目錄

摘要...........................................................-2-

Abstract.................................................................................................................-3-

第一章緒論..................................................-3-

1.1虛擬裝配技術(shù).......................................................-4-

1.2虛擬制造技術(shù).......................................................-4-

第二章虛擬加工技術(shù)及其應(yīng)用....................................-5-

2.1虛擬加工系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)...............................................-6-

2.2虛擬加工設(shè)備建模................................................-7-

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)..........................................................-14-

2.4結(jié)語.............................................................-16-

第三章虛擬裝配技術(shù)及其應(yīng)用...................................-17-

3.1虛擬裝配基本設(shè)計(jì)思想及內(nèi)涵.......................................-17-

3.2應(yīng)用研究..........................................................-19-

第四章用快速原型技術(shù)加工活塞.................................-23-

4.1活塞模型的創(chuàng)建.....................................................-23-

結(jié)束語........................................................-28-

參考文獻(xiàn)......................................................-29-

虛擬加工及相關(guān)技術(shù)

摘要

【摘要】分析了發(fā)展虛擬軸機(jī)床的意義，研究了虛擬軸機(jī)床的發(fā)展歷史、現(xiàn)

狀和發(fā)展趨勢，提出了應(yīng)采取的對策及今后研究開發(fā)工作的方向。

關(guān)鍵詞:虛擬軸機(jī)床數(shù)控技術(shù)機(jī)器人技術(shù)

InteIIigentManufacturing

Abstract

IntelligentManufacturingintroducedthebackground,

maincontentsandobjectives,ArtificialIntelligenceand

工MT,IMSrelations,IMSandC工MS,intelligentmanufacturing

andthematerialbasisofthetheoreticalbasisofthe

characteristicsofintelligentmanufacturingsystemandthe

frameworkstructure,andgaveabriefingonintelligence

MachiningCenter工MC,intelligentmanufacturingtechnology

developmenttrendofwood,aswellastheIntelligent

ManufacturingSystemsresearchresultsandproblematic.

Keywords:IntelligentManufacturing,IMS,IMC,IMT.

第一章緒論

1.1虛擬裝配技術(shù)

近年來，世界機(jī)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、成生、服務(wù)成為每一個(gè)現(xiàn)代企業(yè)必須面對的問題。

近20年來的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品研制以及實(shí)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(shí)，先進(jìn)的產(chǎn)品研制方法、手段以及實(shí)

施途徑，實(shí)際上是產(chǎn)品研制質(zhì)量、成本、設(shè)計(jì)周期等方面最有利的保證。以波

童公司為例，在數(shù)字化代表產(chǎn)品一波音777的展示中,不像以往那樣重點(diǎn)宣傳

新型飛機(jī)本身性能如何優(yōu)越，而是強(qiáng)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(duì)等方面。波音777飛機(jī)項(xiàng)目順利完成的關(guān)鍵是依賴三

維數(shù)字化設(shè)計(jì)與集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)IPT(IntegratedProductDevelopment

Team)(238個(gè)Team)的有效實(shí)施，保證了飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、測試以及試飛均

在計(jì)算機(jī)上完成。研制周期從過去的8年時(shí)圓縮減到5年，其中虛擬裝配的工程

設(shè)計(jì)思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用?！疤摂M裝配”(VirtualAssembly)

是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)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更關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，是有效分

析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段。該定義強(qiáng)調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進(jìn)行

定位、分析過程。

(2)虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)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(shí)模擬裝配過程，以檢

驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。

1.2虛擬制造技術(shù)

虛擬制造是實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的映射，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)

實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能

分析、質(zhì)量檢測以及企業(yè)各級的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強(qiáng)制

造過程各級的決策與控制能力。虛擬加工系統(tǒng)是虛擬制造研究的主要內(nèi)容之

一，包括加工環(huán)境建模、加工工藝模擬、NC解析、加工過程仿真等。其中，

環(huán)境建模是虛擬加工系統(tǒng)仿真、分析的基礎(chǔ)。本文以實(shí)際加工環(huán)境為基礎(chǔ)建立

一個(gè)具有沉浸感的虛擬加工環(huán)境，對虛擬加工環(huán)境建模關(guān)鍵技術(shù)展開研究，設(shè)

計(jì)人員能在該環(huán)境下對零件加工過程進(jìn)行仿真并對零件的加工進(jìn)行分析，從而

提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

第二章虛擬加工技術(shù)及其應(yīng)用

2.1虛擬加工系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

虛擬加工是現(xiàn)實(shí)加工過程在計(jì)算機(jī)上的映射，與真實(shí)制造過程相比，具

有虛擬性、數(shù)字化集成性、依賴性。虛擬加工系統(tǒng)的建立必須基于現(xiàn)實(shí)的制造

設(shè)備及其相關(guān)活動(dòng)，并且可以隨著制造設(shè)備的改變對虛擬加工系統(tǒng)進(jìn)行變更。

由此，以現(xiàn)實(shí)制造過程為基礎(chǔ)，本課題組提出了一個(gè)開放的、可重組、可擴(kuò)展

的虛擬加工系統(tǒng)體系（圖1）o

人機(jī)交互界面

〃回加工4支4分電

虛

擬「而工過意1國H

產(chǎn)

輸?shù)K撞檢測

工co

藝加工誤差檢灣i

數(shù)

得

仿真鰭果分析:）

PDM

圖1虛擬加工系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)由界面層、功能層和數(shù)據(jù)層組成。界面層提供用戶與系統(tǒng)交互的

界面，用戶通過該界面可以快速組裝一個(gè)虛擬加工環(huán)境并進(jìn)行虛擬加工，直觀

地觀看加工過程，對加工過程進(jìn)行干預(yù)，并獲取分析結(jié)果。

功能層分為虛擬加工環(huán)境建模部分和虛擬加工仿真、分析部分，前一部分

主要用于快速配置可重構(gòu)的虛擬加工環(huán)境，包括設(shè)備建模、環(huán)境（車間）建模、

刀具建模、夾具建模等功能模塊;虛擬加工仿真、分析部分主要用于對產(chǎn)品的

加工過程進(jìn)行仿真相分析，包括了加工過程可視化、加工過程受熱變形仿真、

加工誤差檢測、仿真結(jié)果分析等功能模塊。

數(shù)據(jù)層是虛擬加工系統(tǒng)重組、擴(kuò)展的基礎(chǔ)，包括可重用的虛擬設(shè)備模型、

可擴(kuò)展的虛擬環(huán)境模型。除此之外，用來組裝虛擬設(shè)備的虛擬零部件模型及用

來進(jìn)行加工的刀具模型、夾具模型、毛坯模型等都要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

虛擬加工環(huán)境建模是真實(shí)加工環(huán)境在數(shù)字化世界中的映射。產(chǎn)品的實(shí)際加

工環(huán)境包括加工設(shè)備、工裝夾具及其加工刀具等，因此在慮擬加工環(huán)境中需要

建立相應(yīng)的加工設(shè)備模型、夾具模型、刀具模型及工件模型，使得虛擬加工環(huán)

境能夠依據(jù)用戶輸入的NC代碼、工藝模塑和刀具模型給出有關(guān)工件變化、刀

具狀況、加工效率等信息，為進(jìn)行產(chǎn)品的可制造性評價(jià)和優(yōu)化打下基礎(chǔ)。虛擬

加工設(shè)備主要是指虛擬機(jī)床，用于仿真實(shí)際加工設(shè)備加工虛擬產(chǎn)品，機(jī)床模型

包括機(jī)床的幾何實(shí)體信息、運(yùn)動(dòng)特征信息、伺服特性信息、剛度特性信息以及

熱變形特性信息的影響等；虛擬刀具包括鏡刀、車刀、鉆頭等常用的加工刀具,

用于仿真實(shí)際的切削過程，刀具模型包括刀具幾何實(shí)體信息、切削特征信息和

運(yùn)動(dòng)特征信息等:虛擬夾具用于仿真實(shí)際的工裝夾具，夾具模型包括夾具幾何

實(shí)體信息、裝夾特征信息等。虛擬加工設(shè)備、夾具、刀具和工件建模原理一致,

本文以虛擬加工設(shè)備為例，研究虛擬加工環(huán)境的構(gòu)建。

2.2虛擬加工設(shè)備建模

圖2虛擬加工設(shè)備模型類結(jié)構(gòu)

虛擬機(jī)床是虛擬加工過程的具體實(shí)施者。根據(jù)機(jī)床信息的不同，機(jī)床模型

分為幾何模型和仿真模型，其中幾何模型將虛擬機(jī)床看成是一個(gè)層次式的裝配

體，包含多個(gè)部件和零件，且部件之間存在著相互裝配關(guān)系和約束條件，組成

零部件的三維數(shù)字模型根據(jù)其實(shí)際形狀和大小分別建模;機(jī)床仿真模型是在

NC代碼的驅(qū)動(dòng)下，采用一種類似于NC加工插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件的平動(dòng)

與轉(zhuǎn)動(dòng)，以此驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。本文將仿真模型作為機(jī)床的物理屬性依附

在機(jī)床的幾何模型上，建立虛擬加工設(shè)備模型的類結(jié)構(gòu)（圖2）。類結(jié)構(gòu)建立床

身、工作臺(tái)和導(dǎo)軌等基本類，在此基礎(chǔ)上建立零部件幾何模型類繼承基本類;

零部件幾何模型類與零部件仿真模型類一起形成零件模型類，通過零件、部件

之間的包含、聚合關(guān)系形成虛擬加工設(shè)備。

幾

何

模

型

*

一

「莖郵科的完整徵擔(dān)庫I

I修部件模里柒配形成虛推加〒

F~設(shè)瞽物理*花手玩工

本文以類結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)，給出虛擬機(jī)床的建模流理（圖3）首先建立可重用的

零部件JL何模型和可重用的零部件仿真模型，分別存入幾何模型庫和仿真模

型庫。從幾何模型庫和仿真模型庫中分別選取合適的零部件幾何模型和仿真模

型就可以組建成所求的零部件完整模型。獲取了零部件的完整模型。然后將它

們按一定規(guī)則裝配組裝成虛擬加工設(shè)備模型。對各種虛擬加工設(shè)備進(jìn)行物理屬

性建模就可得到符合實(shí)際需要的虛擬加工設(shè)備。

2.2.1幾何特征信息的獲取

零件兒何模型的建立是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)虛擬加工環(huán)境建模的關(guān)鍵，零部件乃至

設(shè)備的工程語義、各種仿真模型最終都必須以零部件幾何模型為依托。我們將

分析處理用的與工程語義相關(guān)聯(lián)的零部件幾何模型和屏幕三維顯示用的幾何

模型（分別稱為工程幾何模型和顯示幾何模型）分開處理。

工程幾何模型負(fù)責(zé)接受各種仿真模型的依附以及描述該零部件工程語義

的工程數(shù)據(jù)（如質(zhì)量、材料、代號等）的定義，所含數(shù)據(jù)包括零部件模型的參考

點(diǎn)、坐標(biāo)系、描述該零部件形狀的特征數(shù)據(jù)，但不包括有關(guān)屏幕顯示的信息。

對工程幾何模型需要的特征數(shù)據(jù)通過對使用的三維軟件進(jìn)行二次開發(fā)獲得。以

UG為例，特征信息獲取方法如下：

Stepl:應(yīng)用函數(shù)DF_PART_ask_display_part,從UGOpenAPI中獲取零部

件模型句柄。

Step2:應(yīng)用函數(shù)UF_PART_ask_part_name,從UG/OpenAPI中獲取零部

件名字，并創(chuàng)建一個(gè)零部件幾何模型對象。虛擬加工環(huán)境開發(fā)中，我們設(shè)計(jì)

了零部件幾何模型類CGeoPart3d,用于記錄其特征樹、零件名等信息。

Step3:獲取特征數(shù)據(jù)，根據(jù)特征類型創(chuàng)建相應(yīng)的特征對象，把這些特征數(shù)

據(jù)存儲(chǔ)在對應(yīng)特征對象的成員變量中。建立CGLFeatu因?yàn)樘卣髁x類記錄各特

征共有數(shù)據(jù)，如特征類型、特征名、參考點(diǎn)坐標(biāo)等;建立Block、Cone、Cylinder,

Simple_Hole>Reel_Pad等常規(guī)特征子類記錄各類特征特有參數(shù)，如Block的

特征類CGLFeatBlock記錄Block特征特有的參數(shù)長寬高。UG/OpenAPI中獲

取特征類型的函數(shù)為UF_MODL_ask_feat_type;獲取特征名的函數(shù)為

UF_MODL_ask_feat_name;獲取參考點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)，

UF_MODL_ask_feat」ocation;獲取特征參數(shù)的函數(shù)，UF_MODL_ask_*_parms,*

代表具體的特征類型，如為Block,則函數(shù)表示獲取Block特征的參數(shù)。

Step4:應(yīng)用獲取特征關(guān)系函數(shù)UF_MODL_ask_feat_relatives,獲取特征之

間的關(guān)系，并根據(jù)該關(guān)系step3創(chuàng)建的各特征對象鏈接到零部件幾何模型對象

的特征樹的對應(yīng)位置

顯示幾何模型只包含三維顯示需要的一些數(shù)據(jù)（如點(diǎn)集、三角面片集、顏

色、法矢等）。我們采用VRML文件作為中性文件獲得零件的顯示幾何模型，

即在CAD軟件中通過對一些規(guī)則形狀的物體進(jìn)行幾何運(yùn)算,并導(dǎo)出形成STL,

VRML格式的中性文件，記錄零部件幾何模型的三角面片數(shù)據(jù)。

2.2.2零件幾何模型的建立

獲取的顯示幾何模型實(shí)質(zhì)是一系列離散的面集，而獲取的特征數(shù)據(jù)只有外

形尺寸等特征信息，都不足以表示零部件幾何模型。需要根據(jù)特征數(shù)據(jù)來識別

并重新組織面集以構(gòu)造零部件幾何模型。

本文采用面向?qū)ο蟮乃枷敕治隽慵缀文Ｐ?為特征造型中常見的幾何表

面類型及其約束方程分別設(shè)計(jì)類，利用類和對象間的繼承、聚合特性實(shí)現(xiàn)零件

的可重構(gòu)和重用性。圖4為本文建立的零件幾何模型對象結(jié)構(gòu)，描述零件幾何

模型與工程語義、形狀特征之間的對象關(guān)系以及該零部件與其它零部件之間的

幾何約束關(guān)系。

圖14零部件幾何模型的對象結(jié)構(gòu)

圖中，約束方程類是根據(jù)獲取特征信息建立相應(yīng)的特征面約束方程;幾何

表面有平面類(CGLPlaneFace)＞圓面類(CGLRoundFace)、桂面類

(CGLCylinderFace)＞錐面類(CGLConeFace)等;形狀特征用于描述一定工程意

義的功能幾何形狀信息，包括與零件的幾何形狀、尺寸相關(guān)的信息集合。形狀

特征有：Block特征(CGLFeatBlock)、Boss特征(CGLFeatBoss)、Cone特征

(CGLFeatCone)、Cylinder特征(CGLFeatCylinder)等

一個(gè)形狀特征由一組幾何表面組成，每一個(gè)幾何表面都會(huì)對應(yīng)于一個(gè)顯示

幾何模型中的面集。通過約束方程類將VRML文件中離散的三角面片和形狀

特征的幾何表面管理起來，形成零件的完整幾何模型。零部件幾何模型類

CGeoPart3d記錄零部件幾何模型的工程語義、形狀特征構(gòu)成，還要描述該零

部件與其它零部件之間的幾何約束關(guān)系，它的類定義如下：

classCGeoPart3d

public:

voidlnitO;〃零件的初始化，包括零件的空間位置、特征樹等相關(guān)信息

voidPiekMesh（）;II進(jìn)行特征匹配與模型重構(gòu)

voidglDraw（）;

private:

typedefstructFeatureNode

（

CGLFeature*m...pFeat;

CStringm_featName;

CStringm_featType;

}FEATNODE;//記錄特征信息的節(jié)點(diǎn)類型

typedefvector<FEATNODE>VECTGLFeature;〃零（部）件特征數(shù)組

typedeflist<CVGeoPart*>CVGeoPartList;//零（部）件指針鏈表類型

CSceneGraphm_SceneGraph;〃零（部）件場景對象

VECTGLFeaturem_VectorFeature;〃零（部）件特征數(shù)組

CStringm_PartName;〃零（部）件名稱

CGLReferPointm_ReferPoint;〃零（部）件的參考點(diǎn)

floatm_comparaCoord[4][4];〃相對主零（部）件的坐標(biāo)

floatm_AbsoluteCoord[4][4];〃在裝配環(huán)境中的絕對坐標(biāo)

BOOLm_CorP;//零件或部件

針對構(gòu)成機(jī)床的零部件的樹狀層次結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)用多叉樹來描述。在每一

部件類中，有成員變量m」PartPointList是一個(gè)指針鏈表，記錄所有該子裝配

體中的零部件指針。如圖5所示。

ClassCComponent;

（

PartListm_lPartPointList;〃零部件指針鏈表定義

CPart*m_ParentPart;〃父零（部）件指針

圖5虛擬機(jī)床裝配關(guān)系

其中，C表示子裝配體指針,P表示零件指針，A表示2個(gè)零件之間的裝配

關(guān)系列表。各個(gè)零件通過面貼合、面對齊、面相距、點(diǎn)重合等裝配關(guān)系裝配成

虛擬機(jī)床。

2.2.3虛擬設(shè)備幾何模型的顯示

虛擬加工環(huán)境建模系統(tǒng)中，虛擬設(shè)備幾何模型的顯示最終是在OpenGL

環(huán)境中完成的。OpenGL最初是SGI公司的IRISGL圖形工作站的分支，作

為標(biāo)準(zhǔn)的圖形軟件接口，提供了豐富而且功能強(qiáng)大API函數(shù)，用戶可以通過

編程來自主地控制模型的行為，從而可以滿足進(jìn)行仿真分析等復(fù)雜操作的要

求。

從圖4看出，組成虛擬設(shè)備的各個(gè)零部件通過形狀特征來關(guān)聯(lián)零部件幾何

模型的工程語義部分和拓?fù)滹@示部分。零件的顯示幾何模刷通過處理CAD軟

件導(dǎo)出的中性文件獲得，零件的最終顯示可以用OpenGL語句根據(jù)顯示幾何

模型中的三角麗片數(shù)據(jù)來逐個(gè)繪制三角面片。利用虛擬設(shè)備幾何模型的層次關(guān)

系，其顯示流程如圖6所示。圖中繪制零部件各特征時(shí)，由于是通過CGLFeature

類的指針調(diào)用的，所以具備了動(dòng)態(tài)聯(lián)編的條件，因此能產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)聯(lián)編的數(shù)果。

即表面上調(diào)用的都是CGLFeature類的繪制函數(shù)glDraw(),實(shí)際上在執(zhí)行過程

中會(huì)根據(jù)不同的指針類型調(diào)用相應(yīng)的子類的、改寫過的繪制函數(shù)glDraw(),進(jìn)

而圓滿完成各特征的繪制任務(wù)。

//m_PDTreeVectorIi|是CM?chi”的虛擬裝配

其包含的元童是廢以機(jī)床的一系列零部件

UtB_VeCorFe?t?r4］是的一個(gè)或0支

量數(shù)絹.其元素是一個(gè)結(jié)杓，該姑枸中但含一個(gè)

CGLFcatirc美措什nti-cal

//???轉(zhuǎn)征包含兩個(gè)粉征表面，一個(gè)IS柱面，一

MB?

“幾何衰ST與面集的關(guān)聯(lián)通過上帶的特衽口國與

發(fā)型意構(gòu)實(shí)現(xiàn)

HpFacrArniyUACCLMeshJd的成員變北數(shù)!fl.

用來記錄面柒各三角面片.“八〃

圖6虛擬設(shè)備幾何模型顯示流程

對于設(shè)備的屬性仿真模型而言，運(yùn)動(dòng)模型是最基本的。環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng)時(shí),

通過運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型計(jì)算相關(guān)運(yùn)動(dòng)物體的空間位姿，調(diào)用顯示方法不斷地刷新屏

幕產(chǎn)生連續(xù)的動(dòng)畫仿真。

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文應(yīng)用UG三維造型軟件對一套加工設(shè)備進(jìn)行了幾何建模，通過文件輸

出得到零部件的VRML文件，以VisualC++6.0。為開發(fā)工具，選用OpenGL

作為圖形引擎開發(fā)了可重構(gòu)三維虛擬加工環(huán)境建模系統(tǒng)VMES（Virtual

MachiningEnvironmentSyslem）,利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LeadWellLTC系列加工中

心的快速建模（圖7）。LeadWellLTC20AP是臥式加工中心，將其簡化為床身、

加工艙艙門、導(dǎo)軌、刀座、刀盤、主軸頭、尾架、頂尖、支架、控制臺(tái)等。針

對各模塊的通用程度我們采取相應(yīng)的建模策略，如床身、艙門等是該加工中心

特有的異型部件，為其單獨(dú)建模；導(dǎo)軌、刀座、刀盤等對同類機(jī)床而言，其

外形結(jié)構(gòu)具有很大相似性，因此通過對數(shù)據(jù)庫中類似部件進(jìn)行修改后重用（若

數(shù)據(jù)庫中已有類似）;主袖頭、尾架、頂尖等則屬于通用部件或標(biāo)準(zhǔn)部件，可以

直接重用（若數(shù)據(jù)庫中已有相同）。圖8為構(gòu)建的虛擬加工環(huán)境，利用該環(huán)境可

以對零件進(jìn)行虛擬加工仿真。

圖7虛擬機(jī)床工程語義定義

圖8虛擬加工環(huán)境

2.4結(jié)語

虛擬加工系統(tǒng)是虛擬制造研究的主要內(nèi)容之一，而環(huán)境建模是虛擬加工系

統(tǒng)仿真、分析的基礎(chǔ)。本文通過三維實(shí)體建模構(gòu)造出一套虛擬設(shè)備，使設(shè)計(jì)人

員可以借助于一定的軟、硬件設(shè)備，在虛擬制造環(huán)境下對零件加工過程進(jìn)行仿

真，并對設(shè)備布局、加工過程等作出分析，以便對整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化，從

而提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。該研究成果已經(jīng)在某研究所應(yīng)用，應(yīng)用表明:本

課題組建立的虛擬加工系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際加工情況快速構(gòu)建虛擬加工環(huán)境，能夠

有效提升該研究所產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造效率，縮短產(chǎn)品研制時(shí)間。

第三章虛擬裝配技術(shù)及其應(yīng)用

3.1虛擬裝配基本設(shè)計(jì)思想及內(nèi)涵

3.1.1以設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配

以設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配(Design-CenteredVirtualAssembly)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(jì)為核心的應(yīng)用思想，這表現(xiàn)在以下三個(gè)層次，如圖1所示。

圖9虛擬裝配層次圖

(1)裝面向配的設(shè)計(jì)(DFA)

即在設(shè)計(jì)初期把產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與制造裝配過程有機(jī)結(jié)合，從設(shè)計(jì)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(jì)思想，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有

良好的結(jié)構(gòu)，能高效地進(jìn)行物理裝配，能在產(chǎn)品研制初期使設(shè)計(jì)部門與制造部

門之間更有效地協(xié)同工作。

(2)自頂向下(Top-down)的并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CPD)

并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程集成、并行地進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)開發(fā)人

員從一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)直至消亡的整個(gè)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(cuò)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。

(3)與MasterModel相關(guān)的可制造性設(shè)計(jì)和可裝配性設(shè)計(jì)

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(gè)企業(yè)的

生產(chǎn)條件等方面的限制，結(jié)合各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的零部件，是非常必要的。以不同階段的MasterModel

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(gè)部門協(xié)同工作，實(shí)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。

3.1.2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-CenteredVirtualAssembly)

主要包含以下兩方面內(nèi)容。

(1)實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)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(diǎn)，人為地將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)

用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，該過程可以劃分為三個(gè)階段：總體設(shè)計(jì)階段、裝配設(shè)計(jì)階

段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。通過對三個(gè)設(shè)計(jì)階段的控制，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的

控制，以及虛擬裝配設(shè)計(jì)流程。

1)總體設(shè)計(jì)階段?？傮w設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品研制的初期階段，在此階段進(jìn)行

產(chǎn)品初步的總體布局，主要包括：建立主模型(MasterModel)空間；進(jìn)行產(chǎn)

品初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。

2)裝配設(shè)計(jì)階段。裝配設(shè)計(jì)階段為產(chǎn)品研制的主要階段，在此階段產(chǎn)品

三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)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(shí)體模型等)以

及應(yīng)力控制。

3)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。詳細(xì)設(shè)計(jì)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(shí)體模型的最終設(shè)計(jì)，主要包括：完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)

計(jì)，進(jìn)行產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)裝配，進(jìn)行全機(jī)干涉檢查。

(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(shí)現(xiàn)對工程研制過程中各種產(chǎn)品設(shè)

計(jì)結(jié)果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的管理，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)過程的目

的。

3.1.3仿真為中心的虛擬裝配

以仿真為中心的虛擬裝配(Simulate-CenteredVirtualAssembly)是在

產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)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(biāo)是評價(jià)產(chǎn)品的可裝配性。

(1)優(yōu)化裝配過程

目的是使產(chǎn)品能適應(yīng)當(dāng)?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(jìn)行裝配。

(2)可裝配性評價(jià)

主要是評價(jià)產(chǎn)品裝配的相對難易程度，計(jì)算裝配費(fèi)用，并以此決定產(chǎn)品設(shè)

計(jì)是否需要修改。

3.2應(yīng)用研究

3.2.1基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境

虛擬裝配技術(shù)在焊接小車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，需要以一定的基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境作為

平臺(tái)，主要包括以下幾個(gè)方面：協(xié)同工作環(huán)境、統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)以及機(jī)械

通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)協(xié)同工作環(huán)境。有一個(gè)協(xié)同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)支持異地設(shè)計(jì)、

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(jī)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(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各

項(xiàng)工程數(shù)據(jù)在IPT內(nèi)部以及IPT之間進(jìn)行合理流動(dòng)，因此有效的管理是實(shí)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(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)，又能對各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)

進(jìn)行管理和傳遞，保證在正確的時(shí)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(xiàng)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

(3)機(jī)械通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬裝配技術(shù)如果要實(shí)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(jī)械通

用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2焊接小車部件級產(chǎn)品實(shí)施方法及途徑

lo軟硬件環(huán)境

硬件：COMPAQ服務(wù)器一臺(tái)；P4,2.7G,1M內(nèi)存的微機(jī)8臺(tái)。

軟件：Pro/ENGINEER2001及其支持環(huán)境。

2.焊接小車的傳動(dòng)裝置虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究

我們選擇傳動(dòng)裝置的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究作為工程實(shí)例，對虛擬裝配技

術(shù)的工程應(yīng)用思想、方法、具體實(shí)施途徑作進(jìn)一步研究，為下一階段整個(gè)小車

的應(yīng)用提供一種基本的理論支持。

(1)總體設(shè)計(jì)階段。IPT根據(jù)小車總體設(shè)計(jì)要求以及基本的總體設(shè)計(jì)參

數(shù)，建立蝸輪蝸桿和齒輪的主模型空間，并進(jìn)行初步的總體布局?？傮w設(shè)計(jì)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(jìn)行

初步布置、建立初始模型。

圖10總體設(shè)計(jì)階段模型

本階段結(jié)束時(shí)，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(jì)共享

的基礎(chǔ)。

(2)裝配設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配(ComputerMock-Up,簡稱

CMU),以及進(jìn)行干涉檢查。

(3)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。本階段完成焊接小車所有零件的設(shè)計(jì)工作，保證小

車內(nèi)所有零件干涉自由，設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖11詳細(xì)設(shè)計(jì)階段模型

第四章用快速原型技術(shù)加工活塞

4.1活塞模型的創(chuàng)建

第一步用拉伸功能得到半圓柱

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