proeNGINEER系統(tǒng)的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究

2013-07-05 by:廣州CAD:proe設(shè)計培訓中心來源:仿真在線

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1 引言

    近年來,世界機械制造業(yè)市場的競爭日趨激烈,為了適應(yīng)變化迅速的市場需求,產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量、成本、服務(wù)成為每一個現(xiàn)代企業(yè)必須面對的問題。近20年來的實踐證明,將信息技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品研制以及實施途徑的改造,是現(xiàn)代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時,先進的產(chǎn)品研制方法、手段以及實施途徑,實際上是產(chǎn)品研制質(zhì)量、成本、設(shè)計周期等方面最有利的保證。以波音公司為例,在數(shù)字化代表產(chǎn)品--波音777的展示中,不像以往那樣重點宣傳新型飛機本身性能如何優(yōu)越,而是強調(diào)他們?nèi)绾纬浞掷脭?shù)字化研制技術(shù)以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊等方面。波音777飛機項目順利完成的關(guān)鍵是依賴三維數(shù)字化設(shè)計與集成產(chǎn)品開發(fā)團隊IPT(Integrated Product Development Team)(238個Team)的有效實施,保證了飛機設(shè)計、裝配、測試以及試飛均在計算機上完成。研制周期從過去的8年時間縮減到5年,其中虛擬裝配的工程設(shè)計思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用?！疤摂M裝配”(Virtual Assembly)是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié),在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用研究。通常有2種定義:
    (1)虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進行重新定位的過程,是有效分析產(chǎn)品設(shè)計合理性的一種手段。該定義強調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進行定位、分析過程。
    (2)虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程,以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。
    本文結(jié)合焊接小車研制的特點,給出如下的定義:虛擬裝配是在計算機上完成產(chǎn)品零部件的實體造型,并且進行計算機裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計過程,實現(xiàn)產(chǎn)品的三維設(shè)計過程與零部件裝配過程的高度統(tǒng)一。虛擬裝配技術(shù)在機械設(shè)計的應(yīng)用研究中,是一種全新的設(shè)計概念,它為產(chǎn)品的研制提供了一種新的設(shè)計方法與實施途徑,它的成功依賴于對產(chǎn)品總體設(shè)計進程的控制。同時,產(chǎn)品的零部件模型數(shù)據(jù)的合理流動與彼此共享是實現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的基礎(chǔ)。虛擬裝配包括設(shè)計過程、過程控制和裝配仿真三部分。

2 虛擬裝配基本設(shè)計思想及內(nèi)涵

2.1 以設(shè)計為中心的虛擬裝配
以設(shè)計為中心的虛擬裝配(Design-Centered Virtual Assembly)是指在產(chǎn)品三維數(shù)字化定義應(yīng)用于產(chǎn)品研制過程中,結(jié)合產(chǎn)品研制的具體情況,突出以設(shè)計為核心的應(yīng)用思想,這表現(xiàn)在以下三個層次,如圖1所示。

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圖1 虛擬裝配層次圖

      2.1.1 面向裝配的設(shè)計(DFA)
    即在設(shè)計初期把產(chǎn)品設(shè)計過程與制造裝配過程有機結(jié)合,從設(shè)計的角度來保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計思想,使設(shè)計的產(chǎn)品具有良好的結(jié)構(gòu),能高效地進行物理裝配,能在產(chǎn)品研制初期使設(shè)計部門與制造部門之間更有效地協(xié)同工作。
    2.1.2 自頂向下(Top-down)的并行產(chǎn)品設(shè)計(CPD)
    并行產(chǎn)品設(shè)計是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程集成、并行地進行設(shè)計,強調(diào)開發(fā)人員從一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計直至消亡的整個生命周期里的所有相關(guān)因素的影響,把一切可能產(chǎn)生的錯誤和矛盾盡可能及早發(fā)現(xiàn),以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低產(chǎn)品成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。
    2.1.3 與Master Model相關(guān)的可制造性設(shè)計和可裝配性設(shè)計
    產(chǎn)品研制是多部門的協(xié)同工作過程,各部門間的合作往往受到各個企業(yè)的生產(chǎn)條件等方面的限制,結(jié)合各個企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性,改進產(chǎn)品設(shè)計模型的可制造性、可裝配性,減少零部件模型的數(shù)量和特殊類型,減少材料種類,使用標準化、模塊化的零部件,是非常必要的。以不同階段的Master Model為核心,可以保證產(chǎn)品研制的不同階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整一致,保證產(chǎn)品研制的各個部門協(xié)同工作,實現(xiàn)CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的高度集成,有效提高產(chǎn)品的可制造性和可裝配性。

    2.2 以過程控制為中心的虛擬裝配
    以過程控制為中心的虛擬裝配(Process-Centered Virtual Assembly)主要包含以下兩方面內(nèi)容。
    2.2.1 實現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進程的控制
    在產(chǎn)品數(shù)字化定義過程中,結(jié)合產(chǎn)品研制特點,人為地將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計過程,該過程可以劃分為三個階段:總體設(shè)計階段、裝配設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段。通過對三個設(shè)計階段的控制,實現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進程的控制,以及虛擬裝配設(shè)計流程。
    (1)總體設(shè)計階段?？傮w設(shè)計階段是產(chǎn)品研制的初期階段,在此階段進行產(chǎn)品初步的總體布局,主要包括:建立主模型(Master Model)空間;進行產(chǎn)品初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。
    (2)裝配設(shè)計階段。裝配設(shè)計階段為產(chǎn)品研制的主要階段,在此階段產(chǎn)品三維實體模型設(shè)計已經(jīng)基本完成,主要包括:產(chǎn)品模型空間分配(裝配區(qū)域、裝配層次的劃分);具體模型定義(建立幾何約束關(guān)系、三維實體模型等)以及應(yīng)力控制。
    (3)詳細設(shè)計階段。詳細設(shè)計階段為產(chǎn)品研制的完善階段,在此階段完成產(chǎn)品三維實體模型的最終設(shè)計,主要包括 :完成產(chǎn)品三維實體模型的最終設(shè)計,進行產(chǎn)品模型的計算機裝配,進行全機干涉檢查。
    2.2.2 過程控制管理
    過程模型包含了產(chǎn)品開發(fā)的過程描述、過程內(nèi)部相互關(guān)系和過程間的協(xié)作等方面內(nèi)容。通過對過程模型的有效管理,實現(xiàn)對工程研制過程中各種產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的管理,從而實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)過程的目的。

    2.3 仿真為中心的虛擬裝配
    以仿真為中心的虛擬裝配(Simulate-Centered Virtual Assembly)是在產(chǎn)品裝配設(shè)計模型中,融入仿真技術(shù),并以此來評估和優(yōu)化裝配過程。其主要目標是評價產(chǎn)品的可裝配性。
    2.3.1 優(yōu)化裝配過程
    目的是使產(chǎn)品能適應(yīng)當?shù)鼐唧w情況,合理劃分成裝配單元,使裝配單元能并行地進行裝配。
    2.3.2 可裝配性評價
    主要是評價產(chǎn)品裝配的相對難易程度,計算裝配費用,并以此決定產(chǎn)品設(shè)計是否需要修改3 應(yīng)用研究

    3.1 基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境
    虛擬裝配技術(shù)在焊接小車設(shè)計中的應(yīng)用,需要以一定的基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境作為平臺,主要包括以下幾個方面:協(xié)同工作環(huán)境、統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)以及機械通用基礎(chǔ)標準。
    (1)協(xié)同工作環(huán)境。有一個協(xié)同工作的基礎(chǔ)環(huán)境,實現(xiàn)支持異地設(shè)計、異地裝配、異地測試的工作環(huán)境,特別是基于網(wǎng)絡(luò)的三維圖形的異地快速傳遞、過程控制、人機交互的基礎(chǔ)環(huán)境是非常必要的。
    (2)統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)。焊接小車的設(shè)計是一項復雜的系統(tǒng)工程,各項工程數(shù)據(jù)在IPT內(nèi)部以及IPT之間進行合理流動,因此有效的管理是實現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的重要環(huán)節(jié),必須能夠?qū)崿F(xiàn)平臺的協(xié)同設(shè)計,又能對各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行管理和傳遞,保證在正確的時間把正確的信息以正確的方式傳遞給正確使用的人。因此,采用統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)是一項重要的應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。
    (3)機械通用基礎(chǔ)標準。虛擬裝配技術(shù)如果要實現(xiàn)行業(yè)CAD/CAE/CAPP/CAM技術(shù)的有效集成和廠所之間的數(shù)據(jù)交換,必須采用機械通用基礎(chǔ)標準。

    3.2 焊接小車部件級產(chǎn)品實施方法及途徑
    3.2.1 軟硬件環(huán)境
    硬件:COMPAQ服務(wù)器一臺;P4,2.7G,1M內(nèi)存的微機8臺。
    軟件:proeNGINEER 2001及其支持環(huán)境。
    3.2.2 焊接小車的傳動裝置虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究
    我們選擇傳動裝置的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究作為工程實例,對虛擬裝配技術(shù)的工程應(yīng)用思想、方法、具體實施途徑作進一步研究,為下一階段整個小車的應(yīng)用提供一種基本的理論支持。
    (1)總體設(shè)計階段。IPT根據(jù)小車總體設(shè)計要求以及基本的總體設(shè)計參數(shù),建立蝸輪蝸桿和齒輪的主模型空間,并進行初步的總體布局?？傮w設(shè)計階段的模型如圖2所示。在此階段,主要包括以下基本步驟:根據(jù)已有工程圖樣建立粗糙模型;布置部分初始模型(蝸輪、蝸桿、齒輪等);對系統(tǒng)構(gòu)件進行初步布置、建立初始模型。

proeNGINEER系統(tǒng)的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究proe應(yīng)用技術(shù)圖片圖片2

圖2 總體設(shè)計階段模型

    本階段結(jié)束時,必須凍結(jié)已經(jīng)建立的產(chǎn)品主模型空間,作為模型設(shè)計共享的基礎(chǔ)。
    (2)裝配設(shè)計階段。這是小車模型具體建立階段。本階段主要包括以下基本步驟:建立各部件的實體模型;定義具體結(jié)構(gòu)裝配的分解線路(建立裝配層次、裝配區(qū)域);建立模型間的具體裝配約束(Constraints)關(guān)系;從共享數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型; 進行計算機裝配(Computer Mock-Up,簡稱CMU),以及進行干涉檢查。
    (3)詳細設(shè)計階段。本階段完成焊接小車所有零件的設(shè)計工作,保證小車內(nèi)所有零件干涉自由,設(shè)計模型如圖3所示。

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圖3 詳細設(shè)計階段模型

4 結(jié)束語

虛擬裝配的應(yīng)用研究在國內(nèi)研究所才剛剛起步,無論是在船舶、飛機、機械等領(lǐng)域的產(chǎn)品研制與開發(fā)中,還是在其他的輕工藝產(chǎn)品的開發(fā)中,人們已經(jīng)逐漸地認識到虛擬裝配所能發(fā)揮的巨大作用和發(fā)展?jié)摿?。在焊接小車的設(shè)計過程中采用的裝配思想改變了產(chǎn)品研制人員的研制習慣和觀念,采用合理的虛擬裝配應(yīng)用方法、建立一定的組織機構(gòu)是實現(xiàn)虛擬裝配的核心,產(chǎn)品數(shù)據(jù)在研制中的合理管理和流動是實現(xiàn)虛擬裝配的基礎(chǔ)。

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