模块化虚拟装配系统的开发

2013-05-24 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

0 引言

任何一台机械,都是由许多零件和部件组成的。由零件组装成整台机械的全过程称为装配。机械装配的过程,就是由零件组装成组件、由组件组装成部件、由部件组装成总成和最后组装成机械的过程。

随着全球市场的激烈竞争,加快产品开发速度己成为竞争的重要手段之一。国际性市场的激烈竞争更加体现出快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。面对这样的市场现状,传统装配的周期长、成本高、不能适应当前敏捷制造需要等缺点就逐渐暴露了出来。为了缩短新产品的研制和开发周期,提高产品的设计质量,降低产品的开发成本,加速产品创新设计,虚拟装配(Virtual Assembly)技术的应用越来越普遍。它根据产品设计的形状特性、精度特性,三维真实地模拟产品装配全过程,实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试,并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程,以检验产品的可装配性。本文所介绍的模块化虚拟装配系统,是从产品设计人员手中得到产品设计图开始,建立基础零件模型,在虚拟环境下预装配,进行装配路径和顺序规划,最后进行装配仿真,可输出装配演示动画或为机构运动仿真等做准备。系统的各部分功能均以相应的功能模块实现。

    1 基础零件建模模块

作为虚拟装配系统的第一部分,其主要是将二维的平面设计图转化为三维实体模型,为虚拟装配做准备。这一模块得到的信息是产品设计图,如产品零件工程图,其中包括零件各项尺寸参数。现在市面上有许多优秀的 CAD/CAM参数化设计建模软件,proe就是其中之一,其提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。因此本系统使用 proe来实现基础零件建模。

在生成三维实体模型过程中,根据得到的产品设计图,基本上严格按照设计图中的尺寸参数进行造型,所以可能会发现一些在设计时无法发现或疏忽的问题,如基本错误,包括尺寸错误、标注错误等;零件特征错误,包括零件特征无法制造、特征用途不明确、特征与特征干涉等。相关错误信息反馈给设计人员,设计人员对零件参数进行修改,并检查零件三维模型是否达到设计意图。如图 1所示。

模块化虚拟装配系统的开发autocad培训教程图片1

    2 装配模型生成模块

得到了三维零件模型,就可以按照"零件---结合部---结合组---整机"的顺序在虚拟环境下进行预装配。proe 具有强大的装配功能,能够始终保持设计者的设计意图,并且由于其具有真正的全相关性,任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方。因此基础零件建模模块若使用的是proe在这里可以继续利用其方便地生成装配模型。

装配模型生成模块从基础零件建模模块得到三维零件模型,根据设计人员的装配图纸生成装配模型在这个过程中遇到的主要问题是零件模型无法装配该问题可能来自设计图纸的错误,也可能是来自基础零件建模模块在造型时的错误,造成零件与零件之间干涉而无法装配。将错误信息反馈给设计人员和基础零件建模的工作人员,得到改进信息进行修改,设计人员检查装配模型是否达到设计意图。如图2 所示。

模块化虚拟装配系统的开发autocad technology图片2

3 装配工艺规划模块

因为已经得到了装配模型作为虚拟装配对象,再根据装配图纸,对装配顺序和装配路径进行规划,最直观方便的方法就是采用"可拆即可装"的原则。在确定装配顺序和路径时,是有一定规律可寻的。那就是,必须装配完成一个零(部)件后,再根据已装配好的装配体和下一步需要装配的零(部)件的特点确定其装配路径,以避免发生干涉和碰撞。也可以按照实际装配环境(如装配流水线)来安排装配顺序和路径。

这一模块的工作可在 proe 下进行,也可以应用Autodesk Inventor。在Autodesk Inventor 的装配模块中可以非常方便的对装配体进行动态和静态的干涉检测,为装配顺序和路径的确定给与非常大的帮助。具体干涉检测方法请参考相关书籍,此处不再赘述。

通过装配顺序和路径的规划,以及装配体零件之间的干涉检测,可以检验装配体是否真的可装,并提出问题,如装配过程中会不会造成零件之间的干涉、是否存在适合装配路径、零件之间的关系是否适于实际装配等,将问题反馈给设计人员和前面的工作模块,经修改确认后输出完整的装配顺序和装配路径。如图3所示。

模块化虚拟装配系统的开发autocad technology图片3

    4 装配仿真模块

在确定装配顺序和装配路径之后,就可以进行装配仿真了。在前面已经完成了装配顺序和路径的规划,这一模块可直接由装配模型来进行装配仿真,生成模拟装配动画。这里我们可以应用Autodesk Inventor的表达视图模块来实现生成装配动画。视图文件是Inventor所特有的,主要功能是将零部件的装配/分解过程,以动画的方式加以表达出来,可以输出为多种视频文件,操作方便简单,并且支持多种文件格式,有利于装配模型的导入。

通过装配仿真动画,可以直观的看到整个装配过程,并可以检验装配顺序和装配路径是否合理,是不是能够应用于实际装配操作。将存在问题反馈给规划模块和设计人员,改进确认后完成最终的装配仿真动画。如图4所示。

模块化虚拟装配系统的开发autocad technology图片4

    5 系统总体研究

将上面的四个模块结合起来,就是一个完整的虚拟装配系统。其输入的是产品的零件设计图和组装图,输出的是可用于产品装配演示的装配仿真动画。流程图 5所示。

模块化虚拟装配系统的开发autocad technology图片5

    可以看出,模块化虚拟装配系统具有如下优点:

    (1)各工作模块相对独立,可由完全不相关的工作人员完成;
    (2)通过反馈机制,及时发现问题,及时修改;
    (3)产品设计人员全程跟踪确认,保证设计思想和产品功能的一致性;
    (4)模块功能实现方法灵活多样,工作简单,易于实现。

不过,也有一些不足之处,如整个系统须按模块顺序执行,对大型机械来说需要较长时间或较多工作人员,并且由于需要对整个过程跟踪检查,因此对产品的设计人员要求较高。

    6 结束语

文中所提出的模块化虚拟装配系统反映出当前制造业对产品从开发到推向市场过程中装配工艺这一环节所应具备的先进技术,系统地给出了各模块的具体实现过程和一些解决方案。同时还可以拓展为面向制造的虚拟制造系统或面向产品应用的机构运动仿真系统等,具有一定的应用价值。重要的是提出了灵活的模块化系统的概念,与普通的高集成度系统相比有着一定优势。

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