气动夹紧钻床夹具虚拟装配系统的研究样本.doc

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国内图书分类号:TG751.2
国际图一书分类号:621.7
·学校代子码:10079
密级:公开
硕士学位论文
气动夹紧钻床夹具虚拟装配系统的研究
硕士研究生:张蛟妓
导.师:范孝良教授
申请学位:工学硕士
学科:机械工程
专业:机械电子工程
所在学院:能源动力与机械工程学院
答辩日期: 3月
授予学位单位:
华北电力大学
虚拟装配是虚拟现实技术在工业领域的典型应用, 近年来国内外研究人员对虚拟装配技术的研究也取得了阶段性的成果并应用于产品生产过程中, 为企业带来了经济效益。本课题以气动夹紧钻床夹具为实例, 研究钻夹具虚拟装配系统开发过程。首先经过搜集夹具图纸、 技术要求等数据资料, 并查阅《机床夹具设计手册》等, 对夹具的整体结构、 定位原理, 以及各功能部件构成和各零部件的几何形状进行详细分析。接下来选择合适的工程建模软件对钻夹具的零件进行实体建模, 本课题选择UGNX5.0。
零件模型建立完成之后, 在UG环境中进行零件的装配, 并在装配过程中检查零件之间是否存在空间干涉现象, 如果发现干涉现象, 可及时对零件模型进行修改和完善。钻夹具体装配模型建立完成之后, 即可导入adsMax中进行材质设置和渲染工作, 接下来导入到Virtools中进行虚拟装配系统的制作。虚拟装配系统制作之前, 首先要进行装配系统流程的设计和夹具实例装配工艺规程设计。
在Virtools开发平台提供的虚拟场景中, 经过添加灯光、 移动模型位置等操作, 使模型在虚拟场景中的显示更清晰, 更富真实感, 并利用Virtools平台提供的强大的行为交互模块, 完成虚拟装配系统人机交互功能的制作。气动夹紧钻床夹具虚拟装配系统不但能够完成零件装配过程的动态演示, 操作者还能经过鼠标实时控制零件的动作, 而且以任意角度观察装配的过程。利用此系统, 操作者能够对气动夹紧钻床夹具的结构组成和各部件功能实现的原理、 装配过程获得更直观的认识和了解。
关键词:钻夹具;实体建模;零件装配;虚拟装配华比}匕力人学倾}学位论文
目录
摘要
目录第I章绪论.
1.1选题背景及意义
1.2国内外发展动态
1.3本课题主要研究内容
1.4本章小结
第2章虚拟装配系统开发平台
2.1虚拟装配技术 2.1.1虚拟装配定义
2.1.2虚拟装配特点
2.2虚拟现实平台简介
2.3系统开发平台Virtools
2.3.1Virtools主要功能
2.3.2Virtools关键组件2.3.3Virtools界面构成
2.4本章小结
第3章气动夹紧钻床夹具实体建模二。
3.1实体建模工具选取
3.1.1建模工具介绍
3.1.2选择UG,3dsMax
3.2气动夹紧钻床夹具实例分析
3.3钻床夹具零件实体建模二, 3.3.1UG初始化设置
3.3.2零件实体建模
3.4钻床夹具零件装配17
3.5装配体格式转换和输出
3.5.1UG中装配体导出.STL格式
3.5.2模型导入adsMax1
3.5.3adsMax中钻床夹具模型渲染
3.5.4adsMax中模型导出为.nmo格式
3.6本章小结.第4章气动夹紧钻床夹具虚拟装配系统开发
4.1钻床夹具虚拟装配系统流程设计
4.2钻床夹具虚拟装配工艺规程制定
4.2.1钻床夹具模型层次分
4.2.2装配顺序设计
4.2.3装配路径规划28
4.2.4干涉检验4.3Virtools平台虚拟装配系统设计
4.3.1钻床夹具模型的初始设立
4.3.2装配演示制作
4.3.3人机交互操作
4.3.4成果发布
4.4本章小结
第5章结论与展望参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果致谢
第1章绪论
选题背景及意义
虚拟现实技术是近年来兴起的一种高新技术, 如今已经发展成一门涉及图像处理技术、 计算机仿真技术、 精密传感机构、 人工智能网络并行处理等领域的综合性学科。当前, 虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、 工业仿真、 房地产设计、 医学培训、 教育培训等领域[[21。它利用计算机生成的三维虚拟环境, 为操作者提供近乎真实的视觉、 听觉、 嗅觉、 触觉、 味觉体验, 令操作者犹如身临其境一般置身于虚拟世界中, 能够实时地观察和感受虚拟三维空间内的事物、 事物的特征以及事物的行为等[[3]。虚拟现实技术的发展, 将从根本上改变人们的工作方式和生活方式, 真正实现劳逸结合, 人们在享受环境中工作, 在工作过程中得到享受。
在机械工业领域, 虚拟现实技术的应用大大提高了设计者的工作效率, 节省了大量的人力资源和工业原料。传统的机械产品设计过程是首先设计出产品的各个零件, 并按照设计要求一一加工制造出真实的零件实体, 然后把实实在在的零件装配起来, 形成一个完整的装配体[[4]。这样一来, 很容易出现装配体各零件之间的干涉及与设计者的设计目标不符等缺陷[[5]。将虚拟现实技术应用到机械设计领域中来, 能够让设计人员在虚拟场景中犹如看到真实的产品一样。
虚拟装配是虚拟现实技术在工业领域中的典型应用, 它包含了虚拟设计和虚拟装配两部分, 首先要使用三维建模软件建立机械产品的虚拟三维实体模型, 然后在虚拟环境中进行零件的装配, 用户犹如在真实环境中一样对产品零件的装配过程进行实时操控, 并在装配过程中进行干涉检验等操作, 及时发现零件模型形状、 装配工序不当等问题, 以及时进行修改, 这样一来能够简化设计流程, 缩短设计时间, 提高了产品的设计和生产效率, 也提高了生产企业的经济效益。
现如今, 机械产品的制造越来越趋向于自动化和数字化, 虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。
虚拟装配作为虚拟现实技术的一种典型应用, 不但广泛应用于工业生产中, 也越来越广泛地应用于教学领域。将虚拟装配技术应用于高等学校相关课程的教学过程中, 不但体现了科学技术的先进性, 还实现了教学方法的改革创新。虚拟现实技术不但拥有美观的图形界面, 还能生成视觉效果逼真的视频动画, 使虚拟场景中的对象更富有立体感、 真实感和可观性, 更容易实现全方位地观察对象, 极大地调动了学生的好奇心和求知欲, 改进了学习效果, 因此, 它必将在不久的将来成为教学的主要辅助方式之一。
.2国内外发展动态
虚拟装配是虚拟现实技术在工业领域的·个全新的应用, l-l前还未发展成熟, 因此国内外的利一研人员一直在对虚拟装配技术进行理论探索取l实践应用, 为虚拟装配技术在产品设计、 制造等方面的应用提供更好的平台。随着其研究的不断深入, 当前国内外已有不少研究机构取得了相当不错的研究成果。
1.国外发展现状
美国是虚拟现实技术的起源, 美国研究的重点是感知、 用户界面、 后台软件和硬件等方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室开发了HMD, 并将VPL的数据手套工程化, 使其成为可用性较高的产品[8]。NASA的Ames正在实施”虚拟行星探索(VPE)”实验计划。德国工业工程研究所虚拟现实实验室较早地研究基于虚拟现实的装配规划系统。加拿大大学在虚拟装配中引入仿生智能, 使用仿生神经网络进行装配序列规划, 最终生成机器人指令, 并进行评价和优化。Kuehne和Oliver建立了一个简单的虚拟装配系统, 能够经过导入CAD模型装配层次结构来产生装配顺序, 但它没有碰撞干涉检测和触觉反馈。
英国的高级机器人研究有限公司(ARRL)关于远程实现的研究内容主要包括VR技术重构问题。日本主要研究建立VR知识库, 在虚拟现实游戏方面的研究也发展迅速。京都的先进电子通信研究所(ATR)正在开发一套系统, 它能用图像处理来识别手势和面部表情, 并把它们作为系统输入;富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与VR环境的相互作用, 她们还在研究虚拟现实中的手势识别, 己经开发了一套神经网络姿势识别系统。日本奈良尖端技术研究生院的教授千原国宏设计了一种嗅觉模拟器, 只要把虚拟场景中的物体拉到鼻尖上一闻, 装置就会在鼻尖处放出对应物体的味道, 使虚拟现实技术在嗅觉领域有了新的突破。
2.国内发展现状
在中国, 关于虚拟现实技术的研究和应用都比较晚, 而且由于虚拟现实技术所需硬件成本过高, 大多数研究机构都是在进行理论的探索, 而没有付诸于实践。但国家已经对这项技术有了高度重视。近年来国内许多研究机构和高校科研人员己开始对虚拟现实技术展开了广泛并深入的研究, 也取得了一定的成果并得到了初步应用。北京航空航天大学较早进行VR研究, 其研究指出了当前虚拟装配技术存在的儿个问题, 包括部件之间的层次关系, 零件的装配路径, 干涉检验应该包括静态干涉检测和动态干涉检测。华北电力人学硕}学位论文最近几年, Virtools作为强大的虚拟现实开发平台, 在国内的应用发展势头较好, 在产品设计、 市场营销、 CRM应用、 多媒体设计及3D游戏开发等方而得到了广泛的应用。纵观多年来的发展历程, VR技术的未来发展仍将遵循”低成本、 高性能”的原则, 在软件、 硬件的发展基础上, 向动态环境建模、 新型交互设备的研制、 实时三维图像生成和显示、 智能化语言虚拟现实建模以及大型网络分布式虚拟现实应用这几个主要方向发展。
3本课题主要研究内容
本课题在机床夹具及虚拟现实的基本理论基础上, 结合三维建模技术和虚拟现实开发工具, 主要对气动夹紧钻床夹具的虚拟装配系统进行研究, 主要研究内容如下:
(1)气动夹紧钻床夹具实例分析
搜集气动夹紧钻床夹具图纸和技术要求等相关资料, 分析钻夹具体的结构和功能实现原理, 确定各零件的几何形状和尺寸, 以及零件之间的公差配合等。
(2)研究三维实体建模技术, 建立钻夹具体三维实体模型
分析当前的三维建模技术, 选择合适的三维建模软件, 在虚拟环境中进行钻夹具体各零件的实体建模, 并装配成完整的钻夹具装配体。
(3)选择合适的虚拟现实平台进行虚拟装配系统设计
分析当前的虚拟现实技术及相关的软件平台, 选择合适的开发平台进行气动夹紧钻床夹具虚拟装配系统的制作和产品发布。此系统能实现人机交互功能, 操作者能够经过鼠标控制钻夹具体的各个零件, 实现零件的点选和移动路径引导, 完成动态装配过程。同时操作者还能够经过鼠标实现以任意角度观察虚拟场景中钻夹具体零件的装配动作和过程。
4本章小结
本章主要介绍了虚拟现实技术的概念和发展现状, 以及虚拟装配技术在机械工业中的应用, 并提出本课题的主要研究内容。华北电力人学映}学位论文。
第2章虚拟装配系统开发平台
2.1虚拟装配技术
2.1.1虚拟装配定义
虚拟装配是机械产品虚拟设计和虚拟制造过程中非常重要的一个环节, 它是在机械产品的零件模型建立完成之后, 经过对机械产品的结构和功能的分析, 划分出产品部件、 组件、 零件的层级模型, 并根据产品技术要求等条件, 考虑到各零件具体几何形状, 进行装配工艺规程规划和装配顺序设计, 然后在虚拟环境中进行零件的装配, 在装配过程中经过静态和动态干涉检验及时发现零件模型形状和装配工艺的不足之处再加以适当修改, 直至形成完善的产品装配。
虚拟装配是产品数字化生产的核心内容, 它很好地体现了面向产品生命周期的思想, 是实施并行工程(CE)和敏捷制造(AM)的核心技术之一[14]。综合参考有关的虚拟装配定义, 得知:虚拟装配是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础, 集计算机图形学、 人工智能、 网络技术、 数据库技术、 并行工程、 多媒体技术和虚拟现实技术为一体的综合系统技术。虚拟装配是建立在虚拟现实平台上的, 它利用虚拟现实技术提供的逼真情境模拟, 人机交互操作等给操作者提供身临其境的感受, 并允许操作者随时对虚拟环境中模型的信息进行修改、 完善。
传统意义上的装配是指按照规定的技术要求, 将生产出来的真实零件、 组件和部件实体进行配合和连接, 使之成为半成品或成品的工艺过程[‘”]。由此可见, 传统意义上的装配过程首先要生产出零件, 然后才能进行零件的装配, 只有在真实的装配过程中才能发现零件几何形状的缺点和装配工艺的不足, 而且对某个零件的修改结果不能及时地反映到装配整体中, 会造成信息传达不及时, 严重影响到装配的全局规划, 造成产品设计周期过长, 工业原材料以及人力资源的浪费。虚拟装配技术的出现大大改进了这种生产效率低和资源浪费现象。虚拟装配过程从零件建模到零件装配都是在软件平台提供的虚拟环境中进行的, 不但不需要使用任何工业原料, 而且省时省力, 方便设计人员及时修改, 大大提高了工作效率。
2.1.2虚拟装配特点
虚拟装配是先进科学技术在传统制造业中的重要应用, 它与传统的装配过程相比, 不但减少了工业原料的浪费, 还减少了大量的人工劳动, 缩短了产品设计周期, 提高了产品生产效率。虚拟装配具有如下特点:
(1)直观性强
在虚拟环境中可全方位地观察装配过程中零件之间是否存在静态干涉和动态干涉、 零部件模型的几何形状是否需要修改、 装配工艺是否合理、 装配顺序是否符合零部件的结构功能等多方面, 方便检查零件的可装配性。
(2)生产效率高
使用虚拟装配技术, 减少了传统装配过程中零件生产时一间, 提高了后期零件修改和装配工艺完善工作的效率, 大大缩短了产品的设计周期, 缩减了生产成本。
( 3)经济效益高
虚拟装配省去了样机的制作环节, 免去了原材料的使用, 同时也省去了大量的人力劳动成本。比如有些零件形状极为复杂, 若先制造样机, 必然增加工人加工这些零件的劳动时间, 提高了产品设计和生产成本。使用虚拟装配就能够避免这类情况, 提高了企业的经济效益。
(4)零件几何信息和约束表示完整。
虚拟环境中建立的零件模型, 在尺寸上能够进行参数化设计, 形状上能够进行一系列特征操作来实现, 从而保证了零件模型尺寸和形状的精确性。而且零件内部的约束关系和零件之间的装配约束关系也能够在建模过程和装配过程中经过约束信息全面地表示出来。
(5)是一个并行的、 敏捷的装配过程。
由于虚拟装配使用的是软件平台, 工作人员能够在不同的地理位置实现资源共享和信息共享[is]。不同专业的人能够共同参与产品的设计, 提出自己的想法, 所有地域所有人提供的信息都能体现到产品设计当中。同时虚拟装配过程还能够与零件设计过程并行展开, 实现快速响应。
2.2虚拟现实平台简介
虚拟现实技术, 就是利用计算机技术和硬件设备, 使用者透过视、 听、 触、 嗅等手段感受虚拟环境[‘”]。虚拟现实技术是当今多种先进科学技术的综合运用, 它涵盖了三维计算机图形技术, 计算机仿真技术, 显示技术, 人工智能, 对观察者的手势、 姿势的实时跟踪技术, 网络并行处理技术, 语音输入输出技术等, 是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。优质的软件开发环境, 是虚拟现实技术的基础, 要求软件开发环境必须能够实现逼真的模拟环境、 可实时进行交互等。因此必须提供有效的虚拟环境开发平台。一卜面简单介绍几种虚拟现实软件。
(1)WEB3D技术
Web3D又称为网络三维。1998年, VRML组织改名为Web3D组织, 同时制定了一个新的标准, 即X3D.Web3D功能很强大, 包括三维动画的制作, 三维游戏的开发, 对环境中虚拟实体进行材质设置, 多方位观察虚拟空间, 还能够与建模软件进行接口, 调用建模软件建立的三维实体模型X
(2)Quest3D技术
Quest3D是一个简单而且实效性强的3D场景构建工具, 它能够在编辑环境中实现人与对象之间的互动, 而且使用Quest3D构建和编辑3D环境时, 不需要花费精力编写任何程序代码, 所有的编辑器都是可视化的, 简单易操作, 且实用性和可靠性高。
(3)EON技术
EONStudio是一款3D模拟互动工具, 其特点是简单高效。它能够将产品的研发生产阶段与产品的宣传销售同时进行, 以3D动态的表现形式与CAD结合后, 能够模拟产品的生产过程和产品的组装分解动作以及产品的功能演示及时地进行产品宣传和发布推广。
2.3系统开发平台Virtools
本课题选择VirtoolsDev作为系统开发工具, 下面简单介绍Virtools开发平台的功能和组件、 模块构成等。
2.3.1Virtools主要功能
Virtools是一套具有丰富的行为交互模块(BB)的实时3D环境虚拟实景
开发平台。利用Virtools虚拟实景开发平台, 能够对场景中的对象进行材质渲染、 动画制作等操作, 还能够经过鼠标键盘等输入设备对场景中的对象进行实时控制, 实现人机交互。Virtools拥有强大的可视化流程图式脚本编辑功能, 能够为场景中的任一对象编辑脚本, 实现预期的行为动作。同时它能实现任意角度自由地观察场景中的对象, 感受虚拟场景中所传达的视觉感知、 听觉感受、 力觉感知、 触觉感知, 让操作者犹如身临其境般。当前, Virtools被广泛应用于工业仿真、 3D游戏开发、 虚拟设计与虚拟制造、 房地产设计、 教育培训等领域。
2.3.2Virtools关键组件

2.4本章小结
本章介绍了虚拟装配技术的定义和特点, 以及虚拟现实相关技术。重点介
绍了Virtools虚拟装配开发平台的主要功能和界面构成等。
第3章气动夹紧钻床夹具实体建模
3.1实体建模工具选取
3.1.1建模工具介绍
3.1.1.1adsMax
adsMax是Autodesk公司的产品, 它在机械产品设计、 建筑设计等领域得到广泛应用。作为当前流行的工程图形处理软件, adsMax软件不但能进行各种复杂形状的实体建模, 还拥有强大的动画制作功能[[z4IoadsMax软件的建模方法非常丰富, 而且分类明确, 分为二维图形(包括样条线、 NUBS曲线、 扩展样条线)、 三维实体(包括标准基本体、 扩展基本体、 复合对象、 粒子系统、 面片栅格等)。另外, 它强大的材质设置和渲染功能, 能够使虚拟环境中的对象实体更富有真实感。当前adsMax的版本己经发展到了adsMax9.0版本。
3.1.1.2UGNX5.0
UGNX5.0功能非常强大, 已经覆盖了整个产品开发的全过程, 包括产品需求和开发计划、 概念工程、 产品设计、 数字模拟、 制造工程、 制造计划等, 实现数字化产品开发[[2s1oUG软件提供了强大的草图功能, 曲线功能, 复合建模功能, 基于特征建模功能, 装配功能, 制图功能等。用户能够自由的选择最合适自己的设计方法, 设计好零件后, 能够利用UG的装配功能将零件装配在一起, 使用”爆炸图’, 命令还能生成产品装配体的爆炸图。近年来, UGNX技术发展迅猛, 用户已经遍及各行行业, 在工业产品设计、 航空航天工业、 汽车产品生产、 家用电器设计等方面得到广泛应用。
3.CATIA
CATIA来自法国达索公司, 其建模过程使用先进的混合建模技术。
CATIA能够为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境, 它拥有远远强于其它软件的曲面设计模块, 并具有在整个产品周期内的方便的修改能力, 特别是后期修改性。在CATIA环境中, 能够对产品开发过程的各个方面进行仿真分析, 如装配干涉分析、 加工过程仿真等[f2I10
3.1.2选择UG,3dsMax
结合本课题的研究内容, 选择UGNX5.0和adsMax共同实现气动夹紧钻床夹具的零件建模和渲染。UG广泛应用于机械产品设计, 在UG‘护进行机械零件的建模十分便捷, 准确度也高。同时UG还提供了丰富的特征建模和特征操作选项, 对于复杂机械零件的设计提供了简单准确的方法。而且UG还具有强大的装配功能, 使零件之间的装配约束信息得到完整的表示。
adsMax渲染功能强大, 对场景中的模型对象能够进行材质设置、 场景
渲染等, 使模型对象富有真实感。而且adsMax与UG,Virtools之间经过模型文件格式的转换能够进行方便有效的文件接口操作。这也是选择adsMax的重要原因之一。
3.2气动夹紧钻床夹具实例分析
经过查阅气动夹紧钻床夹具相关图纸和技术说明, 了解此夹具体的基本结构组成和夹紧功能、 定位功能的原理。同时查阅相关《机床夹具设计手册》, 具体分析此钻夹具体各零件的基本结构、 功能实现原理、 精确尺寸、 公差配合以及装配过程, 为接下来的钻夹具零件的三维实体建模提供详细数据和理论依据。经过研究分析, 气动夹紧钻床夹具由工件的定位装置、 夹紧装置、 辅助支撑、 钻模等结构组成, 钻夹具图纸如图3-1所示。此钻夹具为气动夹紧钻床夹具, 使用在立式钻床上。经过定位套、 削边销对工件进行定位。辅助支撑在弹簧作用下接触工件, 同时转动配气阀手柄, 压缩空气进入薄膜式气缸, 活塞杆推动与活动接头连接的压板夹紧工件, 同时压板推动柱销前进, 由斜楔作用锁紧辅助支撑, 实现了工件的夹紧。该夹具可用来钻阀体同轴线的直径4mm孔和M8mm螺纹底孔和沉孔直径为8.5mm, 深2mm。
3.3钻床夹具零件实体建模
3.3.1UG初始化设置
经过对气动夹紧钻床夹具的整体结构和各零件的具体结构进行分析、 整理, 得到建模过程所需要的详细数据。接下来使用UGNX5.0对钻夹具
各零件进行虚拟三维模型的建立。打开UGNX5.0能够看到初始界面如图
3-2所示。
在对钻夹具零件建模之前, 首先要设置系统各项参数, 其中把背景颜色设
置成天蓝色, 如图3-3所示。
图3-3系统背景颜色
3.3.2零件实体建模
UGNX5.0功能非常强大, 已经覆盖了整个产品开发的全过程, 包括产品需求和开发计划、 概念工程、 产品设计、 数字模拟、 制造工程、 制造计划等。NX产品系列功能是转变产品开发过程, 能够实现数字化产品开发[I2gla
(1)产品设计(CAD)
利用建模模块, 装配模块和制图模块, 可建立各种复杂结构的三维参数化实体装配模型和部件详细模型, 根据需要自动生成平面工程图样(半自动标注尺寸);可应用于各行业和各种类型产品的设计, 支持产品外观设计。所设计的产品模型可进行虚拟装配和各种分析, 省去了制造样机的过程, 能够大大缩短设计周期。
(2)性能分析(CAE)
运用分析模块, 能够进行注塑模流动、 运动应用等分析。
(3)零件加工(CAM)
利用加工模块, 能够自动产生数控机床能接受的数控加工指令, 进行基本加工和编辑、 铣、 多轴铣、 车削等加工。
(4)走线
利用走线模块, 可根据产品的装配模型, 布置各种管路和线路的标准
C3) UG的实体建模功能
创立二维草图和曲线都是为创立钻夹具三维实体模型做准备。实体建模功
能是UG在虚拟现实技术中的核心应用, 利用UG的实体建模功能创立气动夹紧钻床夹具各零件的三维实体模型。实体建模的方法包括显示建模、 参数化建模、 基于约束的建模、 基于特征的建模。
1)显示建模
显示建模是非参数化建模, 对象是相对模型空间而不是相对于彼此建立,
对一个或多个对象所做的改变不影响其它对象或最终模型。例如经过两个已存在点建立一条线, 如果移动其中的一个己存点, 线不发生改变。
2)参数化建模
为了进一步编辑一个参数化模型, 应将用于模型定义的参数值随模型储存,
参数能够彼此引用, 以建立在模型的各个特征间的关系。例如已知一个简单孔的直径和深度, 一个凸垫的长度、 宽度和高度。设计者的意图是孔的深度总等于凸垫的高度。将这些参数链接在一起, 能够获得要求的结果。
3)基于约束的建模
在基于约束的建模中, 模型的几何体是由定义模型几何体的一组设计规则
组成, 称之为约束, 用于驱动或求解。这些约束能够是尺寸约束(如草图尺寸或定位尺寸)或几何约束(如平行或相切)。例如一条线和一个弧相切, 设计
者的意图是线的角度改变时仍保证相切, 能够用相切约束来实现。
4)基于特征的建模
基于特征的建模功能提供了孔、 圆柱、 圆锥、 球、 凸台、 管道等多种设计
特征, 并能够实现拉伸、 回转、 边倒圆、 面倒圆、 倒斜角、 偏置面、 螺纹、 镜像特征、 镜像体、 布尔运算等特征操作, 有助于创立各种复杂形状的实体模型。 图3-6为夹具体的零件”压板”, 先经过草图功能绘制二维草图曲线, 然后经过特征操作中的拉伸功能建立压板三维实体模型。

图3-7为夹具体零件辅助支撑底座, 先经过草图功能绘制二维草图曲线, 然后经过特征操作中的回转功能建立辅助支撑底座的三维实体模型。
图3-8为夹具体的零件”辅助支撑”, 先经过特征建模中的”圆柱”功能创立一个圆柱体, 然后经过布尔运算创立”辅助支撑”的斜楔面。 <4) UG的装配功能装配是指将机械产品的各个零件部件按照一定的位置关系组装在同一个装配体中, 装配完成之后改变零件的特征参数, 装配体中相应的零件也会随着起改变, 方便随时对零件进行修改。虚拟装配完成后, 用户还能够生成装配体的爆炸视图。

3.3.1.3零件实体模型的细节操作
钻夹具零件建模过程中, 根据零件的结构形状和尺寸对其进行参数化建模, 建立零件的大致形状后要对其进行细节处理, 使零件实体模型更精确, 富有真实感, 比如对零件进行边倒圆和倒斜角处理。对气缸的边倒圆操作如图
3.4钻床夹具零件装配
完成气动夹紧钻床夹具体各零件的三维实体建模后, 就能够进行钻夹具体
的装配。机械产品零件装配方式有两种, 自底向上装配和自顶向下装配[32]。其中自底向上装配是指将事先设计好的各零件逐个添加到装配体中, 每个零件将自动成为该装配体的一个组件, 最后生成总装配体;自顶向下装配, 是指先创立一个新的装配组件, 再在该组件中建立几何对象或是将原有的几何对象添加到新建的组件中, 则该几何模型成为一个组件[[33]0气动夹紧钻床夹具的装配使用的是自底向上的装配, 经过添加组件将零件添加到装配模型中, 并经过配对条件以及重定位组件等操作确定各零件之间的相对位置关系。 打开UG MX5.0后, 新建一个装配体文件zuanjiajuzhuangpeiti.prt, 进入NX装配模块后, 能够看到在窗口最下面有一组装配命令, 如图3-11所示。装配过程中首先要添加组件, 点击窗口下方菜单栏上的添加组件按钮, 就会弹出添加组件对话框, 如图3-12所示。
在添加组件对话框中点击”打开”右边的文件夹图标, 即弹出选择部件对话框, 如图3-13所示。选定部件以后, 在添加组件对话框的定位选项选择配对, 系统即弹出配对条件对话框, 如图3-14。同时在组件预览窗口中能够看到要添加的部件, 如图3-15所示。配对条件对话框中列出了配对约束条件, 有对齐、 角度、 平行、 垂直、 中心、 距离、 相切等约束, 使零件满足组件之间的相对位置关系要求。

3.5装配体格式转换和输出
由于UG NX 5.0与Virtools软件之间没有合适的接口, 使用UG环境建立的钻夹具模型文件不能直接导入到Virtools软件中。为了实现模型导入Virtools软件平台中, 首先将钻夹具装配体模型文件导出.STL格式的文件, 然后导入到ads Max软件中, 再由ads Max中导出.nmo类型文件, 即可导入到Virtools中。
3.5.1 UG中装配体导出‘STL格式
在UG中打开钻夹具装配体文件, 选择”文件, , 菜单, 在下拉菜单中选择”导出”, 并在下级菜单中选择.STL(立体制版)文件类型, 如图3-17所示。将钻夹具装配体转化成.STL格式文件之后, 就能够在ads Max中导入, 进行材质设置和渲染等处理, 使夹具体更富有真实感。3.5.2模型导入ads Max
ads Max能够打开STL类型的文件, 而且能够对装配体模型进一步的处理。导入钻夹具体装配模型之前, 首先要设置一下ads Max的系统单位, 点击Max界面菜单栏的自定义菜单, 打开单位设置对话框, 如图3-18所示。设定I个系统单位为1 mm 接下来导入钻火具零件模型.STL文件。一开文件菜单, 选择浮入, 在导入文件对话框中选择.STL文件类型, 如图3-18所小。接下来弹出导入.STL文件对话框在对话框3.5.3 ads Max中钻床夹具模型渲染
在UG件, 创立的钻火具模型没了1添力!}任4"J材质属性, 少日1颜色体现〔为了增强钻夹具体外观的真实感, ;丁以为钻火具体三维模型赋二r合适的I,r.;材质。所添加的材质是否接近真实的夹其体观感决定了虚拟装配过程的真实感的好坏。从严格意义卜讲, 材质包括颜色、 贴图、 质感、 环境光、 漫反射光、 透明性、 自发光、 iJ) } }}?纹理等诸多要素【’”]。任问一种视觉效果都n]以在ads Max '+‘找到相应的材质来实现。
找到合适的金属材质贴图, 并在ads Max中设置材质的光线和颜色, 对材质的各项参数进行设置, 如自发光、 漫反射、 高光反射等, 使材质更接近于真实的物体, 如图3-20所示。 对钻夹具的零件材质设置完成以后, 利用ads Max软件的渲染功能对其进行渲染, 渲染后的效果如图3-21所示。
3.5.4 ads Max中模型导出为.nmo格式
钻夹具模型经过材质处理和渲染之后, 显示出了接近真实感的视觉效果。接下来把钻夹具模型导出.nmo类型文件, 然后导入到Virtools中。
Virtools软件本身不具备建模功能, 可是它具有和ads Max9.0软件的接口。
在ads Max9.0中安装Virtools Max Exporter文件输出插件, 就能够在3 dsMax
中将制作好的钻夹具装配模型导出为.nmo格式, 图3-22为ads Max中导出.nmo文件, 在保存类型选项中选择Virtools Export ( *.NMO, *.CMO, *.VMO)文件类型。要注意的是文件命名要使用英文格式, 避免在Virtools中打开文件时出现错误。
由于ads Max导出.nmo文件时, 每次只能导出20万以下个面, 因此不能一次将装配体各零件全部导出。能够采取分批导出的方法, 每次导出面的数量不超过20万的零件组, 生成一个.nmo文件。最后将这些.nmo文件依次导入到同一个Virtools中, 零件之间的相对位置关系没有发生变化, 不会影响装配体的结构。3.6本章小结
本章主要介绍了实体建模工具的选择, UG环境中气动夹紧钻床夹具零件
模型的建立和零件装配过程, 以及ads Max中钻夹具模型材质设置、 渲染的具体过程。
第4章气动夹紧钻床夹具虚拟装配系统开发
4.1钻床夹具虚拟装配系统流程设计
在气动夹紧钻床火具虚拟装配系统制作之前, 首先要设计系统的装配演示
流程。简单地说, 虚拟装配系统提供了一个可实现人机交互操作的界面, 即允许人们控制装配系统。人们能够经过鼠标点选系统界面上的命令按钮下达相应的指令, 对钻夹具体零件的装配动作进行实时操作, 实现对虚拟装配系统的装配动作和装配进程等的控制。
首先进入的是钻夹具虚拟装配主界面, 在主界面上有四个按钮, 分别是”操作说明”、 ”装配演示”、 ”虚拟装配”、 ”制作说明”。
( 1)点击”操作说明”按钮, 会出现操作说明的文本框。
C2)点击”制作说明”按钮, 会出现制作说明的文本框。
C3)点击”装配演示”按钮, 系统会进入到装配演示界面, 界面上有”快速
装配”、 ”视角切换”、 和”返回”按钮。点击”快速装配”按钮, 能实现快速装配和慢速装配之间的切换;点击”视角切换”按钮, 会出现”顶视图”、 ”前视图”、 ”右视图”、 ”透视图”下级菜单;点击”返回”按钮, 就返回到钻夹具虚拟装配主界面。
C4)点击”虚拟装配”按钮, 系统会进入到虚拟装配界面
4.2钻床夹具虚拟装配工艺规程制定
4.2.1钻床夹具模型层次分析
虚拟装配系统的流程确立之后, 就要为钻夹具体制定装配工艺规程, 它是
指导装配生产的主要技术文件。装配工艺规程的主要内容有装配方法的确定, 装配单元的划分, 装配工序的设计, 装配路径的规划, 装配时间的设置等。
气动夹紧钻床夹具装配工艺规程的制定必须满足以下基本原则:
(1)装配过程中保证产品质量, 以延长产品的使用寿命。
(2)合理安排零件装配顺序, 缩短装配周期, 提高装配效率。
(3)尽量减少装配占地面积, 提高单位面积的生产率。
(4)要尽量减少装配工作所占的成本[[36]0为了合理的安排零件的装配顺序, 能够使用层次关系模型把钻夹具体的结构组成表示出来, 经过层次关系把钻夹具装配体进行分层, 把钻夹具体分成部件, 部件再分成组件, 组件再分成具体零件。如图4-2所示为气动夹紧钻床夹
具结构层次模型。
4.2.2装配顺序设计
将钻夹具体的零件层次划分出来之后, 就能够对钻夹具体的结构有一个清晰的认识。设计装配顺序时一定要考虑零件之间干涉的问题, 要保证每个零件都有足够的装配空间, 这样刁‘能顺利完成所有零件的装配。根据气动夹紧钻床夹具体的组成结构、 装夹原理和各零件几何形状, 设定从夹具体的右边开始装配, 大致上选择自右向左装配子装配体的顺序, 初步确立为底座、 配气阀、 右支架*定位装置*辅助支撑*中间支架*斜楔锁紧结构*左支架*气缸、 后支架*钻模板。接下来具体分析各子装配体中零件的装配顺序, 同样要考虑零件的几何形状和零件之间的相对位置关系, 还有工件定位原理和夹紧原理。综合考虑因素后, 最终确定气动夹紧钻床夹具的装配顺序。
4.2.3装配路径规划
装配路径规划是指从待安装零件的初始存放位置移动到零件在装配体中的
目标位置需要走的路径, 充分利用零件之间的装配约束信息进行路径分析、 求解和判断, 最终生成一条无碰撞的装配路径。设计好零件的装配顺序以后, 就能够设置每个零件进行装配动作之前的初始存放位置即它的分散状态位置。虚拟装配过程中, 要呈现所有零件都处于待装配位置的状态, 称其为分散状态, 在这个状态中, 零件是处于静态的, 设置零件的位置时, 要保证零件之间不会发生空间干涉。设置好零件的分散位置后, 还要设计待装配零件到达装配目标位置的移动路线, 即装配路径。在虚拟装配系统中, 为了更直观和准确的观察钻夹具各零件之间的相对位置关系, 设置各零件的移动路线为x轴、 Y轴或z轴方向。这样在零件移动时就能够清楚地观察到零件当前位置和零件的目标位置, 了解零件之间的结构和位置关系, 对钻夹具体各部分结构组成和夹紧、 定位功能的实现都有一个直观的了解。
4.2.4干涉检验
在设计好装配顺序和装配路径以后, 就要进行装配干涉检验, 分为静态干涉检验和动态干涉检验。静态干涉是指夹具设计完成后, 在静止情况下, 夹具内部各单元之间存在的干涉情况。动态干涉是指虚拟装配过程中各零件之间发生的碰撞等干涉情况。 静态干涉是经过观察装配好的钻夹具体模型的外观和透视图来分析的, 在观察过程中, 不但要检查零件之间有没有空间干涉的问题, 同时要检查钻夹具体在实现夹紧功能过程中必须的一些操作能否顺利完成, 如本实例中气动夹紧华北电力人学映卜学位沦文钻床夹具的夹紧功能足经过转动配气阀的手柄来实现的, 我们就要检测是否有足够的空间足够配气阀完成转动操作。如果发现静态干涉问题, 则需要重新修改零件模型, 合理分配空间, 使钻夹具体能顺利实现定位和夹紧功能。
动态干涉的检测需要模拟装配过程, 在零件运动过程中发现零件之间是否存在碰撞或零件无法正确安装等现象[[38]。如果发现有动态干涉现象, 则需要重新规划装配顺序和装配路径, 使零件在装配过程中无碰撞, 并_目.保证钻夹具体能顺利实现定位和夹紧功能。
4.3 Virtools平台虚拟装配系统设计
4.3.1钻床夹具模型的初始设立
虚拟装配系统流程和装配具体动作设计好之后,