【正文】 虛擬裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀 虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程領(lǐng)域的一個(gè)全新的應(yīng)用，還處于萌芽階段，與虛擬裝配技術(shù)相關(guān)的一系列標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有完善， 所以國(guó)內(nèi)外的研究人員都在不斷的對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行理論探索。 （ 1）國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，虛擬裝配的研究起步比較晚，而且由于虛擬裝配技術(shù)所需硬件價(jià)格昂貴，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)都是在進(jìn)行理論探索與研究。近年來(lái)國(guó)內(nèi)各高校對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究比較活躍，其中以浙江大學(xué)和華中科技大學(xué)為代表的一些學(xué)校的研究比較活躍，并且取得了階段性的理論成果和初步的應(yīng)用，特別是浙江大學(xué)的譚建榮教授及其學(xué)生，在虛擬裝配領(lǐng)域建立了一整套具有實(shí)用價(jià)值的理論。 （ 2）國(guó)外的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)虛擬裝配的研究起步較早，其中以美國(guó)華盛頓洲立大學(xué)開發(fā)的“虛擬 裝配設(shè)計(jì)環(huán)境”系統(tǒng)較成熟，并已成功開發(fā)出了第二套原型系統(tǒng)。而且在理論上國(guó)外的研究也較豐富，涉及的面比較廣，包括虛擬裝配環(huán)境中人機(jī)交互、虛擬拆卸的推理框架和基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)等很多技術(shù)與理論。 虛擬裝配技術(shù) 的應(yīng)用及取得的成果 虛擬裝配技術(shù)帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)和制造理念，改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的反復(fù)修改，不斷試制的過(guò)程。為企業(yè)節(jié)約了大量的成本，縮短了新產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。尤其是虛擬裝配技術(shù)在汽車和航天工業(yè)的應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 通用汽車公司在應(yīng)用虛擬樣機(jī)方面處于世界領(lǐng)先地位。為 了以更快的速度和更低的成本開發(fā)新型汽車，通用公司的全球 CAD/CAM 和可視化技術(shù)中心的技術(shù)人員已經(jīng)開發(fā)出了洞穴式沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和墻壁式投影系統(tǒng)，在 GM 的汽車產(chǎn)品開發(fā)中從造型到裝配過(guò)程中廣泛應(yīng)用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以使設(shè)計(jì)人員在虛擬的環(huán)境中檢查汽車車身的光順性，而且可以驗(yàn)證汽車的裝配工藝，由于在新車的開發(fā)中采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，新車的開發(fā)速度大大提高 [18] 。 1995 年福特汽車公司啟動(dòng)了 C3P 項(xiàng)目，該項(xiàng)目泛應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。其中虛擬裝配 技術(shù)被用于福特轎車的裝配設(shè)計(jì)，使得福特汽車的設(shè)計(jì)改動(dòng)減少多達(dá) 20%，將新車的開發(fā)周期周期從 36 周縮短到 24 周，每年為公司節(jié)約 2億美元成本 [18] 。 攪拌槽的裝配設(shè)計(jì) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的創(chuàng)造性活動(dòng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)從根本上決定著產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和生產(chǎn)總成本，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)的全球化，降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間己成為企業(yè)生存、競(jìng)爭(zhēng)、發(fā)展的關(guān)鍵。新的、有效的設(shè)計(jì)理論和方法的研究與實(shí)施受到了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛重視 。 裝配體建模承接于基礎(chǔ)零 件建模，得到 攪拌槽 的三維零件模型，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的裝 配圖紙生成裝配模型。在 Pro/Engineer 中進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)有兩種基本方法 :自底 向上的設(shè) 計(jì)方法和自頂向下的設(shè)計(jì)方法。 （ 1）自底向上的設(shè)計(jì)方法 自底向上的設(shè)計(jì)過(guò)程，它的主要思路是先設(shè)計(jì)好各個(gè)零件，然后將這些零件拿到一起進(jìn)行裝配，如果在裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求，諸如 :零件之間產(chǎn)生干涉、某一零件根本無(wú)法進(jìn)行安裝等，就要對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，重新裝配，再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再進(jìn)行修改，如此反復(fù) 。 自底向上的設(shè)計(jì)過(guò)程由于事先沒(méi)有一個(gè)很好的規(guī)劃，沒(méi)有一個(gè)全局的考 慮，設(shè)計(jì)階段的重復(fù)工作很多，造成了時(shí)間和人力資源的很大浪費(fèi)，工作效率低。 如圖 所示。 裝 配 體部 件 裝 配 體 部 件 裝 配 體零 件 零 件裝 配 體 示 意 圖零 件 示 意 圖零 件零 件 圖 自底向上的裝配設(shè)計(jì) （ 2）自底向上的設(shè)計(jì)方法 按照人的思維方式，通常的設(shè)計(jì)過(guò)程是 :先需求分析、概念設(shè)計(jì)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、最后試制修改。其中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是先設(shè)計(jì)總裝配圖，再設(shè)計(jì)零件圖，這就是自頂向下的設(shè)計(jì)方法。 自底向上 設(shè)計(jì)方法在零件設(shè)計(jì)的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)之后，再實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。自 頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程能 充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)良性能，最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì) 潛力，最大限度地減少設(shè)計(jì)實(shí)施階段不必要的重復(fù)工作，使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用，大大地提高了設(shè)計(jì)效率，減少了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究時(shí)間如圖 。 裝 配 體部 件 裝 配 體部 件 裝 配 體零 件 零 件裝 配 體 示 意 圖零 件 示 意 圖零 件零 件 圖 自頂向下的裝配設(shè)計(jì) 在以上提到的兩種方法中，自底向上相對(duì)于自頂向下是比較低端的方法。因?yàn)樵谡嬲母拍钤O(shè)計(jì)中，很少利用一個(gè)零件來(lái)控制整個(gè)裝配體的設(shè)計(jì)，往往都是拿出產(chǎn)品的外在概念和功能概念后，逐步對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)上的細(xì)化， 直至細(xì)化到單個(gè)零件。但是由底向上的設(shè)計(jì)方法也有非常大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于一些已經(jīng)比較成熟的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，采用這種設(shè)計(jì)方法效率反而高一些。 由于攪拌槽已經(jīng)是比較成熟的產(chǎn)品，在前面只進(jìn)行了關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，其余部分皆使用原圖紙裝配， 因此在這次裝配 設(shè)計(jì) 過(guò)程中 混合使用這兩種設(shè)計(jì)方法，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。 攪拌槽的 裝配 工藝規(guī)劃 順序 方案 的確定 裝配規(guī)劃即裝配工藝規(guī)劃形象的描述，就是指裝配過(guò)程中按要求制定的裝配計(jì)劃，它研究產(chǎn)品裝配體是用什么工具、沿怎樣的路徑、按照怎樣的次序裝配起來(lái)的。裝配規(guī)劃研究 的重點(diǎn)是裝配過(guò)程設(shè)計(jì)。裝配過(guò)程設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，它不但要受零部件設(shè)計(jì)的幾何和功能的影響，而且受制造、裝配過(guò)程以及經(jīng)濟(jì)性的影響。由于裝配設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性相當(dāng)強(qiáng)的過(guò)程，而目前計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造能力仍無(wú)法與人的創(chuàng)造能力相比擬，所以，目前的裝配規(guī)劃基本上都是以計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃為主，以自動(dòng)裝配規(guī)劃為輔。以本文所介紹的方法為例，在進(jìn)行裝配規(guī)劃時(shí)，可以隨意的調(diào)入任意裝配模型進(jìn)行零部件的拆卸與路徑的調(diào)整，并可以根據(jù)個(gè)人的意愿任意的選擇所要拆卸的零部件數(shù)目，如果不想繼承建模者所建立的裝配模型，也可以很方便的打破原有模型的子裝配體等框 架進(jìn)行裝配，同時(shí)也可以通過(guò)仿真功能可視化地驗(yàn)證規(guī)劃的合理性與可行性。在經(jīng)過(guò)裝配工藝規(guī)劃確定裝配順序和裝配路徑后，便可進(jìn)行裝配仿真動(dòng)畫的生成。 對(duì)于裝配順序可以采用“可拆即可裝”的原則來(lái)確定，因?yàn)椴鹦侗妊b配容易。如果拆卸的工件都是剛性的，拆卸時(shí)工件就會(huì)保持原來(lái)的形式。則拆卸的過(guò)程就是可逆的，即能拆就能裝。當(dāng)我們完成拆卸的過(guò)程，記錄下拆卸順序，再逆序操作，就是裝配的順 序，則可以完成裝配順序規(guī)劃。 攪拌槽的主要零件包括槽體、臺(tái)架、欄桿、法蘭、支架、減速電機(jī)、軸及軸上零件。根據(jù)上面原則，確定使裝配 順序 最簡(jiǎn)單的方案如 下： （ 1）先裝配 攪拌軸 及傳動(dòng)軸上的零件，再通過(guò)聯(lián)軸器將此傳動(dòng)軸和攪拌軸裝配到一起； （ 2） 將軸裝配到槽體中，并 將 臺(tái)架、減速機(jī)、欄桿、法蘭等零件 裝配到槽體 上 。 路徑方案的確定 裝配路徑規(guī)劃是虛擬裝配技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容之一。裝配路徑是指零部件在組裝成產(chǎn)品時(shí)所應(yīng)遵循的空間路徑 ,從幾何形狀上 ,按照該裝配路徑可以避免零部在裝配過(guò)程中出現(xiàn)相互干涉現(xiàn)象 。從工藝活動(dòng)上 ,采用該裝配路徑具有實(shí)施合理性 ,能夠保證裝配質(zhì)量。在虛擬裝配操作的過(guò)程中 ,利用鼠標(biāo)直接操縱虛擬物體具有相當(dāng)?shù)碾S意性 ,并且有的零件之間的 裝配方法并不是唯一的 ,因此有必要對(duì)裝配路徑進(jìn)行 規(guī) 化。在確定裝配路徑時(shí)，是有一定規(guī)律可尋的。那就是，必須裝配完成一個(gè)零 (部 )件后，再根據(jù)已裝配好的裝配體和下一步需要裝配的零 (部 )件的特點(diǎn)確定其裝配路徑，以避免發(fā)生干涉和碰撞。 與裝配的順序規(guī)劃類似，這里路徑規(guī)劃主要采取“可拆即可裝”的原則。因?yàn)橐坏┐_定了進(jìn)行虛擬裝配的對(duì)象，用這種方法最直觀和方便 。 根據(jù)以上原則確定的裝配路徑如下： （ 1）先將漿葉裝配到攪拌軸上，再將銷裝配到攪拌軸上； （ 2） 依次將透蓋、軸承、軸套、螺母從傳動(dòng)軸底部 向上 裝配到傳動(dòng)軸上； （ 3） 將 聯(lián)軸器裝配到攪拌軸及傳動(dòng)軸上，使其裝配成為一根軸； （ 4）為避免干涉，應(yīng)先將軸與減速機(jī)安裝到支架上，再將裝配好的軸與支架 從槽體正上方 裝配 到槽體上 ； （ 5）最后將 欄桿、法蘭等零件裝配到槽體上，即完成攪拌槽的整體裝配。 下面將著重介紹軸的裝配過(guò)程。 攪拌槽的 虛擬 裝配 在裝配模式中單擊添加模型按鈕，使用瀏覽方式打開所需的元件攪拌軸，點(diǎn)擊【放置】 對(duì)話框，使用缺省 放置 模式，放置攪拌軸。 然后點(diǎn)擊 按鈕 ，選擇所需的下漿葉元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為匹配，然后選取曲面 F5 和曲面 F11 進(jìn)行約束， 偏移方式 為重合，放置 對(duì)話框 設(shè)置選項(xiàng)如圖 51 所示。 最后點(diǎn)擊 按鈕，即完成 漿葉的裝配。 圖 51 放置設(shè)置框 完成 漿葉的裝配后，接著進(jìn)行的是固定漿葉的 鍵及軸端擋圈 的裝配。點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的 鍵 元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為 匹配 ，然后選取 面 F5 和 F19進(jìn)行約束， 偏移方式為重合， 最后點(diǎn)擊 按鈕，即完成 鍵 的裝配。 點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的擋圈元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選軸 A1 和 A2 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn)擊 按鈕，即完成擋圈的裝配。 其裝配圖如圖 52 所示。 圖 52 漿葉裝配 圖 攪拌軸裝配完后，就將進(jìn)行傳動(dòng)軸的裝配了。傳動(dòng)軸上先裝配的零件是軸段頂端的軸承。 點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的軸承元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選取軸 A2 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn)擊 鈕，即完成軸承的裝配。其裝配圖如圖 53 所示。 圖 53 軸承裝配 圖 接著進(jìn)行的是軸套和螺母的裝配以對(duì)軸承進(jìn)行軸向固定 。 點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的軸套元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選取軸 A2 和 A3 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn)擊 鈕，即完成軸套的裝配。再點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的螺母元 件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選取軸 A2 和 A10 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn)擊 鈕，即完成螺母的裝配。其裝配圖如圖 54 所示。 圖 54 軸套及 螺母裝配圖 接下來(lái)就是進(jìn)行另一個(gè)軸承、軸套 及 螺母的裝配。 點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的軸承元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選取軸 A2 和 A6 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn)擊 鈕，即完成軸承的裝配。再點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的軸套元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選取軸 A2 和 A6 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn) 擊 鈕，即完成軸套的裝配。接著點(diǎn)擊 按鈕，選擇所需的螺母元件。點(diǎn)擊【放置】對(duì)話框，選擇約束類型為對(duì)齊，然后選取軸 A2 和 A12 進(jìn)行約束，偏移方式為重合，最后點(diǎn)擊 鈕，即完成螺母的裝配。至此傳動(dòng)軸的裝配也已完成。其裝配圖如圖 55 所示。 圖 55 傳動(dòng)軸裝配圖 傳動(dòng)軸和攪拌軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，其連接后 軸整體 裝配圖如圖 56所示。 圖 56 軸裝配圖 裝配好軸后，就是將其裝配進(jìn)槽體，然后再進(jìn)行 臺(tái)架、欄桿、法蘭等的裝配，由于其裝配過(guò)程與方法大致與前面相同， 且限于篇幅要求， 就 不在此詳述。攪拌槽裝配完成后的裝配圖 如圖 57 所示。 圖 57 攪拌槽裝配圖 干涉檢查 干涉檢查一般包括靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查。靜態(tài)干涉檢查是指在虛擬裝配環(huán)境下 ,檢查裝配的各個(gè)零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系是否存在干涉 ,裝配公差設(shè)計(jì)是否合理。動(dòng)態(tài)干涉檢查是裝配的零部件在裝配運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以及構(gòu)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 ,是否存在零部件之間的運(yùn)動(dòng)干涉。 Pro/ E 的功能菜單中提供靜態(tài)干涉檢查的工具 ,而運(yùn)動(dòng)干涉檢查可在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊中完成。在 Pro/ E 中單擊“分析”菜單下的“模型分析”命令 ,打開模型分析對(duì)話框 ,在對(duì)話框中選擇分析對(duì)象 ,系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)整個(gè) 攪拌槽 零件進(jìn)行干涉計(jì)算。 其結(jié)果顯示為無(wú)干涉，從而說(shuō)明我們這次裝配是成功的。 結(jié)論 本文 根據(jù)提供的原始設(shè)計(jì)資料， 首先是利用 Pro/E 進(jìn)行了 D1500 攪拌槽各部分的三維建模工作并利用 CAD軟件生成工程圖。在查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，進(jìn)行了 攪拌傳動(dòng)裝置安裝方案的設(shè)計(jì) 及電動(dòng)機(jī)、減速器的選用 。并在原 資料 的基礎(chǔ)上 ，改進(jìn)了其漿型，選用了三葉后掠式的漿葉 來(lái) 替換原有漿葉。同時(shí)，也進(jìn)行了傳動(dòng)軸及攪拌軸的設(shè)計(jì) 及校核計(jì)算 ，并進(jìn)行了軸上部分關(guān)鍵零件的選擇計(jì)算設(shè)計(jì)。 最后，在查閱有關(guān)虛擬裝配的文件后，確定了合理的虛擬裝配工藝規(guī)劃，進(jìn)行了 D1500 攪拌槽虛擬裝配并生成爆炸圖。 本文不足之處在于限于時(shí)間所限，對(duì)攪拌槽及虛擬裝配這一新技術(shù)的研究不夠深入?？傮w來(lái)說(shuō)， 本次設(shè)計(jì)工作是成功的，雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了一些困難，但在指導(dǎo)老師和同組成員的幫助下，也都順利得到了解決。 謝辭 在此論文 完成之際，我衷心的感謝我的導(dǎo)師李志剛老師。這篇論文是在李老師的悉心指導(dǎo)下完成的。我從他那里學(xué)到了很多分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，這些都將使我在今后的學(xué)習(xí)、工作中受益終生。 感謝與我同組做畢設(shè)的同學(xué)，是他們營(yíng)造的良好的學(xué)習(xí)氛圍和指導(dǎo)老師認(rèn)真?zhèn)魇诮o我們的知識(shí)，使我在專業(yè)知識(shí)和技能 上有了很大的進(jìn)步。 最后謹(jǐn)向?qū)忛啽疚牡膶＜?、教授表示衷心的感謝。懇請(qǐng)所有讀到這篇論文的同志多提寶貴意見(jiàn)，不吝賜教。 參考文獻(xiàn) [1]濮