模塊化虛擬裝配系統的開發

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

0 引言

任何一臺機械,都是由許多零件和部件組成的。由零件組裝成整臺機械的全過程稱為裝配。機械裝配的過程,就是由零件組裝成組件、由組件組裝成部件、由部件組裝成總成和最后組裝成機械的過程。

隨著全球市場的激烈競爭,加快產品開發速度己成為競爭的重要手段之一。國際性市場的激烈競爭更加體現出快速將多樣化的產品推向市場是制造商把握市場先機而求生存的重要保障。面對這樣的市場現狀,傳統裝配的周期長、成本高、不能適應當前敏捷制造需要等缺點就逐漸暴露了出來。為了縮短新產品的研制和開發周期,提高產品的設計質量,降低產品的開發成本,加速產品創新設計,虛擬裝配(Virtual Assembly)技術的應用越來越普遍。它根據產品設計的形狀特性、精度特性,三維真實地模擬產品裝配全過程,實現產品的工藝規劃、加工制造、裝配和調試,并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程,以檢驗產品的可裝配性。本文所介紹的模塊化虛擬裝配系統,是從產品設計人員手中得到產品設計圖開始,建立基礎零件模型,在虛擬環境下預裝配,進行裝配路徑和順序規劃,最后進行裝配仿真,可輸出裝配演示動畫或為機構運動仿真等做準備。系統的各部分功能均以相應的功能模塊實現。

    1 基礎零件建模模塊

作為虛擬裝配系統的第一部分,其主要是將二維的平面設計圖轉化為三維實體模型,為虛擬裝配做準備。這一模塊得到的信息是產品設計圖,如產品零件工程圖,其中包括零件各項尺寸參數。現在市面上有許多優秀的 CAD/CAM參數化設計建模軟件,proe就是其中之一,其提出的單一數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念已成為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準。因此本系統使用 proe來實現基礎零件建模。

在生成三維實體模型過程中,根據得到的產品設計圖,基本上嚴格按照設計圖中的尺寸參數進行造型,所以可能會發現一些在設計時無法發現或疏忽的問題,如基本錯誤,包括尺寸錯誤、標注錯誤等;零件特征錯誤,包括零件特征無法制造、特征用途不明確、特征與特征干涉等。相關錯誤信息反饋給設計人員,設計人員對零件參數進行修改,并檢查零件三維模型是否達到設計意圖。如圖 1所示。

模塊化虛擬裝配系統的開發autocad培訓教程圖片1

    2 裝配模型生成模塊

得到了三維零件模型,就可以按照"零件---結合部---結合組---整機"的順序在虛擬環境下進行預裝配。proe 具有強大的裝配功能,能夠始終保持設計者的設計意圖,并且由于其具有真正的全相關性,任何地方的修改都會自動反映到所有相關的地方。因此基礎零件建模模塊若使用的是proe在這里可以繼續利用其方便地生成裝配模型。

裝配模型生成模塊從基礎零件建模模塊得到三維零件模型,根據設計人員的裝配圖紙生成裝配模型在這個過程中遇到的主要問題是零件模型無法裝配該問題可能來自設計圖紙的錯誤,也可能是來自基礎零件建模模塊在造型時的錯誤,造成零件與零件之間干涉而無法裝配。將錯誤信息反饋給設計人員和基礎零件建模的工作人員,得到改進信息進行修改,設計人員檢查裝配模型是否達到設計意圖。如圖2 所示。

模塊化虛擬裝配系統的開發autocad technology圖片2

3 裝配工藝規劃模塊

因為已經得到了裝配模型作為虛擬裝配對象,再根據裝配圖紙,對裝配順序和裝配路徑進行規劃,最直觀方便的方法就是采用"可拆即可裝"的原則。在確定裝配順序和路徑時,是有一定規律可尋的。那就是,必須裝配完成一個零(部)件后,再根據已裝配好的裝配體和下一步需要裝配的零(部)件的特點確定其裝配路徑,以避免發生干涉和碰撞。也可以按照實際裝配環境(如裝配流水線)來安排裝配順序和路徑。

這一模塊的工作可在 proe 下進行,也可以應用Autodesk Inventor。在Autodesk Inventor 的裝配模塊中可以非常方便的對裝配體進行動態和靜態的干涉檢測,為裝配順序和路徑的確定給與非常大的幫助。具體干涉檢測方法請參考相關書籍,此處不再贅述。

通過裝配順序和路徑的規劃,以及裝配體零件之間的干涉檢測,可以檢驗裝配體是否真的可裝,并提出問題,如裝配過程中會不會造成零件之間的干涉、是否存在適合裝配路徑、零件之間的關系是否適于實際裝配等,將問題反饋給設計人員和前面的工作模塊,經修改確認后輸出完整的裝配順序和裝配路徑。如圖3所示。

模塊化虛擬裝配系統的開發autocad technology圖片3

    4 裝配仿真模塊

在確定裝配順序和裝配路徑之后,就可以進行裝配仿真了。在前面已經完成了裝配順序和路徑的規劃,這一模塊可直接由裝配模型來進行裝配仿真,生成模擬裝配動畫。這里我們可以應用Autodesk Inventor的表達視圖模塊來實現生成裝配動畫。視圖文件是Inventor所特有的,主要功能是將零部件的裝配/分解過程,以動畫的方式加以表達出來,可以輸出為多種視頻文件,操作方便簡單,并且支持多種文件格式,有利于裝配模型的導入。

通過裝配仿真動畫,可以直觀的看到整個裝配過程,并可以檢驗裝配順序和裝配路徑是否合理,是不是能夠應用于實際裝配操作。將存在問題反饋給規劃模塊和設計人員,改進確認后完成最終的裝配仿真動畫。如圖4所示。

模塊化虛擬裝配系統的開發autocad technology圖片4

    5 系統總體研究

將上面的四個模塊結合起來,就是一個完整的虛擬裝配系統。其輸入的是產品的零件設計圖和組裝圖,輸出的是可用于產品裝配演示的裝配仿真動畫。流程圖 5所示。

模塊化虛擬裝配系統的開發autocad technology圖片5

    可以看出,模塊化虛擬裝配系統具有如下優點:

    (1)各工作模塊相對獨立,可由完全不相關的工作人員完成;
    (2)通過反饋機制,及時發現問題,及時修改;
    (3)產品設計人員全程跟蹤確認,保證設計思想和產品功能的一致性;
    (4)模塊功能實現方法靈活多樣,工作簡單,易于實現。

不過,也有一些不足之處,如整個系統須按模塊順序執行,對大型機械來說需要較長時間或較多工作人員,并且由于需要對整個過程跟蹤檢查,因此對產品的設計人員要求較高。

    6 結束語

文中所提出的模塊化虛擬裝配系統反映出當前制造業對產品從開發到推向市場過程中裝配工藝這一環節所應具備的先進技術,系統地給出了各模塊的具體實現過程和一些解決方案。同時還可以拓展為面向制造的虛擬制造系統或面向產品應用的機構運動仿真系統等,具有一定的應用價值。重要的是提出了靈活的模塊化系統的概念,與普通的高集成度系統相比有著一定優勢。

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