摘 要

行星齿轮传动具有诸多优点，被广泛地应用于机械行业。很多场合需要对行星齿轮减速器进行相关拆卸工作，例如工科教学、企业员工培训、相关参观学习等等。但是现实中的拆卸会引来各种问题，比如工科教学时需要购进相当数量的机械设备，企业员工培训时会导致零部件损耗和拆卸工具损耗，学习参观时不能够很好的学习了解机械内部的具体结构。为了解决这些问题，可以利用虚拟现实技术对其进行相关拆卸仿真。

使用行星齿轮减速器虚拟拆卸系统，可以减少在现实世界场景中的行星齿轮减速器拆卸所带来的器械购进成本、拆卸工具成本、拆卸安全隐患，并且可以增加对减速器重复性拆卸的便利性，甚至对于行星齿轮减速器的拆卸可以拓宽为起重运输机械、航空航天机械等行业的拆卸仿真。由此看来，机械的拆卸仿真的研究设计对于当前科技以及工业的发展状况显得尤为重要。

本课题以行星齿轮减速器为研究对象，开发其交互式拆卸仿真系统，具体研究的内容主要包括以下几个方面：

（1）根据初始条件，完成了NGW（二级）行星齿轮减速器的参数设计计算，并进行相关校核；

（2）使用三维建模软件SolidWorks 2014,完成了行星齿轮减速器三维几何模型建立，并使用动画制作软件3ds Max 2015，完成了减速器模型的再加工工作；

（3）通过分析行星齿轮减速器的装配及拆卸工艺，分析物理属性（重力、阻力、惯性等）及碰撞检测关键技术，结合C#脚本语言，完成了对行星齿轮减速器交互式拆卸仿真系统的构建，实现了交互式虚拟拆卸过程的真实性。

关键词：行星齿轮减速器；虚拟现实；Unity3D；三维建模；拆卸仿真

Abstract

Planetary gear drive has many advantages, so it has been widely used in mechanical industry. It is necessary for us to disassemble the planetary gear reducer in many situation such as engineering education,enterprise staff training and related visit. But the reducer disassembly which is in the real world always leads to a variety of problems, such as huge spending on purchase of machines, the wastage of reducer parts and disassembly tools, that people who are going to visit and learn planetary gear reducer are disabled to fully understand the specific structure of the internal machinery. In order to solve these problems, we can make use of the virtual reality technology which has been developed in recent years to simulate mechanical disassembly.

The use of planetary gear reducer virtual disassembly system will reduce the cost of purchase on reducers,the cost of purchase on disassembly tool and the risk of disassembly.At the meantime it will increase the convenience of repeated reducer disassembly.Also planetary gear reducer disassembly can be theoretically expanded for the simulation hoist-transporting machine, aerospace machine and so on.It appears that the design of mechanical disassembly simulation is significant for the development of science, technology and industry.

This paper takes planetary gear reducer as the object of study and develops its interactive disassembly simulation system. The specific research contents include the following aspects:

(1) complete the main parameter design of NGW(II)planetary gear reducer according to the initial conditions,and complete the check of it;

(2)complete modeling ofthe planetary gear reducer by SolidWorks 2014, and the reprocess of the reducer model by the animation software,3ds Max 2015;

(3)analyse the physical properties(gravity, inertia resistance,etc)and the key technology of collision detection according to the analyse of planetary gear reducer assembly and disassembly process,and combined with the C# scripting completingthe construction of the planetary gear reducer interactive disassembly simulation system,also realize the authenticity of the interactive virtual disassembly process.

Key words:Planetary gear reducer;Virtual reality;Unity3D;3D modeling;Virtual disassembly

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题提出的目的及意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 研究的主要内容 3

1.4 本章小结 3

第2章 行星齿轮减速器的设计计算 5

2.1 行星传动系统概述 5

2.2 行星齿轮减速器总体设计 5

2.3 主要参数计算 6

2.3.1 初始参数 6

2.3.2 几何尺寸计算 6

2.3.3 啮合参数的计算 7

2.3.4 齿数及行星轮应满足的条件 9

2.3.5齿轮强度验算 11

2.4 本章小结 11

第3章 行星齿轮减速器三维模型建立 13

3.1 零部件模型的建立 13

3.1.1选择基准面 13

3.1.2草图绘制 14

3.1.3零部件实体造型 14

3.1.4零部件装配 15

3.2 模型的再加工 17

3.2.1 零部件的命名 17

3.2.2 零部件的分组 17

3.2.3 格式的转换 18

3.3 模型的渲染 18

3.4 本章小结 19

第4章 交互式拆卸仿真系统的实现 20

4.1 Unity3D简介 20

4.2 系统功能概述 20

4.3 拆卸系统的策划及准备工作 21

4.3.1 系统的策划 21

4.3.2 准备工作 21

4.4 碰撞检测 22

4.5 物理属性 24

4.5.1 添加刚体组件 24

4.5.2 物理材质的设置 25

4.6 拆卸路径 25

4.7 脚本编写 26

4.7.1 视角旋转 26

4.7.2 视角缩放 27

4.7.3 选取零部件 28

4.7.4 拆卸路径 29

4.7.5 操作说明 31

4.7.6 拆卸路径规划 31

4.7.7 改变拆卸用力 32

4.7.8 重新载入 33

4.7.9 系统退出 34

4.8 本章小结 34

第5章 虚拟拆卸程序对环保的影响及其经济性效益 35

5.1 环境保护的现状及其意义 35

5.2 虚拟拆卸对环境保护所能做的贡献 35

5.3 虚拟拆卸所能带来的经济性效益 35

5.4 本章小结 36

第6章 全文总结与展望 37

6.1 全文总结 37

6.2 工作展望 37

参考文献 39

致 谢 40

第1章 绪论

目前，虚拟现实已经是人们耳熟能详的词汇，在娱乐、军事、网上购物、企业培训、教育等等行业都能见到虚拟现实的身影。虚拟现实技术将真实世界中存在的物体映射入计算机，并将其赋予物理属性，让人们在计算机上，能够更加真实地感受到虚拟世界的“真实性”。优秀的仿真系统要求相应的仿真程序具有如下特点：1)多感知性，除了计算机所通有的视觉感之外，还应该有听觉感知，触觉感知，运动感知等等；2）真实感，让系统用户能够在虚拟环境下能够容易地辨别物体，感受到对象的真实感；3）交互性，仿真系统应该让用户能够实时的参与到环境中，与计算机进行交互作用；4）自主性，虚拟环境中的物体应该有现实世界的相应运动规律^[1]。本文针对于行星齿轮减速器的虚拟拆卸仿真的交互性及自主性做相关研究及设计。

1.1 课题提出的目的及意义

在目前经济及科技迅速发展的情况下，各种机械机构越来越人性化，同时也能满足各个场景下的使用要求，但是同时随着生活水平和企业能力的提高，人们对各式各样的机械机器也有了更高的要求。在齿轮传动领域里对齿轮传动的传动比范围、传动效率、结构性、精度等等一系列属性都有了新的要求。在齿轮传动中，有一种传动形式叫做行星齿轮传动，行星齿轮传动是指在齿轮传动中，至少有一个齿轮的轴心是围绕着其他轴心旋转的齿轮系。行星齿轮传动依靠着如下优点：1）体积小、质量小、结构紧凑，承载能力大；2）传动效率高；3）传动比较大；4）传动平稳；5）抗冲击和抗振动能力强等等^[2]。这些优点使它广泛地被应用于机械行业的各个领域，例如工程机械、矿山机械、冶金机械、起重运输机械、轻工机械、石油化工机械、军工机械、机床、机器人、汽车、轮船、仪器仪表等^[3]。行星齿轮减速器在工业领域具有着重要的地位。

经济和科技的发展离不开教育的发展，目前我国的教育行业发展也十分迅速，其中本科生的工科教学任务就对我国工业以及其他各个行业的发展显得十分重要。工科本科生在走向工作岗位前充分地学习科学文化知识是十分有必要的，但是纸质教育往往不能达到很好的效果，特别是当学生在学习复杂机械结构的工作原理时，要求其自己有足够的空间想象能力以及其他相关能力，才能够很好的了解掌握其工作原理。为此，虚拟现实技术作为近几年发展起来的关键技术之一，能够较好地改善当前工科教育业和其他相关行业的发展现状。目前，虚拟现实技术已经较为广泛应用于医学，娱乐，军事航天，室内设计，房产开发，工业仿真等各个领域。随着虚拟现实技术的发展，人们在工业仿真领域里面对仿真的要求越来越高，逐渐从简单的自动化仿真发展到“实时”，“实地”的仿真，要求相应的仿真系统在充分满足人们观察学习的基础之上，能够通过鼠标键盘，虚拟手套，六自由度无线位置跟踪器等输入设备来实现人机互动，让人们更能感受到仿真系统的“真实性”。合适地使用虚拟现实技术能够很好地提高工科教学效率，企业员工培训效率等等。目前我国的大型复杂设备以及精细仪器仪表设备已经在设计和制造上已经获得了重大的功绩，很多国内机械厂商例如徐州重工，振华重工等等厂商的产品已经是著名国内外了，远销海外，虚拟现实软硬件也有很高地发展，但是在虚拟现实技术的应用方面还有待提高。目前，交互式虚拟拆卸还处于新兴发展阶段，还没有很好的完善，比较完善的工业仿真系统应该具有：1）多感知性；2）真实感；3）交互性；4）自主性。对此，本文针对于仿真系统的交互性和自主性进行相关的研究与设计。完成对行星齿轮减速器的交互式拆卸系统的设计与建立。

1.2 国内外发展现状

基于虚拟拆卸的虚拟现实技术发源于军事工业，对于很多安全性不好、结构复杂或者规模巨大的机械来说，现实中的拆卸往往不能够满足实际需求。为此，虚拟拆卸技术就可以很好的满足这一方面的需求。虚拟拆卸系统具有很好的可靠性，不受场地地理因素限制，可以重复使用，没有机械零部件损耗。