【文章內(nèi)容簡介】 過程中的碰撞檢測，這種表示方法容易實現(xiàn)異地異構環(huán)境下的產(chǎn)品信息共享。從集成制造系統(tǒng)來考慮，虛擬裝配只是虛擬產(chǎn)品設計的技術之一。在分布式虛擬裝配環(huán)境中， 采用三維軟件對產(chǎn)品進行建模，再提取所需要的模型數(shù)據(jù)。 虛擬裝配 關鍵環(huán)節(jié) 虛擬裝配關鍵環(huán)節(jié) 包括 裝配序列和路徑規(guī)劃 [8]。 裝配序列規(guī)劃是虛擬裝配過程中的重要環(huán)節(jié) ， 主要 是 研究 出 裝配序列的生成和可行性分析，其目的就是找出一條合適的滿足條件的裝配序列，由此序列可逐步把零件裝配成產(chǎn)品 ， 為下一步實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程仿真提供基礎。裝配路徑規(guī)劃在建模和序列規(guī)劃的基礎上 ，進行裝配路徑分析，確定一條沒有干涉的有效裝配路徑。建立虛擬裝配序列和路徑一是要建立合適的裝配結構樹，二是通過零件的裝配信息生成裝配序列，在零部件拆 ／ 裝過程中，還要通過干涉檢查來檢驗零件在空間位置是否發(fā)生沖突，驗證產(chǎn)品的可裝配性。 虛擬裝配的發(fā)展 面向 虛擬裝配技術的研究目前分為兩個階段：一是采用裝配過程可視化手段并運用 干涉檢查工具，直觀地展示產(chǎn)品裝配過程中零部件的運動形態(tài)和空間位置關系，并提供裝配序列的性能及其優(yōu)化結果。二是基于虛擬現(xiàn)實技術構造虛擬的產(chǎn)品裝配環(huán)境，操作人員 通過計算機構建的虛擬環(huán)境 來 分 析 產(chǎn)品的裝配順序和效果。華盛頓州立大學與美國國家標準技術研究所 NIST合作開發(fā)的虛擬裝配設計環(huán)境 VADE，通過生成一個用于裝配規(guī)劃和評價的虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中利用工程師的裝配設計意圖實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃 [9]。清華大學結合 863/CIMS WPD項目攻關及應用需求，在 三維 軟件Pro/Engineer的基 礎上，開發(fā)虛擬裝配支持系統(tǒng) VASS，該系統(tǒng)能夠基于三維實體模型 5 在計算機上實施產(chǎn)品及其部件的數(shù)字化預裝配，實現(xiàn)裝配工藝規(guī)劃，驗證產(chǎn)品可裝配性，并生成能夠指導實際裝配作業(yè)的裝配工藝規(guī)程和卡片。浙江大學 CAD＆ CG國家重點實驗室開發(fā)了完全沉浸式虛擬裝配原型系統(tǒng) IVAS，提出通過“用戶引導的拆卸”進行拆卸過程仿真，得到零部件的拆卸順序和拆卸路徑，從而確定產(chǎn)品的裝配序列，通過實時碰撞檢測機制自動保證拆卸過程的有效性。從目前的現(xiàn)狀和 發(fā)展趨勢來看，國內(nèi)外虛擬裝配的研究和實現(xiàn)主要集中在以下幾個方面： 1． 裝配信息的獲取、表達和處理 獲取零件模型及其裝配關系信息，在計算機內(nèi)有效地表達裝配體內(nèi)在和外在的關系，在虛擬環(huán)境中充分利用信息存儲結構表達和處理裝配信息，對最終生成整個裝配過程有著重要的意義。 2． 虛擬裝配中信息傳輸和信息 集成 虛擬裝配關鍵在于希望能夠處理異構的 虛擬 環(huán)境，直接實現(xiàn)裝配過程的動態(tài)仿真。裝配體作為產(chǎn)品功能的最終體現(xiàn)，其設計和分析要求設計者，制造商等人員的協(xié)同參與，需要有相應的工具和環(huán)境支持這種協(xié)同工作，協(xié)同裝配設計正成為新的研究熱點。 本 設計 主要 研究 內(nèi)容及意義 本設計主要內(nèi)容 汽車零部件的制造過程開發(fā)是新產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一，它將直接影響到一個產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和開發(fā)周期的長短，所以一個高質(zhì)量的制造過程是產(chǎn)品質(zhì)量好壞的首要前提。變速器操縱機構是汽車的關鍵零部件，主要完成 2擋， 4擋， 5擋和 倒擋以及相關感應部件的功能。 本設計以某微型車變速器操縱機構為研究對象，基于虛擬現(xiàn)實技術原理對其 進行 三維 建模 并 虛擬裝配過程 ,從而實現(xiàn)汽車變速器操縱機構的動態(tài)裝配 。零部件三維實體建模、模擬裝配和運動仿真均通過 PTC公司 Pro/ENGINEER軟件實現(xiàn)。本設計的主要內(nèi)容包括以下部分： (1)運 用三維軟件 Pro/E建立 變速器操縱機構 零部件的三維幾何模型和裝配模型 。 (2)制定出該操縱機構最優(yōu)的裝配序列 。 (3)基于虛擬現(xiàn)實技術 , 對 變速器操縱機構進行 動態(tài)裝配過程中的干涉進行檢查 。 本設計研究意義 隨著全 球市場的激烈競爭，加快產(chǎn)品開發(fā)速度已成為競爭的重要手段之一，快速將多樣化的產(chǎn)品推向市場是制造商把握先機而求生存的重要保障，而傳統(tǒng)裝配 需要反復修改， 多次進行試裝配，周期長，成本高，不能適應當前敏捷制造的需要。在虛擬裝配中，由于沒有制造真實的產(chǎn)品，大大減少開發(fā)成本，并且在虛擬裝配時可以盡可能地解決大部分裝配問題，這就使新產(chǎn)品開發(fā)的周期大為縮短，使企業(yè)盡早占領市 場。 6 本設計則是基于 Pro/E三維軟件，以虛擬現(xiàn)實技術為基礎進行實體建模及裝配從而達到對變速器操縱機構的裝配工藝進一步深入 了解； 這樣可以從本質(zhì)上提高制造效率 ，節(jié)省勞動力，節(jié)約生產(chǎn)資源 ；加快了解汽車企業(yè)生產(chǎn)工藝設計、制造及應用的過程。 7 第 2 章 變速器操縱機構零件三維建模 三維建模技術 三維建模技術作為虛擬 現(xiàn)實 技術的重要基礎，經(jīng)歷了一個長時間的發(fā)展階段。計算機繪圖起源于 20世紀 50年代 [10]。 20世紀 70年代及 80年代初是計算機繪圖的 迅猛 發(fā)展時期 [7]。計算機設計與制造技術的發(fā)展，使計算機的運算速度和集成化速度大大提高，成本大副下降，從而微型機得到普及，圍繞微型機開發(fā)的繪圖軟 件和計算機輔助設計軟件層出不窮。伴隨著計算機圖形學的發(fā)展，在機械設計領域，設計工具經(jīng)歷了從圖板到二維設計軟件，再到三維建模軟件的變革。如果認為從圖板到二維設計軟件的遷移，方便了設計人員對圖樣信息的產(chǎn)生、加工、存儲和傳遞，只是形式的改變，本質(zhì)上并沒有多大的進展；那么，三維造型軟件的出現(xiàn)在設計領域中邁出了革命性的一步。 三維建模 徹底改變了傳統(tǒng)的設計理念 — 從設計人員依靠想象力繪制各種視圖，到直接繪制三維模型，再由計算機自動生成詳細的視圖。這使設計人員從想象各種視圖的困境中解放出來。對于復雜的模型，更可避免傳統(tǒng)設計 方式難以避免的錯誤。而且，相對于平面模型而言，實體模型不僅可以提供集合拓撲信息 還可以包含模型的材料、質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉動慣量等物理信息。實體模型有以下諸多優(yōu)點： (1)實體模型可以通過投影變換轉換為二維圖形，稍作修改即可輸出為工程圖 紙。 (2)實體模型可以直接輸出到數(shù)控機床或快速成型系統(tǒng) 。 (3)實體模型包含大量的物理信息，可以作為有限元分析或動力學分析的起點 。 (4)采用實體模型可以直觀地模擬系統(tǒng)的運動，便于發(fā)現(xiàn)構件的干涉。 目前，比較常用的三維設計軟件如： Solid Edge, Solid Works, UG 和 Pro/E等都具有相當完善的實體建模技術。根據(jù)客觀條件和 Pro/E軟件的特點，本課題選擇 Pro/E軟件進行微型車車變速器操縱機構的實體建模。 建模軟件介紹 Pro/E全稱為 Pro/Engineer， 是目前國內(nèi)應用最為廣泛的大型 CAD/CAE/CAM集成三維參數(shù)化軟件，功能強大，內(nèi)容豐富，涵蓋了設計、分析、加工、管理等各個領域。在目前三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機 CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的 CAD/CAM軟件之一 [11]。Pro/E運用 參數(shù)化設計 理論 ，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設 8 計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 Pro/Engineer基本特征如下： 1． 參數(shù)化設計和特征功能 Pro/Engineer 是采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征 的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 2． 單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上 [12]。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點 ，使得設計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場 。 Pro/Engineer 功能如下： (1)特征驅動 (例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等 )。 (2)參數(shù)化 (參數(shù) =尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等 )。 (3)通過零件的特征值之間，載荷 /邊界條件與特征參數(shù)之間 (如表面積等 )的關系來進行設計。 (4)支持大型、復雜組合件的設計 (規(guī)則排列的系列組件，交替排列，各種能用零件設計的程序化方法等 )。 (3)貫穿所有應用的完全相關性 (任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動 )。其它輔助模塊將進一 步提高擴展 Pro/ENGINEER的基本功能。 建模過程綜述 對于一個復雜機構，其建模的方法一般是先創(chuàng)建多個零件，然后將這些零件裝配在一起。 Pro/ENGINEER 基于特征的零件建模過程就是模仿零件的加工過程，即各特征的建立順序應盡可能與零件的加工順序一致。一般零件建模的方法就采用以上介紹的建模方法，建模過程如下： (1)根據(jù)零部件的結構特點，先建立一個基本體素或掃描特征作為零件的毛坯； (2)再參照零件的粗加工過程逐步創(chuàng)建零件的孔、鍵槽、型腔、凸臺、凸墊及用戶定義等特征； 9 (3)最后參照零件的精 加工過程創(chuàng)建倒圓、倒角、螺紋、修剪和陣列等特征。由于圓柱、塊和錐等基本體素屬非關聯(lián)性特征，它們不與已建立的幾何對象關聯(lián)。因此，為了保證模型的可修改性，在一個零件模型中創(chuàng)建的基本體素不要超過 1個，而且基本體素一般被作為第一個特征。 下面具體以“一二擋零件總成”來詳細說明建模過程。 一二擋換擋總成的建模 1． 一二擋 換 擋 軸建模 (1)運行 Pro/E。單擊新建“文件”工具欄中的新建工具，彈出“新建”對話框，如圖 。 (2)點選“類型”選項中的“零件”單選按鈕，點選子類型選項中的“實體”按鈕，并在名 稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選“使用默認模板”復選框，單擊確定彈出新建文件選項的對話框。 (3)選擇“ mmns_part_solid”模板，確定單位為毫米 /牛頓 /秒，單擊確定完成如圖 。 圖 新建窗口 圖 選擇單位類型 (4)創(chuàng)建草繪圖形。選擇 TOP面為基準平面， Right為基準平面，單擊確定進入草繪截面如圖 。 (5)根據(jù)二維圖紙繪制出換擋軸的草繪圖，繪圖時要選取相應的旋轉軸線，以旋轉出三維模型，如圖 。 10 圖 “草繪屬性”窗口 圖 “草繪”窗口 (6)繪出草圖后單擊右下角 圖標，完成三維建模， 進行倒圓角處理得到實體模型， 如圖 。 圖 一二擋撥叉軸 11 2． 一二擋換擋 撥叉 建模 (1)創(chuàng)建新文件與前面介紹撥叉軸建模類似，只是將名稱命名為“一二擋撥叉”。 (2)利用拉伸工具繪制出撥叉外輪廓 ，如圖 。 圖 繪制 一二擋撥叉 外輪廓 (3)利用拉伸去除材料，作出撥叉軸孔 ， 如圖 。 圖 繪制 一二擋撥叉 軸孔 (4)修剪實體初步得到撥叉外形，并修剪倒角得到 撥叉 實體 ，如 圖 。 12 圖 繪制 一二擋撥叉 實體 3． 一二擋換擋臂建模 (1)創(chuàng)建新文件與前面介紹 兩個實體 建模類似，將名稱命名為“一二擋 換擋臂 ”。 (2)利用拉伸工具得到換擋臂粗外輪廓， 如圖 ，圖 。 (4)修剪實體初步得到換擋臂外形，并修剪倒角得到 換擋臂實體，如 圖 。 圖 一二擋換擋臂粗輪廓 圖 一二擋換擋臂粗輪廓 圖 一二擋換擋臂 13 其他零件 建模 1． 彈簧的建模 (1)單擊新建按 鈕，在“新建”對話框中輸入文件名“ tanhuang” 。 按照上述零件建模方法，創(chuàng)建變速器操縱機構模型的零件，包括： 然后單擊確定。 (2)在主菜單中依次單擊“插入”“螺旋掃描”“伸出項”按鈕，彈出對話框 ， 如圖 。 圖 菜單管理器 (3)根據(jù)管理器選項依次選取“常數(shù)”“穿過軸”“右手定則”“完成”命令，選取“ Front”面為草繪平面，系統(tǒng)彈出“方向”選擇正向，單擊缺省設置進入草繪環(huán)境。 (4)繪制草繪線，單擊確定輸入節(jié)距，得到草繪軌跡。 (5)繪制截面，如圖 。 圖 彈簧絲截面 14 (6)掃描實體，完成建模，效果如圖 。 圖 彈簧 2． 殼體的建模 15 圖 倒、五 擋 變速撥叉 裝配圖 圖 換擋選擇軸 裝配圖 圖 自鎖裝置 16 圖 換擋機構 自鎖機構總成 圖 換擋 機構互鎖機構總成 創(chuàng)建裝配動畫 組 件裝配完畢后，