虚拟加工与装配技术.docx

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1、目 录 摘要- 2 -Abstract- 3 -第一章 绪论- 4 -1.1虚拟装配技术- 4 -1.2虚拟制造技术- 4 -第二章 虚拟加工技术及其应用- 6 -2.1 虚拟加工系统体系结构- 6 -2.2 虚拟加工设备建模 - 7 -2.3 系统实现- 15 - 2.4 结语- 17 -第三章 虚拟装配技术及其应用- 18 -3.1 虚拟装配基本设计思想及内涵- 18 -3.2应用研究- 20 -第四章 用快速原型技术加工活塞- 24 -4.1活塞模型的创建- 24 -结束语- 30 -参考文献- 31 -虚拟加工及相关技术摘要【摘要】 分析了发展虚拟轴机床的意义，研究了虚拟轴机床的发展历

2、史、现状和发展趋势，提出了应采取的对策及今后研究开发工作的方向。关键词:虚拟轴机床 数控技术 机器人技术Intelligent ManufacturingAbstractIntelligent Manufacturing introduced the background, main contents and objectives, Artificial Intelligence and IMT, IMS relations, IMS and CIMS, intelligent manufacturing and the material basis of the theoretical ba

3、sis of the characteristics of intelligent manufacturing system and the framework structure, and gave a briefing on intelligence Machining Center IMC, intelligent manufacturing technology development trend of wood, as well as the Intelligent Manufacturing Systems research results and problematic.Key

4、words: Intelligent Manufacturing, IMS, IMC, IMT.第一章 绪论1.1虚拟装配技术近年来，世界机械制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务成为每一个现代企业必须面对的问题。近20年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代化企业生存、发展的必由之路。同时，先进的产品研制方法、手段以及实施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。以波音公司为例，在数字化代表产品-波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术

5、以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与集成产品开发团队IPT（Integrated Product Development Team）（238个Team）的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。研制周期从过去的8年时间缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。“虚拟装配”（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有2种定义： (1)虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段

6、。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。 (2)虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，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。1.2虚拟制造技术 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测以及企业各级的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，包括加工环境建模、加工工艺模拟、NC解析、加工过程仿真等。其中，环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的

7、基础。本文以实际加工环境为基础建立一个具有沉浸感的虚拟加工环境，对虚拟加工环境建模关键技术展开研究，设计人员能在该环境下对零件加工过程进行仿真并对零件的加工进行分析，从而提高生产效率和加工质量。 第二章 虚拟加工技术及其应用2.1 虚拟加工系统体系结构 虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具有虚拟性、数字化集成性、依赖性。虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。由此，以现实制造过程为基础，本课题组提出了一个开放的、可重组、可扩展的虚拟加工系统体系(图1 )。 图1 虚拟加工系统体系结构 体系结构由界面层、功

8、能层和数据层组成。界面层提供用户与系统交互的界面，用户通过该界面可以快速组装一个虚拟加工环境并进行虚拟加工，直观地观看加工过程，对加工过程进行干预，并获取分析结果。 功能层分为虚拟加工环境建模部分和虚拟加工仿真、分析部分，前一部分主要用于快速配置可重构的虚拟加工环境，包括设备建模、环境(车间)建模、刀具建模、夹具建模等功能模块;虚拟加工仿真、分析部分主要用于对产品的加工过程进行仿真相分析，包括了加工过程可视化、加工过程受热变形仿真、加工误差检测、仿真结果分析等功能模块。 数据层是虚拟加工系统重组、扩展的基础，包括可重用的虚拟设备模型、可扩展的虚拟环境模型。除此之外，用来组装虚拟设备的虚拟零部件

9、模型及用来进行加工的刀具模型、夹具模型、毛坯模型等都要建立相应的数据库。 虚拟加工环境建模是真实加工环境在数字化世界中的映射。产品的实际加工环境包括加工设备、工装夹具及其加工刀具等，因此在虑拟加工环境中需要建立相应的加工设备模型、夹具模型、刀具模型及工件模型，使得虚拟加工环境能够依据用户输入的NC代码、工艺模塑和刀具模型给出有关工件变化、刀具状况、加工效率等信息，为进行产品的可制造性评价和优化打下基础。虚拟加工设备主要是指虚拟机床，用于仿真实际加工设备加工虚拟产品，机床模型包括机床的几何实体信息、运动特征信息、伺服特性信息、刚度特性信息以及热变形特性信息的影响等; 虚拟刀具包括镜刀、车刀、钻头

10、等常用的加工刀具，用于仿真实际的切削过程，刀具模型包括刀具几何实体信息、切削特征信息和运动特征信息等:虚拟夹具用于仿真实际的工装夹具，夹具模型包括夹具几何实体信息、装夹特征信息等。虚拟加工设备、夹具、刀具和工件建模原理一致，本文以虚拟加工设备为例，研究虚拟加工环境的构建。 2.2 虚拟加工设备建模 图2 虚拟加工设备模型类结构 虚拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。根据机床信息的不同，机床模型分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配体，包含多个部件和零件，且部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在NC

11、代码的驱动下，采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动与转动，以此驱动虚拟机床的运动。本文将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上，建立虚拟加工设备模型的类结构(图2）。类结构建立床身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类；零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零件、部件之间的包含、聚合关系形成虚拟加工设备。 本文以类结构为指导，给出虚拟机床的建模流理(图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，分别存入几何模型库和仿真模型库。从几何模型库和仿真模型库中分别选取合适的零部件几何模型和仿真模型就可以组建成所

12、求的零部件完整模型。获取了零部件的完整模型。然后将它们按一定规则装配组装成虚拟加工设备模型。对各种虚拟加工设备进行物理属性建模就可得到符合实际需要的虚拟加工设备。 2.2.1几何特征信息的获取 零件儿何模型的建立是实现可重构虚拟加工环境建模的关键，零部件乃至设备的工程语义、各种仿真模型最终都必须以零部件几何模型为依托。我们将分析处理用的与工程语义相关联的零部件几何模型和屏幕三维显示用的几何模型（分别称为工程几何模型和显示几何模型）分开处理。 工程几何模型负责接受各种仿真模型的依附以及描述该零部件工程语义的工程数据(如质量、材料、代号等)的定义，所含数据包括零部件模型的参考点、坐标系、描述该零部

13、件形状的特征数据，但不包括有关屏幕显示的信息。对工程几何模型需要的特征数据通过对使用的三维软件进行二次开发获得。以UG为例，特征信息获取方法如下: Step1:应用函数DF_PART_ask_display_part,从UG Open API 中获取零部件模型句柄。 Step2:应用函数UF_PART_ask_part_name ， 从UG/Open API中获取零部件名字， 并创建一个零部件几何模型对象。虚拟加工环境开发中，我们设计了零部件几何模型类CGeoPart3d，用于记录其特征树、零件名等信息。 Step3:获取特征数据，根据特征类型创建相应的特征对象，把这些特征数据存储在对应特征对

14、象的成员变量中。建立CGLFeatu因为特征义类记录各特征共有数据，如特征类型、特征名、参考点坐标等;建立Block、Cone、Cylinder、Simple_Hole、Reel_Pad等常规特征子类记录各类特征特有参数，如Block的特征类CGLFeatBlock记录Block特征特有的参数长宽高。UG/Open API中获取特征类型的函数为UF_MODL_ask_feat_type;获取特征名的函数为UF_MODL_ask_feat_name; 获取参考点坐标的函数，UF_MODL_ask_feat_location;获取特征参数的函数，UF_MODL_ask_*_parms,*代表具体的

15、特征类型，如为Block，则函数表示获取Block特征的参数。 Step4:应用获取特征关系函数UF_MODL_ask_feat_relatives，获取特征之间的关系，并根据该关系step3创建的各特征对象链接到零部件几何模型对象的特征树的对应位置 显示几何模型只包含三维显示需要的一些数据(如点集、三角面片集、颜色、法矢等)。我们采用VRML文件作为中性文件获得零件的显示几何模型，即在CAD软件中通过对一些规则形状的物体进行几何运算，并导出形成STL、VRML格式的中性文件，记录零部件几何模型的三角面片数据。2.2.2 零件几何模型的建立 获取的显示几何模型实质是一系列离散的面集，而获取的特

16、征数据只有外形尺寸等特征信息，都不足以表示零部件几何模型。需要根据特征数据来识别并重新组织面集以构造零部件几何模型。 本文采用面向对象的思想分析零件几何模型，为特征造型中常见的几何表面类型及其约束方程分别设计类，利用类和对象间的继承、聚合特性实现零件的可重构和重用性。图4为本文建立的零件几何模型对象结构，描述零件几何模型与工程语义、形状特征之间的对象关系以及该零部件与其它零部件之间的几何约束关系。 图4 零部件几何模型的对象结构 图中，约束方程类是根据获取特征信息建立相应的特征面约束方程;几何表面有平面类(CGLPlaneFace)、圆面类(CGLRoundFace) 、桂面类( CGLCyl

17、inderFace)、锥面类(CGLConeFace )等;形状特征用于描述一定工程意义的功能几何形状信息，包括与零件的几何形状、尺寸相关的信息集合。形状特征有: Block特征(CGLFeatBlock)、Boss特征(CGLFeatBoss)、Cone 特征(CGLFeatCone) 、Cylinder特征(CGLFeatCylinder) 等 一个形状特征由一组几何表面组成，每一个几何表面都会对应于一个显示几何模型中的面集。通过约束方程类将VRML文件中离散的三角面片和形状特征的几何表面管理起来，形成零件的完整几何模型。零部件几何模型类CGeoPart3d记录零部件几何模型的工程语义、形

18、状特征构成，还要描述该零部件与其它零部件之间的几何约束关系，它的类定义如下： class CGeoPart3d public: void Init (); /零件的初始化， 包括零件的空间位置、特征树等相关信息 void PiekMesh (); II进行特征匹配与模型重构 void glDraw (); private: typedef struct FeatureNode CGLFeature * mpFeat; CString m_featName; CString m_featType; FEATNODE; /记录特征信息的节点类型 typedef vector VECTGLFeatu

19、re;/零(部)件特征数组 typedef list CVGeoPartList;/零(部)件指针链表类型 CSceneGraph m_SceneGraph;/零(部)件场景对象 VECTGLFeature m_VectorFeature;/零(部)件特征数组 CString m_PartName; /零(部)件名称 CGLReferPoint m_ReferPoint; /零(部)件的参考点 float m_comparaCoord44; /相对主零(部)件的坐标 float m_AbsoluteCoord44; /在装配环境中的绝对坐标 BOOL m_CorP; /零件或部件 针对构成机床

20、的零部件的树状层次结构，我们应用多叉树来描述。在每一部件类中，有成员变量m_lPartPointList是一个指针链表， 记录所有该子装配体中的零部件指针。如图5所示。 Class CComponent; PartList m_lPartPointList;/零部件指针链表定义 CPart* m_ParentPart;/父零(部)件指针 图5 虚拟机床装配关系 其中， C表示子装配体指针,P表示零件指针，A表示2个零件之间的装配关系列表。各个零件通过面贴合、面对齐、面相距、点重合等装配关系装配成虚拟机床。 2.2.3 虚拟设备几何模型的显示 虚拟加工环境建模系统中，虚拟设备几何模型的显示最终是

21、在OpenGL环境中完成的。OpenGL最初是SGI公司的IRIS GL 图形工作站的分支， 作为标准的图形软件接口，提供了丰富而且功能强大API函数，用户可以通过编程来自主地控制模型的行为，从而可以满足进行仿真分析等复杂操作的要求。 从图4看出，组成虚拟设备的各个零部件通过形状特征来关联零部件几何模型的工程语义部分和拓扑显示部分。零件的显示几何模刷通过处理CAD软件导出的中性文件获得，零件的最终显示可以用Open GL语句根据显示几何模型中的三角丽片数据来逐个绘制三角面片。利用虚拟设备几何模型的层次关系，其显示流程如图6所示。图中绘制零部件各特征时，由于是通过CGLFeature类的指针调用

22、的，所以具备了动态联编的条件，因此能产生动应联编的数果。即表面上调用的都是CGLFeature类的绘制函数glDraw()，实际上在执行过程中会根据不同的指针类型调用相应的子类的、改写过的绘制函数glDraw()，进而圆满完成各特征的绘制任务。 图6 虚拟设备几何模型显示流程 对于设备的属性仿真模型而言，运动模型是最基本的。环境中物体运动时，通过运动关系模型计算相关运动物体的空间位姿，调用显示方法不断地刷新屏幕产生连续的动画仿真。 2.3 系统实现 本文应用UG三维造型软件对一套加工设备进行了几何建模，通过文件输出得到零部件的VRML文件，以Visual C+6.0。为开发工具， 选用Open

23、GL作为图形引擎开发了可重构三维虚拟加工环境建模系统VMES (Virtual Machining Environment Syslem),利用该系统实现了LeadWell LTC系列加工中心的快速建模(图7)。LeadWell LTC20 AP是卧式加工中心， 将其简化为床身、加工舱舱门、导轨、刀座、刀盘、主轴头、尾架、顶尖、支架、控制台等。针对各模块的通用程度我们采取相应的建模策略，如床身、舱门等是该加工中心特有的异型部件， 为其单独建模; 导轨、刀座、刀盘等对同类机床而言，其外形结构具有很大相似性，因此通过对数据库中类似部件进行修改后重用（若数据库中已有类似) ;主袖头、尾架、顶尖等则属

24、于通用部件或标准部件，可以直接重用(若数据库中已有相同)。图8为构建的虚拟加工环境，利用该环境可以对零件进行虚拟加工仿真。 图7 虚拟机床工程语义定义 图8 虚拟加工环境2.4 结语虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够有效提升该研究

25、所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。第三章 虚拟装配技术及其应用3.1 虚拟装配基本设计思想及内涵 3.1.1 以设计为中心的虚拟装配 以设计为中心的虚拟装配（Design-Centered Virtual Assembly）是指在产品三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想，这表现在以下三个层次，如图1所示。 图9虚拟装配层次图 （1）装 面向配的设计（DFA） 即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行物理装配，能在产品研制初期使

26、设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。 （2）自顶向下（Top-down）的并行产品设计（CPD） 并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计，强调开发人员从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量。 （3） 与Master Model相关的可制造性设计和可装配性设计 产品研制是多部门的协同工作过程，各部门间的合作往往受到各个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的生产能力和生产特性，改进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料

27、种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的Master Model为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现CAD/CAM/CAE系统的高度集成，有效提高产品的可制造性和可装配性。 3.1.2以过程控制为中心的虚拟装配 以过程控制为中心的虚拟装配（Process-Centered Virtual Assembly）主要包含以下两方面内容。 （1） 实现对产品总体设计进程的控制 在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，人为地将虚拟装配技术应用于产品设计过程，该过程可以划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段。通过对

28、三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制，以及虚拟装配设计流程。 1）总体设计阶段。总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产品初步的总体布局，主要包括：建立主模型（Master Model）空间；进行产品初步的结构、系统总体布局。 2）装配设计阶段。装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）以及应力控制。 3）详细设计阶段。详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产品三维实体模型的最终设计，主要包括 ：完成产品三维实体模型的最终设计，进

29、行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。 （2） 过程控制管理 过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作等方面内容。通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管理，从而实现优化产品开发过程的目的。3.1.3 仿真为中心的虚拟装配 以仿真为中心的虚拟装配（Simulate-Centered Virtual Assembly）是在产品装配设计模型中，融入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要目标是评价产品的可装配性。 （1） 优化装配过程 目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能并行地进行装配。

30、（2）可装配性评价 主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设计是否需要修改。 3.2应用研究 3.2.1 基础应用环境 虚拟装配技术在焊接小车设计中的应用，需要以一定的基础应用环境作为平台，主要包括以下几个方面：协同工作环境、统一的信息编码系统以及机械通用基础标准。 （1）协同工作环境。有一个协同工作的基础环境，实现支持异地设计、异地装配、异地测试的工作环境，特别是基于网络的三维图形的异地快速传递、过程控制、人机交互的基础环境是非常必要的。 （2）统一的信息编码系统。焊接小车的设计是一项复杂的系统工程，各项工程数据在IPT内部以及IPT之间进行合理流动，因此有效的管理是

31、实现虚拟装配技术的重要环节，必须能够实现平台的协同设计，又能对各种产品数据进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使用的人。因此，采用统一的信息编码系统是一项重要的应用基础环节。 （3）机械通用基础标准。虚拟装配技术如果要实现行业CAD/CAE/CAPP/CAM技术的有效集成和厂所之间的数据交换，必须采用机械通用基础标准。 3.2.2 焊接小车部件级产品实施方法及途径 1。软硬件环境 硬件：COMPAQ服务器一台；P4，2.7G，1M内存的微机8台。 软件：Pro/ENGINEER 2001及其支持环境。 2. 焊接小车的传动装置虚拟装配技术应用研究 我们选择传动装置

32、的虚拟装配技术应用研究作为工程实例，对虚拟装配技术的工程应用思想、方法、具体实施途径作进一步研究，为下一阶段整个小车的应用提供一种基本的理论支持。 （1）总体设计阶段。IPT根据小车总体设计要求以及基本的总体设计参数，建立蜗轮蜗杆和齿轮的主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段的模型如图2所示。在此阶段，主要包括以下基本步骤：根据已有工程图样建立粗糙模型；布置部分初始模型（蜗轮、蜗杆、齿轮等）；对系统构件进行初步布置、建立初始模型。 图10总体设计阶段模型 本阶段结束时，必须冻结已经建立的产品主模型空间，作为模型设计共享的基础。 （2）装配设计阶段。这是小车模型具体建立阶段。本阶段主要包

33、括以下基本步骤：建立各部件的实体模型；定义具体结构装配的分解线路（建立装配层次、装配区域）；建立模型间的具体装配约束（Constraints）关系；从共享数据库中提取相应的结构模型； 进行计算机装配（Computer Mock-Up，简称CMU），以及进行干涉检查。 （3）详细设计阶段。本阶段完成焊接小车所有零件的设计工作，保证小车内所有零件干涉自由，设计模型如图3所示。 图11 详细设计阶段模型第四章 用快速原型技术加工活塞4.1活塞模型的创建第一步 用拉伸功能得到半圆柱第二步 抽壳工具去除材料第三步 第四步第五步第六步第七步第八步得到的实体结束语虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而

34、环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够有效提升该研究所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。虚拟装配的应用研究在国内研究所才刚刚起步，无论是在船舶、飞机、机械等领域的产品研制与开发中，还是在其他的轻工艺产品的开发中，人们已经逐渐地认识到虚拟装配所能发挥的巨大作用和发展潜力。在焊接

35、小车的设计过程中采用的装配思想改变了产品研制人员的研制习惯和观念，采用合理的虚拟装配应用方法、建立一定的组织机构是实现虚拟装配的核心，产品数据在研制中的合理管理和流动是实现虚拟装配的基础。 参考文献 姜国华 主编国防工业出版社 胡小强编著北京邮电大学出版社 李欣著科学出版社 胡小强主编高等教育出版社 作者: 马登武 叶文 于凤全 周洪庆国防工业出版社 王淑江等编著 电子工业出版社 洪炳镕 等编著 国防工业出版社 吴培明 编著 机械工业出版社 冯兆中编著 上海财经大学出版社 申蔚,夏立文编著 北京大学出版社(普通高等教育测控信息技术规划教材) 童刚 机械工业出版社 王培俊，高明主编 西南交大 张毅 等编著 机械工业出版社 Olivier Balet等著 Oversea Publishing House