【正文】 前言 目前，隨著 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展，三維實(shí)體造型、虛擬技術(shù)、工況仿真模擬已成為CAD 的重要發(fā)展方向，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方面引起了重大變革。對(duì)有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品，建立三維動(dòng)態(tài)圖形和三維虛擬環(huán)境模擬，可以很好地描述其數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性、裝配過(guò)程的合理性、作業(yè)過(guò)程 的動(dòng)態(tài)性、運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。因此，了解和掌握三維建模方法和動(dòng)態(tài) 模擬技術(shù)十分重要。 此外，在機(jī)械產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的空間干涉問(wèn)題歷來(lái)都是令機(jī)械設(shè)計(jì)工程師深感頭疼的事。按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)人員在一些細(xì)節(jié)問(wèn)題上耗費(fèi)了很大精力，降低了設(shè)計(jì)效率 。而有些錯(cuò)誤又往往具有很強(qiáng)的隱蔽性，給生產(chǎn)造成不應(yīng)有的損失。因此，利用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)工具合理地解決這些問(wèn)題無(wú)疑具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 目前，許多國(guó)內(nèi)外的大型輔助設(shè)計(jì)軟件都包含了機(jī)械裝配和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的功能模塊，例如 PTC 的 PRO/ ME2 CHANICA， SDRC 的 I DEAS， MATRA 的 EUCLID 軟件及 DES的 UG 等。這給設(shè)計(jì)人員提供了更完善的機(jī)械設(shè)計(jì) 途徑。文章主要基于美國(guó) PTC 公司的PRO/E(WILDFIRE)軟件， PRO/ENGINEER 無(wú)論從設(shè)計(jì)工作中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及裝配圖的形成方式，都有操作 容易、使用方便、修改方便的特點(diǎn)，因此在機(jī)械三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。 選擇翅片的自動(dòng)送料裝置作為本次設(shè)計(jì)和裝配對(duì)象，是因?yàn)殡S著機(jī)電一體化的迅猛發(fā)展，不用人工操作或者很少需要人工操作的自動(dòng)化設(shè)備已得到了廣泛的應(yīng)用，不 僅 將逐步取代人工加工的方式，目前國(guó)外的自動(dòng)化程度已經(jīng)達(dá)到了很高的程度，然而我國(guó)的自動(dòng)化程度還不是很高。 1 概述 裝配的基本概念 任何一臺(tái)機(jī)械，都是由許多零件和部件組成的。由零件組裝成整臺(tái)機(jī)械的全過(guò)程稱為裝配。由于機(jī)械的復(fù)雜程度不同，零件的組合情況不同，在 機(jī)械裝配中，根據(jù)零件組合的特點(diǎn)，把機(jī)械的組成單元作如下區(qū)分 ： 1） 零件是機(jī)械組裝的基本單元。它是由一塊材料制成的，不能再進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的分解。在裝配中，有的零件是裝配的基礎(chǔ)，它具有配合基準(zhǔn)面，可以保證裝配在它上面的零件具有正確的相對(duì)位置，這種零件稱為基礎(chǔ)零件。對(duì)于一臺(tái)機(jī)床來(lái)說(shuō)，機(jī)座或機(jī)架就是它的基礎(chǔ)零件。 2） 組件由若干個(gè)零件組成，但不具有獨(dú)立功能。如活塞連桿組成一個(gè)組件，它由 連桿、活塞、活塞銷等零件組成，但它不能獨(dú)立發(fā)生作用，必須與缸體、 缸蓋和曲軸等到協(xié)調(diào)起來(lái)才能進(jìn)行工作。 3） 部件和總成由若干組件或零 件組成，具有結(jié)構(gòu)上和作用上的獨(dú)立性，這樣的組件稱為部件或總成。例如一個(gè)濾清器，只要讓流體從它的內(nèi)部流過(guò)，它就能對(duì)流體起濾清作用，這就可以稱為部件或總成。但習(xí)慣上是把直接組成機(jī)械的單元稱作總成。組成總成的單元稱作部件。例如發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)總成，而燃油泵、濾清器在性質(zhì)上也可稱作總成，但它們是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)總成上的，因此仍稱作部件。 圖 11 機(jī)械裝配路線示意圖 Fig 11 Mechanical assembly Map 機(jī)械裝配的過(guò)程，就是由零件組裝成組件、由組件組裝成部件、裝成總成和最后組裝成 機(jī)械的過(guò)程。圖 11 為這種過(guò)程的示意圖。 傳統(tǒng) 意義 的裝配 傳統(tǒng)制造業(yè)注重規(guī)模效益，以手工裝配為主的傳統(tǒng)的裝配的方法還是能夠適應(yīng)對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需要的。特別是在大規(guī)模生產(chǎn)下，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也大都局限于對(duì)己有產(chǎn)品進(jìn)行局部的改進(jìn)設(shè)計(jì)，這時(shí)，由于設(shè)計(jì)人員及工人已對(duì)產(chǎn)品本身及裝配工藝比較熟悉，還是可以較順利的完成設(shè)計(jì)、試生產(chǎn)、裝配驗(yàn)證、最終成批生產(chǎn)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的 ]1[ 。 但是，隨著全球市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度己成為競(jìng)爭(zhēng)的重要手段之一。近20 年來(lái)，制造業(yè)市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生 了巨大變化 ： 一方面表現(xiàn)為消費(fèi)者興趣的短時(shí)效性和消費(fèi)者需求日益主體化、個(gè)性化及多元化 ； 另一方面則是區(qū)域性、國(guó)際性市場(chǎng)壁壘的淡化或打破，使制造廠商不得不著眼于全球市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)?？焖賹⒍鄻踊漠a(chǎn)品推向市場(chǎng)是制造商把握市場(chǎng)先機(jī)而求生存的重要保障。制造業(yè)要滿足日益變化的用戶需求，其制造技術(shù)必須有較強(qiáng)的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)迎合市場(chǎng)。面對(duì)這樣的市場(chǎng)現(xiàn)狀，傳統(tǒng)裝配的缺點(diǎn)就逐漸暴露了出來(lái) ： 1） 必須等零件全部加工完成之后才可進(jìn)行裝配。 2） 不能體現(xiàn)并行設(shè)計(jì)的思想。 3） 一般要反復(fù)修改，進(jìn)行多次試裝配、周期 長(zhǎng)、成本高、 不能適應(yīng)當(dāng)前敏捷制造的需要。 產(chǎn)品裝配的發(fā)展現(xiàn)狀 由于加工技術(shù)超前于裝配技術(shù)許多年，兩者已經(jīng)形成了明顯的反差，裝配工藝已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于裝配研究的理論和實(shí)際操作方面出現(xiàn)了一些新的理論和方法 ， 近來(lái)，自動(dòng)裝配和柔性 裝配也得到了一定的發(fā)展 。但是，這些發(fā)展方向都不能很好地滿足縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和并行工程的要求。 面對(duì)傳統(tǒng)裝配中出現(xiàn)的問(wèn)題，許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員致力于產(chǎn)品的預(yù)裝配 — 虛擬裝配。這是因?yàn)?: 1） 在虛擬裝配中，由于沒(méi)有制造真實(shí)的產(chǎn)品，大大減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 的成本。 2） 在虛擬裝配時(shí)可以盡可能地解決大部分裝配問(wèn)題，這就使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期大為縮短，使企業(yè)盡早占領(lǐng)市場(chǎng)。 目前，虛擬裝配的研究取得了一些進(jìn)展 :在裝配的路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)仿真、產(chǎn)品的可裝配性評(píng)價(jià)等方面都有一定的突破。但是這些又往往不能支持并行工程。而一些而向產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的軟件雖能支持并行工程。但又是不是面向裝配過(guò)程的。如何把二者結(jié)合起來(lái)是當(dāng)前的一個(gè)研究方向。本文在這方面做了一定的工作，使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)軟件能夠更好地支持虛擬裝配過(guò)程。 虛擬裝配 近年來(lái)，世界機(jī)械制造業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為了 適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求，產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量、成本、服務(wù)成為每一個(gè)現(xiàn)代企業(yè)必須面對(duì)的問(wèn)題。近 20 年來(lái)的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品研制以及實(shí)施途徑的改造，是現(xiàn)代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時(shí)，先進(jìn)的產(chǎn)品研制方法、手段以及實(shí)施途徑，實(shí)際上是產(chǎn)品研制質(zhì)量、成本、設(shè)計(jì)周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數(shù)字化代表產(chǎn)品 波音 777 的展示中，不像以往那樣重點(diǎn)宣傳新型飛機(jī)本身性能如何優(yōu)越，而是強(qiáng)調(diào)他們?nèi)绾纬浞掷脭?shù)字化研制技術(shù)以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊(duì)等方面。波音 777 飛機(jī)項(xiàng)目順利完成的關(guān)鍵是依賴三維數(shù)字化 設(shè)計(jì)與集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì) IPT（ Integrated Product Development Team）（ 238 個(gè)Team） 的有效實(shí)施，保證了飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試以及試飛均在計(jì)算機(jī)上完成。研制周期從過(guò)去的 8 年時(shí)間縮減到 5 年，其中虛擬裝配的工程設(shè)計(jì)思想在研制過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用 ]2[ 。 虛擬裝配的定義 “ 虛擬裝配 ” （ Virtual Assembly）是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用研究。通常有 2 種定義： 1) 虛擬 裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過(guò)程，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段。該定義強(qiáng)調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進(jìn)行定位、分析過(guò)程。 2) 虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。 虛擬裝配的基本設(shè)計(jì)思想及內(nèi)涵 1） 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配（ DesignCentered Virtual Assembly）是指在產(chǎn)品三維數(shù)字化定義應(yīng)用于產(chǎn)品研制過(guò)程中，結(jié)合產(chǎn)品 研制的具體情況，突出以設(shè)計(jì)為核心的應(yīng)用思想，這表現(xiàn)在以下三個(gè)層次，如圖 12 所示 ： 面向裝配的設(shè)計(jì)（ DFA）： 即在設(shè)計(jì)初期把產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與制造裝配過(guò)程有機(jī)結(jié)合，從設(shè)計(jì)的角度來(lái)保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過(guò)程的設(shè)計(jì)思想，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有良好的結(jié)構(gòu)，能高效地進(jìn)行物理裝配，能在產(chǎn)品研制初期使設(shè)計(jì)部門與制造部門之間更有效地協(xié)同工作。 圖 12 虛擬裝配層次圖 Fig 12 Virtual assembly hierarchical graph 自頂向下（ Topdown）的并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)（ CPD） ： 并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程集成、并行地進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)直至消亡的整個(gè)生命周期里的所有相關(guān)因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤和矛盾盡可能及早發(fā)現(xiàn)，以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 與 Master Model 相關(guān)的可制造性設(shè)計(jì)和可裝配 性設(shè)計(jì) ： 產(chǎn)品研制是多部門的協(xié)同工作過(guò)程，各部門間的合作往往受到各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)條件等方面的限制，結(jié)合各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的可制造性、可裝配性，減少零部件模型的數(shù)量和特殊類型，減少材料種類，使用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的零部件，是非常必要的 ]3[ 。以不同階段的Master Model 為核心，可以保證產(chǎn)品研制的不同階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整一致，保證產(chǎn)品研制的各個(gè)部門協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn) CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)的高度集成，有效提高產(chǎn)品的可制造性和可裝配性。 2） 以過(guò)程控 制為中心的虛擬裝配 以過(guò)程控制為中心的虛擬裝配（ ProcessCentered Virtual Assembly）主要包含以下兩方面內(nèi)容。 實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制 。 在產(chǎn)品數(shù)字化定義過(guò)程中，結(jié)合產(chǎn)品研制特點(diǎn)，人為地將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，該過(guò)程可以劃分為三個(gè)階段：總體設(shè)計(jì)階段、裝配設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。通過(guò)對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)階段的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制，以及虛擬裝配設(shè)計(jì)流程。 總體設(shè)計(jì)階段?？傮w設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品研制的初期階段，在此階段進(jìn)行產(chǎn)品初步的總體布局，主要包括：建立主模型（ Master Model）空間；進(jìn)行產(chǎn)品初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。 裝配設(shè)計(jì)階段。裝配設(shè)計(jì)階段為產(chǎn)品研制的主要階段，在此階段產(chǎn)品三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成，主要包括：產(chǎn)品模型空間分配（裝配區(qū)域、裝配層次的劃分）；具體模型定義（建立幾何約束關(guān)系、三維實(shí)體模型等）以及應(yīng)力控制。 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段為產(chǎn)品研制的完善階段，在此階段完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)計(jì)，主要包括 ：完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)計(jì)，進(jìn)行產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)裝配，進(jìn)行全機(jī)干涉檢查。 過(guò)程控制管理 。 過(guò)程模型包含了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程描述、過(guò)程內(nèi)部相互關(guān)系 和過(guò)程間的協(xié)作等方面內(nèi)容。通過(guò)對(duì)過(guò)程模型的有效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程研制過(guò)程中各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的管理，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的目的。 3） 仿真為中心的虛擬裝配 以仿真為中心的虛擬裝配（ SimulateCentered Virtual Assembly）是在產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)模型中，融入仿真技術(shù)，并以此來(lái)評(píng)估和優(yōu)化裝配過(guò)程。其主要目標(biāo)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可裝配性。 優(yōu)化裝配過(guò)程 目的是使產(chǎn)品能適應(yīng)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，合理劃分成裝配單元，使裝配單元能并行地進(jìn)行裝配 ]4[ 。 可裝配性評(píng)價(jià)主要是評(píng)價(jià)產(chǎn)品裝配的相對(duì)難易程度，計(jì)算裝配費(fèi)用，并以此決定產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否需要修改。 基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境 ： 虛擬裝配技術(shù)在焊接小車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，需要以一定的基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境作為平臺(tái)，主要包括以下幾個(gè)方面：協(xié)同工作環(huán)境、統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)以及機(jī)械通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。 1） 協(xié)同工作環(huán)境。有一個(gè)協(xié)同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)支持異地設(shè)計(jì)、異地裝配、異地測(cè)試的工作環(huán)境，特別是基于網(wǎng)絡(luò)的三維圖形的異地快速傳遞、過(guò)程控制、人機(jī)交互的基礎(chǔ)環(huán)境是非常必要的 2） 統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)。焊接小車的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系 統(tǒng)工程，各項(xiàng)工程數(shù)據(jù)在IPT 內(nèi)部以及 IPT 之間進(jìn)行合理流動(dòng)，因此有效的管理是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)，又能對(duì)各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和傳遞，保證在正確的時(shí)間把正確的信息以正確的方式傳遞給正確使用的人。因此，采用統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。 2 Pro/ENGINEER 的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真 本章在前一章的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究在 Pro/ENGINEER 環(huán)境下的虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真的一些內(nèi)容。 Pro/ENGINEER 簡(jiǎn)介 PRO/E 是美國(guó) PTC 公司的大型三維 CAD/CAM/CAE 一體化軟件。 是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件， PRO/E 以其基于特征的參數(shù)化造型、單一數(shù)據(jù)庫(kù)下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世，具有很強(qiáng)的實(shí)體造型和虛擬裝配能力。 被廣泛的用于造型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等的各個(gè)領(lǐng)域。Pro/Engineer 軟件包的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境在支持并行工作，它通過(guò)一系列完全相關(guān)的模塊表述產(chǎn)品的外形、裝配及其他功能 ]5[ 。 Pro/E 能夠讓多個(gè)部門同時(shí)致力于單一的產(chǎn)品模型。包括對(duì)大型 項(xiàng)目的裝配體管理、功能仿真、制造、數(shù)據(jù)管理等。 新版推出的工程軟件 PRO/E ， 它的主要基本功能與以前的版本基本相同，并擴(kuò)展了許多方面的功能 ，賦予軟件 400 多項(xiàng)增強(qiáng)型功能 。 PRO/E 的界面非常友好，清楚明確，以工具條代替文字，使人視覺(jué)和心理都有一種輕松感，它把功能的一部分，像三維平面、坐標(biāo)系、軸線、實(shí)體、外觀等設(shè)置成工具條，使工作效率、方便程度大為提高。 Pro/E 功能模塊介紹 1) 工業(yè)設(shè)計(jì) (CAID)模塊 工業(yè)設(shè)計(jì)模塊主要用 于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)，以前，在零件未制造出時(shí)，是無(wú)法觀看零件形狀的，只能通過(guò)二維平面圖進(jìn)