【文章內容簡介】 變化。但是在裝配環(huán)節(jié)上，人工操作一般都是作為一個生產(chǎn)要素出現(xiàn)，依靠人的技巧和判斷能力來進行復雜的操作，擁有很強的智能性和復雜性，所以在設計技術、加工技術快速發(fā)展的今天，裝配工藝變成了薄弱環(huán)節(jié)，并成為先 進制技術發(fā)展的瓶頸；以往的裝配過程被局限在“設計一一制造 (裝配 )一一評價”與“實物驗證”的封閉時空模式之中，在裝配關系的滯后檢驗，使成本浪費增加，同樣也不符合快速反映市場的需要 [2]。 圖 31 和圖 32 是應用三維繪圖軟件 SolidWorks 繪制成指夾式玉米精量播種器的虛擬裝配體。 XII 圖 31 虛擬裝配 圖 32 虛擬裝配 虛擬裝配是新興的虛擬產(chǎn)品開發(fā)研究的主要內容。應用虛擬裝配技術可以在設計階段驗證零件之中的配合和可裝配性，確保設計的準確性 [3]。 在社會發(fā)展的過程中，虛擬制造成為制造業(yè)發(fā)展的最 為重要的方向之一，并且虛擬裝配作為虛擬制造的核心技術之一也越來越吸引人們的關注。虛擬裝配技術有助于對現(xiàn)有產(chǎn)品零部件進行虛擬分析和虛擬設計，同時也有助于解決零部件從設計到生產(chǎn)出現(xiàn)的一些技術問題，以達到縮短機械產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本及優(yōu)化 XIII 產(chǎn)品性能等目的 [4]。 在大多數(shù)世界級大企業(yè)中被廣泛應用的計算機輔助三維設計 (CAD/CAM)的高端主流軟件 SolidWorks 的裝配一些模塊就采用了虛擬裝配技術。即使是在產(chǎn)品設計的初期階段，所產(chǎn)生的最初模型也可以放入虛擬環(huán)境進行實驗，并在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建產(chǎn)品模型，使產(chǎn)品的外 表、形狀和功能得到模擬，同時有關產(chǎn)品的人機交互性能也能得到測試和校驗，產(chǎn)品的缺陷和問題在設計階段操作人員就能被及時發(fā)現(xiàn)并加以解決 [5]。圖 33 是虛擬裝配的實施方案和步驟。 圖 33 虛擬裝配的實施方案和步驟 裝配體的設計生成方法有兩種：自上而下設計和自下而上設計兩種，也可以將兩種方法結合使用。無論采用哪種方法，其目標都是配合這些零部件，以便生成裝配體或子裝配體。 （ 1）自下而上 自下而上設計方法是比較傳統(tǒng)的方法。在自下而上設計中，首先生成零件并將其插入裝配體，然后根據(jù)設計要求配合零件。當時用以前生成的零件時，自下而上的設計方案是首選的方法。 自下而上設計法的另一個優(yōu)點是因為零部件是獨立設計的，與自上而下設計相比，它們的相互關系及重建行為更為簡單。使用自下而上設計方法可以專注于單個零件的設計工作。當不需要創(chuàng)建控 制零件大小和尺寸的參考關系時，則此方法較為適用（相對于其他零件）。 XIV （ 2）自上而下 自上而下設計法是從裝配體中開始設計工作的，這是兩種設計方法的不同之處?？梢允褂靡粋€零件的幾何體來幫助定義另一個零件，或生成組裝零件后才添加的加工特征?？梢詫⒉季植輬D作為設計的開端，定義固定的零件位置、基準面等，然后參考這些定義零件來設計零件。 例如，可以將一個零件插入到裝配體內，然后根據(jù)此零件生成一個夾具。使用自上而下設計法在關聯(lián)中生成夾具，這樣參考模型的幾何體，通過與原零件建立幾何關系來控制夾具的尺寸。如果改變了夾具的零 件尺寸，家居會自動更新。 SolidWorks 在 3D 打印中的應用 伴 隨 著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和個性化產(chǎn)品時代的到來，工業(yè)機械產(chǎn)品的更新?lián)Q代比以往任何時候都要迅速。對于大型企業(yè)來說，使用傳統(tǒng)的設計方法，其產(chǎn)品將會在設計階段的時間停留時間增長，該類產(chǎn)品推向市場所需要的時間也會相應大幅度地的增加，甚至在極端局面下也會出現(xiàn)某新產(chǎn)品尚未推出就因為競爭對手搶先推出類似產(chǎn)品而導致市場被對手控制，從而導致企業(yè)前期設計階段投入的成本無法收回，因此對多數(shù)企業(yè)來說，將新產(chǎn)品盡快推向市場是目前企業(yè)急待解決的關鍵問題之一。 當前 在全球范圍內一直備受關注的 3D打印技術是解決此類問題比較好的途徑之一。 3D 打印技術，是在計算機三維設計模型為基礎上，通過三維軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，制造出機械產(chǎn)品（利用激光束、熱熔噴嘴等方式使之疊加成型）。它和傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方法對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不一樣， 3D 打印將三維實體變?yōu)槎鄠€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產(chǎn)，很大程度上降低了制造的復雜性。值得一提的是這種數(shù)字化制造模式?jīng)]有復雜的工藝、不用龐大的機床、更不需要眾多的人力，可以直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中便能夠 生成各種形狀的零件，使生產(chǎn)制造能向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。使用 3D打印技術，企業(yè)可以用幾個小時完成以往需要幾天或者幾個星期才能制造出來的產(chǎn)品，從而更大程度的降低設計成本，提高生產(chǎn)產(chǎn)品的上市周期。 用 SolidWorks 繪制指夾圓盤所做的準備 當張老師把玉米播種器交給我們之后 ， 我們將它拆開并取出指夾圓盤 。 在接下來大概一周的時間，查閱有關曲面建模的 SolidWorks 書籍以及隨書光盤內附帶的視頻教程。反復訓練之后 ， 我開始著手繪制圖形。在機械制造教研室內，借到測量工 XV 具游標卡尺，開始測量有關數(shù)據(jù)。 處理完數(shù) 據(jù)，利用現(xiàn)有條件繪制圖形。在繪圖過程中，遇到問題后，先檢查確定輸入無誤后，通過查閱在圖書館借閱的書籍或詢問班內在 SolidWorks 軟件學的比較好的同學，最后要是無法解決問題，也會請教張峻暉老師，并聽取張老師給予的建議進行修改。比如說陣列和筋的問題。 在三維軟件 SolidWorks 中繪制指夾圓盤 草圖繪制在 SolidWorks 三維制圖中是非常重要的。在三維零件的繪制過程中，草圖是基礎。在草圖繪制的基礎上，再對模型利用拉伸、旋轉等命令生成三維實體。草圖是三維造型的基礎，主要包括基本是體繪制、尺寸標注和 建立幾何關系這 3 個過程。在這里，基本實體也稱基本二維平面幾何圖形，包括直線、矩形、圓、圓弧、樣條曲線、文字等。草圖分為二維和三維兩種，大部分 SolidWorks 特征都是從二維草圖繪制開始的。 草圖繪制狀態(tài)和特征定義狀態(tài)有明顯的區(qū)分標志，設計者可以很容易清楚自己的操作狀態(tài)；單擊 單擊式或單擊 拖動式；單擊 單擊式的繪制方式非常接近AutoCAD 軟件 。 繪制草圖過程中的動態(tài)反饋和推理可以自動添加幾何約束，使得繪圖時非常清楚和簡單；圖中采用不同的顏色顯示草圖的不同狀態(tài)； 并且隨時 檢查草圖的合理性 。 利用零件和裝配 體的配置不僅可以利用現(xiàn)有的設計，建立企業(yè)的產(chǎn)品庫，而且解決了系列產(chǎn)品的設計問題；配置的應用涉及零件、裝配和工程圖；使用裝配體輕化，可以快速、高效地處理大型裝配，提高系統(tǒng)性能；動畫式的裝配和動態(tài)查看裝配體運動 。 XVI 繪制如圖 34 所示的草圖： 圖 34 草圖 首先，繪制直徑為 140 的圓，再繪制邊長為 200 的正方形，之后繪制夾角為 30度的直線。最后，利用剪切線修剪圖形，就得到如圖所示的圖形。完成草繪后，利用拉伸凸臺 /基體命令，得到如下圖所示的實體。 利用三維軟件 SolidWorks 繪 制指夾圓盤的圖示過程 點擊“切除拉伸”命令，切除多余部分。如圖 35 所示。 圖 35 指夾圓盤實圖 1 XVII 對圖 35 所得實體進一步“切除拉伸”，如圖 36 所示。 圖 36 指夾圓盤實圖 2 XVIII 運用“圓周陣列”命令，圖形預覽如圖 37 所示。 點擊生成命令，生成如圖 37 所示圖形。 圖 37 指夾圓盤實圖 3 XIX 在圓盤上拉伸凸臺 /基體，如圖 38 所示。 圖 38 指夾圓盤實圖 4 切除拉伸凸臺，如圖 39 所示。 圖 39 指夾圓盤實圖 5 XX 在圓盤上繪制如 圖 310 所示的筋。 圖 310 指夾圓盤實圖 6 應用“圓周陣列”命令，陣列生成的筋，如圖 311 所示。 圖 311 指夾圓盤實圖 7 XXI 對凸臺進行倒“圓角”，如圖 312 所示。 圖 312 指夾圓盤實圖 8 完成指夾圓盤的繪制，如圖 313 所示。 圖 313 指夾圓盤實圖 9 XXII 利用三維軟件 SolidWorks 繪制撥爪圓盤的圖示過程 在草圖基準面上繪制草圖。 應用“放樣”命令，得到如圖 314 所示的放樣圖形 1。 圖 314 撥爪圓盤實圖 1 XXIII 在放樣圖形 1 上，應用“放樣命令”，得到放樣圖形 2，如圖 315 所示。 圖 315 撥爪圓盤實圖 2 對拉伸切除 1 進行“圓周陣列”，如圖 316 所示。 圖 316 撥爪圓盤實圖 3 XXIV 對拉伸凸臺 /基體 1 進行“圓周陣列”，如圖 317 所示。 圖 317 撥爪圓盤實圖 4 對指夾圓盤“拉伸切除”，如圖 318 所示。 圖 318 撥爪圓盤實圖 5 XXV 撥爪圓盤的最終圖形，如圖 319 所示。 圖 319 撥爪圓盤實圖 6 利用三維軟件 SolidWorks 繪 制撥爪圓盤的撥爪圖示過程 撥爪的“拉伸凸臺 /基體 1”，如圖 320 所示。 圖 320 撥爪實圖 1 XXVI 撥爪的“拉伸凸臺 /基體 2”，如圖 321 所示。 圖 321 撥爪實圖 2 對拉伸凸臺 /基體 2，進行倒“圓角”。 XXVII 圖 322 撥爪實圖 3 指夾圓盤實圖 19 是玉米播種器指夾圓盤的建模過程 撥爪圓盤實圖 16 是玉米播種器撥爪圓盤的建模過程 撥爪實圖 13 是玉米播種器撥爪圓盤上的撥爪的建模過程 生成 STL 文件 對于 STL 文件的介紹： 標準模板庫 （ STL， 即 Standard Template Library）， 是一個 C++軟件庫 ， 也是C++標準程式庫的一部分。模板是 C++程序設計語言的一個比較新的重要特征，而標準模板庫（ STL）正是基于此特征。標準模板庫（ STL）使得 C++編程語言在有了同 Java 一樣強大的類庫的同時，保有了更大的可擴展性 [6]。 STL = STL 文件 ， 一種 3D 模型文件格式 STL（ STereo Lithography 的縮寫 ） STL 文件格式是由 3D SYSTEM 公司于 1988 年制定的一個接口協(xié)議 ， 是一種為快速原型制造技術服務的三維圖形文件格式。 STL 文件由 多個三角形面片的定義組成，每個三角形面片的定義包括三角形各個定點的三維坐標及三角形面片的法矢量。三角形頂點的排列順序遵循右手法則。 STL 文件有 2 種類型： ASC 域格式和二進制格式 ASC 域格式。 STL 模型是以三角形集合來表示物體外輪廓形狀的幾何模型。在實際應用中對STL 模型數(shù)據(jù)是有要求的，尤其是在 STL 模型廣泛應用的 RP 領域，對 STL 模型數(shù)據(jù)均需要經(jīng)過檢驗才能使用。這種檢驗主要包括兩方面的內容： STL 模型數(shù)據(jù)的有效性和 STL 模型封閉性檢查。有效性檢查包括檢查模型是否存在裂隙、孤立邊等幾何缺陷；封閉性檢查 則要求所有 STL 三角形圍成一個內外封閉的幾何體。本文中討論的 STL 模型重建技術中的 STL 模型，均假定已經(jīng)進行有效性和封閉性測試，是正確有效的 STL 模型。 由于 STL 模型僅僅記錄了物體表面的幾何位置信息，沒有任何表達幾何體之間關系的拓撲信息，所以在重建實體模型中憑借位置信息重建拓撲信息是十分關鍵的步驟。另一方面，實際應用中的產(chǎn)品零件 (結構件 )絕大多數(shù)是由規(guī)則幾何形體 (如多面體、圓柱、過渡圓弧 )經(jīng)過拓撲運算得到，因此對于結構件模型的重構來講拓撲關系重建顯得尤為重要。實際上，目前 CAD/CAM 系統(tǒng)中常用的 Brep 模型即是基于 XXVIII 這種邊界表示的基本幾何體素布爾運算表達的。 因此 STL 模型重建的過程如下：首先重建 STL 模型的三角形拓撲關系；其次從整體模型中分解出基本幾何體素；重建規(guī)則幾何體素；然后建立這些幾何體素之間的拓撲關系；最后重建整個模型。 目前常用的逆向軟件有： ProE、 UGNX、 CATIA、 Imageware、 Geomagic Studio、CopyCAD、 RapidForm 等。 打開 SOLIDWORKS 軟件，再打開繪制的三維圖形玉米指夾圓盤，之后點擊另存為并在保存類型里選擇 STL(*.stl) 格式，文件名命 名為指夾圓盤。 同理，生成撥爪圓盤和撥爪兩個零件的的 STL 文件，并分別命名為撥爪圓盤和撥爪。 XXIX 4 指夾式精量播種器指夾圓盤的快速成型制造 快速成型技術 簡介 快速成型技術 的概念 快速成型 (RapidPrototyping)技術是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù) CAD 模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術總稱，它集成了 CAD 技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代科技成果，是先進制造技術的