XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 1 前言 目前，隨著 CAD/CAM 技術的發(fā)展，三維實體造型、虛擬技術、工況仿真模擬已成為CAD 的重要發(fā)展方向，并在產品設計和制造方面引起了重大變革。對有復雜運動的機械產品，建立三維動態(tài)圖形和三維虛擬環(huán)境模擬，可以很好地描述其數學模型的準確性、裝配過程的合理性、作業(yè)過程 的動態(tài)性、運動軌跡的正確性。因此，了解和掌握三維建模方法和動態(tài) 模擬技術十分重要。 此外，在機械產品零部件的設計過程中，運動機構的空間干涉問題歷來都是令機械設計工程師深感頭疼的事。按傳統(tǒng)設計模式，設計人員在一些細節(jié)問題上耗費了很大精力，降低了設計效率 。而有些錯誤又往往具有很強的隱蔽性，給生產造成不應有的損失。因此，利用計算機三維設計工具合理地解決這些問題無疑具有一定的現實意義。 目前，許多國內外的大型輔助設計軟件都包含了機械裝配和運動學仿真的功能模塊，例如 PTC 的 PRO/ ME2 CHANICA， SDRC 的 I- DEAS， MATRA 的 EUCLID 軟件及 DES的 UG 等。這給設計人員提供了更完善的機械設計 途徑。文章主要基于美國 PTC 公司的PRO/E(WILDFIRE)軟件， PRO/ENGINEER 無論從設計工作中的結構設計，以及裝配圖的形成方式，都有操作 容易、使用方便、修改方便的特點，因此在機械三維實體造型設計中得到了廣泛的應用。 選擇翅片的自動送料裝置作為本次設計和裝配對象，是因為隨著機電一體化的迅猛發(fā)展，不用人工操作或者很少需要人工操作的自動化設備已得到了廣泛的應用，不 僅 將逐步取代人工加工的方式，目前國外的自動化程度已經達到了很高的程度，然而我國的自動化程度還不是很高。 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 2 1 概述 1.1 裝配的基本概念 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。由于機械的復雜程度不同，零件的組合情況不同，在 機械裝配中，根據零件組合的特點，把機械的組成單元作如下區(qū)分 ： 1） 零件是機械組裝的基本單元。它是由一塊材料制成的，不能再進行結構上的分解。在裝配中，有的零件是裝配的基礎，它具有配合基準面，可以保證裝配在它上面的零件具有正確的相對位置，這種零件稱為基礎零件。對于一臺機床來說，機座或機架就是它的基礎零件。 2） 組件由若干個零件組成，但不具有獨立功能。如活塞連桿組成一個組件，它由 連桿、活塞、活塞銷等零件組成，但它不能獨立發(fā)生作用，必須與缸體、 缸蓋和曲軸等到協調起來才能進行工作。 3） 部件和總成由若干組件或零 件組成，具有結構上和作用上的獨立性，這樣的組件稱為部件或總成。例如一個濾清器，只要讓流體從它的內部流過，它就能對流體起濾清作用，這就可以稱為部件或總成。但習慣上是把直接組成機械的單元稱作總成。組成總成的單元稱作部件。例如發(fā)動機是一個總成，而燃油泵、濾清器在性質上也可稱作總成，但它們是安裝在發(fā)動機這個總成上的，因此仍稱作部件。 圖 1-1 機械裝配路線示意圖 Fig 1-1 Mechanical assembly Map XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 3 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、裝成總成和最后組裝成 機械的過程。圖 1-1 為這種過程的示意圖。 1.2 傳統(tǒng) 意義 的裝配 傳統(tǒng)制造業(yè)注重規(guī)模效益，以手工裝配為主的傳統(tǒng)的裝配的方法還是能夠適應對新產品開發(fā)的需要的。特別是在大規(guī)模生產下，新產品的開發(fā)也大都局限于對己有產品進行局部的改進設計，這時，由于設計人員及工人已對產品本身及裝配工藝比較熟悉，還是可以較順利的完成設計、試生產、裝配驗證、最終成批生產的整個開發(fā)過程的 1 。 但是，隨著全球市場的激烈競爭，加快產品開發(fā)速度己成為競爭的重要手段之一。近20 年來，制造業(yè)市場環(huán)境發(fā)生 了巨大變化 ： 一方面表現為消費者興趣的短時效性和消費者需求日益主體化、個性化及多元化 ； 另一方面則是區(qū)域性、國際性市場壁壘的淡化或打破，使制造廠商不得不著眼于全球市場的激烈競爭?？焖賹⒍鄻踊漠a品推向市場是制造商把握市場先機而求生存的重要保障。制造業(yè)要滿足日益變化的用戶需求，其制造技術必須有較強的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產迎合市場。面對這樣的市場現狀，傳統(tǒng)裝配的缺點就逐漸暴露了出來 ： 1） 必須等零件全部加工完成之后才可進行裝配。 2） 不能體現并行設計的思想。 3） 一般要反復修改，進行多次試裝配、周期 長、成本高、 不能適應當前敏捷制造的需要。 1.3 產品裝配的發(fā)展現狀 由于加工技術超前于裝配技術許多年，兩者已經形成了明顯的反差，裝配工藝已經成為現代化生產的薄弱環(huán)節(jié)。當前，國內外對于裝配研究的理論和實際操作方面出現了一些新的理論和方法 ， 近來，自動裝配和柔性 裝配也得到了一定的發(fā)展 。但是，這些發(fā)展方向都不能很好地滿足縮短新產品開發(fā)周期和并行工程的要求。 面對傳統(tǒng)裝配中出現的問題，許多產品設計開發(fā)人員致力于產品的預裝配 虛擬裝配。這是因為 : 1） 在虛擬裝配中，由于沒有制造真實的產品，大大減少了產品開發(fā) 的成本。 2） 在虛擬裝配時可以盡可能地解決大部分裝配問題，這就使新產品開發(fā)的周期大為縮短，使企業(yè)盡早占領市場。 目前，虛擬裝配的研究取得了一些進展 :在裝配的路徑規(guī)劃、運動仿真、產品的可裝 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 4 配性評價等方面都有一定的突破。但是這些又往往不能支持并行工程。而一些而向產品開發(fā)的軟件雖能支持并行工程。但又是不是面向裝配過程的。如何把二者結合起來是當前的一個研究方向。本文在這方面做了一定的工作，使產品的開發(fā)軟件能夠更好地支持虛擬裝配過程。 1.4 虛擬裝配 近年來，世界機械制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，為了 適應變化迅速的市場需求，產品研制周期、質量、成本、服務成為每一個現代企業(yè)必須面對的問題。近 20 年來的實踐證明，將信息技術應用于新產品研制以及實施途徑的改造，是現代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時，先進的產品研制方法、手段以及實施途徑，實際上是產品研制質量、成本、設計周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數字化代表產品 -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，而是強調他們如何充分利用數字化研制技術以及產品研發(fā)人員的重新編隊等方面。波音 777 飛機項目順利完成的關鍵是依賴三維數字化 設計與集成產品開發(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計思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用 2 。 1.4.1 虛擬裝配的定義 “ 虛擬裝配 ” （ Virtual Assembly）是產品數字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術領域和仿真領域中得到了廣泛的應用研究。通常有 2 種定義： 1) 虛擬 裝配是一種零件模型按約束關系進行重新定位的過程，是有效分析產品設計合理性的一種手段。該定義強調虛擬裝配技術是一種模型重新進行定位、分析過程。 2) 虛擬裝配是根據產品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，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。 1.4.2 虛擬裝配的基本設計思想及內涵 1） 以設計為中心的虛擬裝配 以設計為中心的虛擬裝配（ Design-Centered Virtual Assembly）是指在產品三維數字化定義應用于產品研制過程中，結合產品 研制的具體情況，突出以設計為核心的應用思想，這表現在以下三個層次，如圖 1-2 所示 ： 面向裝配的設計（ DFA）： 即在設計初期把產品設計過程與制造裝配過程有機結合，從XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 5 設計的角度來保證產品的可裝配性。引入面向產品裝配過程的設計思想，使設計的產品具有良好的結構，能高效地進行物理裝配，能在產品研制初期使設計部門與制造部門之間更有效地協同工作。 圖 1-2 虛擬裝配層次圖 Fig 1-2 Virtual assembly hierarchical graph 自頂向下（ Top-down）的并行產品設計（ CPD） ： 并行產品設計是對產品及其相關過程集成、并行地進行設計，強調開發(fā)人員從一開始就考慮產品從概念設計直至消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響，把一切可能產生的錯誤和矛盾盡可能及早發(fā)現，以縮短產品開發(fā)周期，降低產品成本，提高產品質量。 與 Master Model相關的可制造性設計和可裝配 性設計 ： 產品研制是多部門的協同工作過程，各部門間的合作往往受到各個企業(yè)的生產條件等方面的限制，結合各個企業(yè)的生產能力和生產特性，改進產品設計模型的可制造性、可裝配性，減少零部件模型的數量和特殊類型，減少材料種類，使用標準化、模塊化的零部件，是非常必要的 3 。以不同階段的Master Model 為核心，可以保證產品研制的不同階段數據結構完整一致，保證產品研制的各個部門協同工作，實現 CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)的高度集成，有效提高產品的可制造性和可裝配性。 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容。 實現對產品總體設計進程的控制 。 在產品數字化定義過程中，結合產品研制特點，人為地將虛擬裝配技術應用于產品設計過程，該過程可以劃分為三個階段：總體設計階段、裝配設計階段和詳細設計階段。通過對三個設計階段的控制，實現對產品總體設計進程的控制，以及虛擬裝配設計流程。 總體設計階段?？傮w設計階段是產品研制的初期階段，在此階段進行產品初步的總體布局，主要包括：建立主模型（ Master Model）空間；進行產品初步的結構、系統(tǒng)總體布 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 6 局。 裝配設計階段。裝配設計階段為產品研制的主要階段，在此階段產品三維實體模型設計已經基本完成，主要包括：產品模型空間分配（裝配區(qū)域、裝配層次的劃分）；具體模型定義（建立幾何約束關系、三維實體模型等）以及應力控制。 詳細設計階段。詳細設計階段為產品研制的完善階段，在此階段完成產品三維實體模型的最終設計，主要包括 ：完成產品三維實體模型的最終設計，進行產品模型的計算機裝配，進行全機干涉檢查。 過程控制管理 。 過程模型包含了產品開發(fā)的過程描述、過程內部相互關系 和過程間的協作等方面內容。通過對過程模型的有效管理，實現對工程研制過程中各種產品設計結果和加工工藝等產品相關信息的管理，從而實現優(yōu)化產品開發(fā)過程的目的。 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）是在產品裝配設計模型中，融入仿真技術，并以此來評估和優(yōu)化裝配過程。其主要目標是評價產品的可裝配性。 優(yōu)化裝配過程 目的是使產品能適應當地具體情況，合理劃分成裝配單元，使裝配單元能并行地進行裝配 4 。 可裝配性評價主要是評價產品裝配的相對難易程度，計算裝配費用，并以此決定產品設計是否需要修改。 1.4.3應用研究 基礎應用環(huán)境 ： 虛擬裝配技術在焊接小車設計中的應用，需要以一定的基礎應用環(huán)境作為平臺，主要包括以下幾個方面：協同工作環(huán)境、統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)以及機械通用基礎標準。 1） 協同工作環(huán)境。有一個協同工作的基礎環(huán)境，實現支持異地設計、異地裝配、異地測試的工作環(huán)境，特別是基于網絡的三維圖形的異地快速傳遞、過程控制、人機交互的基礎環(huán)境是非常必要的 2） 統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)。焊接小車的設計是一項復雜的系 統(tǒng)工程，各項工程數據在IPT 內部以及 IPT 之間進行合理流動，因此有效的管理是實現虛擬裝配技術的重要環(huán)節(jié)，必須能夠實現平臺的協同設計，又能對各種產品數據進行管理和傳遞，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)是一項重要的應用基礎環(huán)節(jié)。 XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 7 2 Pro/ENGINEER 的虛擬裝配與運動仿真 本章在前一章的基礎上，進一步研究在 Pro/ENGINEER 環(huán)境下的虛擬裝配、運動仿真的一些內容。 2.1 Pro/ENGINEER 簡介 PRO/E 是美國 PTC 公司的大型三維 CAD/CAM/CAE 一體化軟件。 是一套由設計至生產的機械自動化軟件， PRO/E 以其基于特征的參數化造型、單一數據庫下的全相關性等新概念而聞名于世，具有很強的實體造型和虛擬裝配能力。 被廣泛的用于造型設計、機械設計、模具設計、加工制造、機構分析、有限元分析及相關數據庫管理系統(tǒng)等的各個領域。Pro/Engineer 軟件包的產品開發(fā)環(huán)境在支持并行工作，它通過一系列完全相關的模塊表述產品的外形、裝配及其他功能 5 。 Pro/E 能夠讓多個部門同時致力于單一的產品模型。包括對大型 項目的裝配體管理、功能仿真、制造、數據管理等。 新版推出的工程軟件 PRO/E Woildfire2.等， 它的主要基本功能與以前的版本基本相同，并擴展了許多方面的功能 ，賦予軟件 400 多項增強型功能 。 PRO/E Woildfire2.0 的界面非常友好，清楚明確，以工具條代替文字，使人視覺和心理都有一種輕松感，它把功能的一部分，像三維平面、坐標系、軸線、實體、外觀等設置成工具條，使工作效率、方便程度大為提高。 2.1.1 Pro/E 功能模塊介紹 1) 工業(yè)設計 (CAID)模塊 工業(yè)設計模塊主要用 于對產品進行幾何設計，以前，在零件未制造出時，是無法觀看零件形狀的，只能通過二維平面圖進行想象?，F在，用 3DS 可以生成實體模型，但用 3DS生成的模型在工程實際中是 “中看不中用”。用 PRO/E 生成的實體建模，不僅中看，而且相當管用。事實上， PRO/E 后階段的各個工作數據的產生都要依賴于實體建模所生成的數據。 包括 ： PRO/3DPAINT(3D 建模 )、 PRO/ANIMATE(動畫模擬 )、 PRO/DES 工 GNER(概念設計 )、 PRO/NETWORKANIMATOR(網絡動畫合成 )、 PRO/PERSPECTA-SKETCH(圖片轉三維模型 )、 PRO/PHOTORENDER(圖片渲染 )幾個子模塊。 2) 機械設計 (CAD)模塊 機械設計模塊是一個高效的三維機械設計工具，它可繪制任意復雜形狀的零件。在實際中存在大量形狀不規(guī)則的物體表面，這些稱為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 8 曲面產品的需求將會大大增加。用 PRO/E 生成曲面僅需 2 步到 3 步 的動 作。 Pro/E 生成曲面的方法有 :拉伸、旋轉、放樣、掃掠、網格、點陣等。由于生成曲面的方法較多，因此PRO/E 可以迅速建立任何復雜曲面。 它既能作為高性能系統(tǒng)獨立使用，又能與其 它實體建模模塊結合起來使用，它支持 GB, ANSI, ISO 和 JIS 等標準。包括 ： PRO/ASSEMBLY(實體裝配 )、 PRO/CARL 工 NG(電路設計 )、 PRO/PIP 工 NG(彎管鋪設 )、 PRO/REPORT(應用數據圖形顯示 )、 PRO/SCAN- TOOLS(物理模型數字化 )、 PRO/SURFACE(曲面設計 )、 PRO/WELDING(焊接設計 ) 3) 功能仿真 (CAE)模塊 功能仿真 (CAE)模塊主要進行有限元分析。主要是講事物內在特征很難把握，機械零件的內部變化情況是難以知曉的。有限元仿真使我們有了 一雙慧眼，能“看到”零件內部的受力狀態(tài)。利用該功能，在滿足零件受力要求的基礎上，便可充分優(yōu)化零件的設計。著名的可口可樂公司，利用有限元仿真，分析其飲料瓶，結果使瓶體質量減輕了近 20%，而其功能絲毫不受影響，僅此一項就取得了極大的經濟效益。 包括 :PRO/FEM-POST(有限元分析 )、 PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS(自定義載荷輸入 )、 PRO/MECHANICAEQUAT(第三方仿真程序連接 )、 PRO/MECHANICAMOTION(指定環(huán)境下的裝配體運動分析 )、 PRO/MECHANICA THERMAL(熱分析 )、 PRO/MECHANICA TIRE MODEL(車輪動力仿真 )、 PRO/MECHANICA VIBRATION(震動分析 )、 PRO/MESH (有限元網格劃分 )。 4) 制造 (CAM)模塊 在機械行業(yè)中用到的 CAM 制造模塊中的功能是 NC Machining(數控加工 )。說到數控功能，就不能不提八十年代著名的“東芝事件”。當時，蘇聯從日本東芝公司引進了一套五坐標數控系統(tǒng)及數控軟件 CAMMAX， 加工出高精度、低噪聲的潛艇推進器，從而使西方的反潛系統(tǒng)完全失效，損失慘重 。東芝公司因違反“巴統(tǒng)”協議，擅自出口高技術，受到了嚴厲的制裁。在這一事件中出盡風頭的 CAMMAX 軟件就是一種數控模塊。 PRO/E 的數控模塊包括 ： PRO/CASTING( 鑄造模具設計 )、 PRO/MFG( 電加 )、PRO/MOLDESIGN(塑料模具設計 )、 PRO/NC-CHECK (NC 仿真 )、 PRO/NCPOST(CNC 程序生成 )、 PRO/SHEETMETAL(鈑金 設計 )。 5) 數據管理 (PDM)模塊 Pro/E 的數據管理模塊就像一位保健醫(yī)生，它在計算機上對產品性能進行測試仿真，XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 9 找出造成 產品各種故障的原因，幫助你對癥下藥，排除產品故障，改進產品設計。它就像Pro/E 家庭的一個大管家，將觸角伸到每一個任務模塊。并自動跟蹤你創(chuàng)建的數據，這些數據包括你存貯在模型文件或庫中零件的數據。這個管家通過一定的機制，保證了所有數據的安全及存取方便。 它包括 ： PRO/PDM(數據管理 )、 PRO/REVIEW(模型圖紙評估 )。 6) 數據交換 (Geometry Translator)模塊 在實際中還存在一些別的 CAD 系統(tǒng)，如 UGH、 EUCLID、 CIMATRTON、 MDT 等，由于它們門戶有別， 所以自己的數據都難以被對方所識別。但在實際工作中，往往需要接受別的 CAD 數據。這時幾何數據交換模塊就會發(fā)揮作用。 Pro/E 中幾何數據交換模塊有好幾個，如 :PRO/CAT(PRO/E 和 CATIA 的數據交換 )、PRO/CDT(二維工程圖接口 )、 PRO/DATA FOR PDGS (PRO/E 和福特汽車設計軟件的接口 )、PRO/DEVELOP(PRO/E 軟 件 開 發(fā) ) 、 PRO/DRAW( 二 維 數 據 庫 數 據 輸 入 ) 、PRO/INTERFACE( 工 業(yè) 標 準 數 據 交 換 格 式 擴 充 ) 、 PRO/INTERFACEFOR STEP (STEP/IS010303 數據和 PRONE 交換 ) 、 PRO/LEGACY( 線架 / 曲 面 維 護 ) 、PRO/LIBRARYACCESS (PRO/E 模型數據庫進入 )、 PRO/POLT (HPGL/POSTSCRIPTA 數據輸出 ) 6 2.1.2 Pro/E功能 簡介 Pro/ENGINEE 軟件的基本功能體現在以下幾個方面： a） 零件設計 1) 生成草圖特征、 包括凸臺、凹槽以及沖壓的、旋轉的、沿二維草圖掃掠過的槽 或兩個平行 截面間拼合的槽。 2) 生成標準特征， 包括孔、倒角、圓角、殼、規(guī)則圖、法蘭盤、棱等。 3) 草圖裝飾特征。 4) 生成參考基準面、軸、點、曲線、坐標、以及非實體參考基準的圖。 5) 修改、刪除、壓縮、重定義和重排列特征以及只讀特征。 6) 通過向系列表中添加尺寸生成表驅動零件。 7) 產生工程信息，包括零件 的質量特性、相交截面模型、參考尺寸。 8) 在模型上生成幾何拓撲 關系的曲面及粗糙度。 9) 在模型上給定密度、單位、材料特性或用戶 專用的質量特性。 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 10 10) 可以通過 Pro/FEATURE 定義高級特征以增強系統(tǒng)功能。 b) 裝配設計 1) 使用貼合 （ mate） 、插入 （ Insert）、 對齊 （ Align） 等命令生成裝配和子裝配，最終 生成整個產品的裝配。 2) 從一個裝配中拆開裝配的組件。 3) 修改裝配時設置的偏移。 4) 生成和修改裝配的基準面、坐標系和剖面圖。 5) 修改裝配模型中的零件尺寸。 6) 產生工程信息、材料清單、參考尺寸和裝配質量等特性參數。 7) 可通過 Pro/ASSEMBLY 進行復雜、大型的裝配設計以增強系統(tǒng)功 能。 c) 設計文檔 1) 生成多種類型的工程圖，包括總圖、投影圖、附屬圖、細節(jié)圖、分解圖、局部圖 和透視圖。 2) 完成對擴大視圖的修改，包括視圖比例和局部邊界或細節(jié)圖的修改，增加投影圖、 剖面圖的箭頭和生成快照圖。 3) 用多模型生成繪圖，從繪圖中刪除一個模型，對當前繪圖模型進行設置和增加亮度。 4) 用草圖作為參數繪圖格式。 5) 操作方式包括顯示、擦除、開關視圖、觸發(fā)箭頭、移動尺寸、文本或附加點。 6) 修改尺寸值和數字數據。 7) 生成顯示、 移動、擦除、和用于標準注釋和開關視圖。 8) 包括在繪圖注釋中己有的幾何關系。 9) 更新幾何模型的組成設計。 10) 專門繪圖的 IGES 文件。 11) 對標志繪圖指示作更改。 12) 通過 Pro/DETA I L 進行細節(jié)設計以增加系統(tǒng)繪圖功能。 d) 通用功能 1) 數據庫管理命令。 2) 在層和顯示層上放置零件的層控制。 XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 11 3) 用于距離的測量，幾何角度、間隙和在零件間以及裝配時的干涉檢查。 4) 對于掃視、變焦距、旋轉、陰影、重新定 位模型和繪圖的觀察能力。 2.2 基于 Pro/E 的裝配 2.2.1 裝配的方法分類 Pro/E 虛擬裝配設計有自底向上 （ Bottom-up） 設計和自頂向下 （ Top-down） 設計兩種。其中前者是指在設計過程中，先設計單個零部件，在此基礎上進行裝配生成總體設計。這種裝配建模需要設計人員交互的給定配合構件之間的配合約束關系，然后由 Pro/E 系統(tǒng)自動計算構件的轉移矩陣，并實現虛擬裝配。然而，交互給定構件之間的配合約束關系不僅費事，并且當構件之間的配合較多時，容易出現約束不當或約束出錯等的情況。也只有在進行裝 配時才能發(fā)現零件設計是否合理，一旦發(fā)現問題，就要對零件重新設計，重新裝配，再發(fā)現問題再進行修改，而 Top-down 的設計方式正避免了以上缺點，可以方便、直接的進行設計 。 Top-down 的設計方法是指在裝配環(huán)境中創(chuàng)建與其它部件相關的部件模型，是在裝配部件的頂級向下產生子裝配和零件的裝配設計方法。即先由產品的大致形狀特征對整體進行設計，然后根據裝配情況對零件進行詳細的設計 7 。這種設計方法是一個由粗入精的過程，多用于全新的開發(fā)過程，可以保證設計出的產品相互間有一個合理 的位置?；?Top-down的裝配設計技術也與工程實際相符合，而 Pro/E 的裝配建模技術完全支持 Top-down 的設計方法 。 在設計應用的過程中，發(fā)現基于 Top-down 生成的裝配體由于構件之間不是以配合約束關系聯系在一起的，因而不支持設計后的約束驅動修改，對于后期的設計驗證造成一定的困難。為了讓基于 Top-down 虛擬裝配技術設計的產品方便支持后期的開發(fā)和研究，本文在此基礎上提出在產品設計的同時讓 PRO/E 系統(tǒng)完成配合約束的識別，動態(tài)維護該約束，從而改善在虛擬環(huán)境下基于 Top-down 的產品虛擬裝配設計。 2.2.2虛擬裝配體系的要求 建立虛擬裝配體系是一個很重要的工作，它應能體現裝配過程中的各個方面，應能實現以下功能 : 1) 體現產品的功能要求，這是十分重要的，因為一個產品，如果功能不能實現，其 它將無從談起。 2) 應能對裝配進行評價，指出裝配方法的優(yōu)劣。 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 12 3) 能夠滿足并行工程的需要。 4) 能夠使裝配的產品系列化，以適應市場。 虛擬裝配體系的建立過程 : 1) 建立產品的裝配模型。 2) 規(guī)劃產品的裝配順序。 3) 規(guī)劃每個產品裝配的路徑。 4) 對產品的可裝配性進行 評價。 2.3 Pro/E 的運動仿真 PRO/ MECHANICA MOTION 模塊 ， 是一個完整的三維實體靜力學、運動學、動力學和逆動力學仿真與優(yōu)化設計模塊 ， 是機構運動分析強有力的工具。 在裝配設計中，確定零件間運動關系，給定主動件的運動，可以模擬顯示整個機構的運動，通過動態(tài)仿真可以檢查機器各零部件間的位置約束和運動關系的正確性。 在 PRO/E 操作界面就可以使用集成的 PRO/ MECHANICA MOTION 中的函數機械系統(tǒng)運動仿真的一般過程如圖 2-1 所示。 圖 2.1 機械系統(tǒng)運動仿真過程圖 Fig.2.1 Mechanical system simulation process map 總體方案設計主要是利用已知條件 ， 以及希望達到的目的或機械應實現的功能 ， 進行機械的全局設計 ， 在頭腦中構思形成比較完善的設計方案 8 。 1) 建立運動模型是指進行機械各部分的具體設計 ， 首先確定各零件的形狀、結構、尺寸和公差等 ， 并在計算機上進行二維繪圖和三維實體造型 ， 然后通過裝配模塊完成各零XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 13 件的組裝 ， 形成整機。裝配是運動仿真的前提保障 ， 裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果 ， 裝配前首先要確定運動的各構件以及各構件之間的運動副。確定好各構件及各構件之間的運動副之后 ， 即可通過選擇構件和運動副組成機 構 ， 最后由各機構組成整機。并為仿真做 準備。 2) 設置運動環(huán)境 是定義機械系統(tǒng)運動所必需的各種條件 ， 比如 :運動的動力源 ， 初始位置和狀態(tài)等。在復雜的機械系統(tǒng)中 ， 要定義多重的動力驅動 ， 并要定義不同驅動之間的大小方向等的關系 ， 還要約束機構的最大和最小運動極限 ， 使系統(tǒng)能在合理的范圍中運動。在已建立運動模型的基礎上 ， 此步驟將賦予模型運動的屬性。系統(tǒng)將在此定義下完成要求的運動。分析運動機構是定義要分析的 屬性。在 PRO/ M 中包括裝配分 析 、 速度分 析 、 靜態(tài)分 析 、 運動分析等多種分析類型。通過對系統(tǒng)的各種動態(tài)分析 ， 可迅速得到相關的信息 ，以此設計和完善構件。獲取分析結果是將分析的結果通過可視化的方法表現出來 ， 主要包括運動回放 ， 可分析干涉檢驗 ， 運動包絡等 。 還可測量系統(tǒng)中需要跟蹤的參數 ， 并將其變化趨勢通過圖表的形式直觀的表現出來。 3) 分析運動機構 分析運動機構是定義要分析的屬性。在 PRO/M 之中包含裝配分析、速度分析、靜態(tài)分析、運動分析等分析類型。通過對系統(tǒng)的各種動態(tài)分析，可以迅速得到相關信息，以此設計 和完善構件。 在整個機械系統(tǒng)運動仿真的過程中 ， 各步驟之間并非絕對的線性或單方面 ， 而是相互關聯和影響的 ， 通過分析反饋信息 ， 完善運動模型 ， 變化運動環(huán)境 ， 以及分析的結果對比 ，各步驟之間綜合的調整和作用 ， 才會使最終結果趨向滿意。 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 14 3 基于 PRO/E 的自動送料裝置的虛擬裝配及運動分析 本章對送料裝置的料庫、傳動裝置 以及座架進行設計、建模，和裝配，尤其是對傳動裝置的仿真運動分析和干涉檢查，以充分體現 PRO/E 在設計過程中相對傳統(tǒng)設計的優(yōu)勢。并且深入研究 PRO/E 的分層裝配技術，以及這些技術在 中型功能體的虛擬裝配 中的應用 。 3.1 送料裝置 簡介 本機構采用伺服電機帶動絲杠轉動，以帶動傳動機構工作 ，并且使 料庫的 同傳動裝置一起來回 往復運動， 經過計算和調整，可使散熱器的芯體精確的送到工作臺排齊機構的兩個梳齒之間，以便進行排齊工作和以后的壓裝擴口 。而且通過激光記數器可以控制每次料庫的行程，這些工作都可以由電路控制系統(tǒng)來完成，以大大簡化 操作，增強設備的自動化程度。 3.1.1 主要參數的選取與設定 1) 電機的選擇 按照已設計的機械結構，我們選定某國產 的 交流感應伺服電機 ， 該電機 具有優(yōu)越的伺服性能、更多的規(guī) 格范圍、精致的全規(guī)格制模外殼，中 、低慣量規(guī)格選擇， 其中我們選取其基準轉速為 n=750 轉 /分鐘、功率 1.2KW、 扭矩范圍 8-45Nm。 該型號電機的特點： a) 力矩特性強勁有力，在基準轉速點的轉矩過載系數 2.8 倍 ， 基點以下為恒轉矩特性，基點以上可達 2-3 倍功率恒定區(qū)域，可以支持快速加減速的力矩要求。 b) 接近線性化設計，力矩 /電流 CONST，便于控制和載荷力矩判定。 c) 采 用 低慣量設計，部分機種有二種慣量設計（低 、 中慣量），以支持高動態(tài)響應 d) 全封閉自制冷卻風機， F 級、 IP54，高防護 、高可靠性、長壽命、使用 安全 。 e) 編碼器機械接口標準化設計，確保 PG 與主軸同心度，編碼器輸出線采用專用接線端子，連接可靠便于接線，在結構上保證可靠屏蔽，避免干擾。 2) 我們設定絲杠的導程為 L=0.9mm， 為了提高傳動效率，采用多線螺紋，設定絲杠的螺旋線數為 3，可得送料機構的往復運動速度為 V=nL/60=（ 750*0.9） /60=11.25mm/s 3) 齒輪、齒條設計 選定齒輪的模數 m=1.5，齒輪（一）的齒數 Z1 =22， 分度圓直徑 d=33mm；如圖 3-1： XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 15 圖 3-1 齒輪（一） Fig 3-1 Gear（一） 我們已經知道， 齒輪（一）與齒條的相對速度為 11.25mm/s， 可知傳動軸的轉動速度 n1 =11.25/33=0.34 轉 /秒； 齒輪（二）與齒輪（一） 參數相同； 齒輪（三）的模數 m=1.5，齒數 Z2 =176，分度圓直徑 d=260mm；如圖 3-2： 圖 3-2 齒輪（三 ） Fig 3-2 Gear（三） 齒輪（二）與齒輪（一）的傳動比 i=33/264=1/8； XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 16 可得曲柄的轉速為 : n3=0.34*8=2.72 轉 /秒； 則每兩個翅片之間的間距為： l=11.25/2.72=4.12mm； 不過這只是送料裝置的送料的速度，翅片的間距最終由排齊機構的梳齒決定，送料裝置的任務是將翅片送入兩個梳齒之間，以后的裝配工作由其他機構完成。 3.1.2 各部件概述 1) 料庫部分設計 料庫采用固定式設計，即料庫被固定在傳動機構的前梁上，隨傳動機構在主卡緊裝置的上方做往復運動， 散熱器的芯體被放入料庫的滑軌中，由傳動裝置的落料桿壓入左 右排齊機構的梳齒中 。 2) 傳動結構的設計 傳動機構的設計是整個送料裝置的關鍵部分，因為它決定了料庫的行走速度、落料的頻率，而且它的精度直接影響整個設備的工作，因此要精確的計算齒輪之間、齒輪和齒條以及絲杠和送料機構運動之間的傳動比關系，以保證送料機構與左（右）排齊 機構和主卡緊裝置之間的配合。 3) 左（右）座架的設計 左（右）座架是傳動機構的支撐部分，其上裝配有滑軌、滑塊，可保證傳動機構的往復運動，另外也可在座架上裝配控制系統(tǒng)，方便操作人員的控制，而且整個送料裝置的動力 電動機，也裝配在右座架上 。 3.2 裝配 3.2.1 裝配方法 本次裝配屬中型裝配體，因此其涉及的零部件數量和種類都很多，如果我們 不加分類地將所有零件裝入同一個裝配體的話，那么裝配過程將十分煩瑣，而且這樣裝配的思路也不夠清晰，因此我們就需要采用一種合理的方法來對送料裝置進行裝配。 我們都知道在設計過程中，設計方法有 自底向上（ Bottom-up）設計和自頂向下（ Top-down）設計兩種 ，被我們經常采用的設計方法是第二種 自頂向下（ Top-down）設計的方法，當我們設計完成之后 ， 進行裝配的時候 ， 通常被我采用的則是 自底向上（ Bottom-up）的進行裝配 。 此外在 PRO/E 環(huán)境下，如果我們裝配到裝配體中的零件數量過多的話， PRO/E 就會將裝配關系按照裝配時的先后順序依次添加到此裝配組中，所以在單個零件的基礎上進XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 17 行整臺機械設備的裝配時，就會造成裝配關系過大，不利于設計人員對裝配關系進行編輯和修改。 而且如果我們在裝配的時候，以零件為單位依次添加裝配關系，那么當別人想要修改此設計時，所有的裝配工作就基本上要從頭開始了，這樣的設計通用是很差的，在設計過 圖 3-3Down-Top 設計方法 Fig.3-3 Down-Top Design Method 程中，我們總是希望自己的設計具有很強的通用性，以便在以后的設計中 能夠重復利用已有的設計結果，減少重復勞動、減少裝配設計時間 、降低失誤次數、提高設計效率 。如果我們能夠從一個個的小部件開始裝配，那么在以后的設計過程能中我們就有機會重復利用這樣的小部件。 3.2.2 各部件裝配 圖 根據 自底向上（ Bottom-up） 的裝配方法，下面我們自動將送料裝置有單個組裝成小功能體，在有一個個具有一定功能的部件最終組裝成為總體，即總體裝配的圖樣。 1) 料庫 料庫的功能是存放散熱器的芯體， 它由 左（右）支架、擋板、橫梁、軸、卡環(huán)、限位塊、外擋板、可調擋板、左（右）套、銅套等 19 個零件一些其他的螺栓螺母等國家標準件組成。 如圖 3-4： 2） 傳動機構 在前面的篇幅中我們已經談過，傳動機構是整個自動送料裝置的關鍵部件，而且直接影響整臺設備的工作，因為它的各種運動需要與其他部件相配合，比如要通過它精確地 將散熱器芯體送入左（右）排齊機構的兩個叔齒之間，然后才能進行以后的排齊、 壓裝擴口、釬焊等工作 。 送料機構由齒輪（一）、半聯軸器、連桿軸、墊圈、傳動軸、連桿、落料桿、襯套、 XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 18 曲柄、緊定法蘭套等 32 個零件以及其他螺母螺栓等國家標準零件組成。如圖 3-5： 圖 3-4 料庫裝配圖 Fig3-4 Material Database assemble 圖： 3-5 送料機構 Fig3-5 Taking materials Device assemble 因為此裝配體較大，我們特意將送料機構的局部放大，以便能更清晰的看到送料機構XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 19 的組成結構和工作原理，如圖 3-6 與圖 3-7： 圖 3-6：落料桿 Fig3-6: Blanking Kon 圖 3-7：嚙合齒輪 Fig3-7: Meshing gear XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 20 3) 右座架 右座架被固定在床身上，它的功能是與左座架一起支撐送料機構和料庫，并且其上固定有滑軌，通過滑軌可使送料機構在其上做往復運動，整個送料裝置的動力源 電動機，就是被裝在右座架上，電機的工作可以受設備的 PLC 自動控制，也可以進行人 工控制，如圖 3-8 所示： 圖 3-8 右座架 Fig3-8 right Pedestal 為了能更清晰的看到送料機構的組成結構和工作原理，我們將此組件局部放大，入圖3-9 所示： 圖 3-9 局部放大圖 Fig3-9 Local Click XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 21 4) 左座架 左座架的作用與右座架大致相同，不過左座架 與右座架一起 只是單純的起支撐作用，如圖 3-10 所示： 圖 3-10 左座架 Fig3-10 Left Pedestal 通過以上四個較大部件的裝配完成，下面我們就可以將這些部件組裝到一起，完成 整個自動送料裝置的裝 配，一些不十分的清晰的地方，之前已經做過局部放大，可供參照，在此就不在贅訴，如圖 3-11 所示： 圖 3-11 總裝圖 Fig3-11 the overall assemble diagram XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 22 3.3 運動分析 在 Pro/E 的裝配模塊中對機構進行組裝然后轉入 Pro/Mechanism 中進行仿真分析，由于機構比較復雜、可能出現的錯誤比較多，所以采用部分裝配再仿真、分析，仿真、分析數據正確后再加入新部件，再分析 、仿真的方法逐漸由部分到整體的實現送料裝置模型的正確建立 9 。 機構運動包括自由度的計算、各個構件位移、速度和加速度的計算以及構件會不會干涉、還有如何改變構件的尺寸來滿足設計的需要等內容。 3.3.1 MXD 的操作流程 1) 以 connections 方式建立欲分析的機構組裝 。 2) 補足相關的運動配合條件 。 3) 設定初始位置 。 4) 加入驅動條件 （ 讓機構產生動作，必須加入動力條件 ） 。 5) 設定分析條件并仿真 。 6) 播放、輸出分析結果 。 3.3.2仿真制作和 運動干涉檢查 機構的仿真是建立在裝配的基礎上來完成的， 我們知道機構運動的運動副 雖然不 是在裝配 的過程中定義的， 但是在裝配的時候我們必須設定好機構的自由度，結構才能正常運轉， 裝配的時候我們可以選擇放置的裝配方式，也可以選擇連接的方式來對自動送料機構進行裝配。 二者的區(qū)別是：如果進行放置裝配的話，那么這個裝配的零件是不能動的，如果用連接的方式進行裝配的話，那么給機構加一個動力源的話就 會按照我們定義的方式進行運動， 我們所說的運動副就是用連接的裝配方式進行定義的 10 。 如圖 3-12 和圖 3-13 所示： 當我們以 connections 方式建立欲分析的機構組裝 以后，就需要定義必要的運動副，在自動送料裝置的仿真中， 存在轉動副、移動副等，以銷釘、滑塊作為連接方式。其工作原理是 當右座架上的電機工作時帶動絲杠轉動，使送料機構沿著座架上的滑軌移動，帶動送料機構上的齒輪旋轉，然后通過曲柄將轉動最終轉化為落料桿的上下往復運動，達到送料的目的 . 1) 定義運動副：由于篇幅限制的原因，我們只列舉性的說明齒輪副的定義方法： 首先選擇“應用程序” “機構”，進入機構模式； XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 23 圖 3-12 放置裝配 圖 3-13 連接裝配 Fig 3-12 Placing assembly Fig 3-13 Link assembly 選擇 圖標，進行齒輪副的定義，我們新建一個齒輪副， 我們必須定義齒輪 （ 一 ）與齒輪 （ 二 ） 的連接軸（即定義齒輪主體），以及兩個齒輪的節(jié)圓直徑大小，另外如果我們要定義齒輪和齒條的齒輪副的話，只需將 “類型”改為“齒輪和齒條”即可， 如圖 3-14： 圖 3-14 定義齒輪副 Fig 3-14Definition gear XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 24 2） 定義動力源 選擇 按鈕， 定義連接軸、運動的形式，比如位置、速度、加速度等。如圖 3-15 所示： 圖 3-15 定義動力源 Fig 3-15 Power Source Definition 3） 運動仿真 當初始條件設定好以后，我們就可以進行機構運動的仿真了，不過為了方便起見，一般都要對機構進行快照，選擇 按鈕即可進行定義，在這里我 們就不再贅述。 選擇 按鈕就可以對機構進行運動學、動態(tài)、靜態(tài)分析，這里我們只進行運動學的分析，其中我們需要定義的是：機構運動一個周期的時間的長短、間隔時間，禎頻的大小等，如圖 3-16： 另外我們還可以將仿真過程錄制 mpg 文件，在其他的視頻軟件上播放。 3.4 干涉檢查 在進行總布置設計時，一項重要的工作就是對各相對運 動的零部件進行運動校核。其中包括 齒輪或曲柄 的運動干涉情況。在 Pro/ENGINEER 中，干涉檢查是靜態(tài)的，只有當用戶發(fā)出命令時才進行。但可以通過 Analysis 中的 Modle Analysis 來輸入一定參數，從而進行初步分析 11 。 XXXXXXX 大學畢業(yè)設計 25 圖 3-16 運動分析 Fig 3-16 Motion Analysis 我們用回放以前運動分析的功能就可進行機構仿真干涉的檢查，點擊 ，選擇一個運動分析，我們可以讓 Pro/E 進行無干涉檢查回放，兩個零件的干涉檢查以及全局的干涉檢查回放，如圖 3-17： 3.5 生成工程 圖 Pro/ENGINEER 中提供了相應的功能模塊來創(chuàng)建三維實體零件所對應的各種工程圖。工程圖中的各個視圖以及三維實體都是相互關聯的 ，如果在一個視圖中修改了尺寸，那么所有視圖、實體模型中的相關部分都會被更新并且重新生成，反之亦然。各種尺寸標注、注釋、表格和文本等都可以經過約定和共用模板進行操作。完成三維模型建模，確定各部件總成狀態(tài)后，就可以從整車模型中取出所需的零件、部件的三維模型，并轉化為二維工程圖，同時，分總成可以通過建立連接關系，自動生成相應的明細表。 下圖為自動送料裝置的工程圖： XX：基于 PRO/E 的自動送料 機構 的仿真 26 圖 3-17 干涉檢查 Fig 3-17 Interference Detection 6 6 7 1 0 0110412122 0 6 2406行程7506203 03 0101.5420168.1251.94570500178.52 32 51 6 2 . 53 4 92 52 4 4 07 8 72 1 6 8 . 55 08 02080298653 07 21 0 1 51 4 9 51959 5 7 . 51 0 0