【文章內(nèi)容簡介】 需工具的安全性、視線以及拆卸空間等，還可為清潔生產(chǎn)服務(wù)， 通過合理安排工藝過程，充分利用裝配資源，促進產(chǎn)品裝配工作順利進行。 4． 支持產(chǎn)品并行化設(shè)計 產(chǎn)品并行化設(shè) 計是讓下游的有關(guān)活動盡早融合到上游的過程中來，使下游的有關(guān) 4 因素能在設(shè)計階段相對并行地考慮。虛擬裝配能在產(chǎn)品設(shè)計階段通過數(shù)字化預(yù)裝配展示并改進產(chǎn)品的可裝配性，因而從裝配這一重要側(cè)面反映出產(chǎn)品的并行設(shè)計哲理。 5． 虛擬產(chǎn)品開發(fā) (VPD)的支撐工具 作為產(chǎn)品制造過程的終極目標(biāo)，裝配是生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的活動。虛擬裝配是VPD的重要組成部分 [7。 虛擬裝配技術(shù)使得裝配人員可以在計算機構(gòu)造的虛擬環(huán)境中對虛擬模型進行產(chǎn)品裝配，在設(shè)計階段就檢驗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、是否方便裝配和維修，從而驗證和改進產(chǎn)品的可裝配性 ， 并給出評 價和分析結(jié)果 。 虛擬裝配技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 虛擬環(huán)境的建模及數(shù)據(jù)傳遞機制 建模作為零件特征的數(shù)字化表達，傳統(tǒng)軟件的建模方法已經(jīng)比較成熟，目前有幾何建模、實體建模、特征建模等。在虛擬環(huán)境中，多采用簡化的多邊形面片 (通常為三角面片模型 )構(gòu)建模型，模型數(shù)據(jù)可用于虛擬環(huán)境中模型的顯示繪制和裝配過程中的碰撞檢測，這種表示方法容易實現(xiàn)異地異構(gòu)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(shè)計的技術(shù)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(guān)鍵環(huán)節(jié) 虛擬裝配關(guān)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(chǔ)。裝配路徑規(guī)劃在建模和序列規(guī)劃的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(shù)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(guān)系，并提供裝配序列的性能及其優(yōu)化結(jié)果。二是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造虛擬的產(chǎn)品裝配環(huán)境，操作人員 通過計算機構(gòu)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(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所 NIST合作開發(fā)的虛擬裝配設(shè)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(shè)計意圖實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃 [9]。 清華大學(xué)結(jié)合 863/CIMS WPD項目攻關(guān)及應(yīng)用需求，在 三維 軟件Pro/Engineer的基 礎(chǔ)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(yù)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(dǎo)實際裝配作業(yè)的裝配工藝規(guī)程和卡片。浙江大學(xué) 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(dǎo)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(guān)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(guān)系，在虛擬環(huán)境中充分利用信息存儲結(jié)構(gòu)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(guān)鍵在于希望能夠處理異構(gòu)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(shè)計和分析要求設(shè)計者，制造商等人員的協(xié)同參與，需要有相應(yīng)的工具和環(huán)境支持這種協(xié)同工作，協(xié)同裝配設(shè)計正成為 新的研究熱點。 本 設(shè)計 主要 研究 內(nèi)容及意義 本設(shè)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(gòu)是汽車的關(guān)鍵零部件，主要完成 2擋， 4擋， 5擋和倒擋以及相關(guān)感應(yīng)部件的功能。 本設(shè)計以某微型車變速器操縱機構(gòu)為研究對象，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(gòu)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(shè)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(gòu) 零部件的三維幾何模型和裝配模型 。 (2)制定出該操縱機構(gòu)最優(yōu)的裝配序列 。 (3)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù) , 對 變速器操縱機構(gòu)進行 動態(tài)裝配過程中的干涉進行檢查 。 本設(shè)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(fù)修改， 多次進行試裝配，周期長，成本高，不能適應(yīng)當(dāng)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(lǐng)市 場。 6 本設(shè)計則是基于 Pro/E三維軟件，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)進行實體建模及裝配從而達到對變速器操縱機構(gòu)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(shè)計、制造及應(yīng)用的過程。 7 第 2 章 變速器操縱機構(gòu)零件三維建模 三維建模技術(shù) 三維建模技術(shù)作為虛擬 現(xiàn)實 技術(shù)的重要基礎(chǔ)，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(shè)計與制造技術(shù)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(shè)計軟件層出不窮。伴隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展，在機械設(shè)計領(lǐng)域，設(shè)計工具經(jīng)歷了從圖板到二維設(shè)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(shè)計軟件的遷移，方便了設(shè)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(shè)計領(lǐng)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(shè)計理念 — 從設(shè)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(shè)計人員從想象各種視圖的困境中解放出來。對于復(fù)雜的模型，更可避免傳統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)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(gòu)件的干涉。 目前，比較常用的三維設(shè)計軟件如： Solid Edge, Solid Works, UG 和 Pro/E等都具有相當(dāng)完善的實體建模技術(shù)。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(gòu)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(yīng)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(shè)計、分析、加工、管理等各個領(lǐng)域。在目前三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計 理論 ，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè) 8 計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)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(shè)計、鈑金設(shè)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(shè)計和特征功能 Pro/Engineer 是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)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(shè)計者提供了在設(shè)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(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上 [12]。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)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(qū)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(guān)系來進行設(shè)計。 (4)支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計 (規(guī)則排列的系列組件，交替排列，各種能用零件設(shè)計的程序化方法等 )。 (3)貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性 (任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)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(fù)雜機構(gòu)，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(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)性特征，它們不與已建立的幾何對象關(guān)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