proe虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-07-22 by:廣州proe/creo培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

1 引言
近年來(lái),世界機(jī)械制造業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,為了適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求,產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量、成本、服務(wù)成為每一個(gè)現(xiàn)代企業(yè)必須面對(duì)的問(wèn)題。近20年來(lái)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(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(lài)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)IPT(Integrated Product Development Team)(238個(gè)Team)的有效實(shí)施,保證了飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試以及試飛均在計(jì)算機(jī)上完成。研制周期從過(guò)去的8年時(shí)間縮減到5年,其中虛擬裝配的工程設(shè)計(jì)思想在研制過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用。"虛擬裝配"(Virtual Assembly)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束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過(guò)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(guò)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(guò)程,并允許用戶(hù)以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程,以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。
本文結(jié)合焊接小車(chē)研制的特點(diǎn),給出如下的定義:虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品零部件的實(shí)體造型,并且進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)過(guò)程與零部件裝配過(guò)程的高度統(tǒng)一。虛擬裝配技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究中,是一種全新的設(shè)計(jì)概念,它為產(chǎn)品的研制提供了一種新的設(shè)計(jì)方法與實(shí)施途徑,它的成功依賴(lài)于對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制。同時(shí),產(chǎn)品的零部件模型數(shù)據(jù)的合理流動(dòng)與彼此共享是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的基礎(chǔ)。虛擬裝配包括設(shè)計(jì)過(guò)程、過(guò)程控制和裝配仿真三部分。

2 虛擬裝配基本設(shè)計(jì)思想及內(nèi)涵
2.1 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-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(guò)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。
2.1.1 面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)
即在設(shè)計(jì)初期把產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與制造裝配過(guò)程有機(jī)結(jié)合,從設(shè)計(jì)的角度來(lái)保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過(guò)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(mén)與制造部門(mén)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(jì)(CPD)
并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程集成、并行地進(jìn)行設(shè)計(jì),強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)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(kāi)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(jì)和可裝配性設(shè)計(jì)
產(chǎn)品研制是多部門(mén)的協(xié)同工作過(guò)程,各部門(mén)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(lèi)型,減少材料種類(lèi),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(gè)部門(mén)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。
2.2 以過(guò)程控制為中心的虛擬裝配
以過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(guò)程,該過(guò)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(guò)對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)階段的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(Master Model)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。
2.2.2 過(guò)程控制管理
過(guò)程模型包含了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程描述、過(guò)程內(nèi)部相互關(guān)系和過(guò)程間的協(xié)作等方面內(nèi)容。通過(guò)對(duì)過(guò)程模型的有效管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程研制過(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)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(jì)模型中,融入仿真技術(shù),并以此來(lái)評(píng)估和優(yōu)化裝配過(guò)程。其主要目標(biāo)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可裝配性。
2.3.1 優(yōu)化裝配過(guò)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。
2.3.2 可裝配性評(píng)價(jià)
主要是評(píng)價(jià)產(chǎn)品裝配的相對(duì)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 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(chē)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(cè)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(guò)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(chē)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(duì)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 焊接小車(chē)部件級(jí)產(chǎn)品實(shí)施方法及途徑
3.2.1 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:proeNGINEER 2001及其支持環(huán)境。
3.2.2 焊接小車(chē)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(duì)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(chē)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(chē)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(duì)系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行初步布置、建立初始模型。
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(chē)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(kù)中提取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型; 進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配(Computer Mock-Up,簡(jiǎn)稱(chēng)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(chē)所有零件的設(shè)計(jì)工作,保證小車(chē)內(nèi)所有零件干涉自由。