotation and system structure of virtual assembly system is proposed at first, then the key problems and solutions are demonstrated in details, and finally a case about the virtual assembly of Double-Grade-Involute-Column-Gear2Retarder base d on WTK is cited and discussed.

Key words: virtual reality; virtual environment; virtual assembly;WTK

While the product design and manufacturing techniques develop fast, assembly processing has become the bottleneck of advanced manufacturing technology. In this text the contents and framework of virtual assembly system are introduced at first and then the process of realizing an assembly system is demonstrated through an example “the Virtual Assembly of Double Grade In volute Column Gear Retarder. .

1.The structure of virtual assembly system Traditionally

Virtual assembly system includes such contents as follows: the product assembly modeling subsystem , product assembly sequence planning, the product assembly path planning and real time dynamic collision detection. Furthermore, product assembly modeling subsystem can establish assembly relationship and create assembly models, such as solid models, surface models, framework models by using special model tools in the software or by inserting those existing models made by other modeling tools such as Pro／Engineer; Assembly sequence planning is used to solve the problem of product assembly process sequence and to create assembly process sequence list according to assembly approach or disassembly approach. Assembly movement planning includes assembly path planning and accurate path planning when the part contacts with others during the process of assembling.

Our virtual assembly system , as shown in Fig. 1, is composed by three subsystem saction detection and input subsystem , multi sense synthesize and output system and virtual assembly environment.

Among these three subsystems, action detection and input sub system attain a variety of information from a large number of sensors connected with virtual environment and the exterior real world and then transform the information into the interface of virtual environment. In the sub system , such information will be classified into several types according to its source as follows: input directly signature, environment signature and abnormality signature. In virtual assembly environment, these signatures will be disposed until accurate or fuzzy instructions can be sent in to the virtual world to control or participate intelligently in all kinds of affairs.

31

Fig 1 The structure of virtual assembly system

The goal of output sub system is to export multifarious information through many kinds of virtual equipments. For example, sequence planning and path planning and the operation process can be shown dynamically and the active force can be outputted to external devices, such as data gloves with force feedback sensors, to export the force to the human beings who take part in the virtual environment. Virtual assembly environment sub system has the function as follows: receiving and analyzing the information from action detection and input sub system , deciding what to do by using the module of sequence planning and path planning and operation planning, finally sending the messages to output subsystem to instruct assembly machine to fulfill its assembly task automatically in proper order and in proper assembly path.

2.Key problems and solution strategies

In our virtual assembly system , many twisting knots as follows have been untied so that virtual assembly can be carried through resembling the real environment. In another word, virtual environment looks like true, the objects move and behave just like in the real world. 1) The virtual assembly environment modeling

A new technique of combining 2 dimensional picture and 3 dimensional graphics is Used here to build a virtual environment as shown in Fig. 2, therefore the models have two attributes concurrently real time at tribute and true attribute. All the pictures which constitute the environment come from the real world so that customers will feel true and all objects which must be moved in the environment, such as wheels ,are built based on 3 dimensional solid models or surface models so that the object s can be operated in virtual environment.

[2]

32

Fig 2 The virtual assembly environment modeling

On the other hand, the reality attribute of operation should be considered. Based on the particularity of virtual assembly, a new management module is app lied, namely, a variety of information from act ion detect ion and input sub system such as the information that the part is grasped or released by the robots, are integrated and classified and a new sequence or path planning is produced and series of new orders is reproduced so that the virtual environment can be driven by physical action and real sense in hearing or feeling or taste about the virtual world can be obtained. 2) Dynamics modeling about assembly process

During the process of assembly, assembly force changes and even the state of objects varies frequently so that the contact state among those objects adjust s real time and then the constraint relationship and constraint force change continuously. During this process, immensenon－linear and transient contact state come to exist so that it is difficult to describe the state with a uniform geometry topology models .Therefore, minimum energy method and grid partition method are usually applied in our virtual environment.

3) Auto assembly sequence planning Considering special assembly objects, assembly sequence planning means seeking most optimal part assembly sequence series .In our virtual assembly, the abovementioned problems have been solved chiefly by present in dynamic flow and visualization vividly in the process of assembly and appending instructive knowledge and intelligent participation during searching. 4) Physically－based assembling

Physically based assembling means to append physical at tributes to the geometry model sand to simulate its state through numerical calculation. In other words , the behavior of objects is confirmed automatically by physics attributes. Physical attributes must be taken in to account as follows:

(1) physical at tribute of single part such as weight, mass, moment of inertia, coefficient of friction and Poisson’s ratio;

( 2 )constraints relationship among parts or sub assembly, such as mating between faces, aligning between line and face or between face and face , orienting a face; (3) flexible distortion of parts or subassembly. Generally speaking, the relation among physics attributes and action state of an object can be described as Newton dynamical expression. Based on the expression, the models of object can translate or rotate or even distort in the virtual world just like in the real world. 5) Interference verification

In order to improve the true and real time and accurate attribute during the process of virtual assembly, interference verification must betaken in to action before it is fixed in the assembly. Two steps of in terference

33

verification have been taken in our system .Step 1 Bounding boxes In order to simplify the task of interference verification, a bounding box, bigger than the real object in volume, is used straight forwardly to replace the real object in virtual environment shape. And normally the type we have used is AABB (axis-aligned bounding boxes).Step 2 Accurate detection Some times, when two bounding boxes of two object s interfere but we do not know whether they contact each other or not, there are two accurate detection methods to apply in virtual environment.

1) Based on Boundary Representation Model (B2rep s) , space partition technique is beneficial to reduce the number of part s under checking;

2) Based on Constructive Solid Geometry(CSG) , such as O ct tree interference detection method.

3.Development platform and strategies

The sub subject “the virtual assembly of Double-Grade-In volute-Column-Gear-Retarder ”is accomplished under the support of Hubei province natural science fund subject“Distributed Virtual Design and Manufacturing ”(20011001).The system is developed based on World Tool Kit[ 3 ] , also called WTK, which is a commercial virtual reality tool of SENSE8 Company in United States and a function library constituted by more than 1000 C functions. By invoking these C function s and it s interface with software and hardware, the customers can construct a virtual world where all can be done just like in the real world in behavior and physics attributes. Furthermore, through such virtual reality devices as data gloves and space ball and soon, the interaction between the real world and the virtual world can come into true.

The system of“ virtual assembly of Double Grade in volute- Column-Gear-Retarder ” adopts five layers data structure as shown in Fig. 3.The first layer is hardware layer, including input and output devices such as data gloves, three dimension space balls, stereoscopic glasses, graph accelerate cards, etc. ; The second layer is used as interface for connecting hardware devices and it s main mission is to obtain data from data gloves or to set up parameter about the vision space of both eyes of stereoscopic glasses; The third layer is to build a variety of models—— solid models, framework models, surface models ,which can be established directly in the virtual environment or in other software, such as Auto-CAD, 3D MAX, MDT , Solid Works, Pro∕E , and so on. With the help of such models, we can establish a virtual world w here the behavior and physics attributes can also be embodied; The fourth layer is support tool layer, WTK here;

Fig 3 basic structure of virtual assembly system under W T K

The fifth layer is application layer w here an application is implemented to simulate a real assembly environment.

The application below is built by five layer structures as shown in Fig. 4: virtual assembly of

34

Double-Grade- In volute - Column-Gear-Retarder, which shows the operation of closing the box of the gear retarder.

Fig. 4 virtual assembly of Double-Grade- In volute-Column-Gear-Retarder

References

[1]Wu Xiao, Ding guohu, Wang Jinluo.Study on theory and application of virtual environment modeling[J]. Chinese Machine Engineer , 2001, 2 (2) : 23～25. [2]Liu Jinpeng. Establishing and Realizing Lens Models in IBR V irtual Reality System[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science Engi2neering) , 2002, 26 (6) : 804～806. [3]Tang Qiuhua, Chen ding fang, Kong Jianyi,.Techniques of interface of virtual reality development kits WTK[J]. Journal of Wuhan University of Techno logy,2001, 23 (10) : 38～42.

35

附录B外文翻译-------------译文部分

基于WTK的虚拟装配系统研究

摘要:装配工艺已成为先进制造技术的瓶颈，虚拟装配是解决这一问题的重要手段，研究虚

拟环境下装配系统体系结构和关键技术，对虚拟装配的研究具有决定性作用。本文首先介绍虚拟装配内涵及系统结构，详细说明虚拟装配存在的关键问题及解决途径，并应用双级渐开线圆柱齿轮减速器虚拟装配实例加以论证。 关键词:虚拟现实；虚拟环境；虚拟装配；WTK

1传统虚拟装配系统的结构

虚拟装配系统包括内容如下：产品装配建模子系统，产品装配序列规划，产品装配路径规划和实时动态碰撞检测。此外，产品装配建模子系统可以建立装配关系，并创建装配模型，如实体模型，曲面模型，机构模型，它们通过使用特殊的软件的建模工具或插入一些现有的模式所作的其他建模工具，如Pro /Engineer;装配顺序规划是用来解决产品装配过程顺序问题，并根据装配或拆卸的步骤创建装配过程顺序序列。装配工作规划包括装配路径规划和当工件之间互相有接触时准确的路径规划。

我们的虚拟装配系统如图1所示，是由三个子系统组成-运动检测和输入子系统，多感综合处理和输出系统，虚拟装配环境。

在三个子系统之中，运动检测和输入子系统从大量的传感器与虚拟环境及外部真实环境获取各种信息，然后将信息转化为虚拟环境界面。在这个子系统里，根据其来源这些信息将被归类分为如下好几种类型：直接输入信息，环境信息和异常信息。虚拟装配环境中，这些信息将被处理，直至准确或模糊指示可以发送到虚拟环境。

图1 虚拟装配系统结构

以智能化控制或参与各种事件。子系统输出的目的，是通过多种虚拟设备输出多元化的信息。例如，序列规划和路径规划和运作过程中可以生动的显示并可以将动力输出到外部设备，如力反馈传感器的数据处理，通过人类输出动力参与虚拟装配环境。虚拟装配环境子系统的功能如下：接收和分析从检测和输入子系统得到的信息，从而通过使用模块序

36

列规划和路径规划和运作规划决定怎么做，最后发送信息指示输出子系统自动在适当的顺序和装配路径装配机床执行它的装配任务。

2关键问题和解决方案战略

在我们的虚拟装配系统，许多编织的结如下已被解开，使虚拟装配可以通过类似的实际环境来进行。换句话说，虚拟环境看起来像真实的一样，物体的移动和行为，就像在现实世界中。

1）虚拟装配环境建模的新技术

由二维图片和三维图形相结合，用来建立一个如图2所示的虚拟环境，因此该模型同时有两个属性——实时属性和真正的属性。所有构成环境的图片来自现实世界中，能让客户有真实感。所有物体能在该环境中移动，如轮毂，是建立基于三维实体模型或表面模型，使该物体能运行在虚拟环境中。

图2虚拟装配环境建模的新技术

另一方面，现实的属性操作应该加以考虑。基于虚拟装配的特殊性，新的管理模块被应用，即各种来自行为离子检测仪和输入子系统的信息，如机器人获取或公布的信息部分，被综合性地分类。新的序列或路径规划的产生，一系列新的命令转载，使虚拟环境可以被实际行动操纵，真正意义上的有听觉，感觉，味觉的虚拟世界是可以得到的。 2）装配进程中的动力学模型

在装配进程中，装配压力甚至物体的状态都是经常变化的，以至于这些物体的连接部分实时调整时间。在此过程中，线性和瞬态接触状态实现了，以至于很难描述一个综合了几何与拓扑的模型的状态。因此，最低限度的能量和网格划分方法通常适用于我们的虚拟环境。

3)自动装配顺序规划

考虑到特殊的装配物体，装配序列规划意味着从一系列装配顺序中找出最适宜的一部分。在我们的虚拟装配，上述问题已经解决，主要是在装配行程中有动态流动和生动的可视化和装配和附加启发知识和智能搜索过程中的参与。 4）物理为基础的装配

一物理为基础意味着在几何模型上附加物理属性并通过数值来描述它的状态。换言之，物体的行为由其物理属性确定。物理属性，必须考虑到如下数据： （1） 零件的物理属性，如质量，重量，转动惯量，摩擦系数和泊松比；

37

（2） 部分和组件间的制约关系如面面之间的配合，线与面或面与面之间的校准，面的定

向部分或组件的灵活变化。一般来说，物理属性和物体的行为状态间的关系可用牛顿力学来描述。基于这个理论，物体的模型能够在虚拟世界中翻译，旋转甚至扭曲，就如同在现实世界中一样。

5）干扰核查

为了改善虚拟配置过程中真正和实时和准确的属性，干涉核查必须在转配实施之前进行，我们的系统将干扰校核分为俩个步骤。

步骤1 包络体。

为了简化核查工作的干扰，用一个在体积上大于真正的对象的包络体来取代真正的虚拟环境中的物体形状。通常，我们使用的类型是AABB型。

步骤2 准确检测。

又是俩个对象的包络体互相干扰，但我们不知道他们是否相互联系，有两个准确检测方法适用于虚拟环境：

1）基于边界表示模型（B2rep S）,空间分割技术，有利于减少检查部分的数量。 2）基于构造实体几何（GSG）的，如CT树干涉检查方法。

3开发平台和战略

小组主题“双级蜗壳柱是、齿轮减速器的虚拟装配”是在湖北自然科学基金主题为“分步式虚拟设计和制造”（20011001）。

该系统是基于世界工具软件，也称为WTK,这是一个美国SENSE8公司开发的商业虚拟显示工具，函数库由超过1000个C函数组成。由于这些C函数和它的接口的软件和硬件，客户可以构建一个虚拟的世界，里面可以做到就像在现实世界中一样的行为和物理属性。此外，通过这种虚拟现实设备，如数据手套和空间球。现实世界和虚拟世界的相互影响很快可以成为现实。

这个“虚拟装配双级蜗壳柱齿轮减速器”系统采用5层的数据结构现实图如图3。第一层是硬件层，包括输入和输出设备，如数据嵌套，三维球体，立体眼镜，图形加速卡等；第二层是用作接口用于连接的硬件设备，它的主要任务是从数据嵌套获取数据或为立体眼镜的双眼视觉空间设立参数；第三层是建议多样化模型—实体模型，框架模型，曲面模型，可直接建立在虚拟环境中或在其他软件，如Auto-CAD，3DMAX，MDT，固体工程，Pro/E的，等等。借助这种模式，我们可以建立一个虚拟世界，动作和物理属性在这里也可以体现；第四层是支持工具层，WTK在这里；第五层是应用层，这里有一个应用将执行以模拟真实环境。

图3 基于WTK的虚拟装配系统的基本结构

38

下面的图片，建立了5层结构图如图4。双级蜗壳柱齿轮减速器的虚拟装配，显示了该齿轮减速器在装配完后的操作。

图4双级蜗壳柱齿轮减速器的虚拟装配

参考资料

[1]吴晓，丁国虎，王进洛.研究虚拟环境建模的理论与应用[J].中国机械工程师，2001年，2（2）：23~25. [2]刘金鹏.在IBR技术虚拟现实系统建立和实现镜头模型[J].武汉理工大学期刊（交通科学），2002，26（2）：804~806. [3]唐秋华，陈定方，孔建益.虚拟吸纳是开发元件WTK的接口技术[J].武汉大学技术学的报告，2001年，23（10）：38~42.

39

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4mn6.html