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虚拟装配技术论文范文

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虚拟装配技术论文

第1篇

关键词:虚拟装配;网络;三维

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2372-01

Review on Virtual Assembly Based on Web Environment

YU Hai-li1, LI Wen-ming2, CHEN Bin-ru3

(1.Library of Basic Training Base, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China; 2.Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics, Changchun 130033, China; puter Office, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)

Abstract: Virtual assembly is a new product technology based on information, simulation and virtual reality. The paper discussed the conception and design method, studied the key field of it.

Key words: virtual assembly; network; 3D

1 概述

技术的采用,新理念的提出为制造业的发展提供了新的动力,同时制造业的发展对产品性能、规格、品种不断提出新的要求,产品的生命周期越来越短,新产品的开发时间是决定性因素。虚拟制造凭借其能有效缩短产品开发周期,消除产品的设计缺陷,利用实行并行工程,提高产品质量,减小产品返修率等优点,正受到制造业越来越广泛的关注。虚拟制造技术(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模拟由产品设计、制造到装配的全过程,对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测,提出改进措施,实现产品从开发到制造整个过程的优化,达到降低产品生命周期、减小开发风险、提高经济效益的目的。

2 总体概念和设计

一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备,以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。国外的研究比较早,采用的设备也比较先进,研究的主用内容涉及虚拟装配中的虚拟人体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作、对公差进行评估、装配顺序的研究、装配/拆卸路径规划、对装配阶段的干涉性问题进行检测等方面。国内的研究也取得了一定成果:从可视化角度解决产品的可装配性问题,生动直观地进行产品的虚拟装配,提供装配顺序规划及评价,装配序列检查,动态仿真零、部件的实际装配过程,发现装配过程中的干涉问题等。

从上述对虚拟装配研究现状的综述可以看出,国内外研究人员对这个问题进行了大量深入的研究。根据目前的理解,虚拟装配发展至今可以分为三个阶段,第一阶段是虚拟装配理论的提出阶段,第二阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟装配系统的阶段,第三阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。

3 研究重点

虚拟制造中虚拟装配的实现,难点在于信息传输和信息集成。首先是计算机辅助装配过程规划(CAAPP,Computer Aid Assemble Process Programming)的系统输入,需要从CAI系统获得装配模型。由于CAD系统千差万别,虚拟制造中上游产品设计者具有不确定性,所以就会造成产品装配模型信息结构上的差别,这就需要CAAPP的输入系统解决异质系统的兼容和信息识别问题。虚拟装配关键在于希望能够脱离具体的CAD环境,直接在网络环境下实现装配过程的动态仿真。虚拟装配既需要CAAPP所产生的装配工艺文件,由此来确定各零、部件的装配顺序,又需要有交互功能,以确定最终的零、部件装配路径。完善的虚拟装配还要求能够进行产品装配干涉检验,并能将干涉检验结果反馈给产品设计部门,由设计部门修改产品建模方案。理想的可视化虚拟装配模块是建立在网络基础上的,能够为CAAPP系统和不同的CAD系统服务。虚拟装配理论的研究方法主要体现在虚拟装配的体系结构、虚拟装配建模、虚拟现实装配顺序规划和装配分析与评价四个方面。尽管虚拟装配技术发展迅速,但对于虚拟装配系统的研究,在结合新技术的基础上,可以在以下几方面进行进一步探讨:① 基于集成的产品模型技术;② 装配过程仿真建模方法和技术;③ 虚拟装配的数字化技术;④ 网络信息共享技术。并行工程与协同设计思想已经渗透到制造业的各个层面,制造业全球化的进程也正在加速。如何使地理上分布于世界各地的设计、工艺以及制造人员参与到产品装配设计及验证过程中来,是虚拟装配需要解决的问题。因此,建立基于Internet的协同虚拟环境是虚拟装配的发展方向之一。

4 虚拟装备配网路环境

在VRML与ASP技术的支持下,虚拟装配系统在网络方面的应用有着广阔的适用面。VRML文件本身就是一种在网络上创建逼真的三维虚拟场景的工具,更由于VRML文件格式的体积小,使得它在网络上传输的数据量大大减少,而且把立体的动画生成放在本地,当用户在虚拟世界中浏览漫步时,依靠的只是本地主机的性能,在目前低带宽的Internet上就可以实现虚拟三维场景的传输、显示以及交互。同时,ASP这种动态网页生成技术使虚拟装配系统与Web服务器实现信息的通信,完成数据库的查询工作。VRML与ASP的良好结合方式,为虚拟装配系统基于网络的应用提供了保证。在便捷的网络支持下,虚拟装配系统不仅可以在单机上进行装配的操作,还能通过网络,随时随地进行查看、演练,为遍布各地的客户提供了可网上查看产品信息的便利,也为装配操作的技术工人提供便捷的训练方式。

5 总结

基于网络的虚拟装配为虚拟制造领域提供了崭新的思路和方法。作为虚拟制造的核心内容,虚拟装配可以在计算机设置的虚拟环境下,完成对产品的总体设计进程,以缩短产品的开发周期,提高产品质量。

参考文献:

[1] 贺雪晨, 赵彦. 基于VRML的虚拟现实技术在世博会场馆模型中的应用[J]. 现代电子技术, 2005(7): 114-116.

第2篇

关键词:虚拟装配;虚拟装配环境;虚拟装配应用系统

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)18-4420-03

Survey and Analysis of Virtual Assembly

YU Hai-xia, WANG Jia-qi

(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)

Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.

Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system

1 概述

虚拟装配是近些年来被广泛研究的新兴技术,是虚拟现实技术在制造业的典型应用,也是虚拟制造技术研究的重要方向之一。它从产品设计装配的角度出发,综合利用虚拟现实技术、计算机建模与仿真技术、计算机辅助设计技术等,建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境,设计者可在虚拟环境中交互式地进行产品设计、装配操作和规划、检验和评价产品的装配性能,并制定合理的装配方案。

虚拟装配技术可以降低复杂产品的开发难度,缩短开发周期,降低成本,对实现产品的并行开发,提高装配质量和效率具有重要的意义。虚拟装配可以应用于航空航天、汽车、船舶、工程机械、教育等领域。

2 虚拟装配的研究概况

1995年,美国华盛顿州立大学和美国国家标准与技术研究院联合,最早开始了对虚拟装配技术的研究,并开发了虚拟装配设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VADE在装配领域的成功应用,引发了各个国家的高校和研究机构对虚拟装配的研究。20世纪90年代末,国内也开始对虚拟装配技术进行研究,已经取得许多研究成果。虚拟装配技术的研究大致可分为三个阶段:虚拟装配理论的提出和完善阶段,虚拟装配原型系统的研发阶段,虚拟装配技术在工业上的应用研究阶段。目前,国外已经开始了第三阶段的研究应用,国内也开始由第二阶段向第三阶段过渡。

根据实现功能和目的不同,可以将虚拟装配分为四种类型[1]。

1)以产品设计为中心的虚拟装配。

2)以装配工艺规划为中心的虚拟装配。

3)以制造系统规划为中心的虚拟装配。

4)以虚拟原型为中心的虚拟装配。

3 虚拟装配的研究内容

虚拟装配的研究内容主要有:虚拟环境的研究、虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统的研究[2]。

3.1 虚拟环境的研究

虚拟环境是虚拟装配的前提,良好的虚拟环境能使虚拟装配与实际装配过程更接近,为生产实践提供更可靠的指导。传统的虚拟环境可分为四种。

1)桌面式系统

桌面式系统使用普通计算机产生三维虚拟场景,用户通过显示器观看虚拟场景,需要佩戴立体眼镜才可以看到三维立体图像。这种场景系统造价低、简单方便,不足之处是沉浸感差。

2)头盔式系统

头盔式系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户与外界环境分隔开来,从而使用户真正成为系统的一个参与者,沉浸感比较强。但头盔式显示器存在约束感较强,分辨率偏低等问题,长时间易引起疲劳。

3)CAVE系统

CAVE系统的主体是一个房间,房间的周围均由大屏幕组成,高分辨率的投影仪将图像投影到这些屏幕上,用户通过立体眼镜便能看到立体图像。CAVE系统实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境,但其造价太高,参与者被限制在一个有限的小空间内,不能大距离行走。

4)大屏幕投影系统

将多台投影仪拼接起来形成一个逻辑上统一的大屏幕,实现大面积、高分辨率的显示,优点是可以产生大视角、高亮度和高分辨率的立体图像,可使多人沉浸场景之中,具有很强的沉浸感。缺点是成本高,技术难度大,许多关键问题需要解决。

以上各种虚拟环境都存在一个共同的问题是,操作者被限制在一个有限的空间内,行动上受到很大的限制,而现实中,尤其是大型产品的装配中,操作产品并不能移动,往往要求操作人员要有足够的活动空间。为了解决这个问题,很多研究机构提出一些新型的虚拟装配环境,如英国Warwick大学研制的Cybersphere系统[3]。Cybersphere系统采用半透明的球体作为显示装置,放置在可以自由旋转的支架上,操作者处于球体内部,可以自由行走。计算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像,并通过投影系统显示在球体表面,操作者通过立体眼镜看到立体图像。这种方式实现了操作者在虚拟环境中的自由行走。

哈尔滨工业大学也设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统[3],如图1所示,该系统也采用球形幕作为显示装置,操作者在一个专门设计的全方位反行走机构上做直线行走或者转向。操作者头部、手部与双脚分别装有3-D位置跟踪器,计算机系统根据接收到的3-D位置跟踪器信号,控制全方位反行走机构的运动,并生成不断变化的三维图像,通过投影系统显示到球形幕上。操作者通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互从而生成沉浸感较强的虚拟环境,为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供高逼真度的仿真平台。

3.2 虚拟装配关键技术的研究

虚拟装配涉及到的关键技术很多,各种技术的研究情况及应用情况如表1所示。本文只对其中几个重要的关键技术进行论述。

1)装配建模技术

目前,虚拟装配中零部件模型的建立和虚拟装配应用系统的开发主要还是基于CAD系统实现。这种虚拟装配系统易于实现,零件和装配体的建模、装配仿真可在一个系统下进行,操作简单,但真实感和可靠性受到限制,主要用于产品的设计阶段。

基于虚拟现实软件开发的虚拟装配系统,需要将CAD零部件模型及其相关信息转换后导入到虚拟环境,实现交互操作。目前已经取得一定的研究成果,美国的VADE从Pro/Engineer系统中提取产品结构树信息、装配约束信息以及零部件几何信息,实现CAD系统和虚拟装配系统的自动转换;新加坡南洋理工大学开发了基于CAD紧密连接的虚拟装配环境;哈尔滨工业大学通过模型转换实现了从SolidWorks、Pro/Engineer系统到虚拟装配系统的输入。

2)约束定位技术

由于虚拟环境缺乏现实环境中存在的各种物理约束和感知能力,虚拟装配过程中零件之间主要依靠几何约束进行精确定位。华盛顿州立大学的S.Jayaram等[4]首先提出约束定位的思想,通过零部件受约束运动以及约束求解,来实现虚拟装配过程中待装配零件的精确定位。英国Heriot-Watt大学Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法来解决虚拟环境中零部件的精确定位。英国Salford大学虚拟环境中心的Fernando等[6]研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作,开发了几何约束管理器,用来支持虚拟环境下装配和维修任务。浙江大学刘振宇、谭建荣等[7]在语义识别的基础上,提出了基于语义引导的几何约束识别方法,通过语义和约束识别来捕捉虚拟装配过程中用户的操作意图,从而提高了约束识别速度和准确性。

3)工艺规划技术

设计人员根据经验知识在虚拟环境中人机交互式对产品的三维模型进行试装,规划零部件装配顺序,记录并分析装配路径,选择工装夹具并确定装配操作方法,最终得到经济、合理、实用的装配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虚拟环境中交互式装配序列规划的方法。浙江大学的万华根等人[9]在基于虚拟现实的CAD系统中提出用户引导的拆卸方法,基于“可拆即可装”的原理,将拆卸顺序和拆卸路径进行反演,即可得到产品的装配顺序和装配路径。

3.3 虚拟装配应用系统的研究

从1995年美国州立大学研制出第一个虚拟装配系统VADE起,世界各国陆续研制出了多种典型的虚拟装配应用系统,分别应用于不同的工业领域。本文只对几个典型的系统进行介绍。

1)CHDP(Cable Harness Design and Planning)系统

CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的。它是在早期开发的虚拟装配规划系统UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基础上提出的,主要针对现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。该系统充分利用了虚拟现实人机交互的特点,设计者在虚拟环境中可以充分发挥已有的装配经验和知识,根据周围环境进行快速、直观地布线。

2)V-REALISM系统

V-REALISM[11]系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统,可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点;系统包括三个基本功能:提供优化的装配/拆卸序列;提供三维虚拟环境进行操作和导航;将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起。

3)基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE

2003年,美国纽约州立大学开发了基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。实际生产过程中,零部件在加工过程会引起变形或受机床刀具与夹具的磨损,引起零件最后的尺寸和形状误差。而在传统的面向装配设计系统中,很少考虑到零件的尺寸误差,导致最后加工出来的零件装配不上或装配性能不能满足要求。VPAVE系统就是基于上述不足而提出的。VPAVE系统中采用虚拟原型,通过提取实际加工过程影响参数,建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模型,利用有限元软件分析零件的受力、变形及残余应力情况,在虚拟环境下进行可装配性分析和评价。

4)PAA系统。

2005年,意大利Bologna大学利用增强现实技术开发了基于CAD的装配规划与验证系统PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA实现了CAD装配系统和增强现实系统之间集成,从而提高工程设计模型和真实物理模型之间的集成。PAA系统利用CAD工具来有效提高对象识别能力,生成优化装配序列和产生装配操作指令;另一方面,基于增强现实的装配评价工具允许装配设计人员和装配操作人员之间的直接交互,指导操作人员的装配。

4 存在问题

虚拟装配在设计与制造领域的应用,具有重要的理论意义和实用价值。国内外研究也取得了很大的进展。但总体上看,虚拟装配技术目前仍存在许多欠缺,一些关键技术还需要亟待解决。

1)缺乏规范化的共享开发平台和统一的标准和规范。虚拟装配系统还不能接受CAD系统的模型信息,实现与主流CAD系统的无缝集成。目前各的虚拟装配系统,都是根据本单位的情况来定制CAD接口,实现信息转换,在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。

2)建模能力弱。目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础,没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响,导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。

3)交互操作可靠性和灵活性差。由于基于碰撞检测的交互操作是一个多输入、大计算量的过程,输入系统的灵敏性、碰撞检测的计算效率等因素都影响交互操作的可靠性。

4)功能过于单一。虚拟装配系统除了工艺规划和装配过程仿真外,许多辅助功能还没能实现,如装配力变形分析、工装夹具的设计、装配质量预测、装配人员工效分析等功能。

5)开放性和集成能力弱。由于虚拟装配系统开发的方法、环境差别较大,与其他系统集成和数据交换的能力弱,制约了虚拟装配系统的开发及与现有其他系统的集成。

参考文献:

[1] 李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010(3):35-36.

[2] 夏平均,陈朋,郎跃东,等.虚拟装配技术的研究综述[J].系统仿真学报,2009(4):2267-2269.

[3] Liu G H,Yao Y X.Development of a New Virtual Environment System for Assembly[J].Key Engineering Materials(S1013-9826),2006,316(5):556-560.

[4] Jayaram S,Connacher H I,Jayaram U.Virtual Assembly Using Virtual Reality Techniques[J].Computer Aided Design(S0010-4485),1997,29(8):575-584.

[5] Dewa R G.Assembly Planning in A Virtual Environment[C].Proceedings of Portland Internation Conference on Management and Technology.Portland,USA:1997:664-667.

[6] Marcelino L,Murray N.A Constraint Manager to Support Virtual Maintainability[J].Computers & Graphics(S0097-8493),2003,27(9):19-27.

[7] 刘振宇,谭建荣,等.基于语义识别的虚拟装配运动引导技术研究[J].软件学报,2000(5):84-88.

[8] Yuan X B,Yang S X.Virtual Assembly with Biologically Inspired Intelligence[J].IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybermetics Part C: Applications and Reviews,2003,33(2):159-167.

[9] 万华根.基于虚拟现实的CAD技术研究[D].杭州:浙江大学博士学位论文,1999.

[10] Ritchie J M,Dewar R G,Simmons J E L.The generation and practical use of plans for manual assembly using immersive virtual reality[J].Proc Inst Mech Engrs Part B(S0954-4054),1999,23(6):461-474.

[11] Li J R,Khoo L P,Tor S B.Desktop virtual reality for maintenance training: an object oriented prototype system(V-REALISM)[J].Computers in Industry(S0166-3615),2003,52(9):109-125.

[12] Deviprasad T,Kesavadas T.Virtual Prototyping of Assembly Components Using Process Modeling[J].Journal of Manufacturing Systems(S0278-6125),2003,22(1):16-27.

第3篇

【关键词】虚拟装配技术,汽车变速箱设计,应用技术

中图分类号: S611 文献标识码: A 文章编号:

一、前言

随着市场竞争的激化,产品开发已经成为了企业的竞争力和发展必要的手段。在产品开发时,我们要完善设计技术,降低产品的成本和生产周期。虚拟装配技术就很好的满足了这个要求。

二、虚拟装配技术研究现状

国外对虚拟装配技术的研究起步较早,在理论上的研究涉及面广,且已经有较为广泛的应用。美国华盛顿州立大学的Jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统。利用这个系统,设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题,从而避免了装配设计方面的缺陷。在这个系统中,设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统,然后在虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配,有关产品的可装配性得到检验,同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。Dewar等提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法,该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟部件的装配动作,还能辅助操作人员自动进行装配,并且询问操作人员装配时的装配方法,同时生成装配规划。

三、相关技术分析

虚拟装配系统的关键技术主要有:面向装配的产品建模,装配序列规划策略,虚拟装配仿真技术,可装配性评价技术。

1.面向装配的产品建模技术

产品装配建模是虚拟装配设计的重要环节,其实质在于如何在计算机内有效地表达装配体内在和外在的关系。模型的优劣直接影响到设计系统后续工作的效率,故而建立一个集成度高、信息完善的装配模型具有重要的意义。

2.装配序列规划策略

在机械产品装配中,一组零件或子装配体的装配顺序起着关键的作用。装配同一产品可以用不同的装配顺序,这些不同的装配顺序形成了不同的装配序列。按照某些装配序列,可以较顺利地组织装配,最终达到设计要求;而有些装配序列的采用,由于各种原因,却不能达到指定的装配目标。装配序列规划就是在给定产品设计的条件下,找出合理、可行的装配序列,按照这样的序列,可以达到指定的装配目标。

3.虚拟装配仿真技术

采用虚拟装配技术是为了在设计阶段就验证零件之间的配合性和基于二叉树结构的装配模型可装配性,保证设计的正确性。通过预览数字化产品,对规划的装配过程(装配顺序和装配路径)进行检验,对产品可装配性做出评测,从装配角度获得反馈信息,及时调整设计,进而达到提高设计质量的目的。因此,装配仿真可以视为面向装配设计的重要手段,以弥补传统装配设计分析方法的不足。

四、虚拟装配工作内容

1.虚拟装配前期准备

虚拟装配工作涉及内容较多, 范围较广, 因此前期准备工作十分重要。首先要制定虚拟装配的总体时间计划, 时间计划中要包含制造工程师对工序进行调整和的时间、虚拟装配工程师在数据管理系统中建立工序结构树的时间、工程支持部门数据健康性检查报告以及数据冻结及下载的时间、进行虚拟装配及生成报告的时间。

虚拟装配对数据具有较高的要求: 数据要在正确的结构树中; 要生成正确完整的轻量化文件; 数据版本要进行; 车辆要正确配置; 整车位置正确; 数据层次正确, 父级子级无重复零件, 左右件无重复特征。然后进行数据模型的准备工作, 对于新的项目要确定项目的车型组成, 按不同车型进行分类整理并保存数模, 而对于改型车型, 就要重点确定项目的更改内容, 然后保存更改之后的车型数模, 这样就为虚拟装配做好了数模的准备。还要确定项目的组织结构, 确认相关设计人员和专业虚拟装配人员所应承担的职责和权限, 为后续工作打下基础。最后, 在进行整车的虚拟装配工作之前要明确数据管理的重点, 要以检查前最新版本的零件清单为依据, 明确当前缺少数据模型的零件, 并保证所有零件都有相应的工位信息,然后明确记录数据版本, 利用实时数字样机仿真与分析系统Vismockup的快照功能对数模信息进行完整记录。

五、虚拟装配技术在汽车变速箱设计中的应用

1.研究目标

为了适应现代化制造及并行设计的思想,我们尝试把虚拟制造装配应用到汽车变速箱的设计中,通过研究,希望达到以下目标:

(一)汽车变速箱实现面向装配的设计,为下一步的开发研制提供实施方法及理论支持,实现缩短产品开发周期,降低产品成本,提高质量。

(二)变速箱零件全部实现三维实体模型。

(三)建立统一的数据管理,实现产品的设计数据共享。

(四)实现自上而下的设计。

2.虚拟装配技术在变速箱设计中的应用

汽车变速箱作为汽车的重要传动部件之一,其设计的优劣直接影响到整个汽车的性能。具体到变速箱的设计过程中,虚拟装配技术的应用思想、方法、具体的实现途径如下:

(一)在总体设计阶段,根据变速箱的设计要求以及总体设计参数建立变速箱的主模型空间。首先根据汽车整个设计的需要,确定变速箱箱体尺寸和大致外形;根据变速要求,我们的设计采用的是三轴式变速器,包括主轴、移动轴和中间轴;档位为六档,五个前进档,一个倒档。

(二)在装配设计阶段,完成变速箱结构、系统零件形状的基本设计,是变速箱设计的重要阶段。首先我们要完成的是如何实现变速器的功能要求,也就是如何实现其变速,接下来要进行的是确定装配基准、装配层次、装配约束。以变速器的后箱体的内表面为装配基准,分为以下几个装配区域:前盖子装配体,后盖子装配体,操纵盖子装配体。每一个子装配体又由下一级的子装配体和零件组成,主要是按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系,这样一步一步设计出变速器所有零部件模型的设计。

(三)详细设计阶段中,在保证所有零件的干涉自由和运动协调时,完善变速箱所有零件的设计工作。

六、虚拟装配技术存在的不足及发展趋势

1.拟实化程度将越来越高

从其自身来讲,虚拟装配有着不可逾越的优越性,然而,它在工业领域应用的成功程度却要取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的两个方面,也就是虚拟产品模型和虚拟装配仿真过程。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取代物理模型的装配过程,这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展,虚拟装配拟实化程度必将越来越高,在可预见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程,从而大大缩短产品开发周期并节约开发成本。

2.实现标准化

纵观工业领域各种技术的发展与应用,大都有一个从非标准化到标准化的发展过程,这一过程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统一的标准,这是其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开,如果没有统一的标准,必将影响虚拟装配技术的应用范围,从而阻碍其发展,因此,实现标准化是虚拟装配技术发展的必然趋势。

七、结语

面对激烈的市场竞争,虚拟装配在市场竞争中发挥了重要的作用。在虚拟装配的应用中,我们要改变传统的设计理念,进行合理的装配。只有这样,在以后的产品设计和开发中虚拟装配技术才会有更好的发展空间。

参考文献

[1]刘金玲 赵荣远 虚拟装配技术在整车研发中的应用[J]上海汽车 2011 (12)

[2]刘子强 虚拟装配的基础研究[D] 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2012

第4篇

关键词:虚拟技术 行星减速器 实体建模 虚拟装配

中图分类号:TH132.41 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)10-0239-01

虚拟现实技术是利用计算机技术和仿真技术及多媒体技术,模拟现实世界的环境,用户从感官上能感受的到这个虚拟的环境, 虚拟装配是在产品的实体模型的基础上,在计算机上利用虚拟现实技术模拟产品装配的全过程,完成装配序列规划,为找到合理的装配序列方案提供参考。

1 虚拟装配技术简介

虚拟装配一般需要经过装配体分析――三维建模――装配序列规划――碰撞检测――虚拟装配系统开发等若干环节。先分析装配体的结构、功能,以及使用的场合,然后理清它们之间的装配关系。在 solidworks 软件中根零件各自的特点,选择合适的建模方式。利用层次割集法,计算它的完全割集矩阵和可行的装配序列,经过装配序列的评价,选择一个最优的装配序列。进行静态和动干涉检查,验证产品装配的可行性,装配的模型格式装换后导入3ds Max中进行材质设置和渲染工作,为虚拟装配系统开发做准备。

2 行星齿轮减速器虚拟装配技术探讨

2.1 三维建模

行星齿轮减速器主要由输入花键套、制动器部分包括活塞、弹簧、摩擦片等,行星传动组件又包括行星架、行星轮、行星轮轴承、孔挡,齿圈、输出齿轮组成。由减速器的各个零件特点采用合适的建模方式,主要有:基于零件特征的建模;利用solidworks的插件geartrax建立花键和齿轮;对于标准件如螺栓、O型圈、孔挡等利用 solidworks自带的标准件库toolbox。

2.2 导入装配模块

减速器的装配采用层次装配中的自下而上的方式,分为两个子装配即行星组、活塞组件、总装配。使用 solidworks 软件中的装配模块,将零件先导入装配模块中,然后利用工具栏的配合中的,重合、同轴心、距离、机械配合中的齿轮等功能,完成装配过程。

2.3 装配序列规划

为了得到适合的装配顺序及最优化的经济性需要对产品的装配序列进行规划。行星齿轮减速器是由输出齿轮、行星架、行星轮、齿圈、活塞、马达接盘、花键套等 27 种零部件组成,其零件总共有五十六个,在计算回转行星齿轮减速器的装配顺序上,使用的是基于图论的割集法,转化为矩阵求解问题,对应装配关联图割集为装配割集。

2.4 行星齿轮减速器装配路径规划

零件装配在装配体中过程利用它们的装配约束关系生成一条无干涉的装配途径。求得零件的装配序列后,就可以处理每个零件在装配之前的位置即它的未装配的位置。虚拟装配过程中,所有零件都在待装配位置的情况,设置零件的位置时,要确保零件之间没有干涉。这样在零件移动时就能更好的观察零件目前的位置和零件在产品的位置,熟悉零件之间的结构和位置关系。

2.5 评价行星齿轮减速器的装配序列

装配序列评价的主要意图是通过评价原则确定最好的装配序列,产品的可装配性是产品装配的难易程度,与产品结构特点、装配方式的选择等有关。经过装配约束和环和运算得出每层的完全割集矩阵,最终得到可行的装配序列,根据装配序列的评价原则得出最优的装配序列。在 solidworks 软件上完成静态和动态的干涉检查,验证产品装配的可行性。

3 虚拟装配系统探讨

利用 Virtools5.0 软件开发行星齿轮减速的虚拟装配系统可以装配演示、交互操作。

首先做好流程规划、减速器模型创建、3D模型材质、*.sds 文件、图片按钮制作 , 通过制定系统流程图能够把握好整体的设计流程,把前面装配好的减速器的模型输入 3Ds Max,设置好后保存为 Virtools 能识别的文件类型;图片包括界面底图、按钮、提示图等。

其次在 Virtools 软件中planet gear reducer 资源包含行星齿轮减速器的三维模型,图片,二维实体,声音等信息,打开 Virtools 软件后,将减速器模型 planetgear.3ds 导入、同时调整视窗中的显示效果。

再次设置灯光,光源类型有点光源、平行光、聚光灯,在此用 6个点光源,放置到恰当的位置,让减速器正常显示出来。从Textures 中选择材质图片拖拽到主视窗中,所需的图片导入减速器虚拟装配,在材质设置里调节材质颜色系数,完成减速器外观设置。在此虚拟装配系统中,移动零件和转换角度观察装配的情况依靠鼠标的左右件完成,而视图的远近由滚轮完成。

本文对行星齿轮减速器虚拟装配系统实现和研究做简单的研究和分析,初步实现了预计的效果,但在行星齿轮减速器的建模方面:需要建立零件库,对 solidworks 软件进行二次开发,特别是齿轮建模方面,虽然目前有许多的插件可以画出齿轮,但在一些细节方面做的不够,还不能够适应企业的需求。

参考文献

[1]刘英,黄秀玲等.复杂机械产品的虚拟装配系统研究[J].机械制造与自动化,2006.

[2]夏平均,陈朋等.虚拟装配技术研究综述[J].系统仿真学报,2009,21(8).

[3]李宏.虚拟装配技术的研究现状与发展趋势[J].现代制造工程,2004,(12).

[4]刘D,陈冰等.沉浸式虚拟装配仿真技术研究[J].中国制造业信息化,2010.

第5篇

1 虚拟实训项目的教学设计

教学需求分析 好的教学软件需要好的教学设计,好的教学设计需要先进的教学理念指导。目前教育界普遍认为要取得好的教学效果,既要强调学生的主体地位,又要充分发挥教师的主导作用。教学软件的设计中也要贯彻这种教育理念,既要提供充足的图文、动画、视频等演示资源来支持教的功能,又要有良好的界面导航及虚拟实训交互设计来调动学生自主学习的能动性。中职《电子产品装配实训》课程主要以项目教学为主,通过10个典型的电子产品装配让学生获得电子技术基础知识,掌握电子产品装配的基本技能。因此,在虚拟实训教学软件中应具有4种功能:漫游功能,能够多角度观察虚拟实训器件及仪器设备,操作场景;演示功能,能够演示电子产品装配实训中的操作程序、操作方法及错误操作结果;交互功能,能够利用键盘、鼠标对屏幕中的虚拟器件、仪器工具等进行理想的自主操作,该功能是虚拟实训软件的核心功能;考核功能,能够进行理论与虚拟实训操作的考核,验证学生学习水平,并给予反馈。

软件系统功能模块设计 通过上面的需求分析,结合中职学生学习特点,本文以直流稳压电源的虚拟组装项目为例,对软件功能模块加以说明。

实训指导模块,重点以文字说明形式帮助学生熟悉实训目的,进行实训指导,使学生能够了解实训过程及注意事项;知识链接模块,重点以图文、视频动画的形式,对理论性较强的知识如元件器、电路图的识读等加以详细说明;装配演示模块,以二维、三维动画交互的形式,向学生演示相关操作,如元器件的检测、安装等,使学生熟悉操作程序,牢记错误操作导致的严重后果;虚拟装配模块,通过鼠标、键盘的组合,学生可以进行多角度观察,自主拾取器件、工具进行虚拟实训,并给出相应提示;实训考核模块,分为理论考核与虚拟操作考核两部分,理论考试采取随机抽题方式,由后台题库支持,可自主更新,实操考核借鉴游戏过关记分的方法,根据操作的正确与否,扣除相应的分值。

2 虚拟实训教学软件的实现

根据本虚拟实训软件模块的划分,主要进行两方面的系统设计,一是登录和用户管理系统,二是虚拟实训系统。

登录及用户管理 登录及用户管理的实现,主要应用动态网页及数据库技术。在数据库中建立一张具有用户名、用户密码等字段的表,用于记录相关信息。当用户从前台网页登录时,将用户名、密码借助PHP动态网页技术提交至后台,验证用户信息正确后再将学习时间、学习成绩等信息返回前台显示。

虚拟实训系统的实现

1)基于Unity3D的虚拟教学软件实现流程。Unity3D是能够比较方便的创建诸如3D游戏、建筑可视化等内容综合开发工具,包含了图形、音频等方面的引擎支持,并以C#或者一种类似JavaScript的语言为脚本语言,来实现交互设计。Unity3D开发虚拟实训主要分为4个步骤:首先,创建仿真模型;其次,利用3DS max优化模型;再次,利用Unity3D对模型进行交互设计;最后调试,完善并。

2)虚拟元器件模型的建立。在电子产品装配虚拟实训中,主要涉及到电子元器件及印制电路板的模型创建。例如在直流稳压电源装配实训中需要准备的虚拟元器件有电阻、电容、二极管、三极管等,还要有一块虚拟印制电路板。如果这些虚拟物件直接在3Ds MAX中创建相当麻烦,Proteus软件中预置了上千种元件的3d模型,我们可以利用其印制电路板设计模块,方便的生成印制板电路和元器件的3D模型。然后再导入3Ds Max中进行组合优化,最终得到虚拟实训所需虚拟元器件模型,再以FBX文件的形式导出备用。

3)漫游功能的实现。在Unity3D中我们可以利用鼠标、键盘事件对摄像机的视角进行控制来实现对元件和场景的漫游功能。例如,利用按住鼠标右键拖动实现视角的旋转,具体方法如下。

首先,将Unity3D中预置的Camera Scripts

下的MouseOrbit.js导入到工程中;其次,将MouseOrbit.js附加到Main Camera上,然后在其Inspector面板中对MouseOrbit.js组件的Target参数进行设置,本实训项目中选择印制电路板作为该参照物;最后,将鼠标右键触发事件添加到MouseOrbit.js代码中去,实现按下鼠标右键才触发视角旋转的功能。

4)装配演示功能的实现。在本项目的装配演示模块中,我们主要实现元器件在印制电路板上的安装与分解。单击装配演示界面上的分解按钮时,各元器件从电路板上分解出来;单击组装演示按钮,系统将自动将各元器件按照一定的顺序安装在电路板相应的位置,如图1所示。该功能的实现利用附加在Main Camera上的装配演示脚本来实现。具体方法如下:

①在脚本中Awake()函数里获取所有元件的名称及正确坐标,并记录在数组中。

②在脚本中OnGUI()函数里利用Button控件创建分解与组装演示按钮。当检测到分解按钮被按下时,将所有元器件的位置进行偏移,完成元器件位置分解操作;当检测到装配演示按钮被按下时,首先根据数组中存的元器件名获取元器件的当前坐标,若其与数组中所存的元件在电路板上的安装位置不同,则利用Vector3.MoveTowards方法将当前元器件移动到数组中所存的该元件的安装位置。移动完成后,进行下一个元件的安装演示,如图1所示。

5)虚拟装配功能的实现。本软件中单击手动组装操作按钮进入虚拟装配实训,这时可以通过键盘、鼠标对屏幕中的虚拟元器件、仪器工具等进行自主操作,组装到正确位置时,元器件会吸附到电路板上。当鼠标指向待安装的元器件时,会在电路板上正确的安装位置显示元器件虚影进行提示。该功能实现的关键技术是鼠标拖放和碰撞检测。具体方法如下。

①准备两套虚拟元器件,一套是辅助安装的元器件虚影。当按下手动组装按钮时,将电路板上的辅助安装元器件的renderer.enabled属性设置为false,并全部添加Box collider组件。然后分组显示将要安装的元器件。

②在Main Camera上附加Unity3D中预置的DragRigidbody.js脚本,为需要安装的元件添加Rigidbody和Mesh collider组件。

③在将要安装的元器件上附加手动组装脚本。编程思路是在Update()中获取当前鼠标拖动的元器件,然后利用OnTrggerEnter进行碰撞触发检测,若碰撞的是与之对应辅助元器件则将其在安装位置显示出来。

3 作品

在Unity3D中经过功能测试无误后,开发的作品最后能成web网页、可执行EXE文件等多种形式。在本实训教学软件中,为便于与其他教学资源整合,采用网页的形式。

4 结束语

本文以直流稳压电源虚拟实训项目为例,展示综合运用Proteus、3DS MAX、Unity3D开发电子产品虚拟实训软件全过程。该虚拟实训教学软件已经在实际教学中进行应用,取得了初步的成效,经过不同班级对比,使用该软件可以明显增加学生的学习兴趣,提高学习效率,但虚拟实训教学并不能完全替代实践实训项目。

参考文献

[1]姬洪强.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现[D].杭州:浙江师范大学,2009.

[2]石小法.电子技能与实训[M].北京:高等教育出版社,

2006.

第6篇

关键词:计算机应用;装配规划;综述;虚拟现实;软计算;协同装配

装配是产品生命周期的重要环节,是实现产品功能的主要过程。写作毕业论文装配成本占产品制造成本40%~50%,装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下,得到产品详细的装配方案的过程,对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。

较早的传统装配规划采用人工方式,工艺人员根据设计图纸和技术文档,通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系,必要时再和设计人员进行讨论,进一步明确设计者的真正意图,利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低,且难于保证装配方案的经济性。

随着计算机集成制造CIMS和并行工程CE技术的发展和应用,一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求,以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响,80年代初,出现了对计算机辅助装配规划(ComputerAidedAssemblyPlanning,CAAP)技术的研究。到目前为止,CAAP经历了几个不同的发展阶段,出现了4种代表性的方法,按照出现的时间顺序及方法的特点,笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。

1经典装配规划方法

早期CAAP的研究侧重于装配序列的规划,以产品CAD装配模型为基础,写作硕士论文一般采用几何推理的方法,通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持,其过程通常如图1所示。

1.1产品装配建模

产品装配模型是装配规划的基础,为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct提出了联系图模型[4],将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系,图中的节点对应零件,边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系,图中包含3种实体类型:零件、接触和联接,边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性,即装配体可以分解为子装配体,子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合,以此表达产品的装配组成。

矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品,干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况,接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态,连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量,Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵,集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。

1.2装配序列推理和表达

基于联系图模型,Bourjauct采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4],写作医学论文随后DeFazio和Whitney[9],Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量,然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并,利用“割集”算法对联接图进行循环分解,生成所有可能的子装配体,直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR图表达方法,图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件,超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N)(N为零件个数),因此,对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题,这是难以让人接受的。

1.3装配序列评价和选择

装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响,写作职称论文而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13],定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间(包括子装配体的操作时间、运输时间等)、整个装配成本(包括劳动成本、夹紧和加工成本)、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。

更多的经典装配规划方法研究文献可以参见TexasA&M大学Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14],其中收集了自1980年起近15年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间,这使它可能从中找出最优的装配序列,但随着产品中零件数量的增加,解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难;且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识,难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。

2虚拟装配规划方法

虚拟现实技术为装配规划的“人-机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程,无需产品或支撑过程的物理实现,通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段,利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中,人机可以充分发挥各自的优势,即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程,但不能精确地判断当前所有可能装配的零件,也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素,而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序,还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2为虚拟装配规划的工作步骤。

国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)为代表,写作英语论文通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性,为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中,利用提取并导入的CAD系统产生的装配约束信息引导装配过程;通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性,基于物理特性进行装配建模,逼真地模拟真实装配环境;支持双手的灵活装配和操作;记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑;建立了工具/零件/人相互作用模型,支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。

国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合,建立了一个虚拟环境下的面

向装配设计系统(VirDFA)。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统(VDVAS),通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境(VIRDAS)中,张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航,实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发,姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构,从方案设计、结构设计和装配工艺设计3个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台(VAT),简化了虚拟装配应用系统的构造,便于应用的快速生成。

应用虚拟现实环境开展装配规划,提供了一种新的思路和工具。但是,虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入,另外,虚拟现实技术本身(如图形的高速刷新)及其相关硬件技术(如力触觉设备)的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。

3装配规划软计算方法

1994年,Zadeh教授将模糊逻辑与智能技术结合起来,提出了软计算方法(softcomputing)[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础,不追求问题的精确解,以近似性和不确定性为主要特征,所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案,近来,基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。

3.1装配规划神经网络方法

神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法,它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统,写作留学生论文单一神经元可以有许多输入、输出,神经元之间的相互作用通过连接的权值体现,神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来,网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程,稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。

Hong和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled神经网络中,考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程,基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力,计算结果显示,该方法容易产生不优化的装配顺序,且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外,参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大;神经网络在应用前须进行训练,而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品,对其它类型的产品则不一定适用,该方法的应用范围窄。

3.2装配规划模拟退火算法

模拟退火算法源于固体退火思想,将一个优化问题比拟成一个热力学系统,将目标函数比拟为系统的能量,将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程,通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。

Saeid等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时,根据产品装配模型获得装配优先关系,将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数,作为装配序列优化的评价函数。Hong和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数,利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小,经过多次迭代,直到能量函数不再变化为止,最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上,并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较,结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。

模拟退火算法具有较强的局部搜索能力,并能使搜索过程避免陷入局部最优,但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多,不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域,从而使得算法的运算效率不高。

3.3装配规划遗传算法

在众多软计算方法中,遗传算法得到了众多研究者的重视。写作工作总结遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法,它将问题的可能解组成种群,将每一个可能的解看作种群的个体,从一组随机给定的初始种群开始,持续在整个种群空间内随机搜索,按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价,不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用,使种群在适应度函数的约束下不断进化,算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3为装配规划遗传算法的一般流程。

装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段编码遗传算法中,将染色体分为3段编码,第1段表示参与装配的零件编号,第2段表示零件的可行装配方向,第3段表示装配工具,从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能,文中将装配体分解为子装配体进行装配,减少了参加装配序列规划的零件数目;Guan等[28]采用基因团编码方式,一个基因团表达一个零件的装配操作,由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上,通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith等[30]的增强型遗传算法中,选择下一代个体并不完全依靠适应度,而是先把一定数量较优的个体复制到下一代,将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列,直到满足下一代种群中序列个数的需求,从而使算法能跳出局部最优点,在全局范围内搜索最优解。

理论上,找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大,迭代次数要无限

多,但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此,遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。

4协同装配规划方法

装配体作为实现产品功能的载体,零部件可能由不同的企业设计,零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程,因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离,为实时的“人-机-人”协同装配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison大学[31]提出网络环境下的电子化装配(e-Assembly),探讨在Internet/Intranet上利用3D模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具,拟实现的关键技术包括3D交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D系统,利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划,Visualizer模块为用户在Web平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真,但缺少交互修改、调整功能。在ATS项目[32]实施中,为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果,尝试利用VRML作为可视化工具,一方面供设计团队浏览零部件设计,另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑,生成装配序列的VRML仿真文件,供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周,而且每次设计修改后都必须重新编辑;同时,仿真文件仅具有浏览功能,不能进行交互修改。

Web环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术,通过对复杂产品装配规划问题的分解,即降低了单机规划工作模式的复杂度,又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议,以VRML为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下,支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性,相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web环境下3D交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35],它基于VRML-Java实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能,目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统,不能支持多用户的实时协同装配工作。

5结论与展望

CAAP的研究在理论上取得了一定的成果,在工业界也得到了一定的应用,但相对而言还很少,这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作,同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势,而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中,使得结果具有更好的工艺可行性,两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程,从而得到合理的装配方案。

跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展,建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境,支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。

参考文献

[1]苏强,林志航.计算机辅助装配顺序规划研究综述[J].机械科学与技术,1999,18(6):1006~1012.

[2]石淼,唐朔飞,李明树.装配序列规划研究综述[J].计算机研究与发展,1994,31(6):30~34.

[3]牛新文,丁汉,熊有伦.计算机辅助装配顺序规划研究综述[J].中国机械工程,2001,12(12):1440~1443.

第7篇

关键词 虚拟制造 虚拟现实技术 典型虚拟制造技术

一、虚拟制造的定义及特点

虚拟制造是20世纪80年代后期美国首先提出来的一种新思想,它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行全面的仿真,以发现制造中可能出现的问题,预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等,在产品实际生产前就采取预防措施,确保产品一次性开发成功,以达到降低成本、缩短产品开发周期、增强企业竞争力的目的。

虚拟现实 ( VR, Virtual Reality) 技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实, 使人能够凭借直觉作用于计算机从而产生三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造 (VM,Virtual Manufacturing) 技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成, 它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。虚拟制造强调虚拟现实在设计和制造过程仿真中的应用,强调以一种可视化的直观的方式增进技术人员对所设计的产品或过程的理解,从而发现其中的问题。虚拟制造并不是真实的制造过程。它不产生真实产品,基本不消耗材料和能量,而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型来展现“制造”的本质过程。

二、虚拟制造技术的应用

1.虚拟制造技术在国内外的应用情况

虚拟制造在工业发达国家, 如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域, 美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术, 大大缩短了产品的时间。波音 777,其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的,其开发周期从过去的 8 年缩短到 5 年;Chrycler 公司与 IBM 合作开发在虚拟制造环境用于其新型车的研制,在样车生产之前,即发现其定位系统及其他许多设计有缺陷,从而缩短了研制周期。

在我国, 清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情, 进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真, 主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。

2.虚拟制造技术在机械制造中的应用

(1)虚拟企业。虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用电子手段,为快速响应市场需求而组成的动态联盟,是组织、人力、技术、信息等资源在完善的网络组织结构基础上的有效集成。这种企业组织和生产模式可克服窨和时间的局限性,保持集中和分散之间稳定、合理的平衡,具备系统优化组合和有效协调的优越性。

(2)虚拟产品设计。例如飞机、汽车的外形设计,其形状是否符合空气动力学原理、运动过程的阻力、其内部结构布局的合理性等。在复杂管道系统设计中,彩虚拟技术,设计者可“进入其中”进行管道布置,并可检查是否发生干涉。这样可提高设计效率,尽早发现设计中的问题,从而优化产品设计。例如波音777飞机有300万个零件,这些零件的设计以及整体设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中得以成功运行。这个VMS是在原有的Boing-CAD的基础上建立。设计师戴上头盔显示器后,能进入虚拟“飞机”中,审视其各项设计。过去为造实体模型需60万美元,应用VMT 后,节省了经费,缩短了研制周期,使最终的实际飞机与原方案相比,偏差小于1%,且实现机翼和机身结合的一次成功,缩短数千小时的设计工作量。

(3)虚拟产品制造。应用计算机仿真技术,对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用,加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、运行物件的运动性等均可建模仿真, 提前发现加工缺陷和装配时出现的问题,从而优化制造过程、提高加工效率。

(4)虚拟生产过程。产品生产过程的合理制定,人力资源、制造资源、物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等,均可通过计算机仿真进行优化,同时还可对生产系统进行可靠性分析,对生产过程的资金进行分析预测,对产品市场进行分析预测等,从而对人力、制造资源的合理配置,对缩短生产周期、降低生产成本意义重大。John Deere公司运用VMT进行弧焊生产系统的安装,EDS 公司应用DENEB 软件为通用汽车公司的中、高档毫华汽车分厂进行装配生产优化设计,GM 公司也为此节省数百万美元,并提前了上市时间。

3.典型的虚拟制造技术

(1)虚拟装配。装配是产品设计开发过程中的重要环节,虚拟装配则是装配过程在计算机上的本质实现,因而是虚拟装配的重要组成部分。它能够基于产品的数字化实体模型,在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程,从而提高产品的可装配性。

虚拟装配模型是分析装配问题的基础,因此,面向装配过程的、支持虚拟装配中各种需要的产品装配模型在虚拟装配中十分重要,模型的特点和优劣在很大程度上决定了系统所能实现的功能。

(2)多学科协同仿真。多学科协同仿真就是要在系统工程理论的指导下,基于复杂产品中各个学科之间的内在交互关系,将位于不同地点、基于不同计算机平台、采用不同建模方法建立的混合异构仿真模型,在分布式环境中联合起来进行多学科协同仿真。

(3)虚拟车间布局设计。制造系统的布局设计就是在企业经营策略的指导下, 针对生产过程, 将人员物料及所需的相关设备设施等,做最有效的组合和规划,并与其他相关设施协调, 以期获得安全、效率与经济的操作, 满足企业经营需求。运用面向对象的模拟仿真,可以帮助使用者建立用于规划、设计和流程优化的虚拟模型,依据不同决策变量之组合, 分析设备使用率、系统产能、有效产出率, 以及交货期、成本等策略, 达到产能最大化、排程最优化、半成品及库存最小化等目标。

参考文献:

[1]李京平.模具现代制造技术概论[M].北京市:机械工业出版社,2008

[2]韩宝菊,王卫东.虚拟制造技术及应用[J].液压气动与密封.2010

第8篇

关键词:虚拟现实 军需装备 技术保障

军需装备技术保障是指为保持、恢复军需装备完好技术状态和改善、提高军需装备性能,以便遂行作战、训练、执勤等的保障任务而采取的技术性措施及组织实施的相应活动的统称。目前,我军军需装备技术保障的信息化程度比较低,存在着成本高、训练不足、受场地和气候条件限制多等问题,严重制约着军需装备保障力的生成与发挥。虚拟现实技术是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统,能够生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境。演练者可以进入其中,产生逼真的身临其境感,并可以像在真实世界中一样进行实时操作和相互交流。基于虚拟现实的军需装备技术保障系统不受场地、时间限制,运行成本低廉,能够有效地克服当前军需装备技术保障中存在的问题,提高军需装备技术保障信息化水平,具有重大的军事效益和经济效益。

一、军需装备虚拟装配

装配是指在生产或维修作业中,按技术要求将零件组合成部件或将零、部件组合成装备的过程。军需装备虚拟装配是以计算机仿真和军需装备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于一体的综合系统技术。它是在计算机上完成军需装备零、部件的实体设计造型,并在计算机辅助作用下完成装配、干涉分析等多次协调的设计过程,实现军需装备的三维设计过程与零、部件装配过程的高度统一。军需装备虚拟装配能缩短军需装备装配过程,可广泛应用于军需装备的设计与开发、军需装备装配任务的培训和军需装备装配过程的演示,极大地改进军需装备制造和维修过程。应用虚拟现实技术能以直观的方式直接考察装配约束的施加过程、分析装配约束对零件运动的限制、检查装配过程中的动态干涉,从而验证军需装备零部件的可装配性;能在建模过程中识别装配关系中的配合关系、装配层次、装配顺序、装配规则与装配参数等,更完整地捕捉军需装备设计者的装配设计意图、设计经验与知识,动态地建立军需装备零件间的装配关系;能够结合物理仿真,实现装配力与物理约束作用下零件的约束运动,使军需装备零件的约束运动更为直观与自然,提供直观、自然的军需装备装配过程。

二、军需装备远程虚拟诊断

故障诊断是指为了确定故障原因以及如何防止其再次发生而收集和分析数据的过程。故障诊断的过程是一个信息采集、信息分析、信息处理和信息判断的过程。军需装备远程虚拟诊断是利用虚拟现实技术和远程网络技术,感知、接收数据网络传输的故障军需装备的信息,在军需装备虚拟样机模型上对故障进行虚拟再现,根据相关信息剖析故障原因,进而对故障进行判断的过程。军需装备远程虚拟诊断系统中虚拟现实技术的应用,可以使处于远程诊断服务器端的军需装备故障诊断专家直观地看到待修军需装备的三维模型,从而能够对故障有更准确的掌握,提高了诊断的直观性和准确性;可以充分验证"软件就是仪器"的理论,最大限度地减少硬件的配置和对硬件的依赖,省去大量的硬件设备,大大降低系统的运行成本;可以建立整个军需装备系统的权威性的故障诊断系统,实现资源共享,避免重复开发;还可以建立"B2C"模式的军需装备故障远程诊断系统,使权威全面及时的军需装备远程故障诊断和维修系统成为全军军需装备技术保障的强有力后方,军需装备现场用户无论身在何处,都可以通过网络连接到故障诊断中心的网络服务器,请求诊断服务,使军需装备的故障诊断方便灵活。

三、军需装备虚拟维修

维修是为使装备保持、恢复或改善其规定技术状态所进行的全部活动。维修是一个非常广泛的修理概念,一般维修的直接目的是保持军需装备处在规定状态,现代维修还扩展到对装备进行局部改进以改善装备的性能。军需装备虚拟维修就是在虚拟环境下,操作者借助于外部设备对虚拟环境中的军需装备进行维修的模拟。它突破了空间、时间的限制,可以实现逼真的军需装备故障维修操作,提取任何关于军需装备已有资料、状态数据,检验军需装备性能。军需装备虚拟维修是对军需装备进行"虚拟"地维修,通过运用虚拟现实技术,可以在维修过程实施以前,对待维修军需装备进行检测,判断故障部位,制定和验证修理方案的合理性,以降低维修成本、缩短维修周期;可以对军需装备实际维修过程进行建模,克服传统建模和仿真技术主要针对特定军需装备的维修过程建立相应的参数化数学模型难以模拟军需装备实际的维修过程和难以直观地反映军需装备实际维修过程发生变化的不足,实现对军需装备实际维修过程进行建模并进行仿真,从而加深对军需装备维修过程和维修系统的认识和理解,促进仿真与建模理论的发展;可使工程技术人员进行维修性校验,安排维修计划并验证结果,根据结果柔性地调整维修过程,极大地提高军需装备维修组织的柔性,降低维修资源和成本;能可靠地预测成本、风险和进度,使军需装备维修指挥员能直观地评判各种维修方案的优缺点,做出最优的决策,从而提高决策水平;还可使技术人员分析验证军需装备的维修性来积累技术经验,维修管理人员尝试各种不同的维修组织方案来积累管理经验,维修人员对装备的维修过程进行演验而积累维修经验,培养军需装备技术保障的各类人才。

四、军需装备虚拟仿真训练

装备虚拟仿真训练是虚拟仿真技术在装备训练领域的应用,它是一种理想的训练和实践系统。将仿真技术与虚拟现实技术这两类关键技术有机地结合起来,充分利用虚拟现实技术来创设逼真的训练环境,同时利用仿真技术来实现真实环境下的实时仿真,能部分或完全实现实装训练的效果。军需装备虚拟仿真训练具有安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制,既能常规操作,又能培训各种环境下的应变能力以及训练的高效率、高效益等独特优势,可广泛应用于军需装备器材设备的演示、原理教学、操作训练和性能分析及排故训练。通过利用虚拟现实技术,可以建立高逼真度的军需装备模型和操作环境模型,构建与真实环境完全一样的训练环境,为学员亲身感受军需装备和操作训练环境提供可能;可以对所要构建的操作过程进行深入分析,找出其内在规律后建立符合其特征规律的数学模型,通过仿真后台引擎的支撑与虚拟场景中对象的交互,实现军需装备操作过程的客观反映和军需装备运行客观规律在虚拟环境中的真实反映,达到贴近现实的实时仿真效果;还可将多媒体课件功能嵌入到辅助教学系统中,满足军需装备原理教学、过程演示、内部构造关系、运行规律分析等理论教学的需要,具备辅助教学训练功能,充分体现军需装备虚拟仿真训练的自主性。

参考文献:

[1] 赵经成.虚拟仿真训练系统设计与实践[M].国防工业出版社.北京.2008(5)

第9篇

关键词:教学改革 民航发动机 虚拟装配 创新性

中图分类号:G71 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)11(c)-0202-01

21世纪,教育观念发生了重大转变,教育手段日益先进,实施教育现代化是教育革命的必然趋势。航空发动机实践教学不仅能帮助学生形成正确的概念,加深对规律的理解,而且与课堂理论教学相比,实践课程在培养和提高学生动手实践能力、观察能力、理论联系实际能力等方面有着不可替代的作用。传统的民航发动机方面的实践教学投入大、耗费人力和物力,而且,航发设备陈旧老化的问题也比较突出。虽然学校购置了大量航发器材设备,但是由于民航发展和机型更新速度快,以及学校办学规模不断扩大,使得传统的实践教学模式在现阶段难以满足工程教育的要求。随着计算机软硬件的发展,构建桌面虚拟实践平台,代替实物实践教学,不但可以满足实践教学的需要,而且降低了教学成本。因此,虚拟仿真技术为新教学媒体应用开辟了一条道路,使个性化实践教学真正成为可能。

1 民航发动机虚拟装配技术路线

虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分,利用虚拟装配,可以验证装配设计和操作的正确与否,以便及早的发现装配中的问题,对模型进行修改,并通过可视化显示装配过程。

以民航发动机常用机型V2500-5A和CFM56-5B为研究对象,通过Solidworks、CATIA与Cortona3D相结合的软件工作方,依照航空发动机的装配工艺,进行虚拟装配。这种结合Solidworks与Cortona3D的软件组合方式生成的演示文件具有可移动性强、演示方便等优点。根据航空器制造厂商提供的AMM,发动机厂商提供的EM,结合航空维修企业的OMP,编写航空发动机关键系统和部件的IPC和MANUAL脚本文件。根据发动机制造厂商提供的IPC和MANUAL,设计维修动作,采用Cortona3D实现模拟维修过程。通过网页形式的发动机装配工艺的演示,解决了单纯依照文字描述工作方式不够直观的缺点,使得装配技术的研究和应用更加便利。培训与测试程序使得培训人员感受在提示逼真的三维环境中进行模拟维护和维修,实现了人机互动。将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系,使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成,同时又具备了良好的服务。

2 虚拟装配软件

Cortona3D软件是一个具有强大的成本效益的制作套件,它可以给组织以灵活性来进行生产,如可互动的零件目录,制作维修手册,培训教材和工作指导等。这些制作套件可以使企业能够重复使用现有的三维CAD数据源或其他材料,来更有效的支持文件的交互式三维可视化,大大降低工作量和节省时间。Parallel Graphics公司的虚拟手册编辑器和虚拟培训编辑器具备强大的编辑功能,能帮助零基础或基础较薄弱的3D用户迅速掌握并建立复杂专业的3D应用平台。而Cortona3D软件的核心则是其中的虚拟手册编辑器和虚拟培训编辑器。

虚拟手册编辑器是一款功能强大的编辑应用软件,该软件能够为技术的支持、维护及运行创建交互式动画3D仿真。该软件所提供的直观视觉途径和自然语言界面能帮助零基础或基础较薄弱的3D用户快速创建综合3D仿真,并将其作为独立解决项目或并入已有的PLM(产品生命周期管理)系统、IETM(交互式电子技术手册)系统或CRM(客户关系管理)系统。

3 虚拟装配在教学中的创新性

虚拟维修系统设计的目的是要把虚拟仿真技术作为学生的认知工具,将其整合到学科教学中去,使学生形象地建立起客观世界,有效地提高实践教学质量,激发学生学习兴趣,真正提高学生的机务工程实践能力。为达到上述目的,系统开发遵循“体现民航特色、与时俱进,满足教学需求”的宗旨,其内容包括如下几个方面。

电子样机是利用仿真技术对发动机进行真实化模拟,机型的本体结构,主要是风扇单元体,核心机单元体(包含高压压气机、燃烧室和高压涡轮三个子单元体),低压涡轮单元体等;主要系统及部件,如空气系统,滑油系统等。

IPC(Illustrated Parts Catalog)图解零件目录IPC的体现形式是部件二维图和相应的零件目录表,其为机务和工程技术人员提供飞机发动机所有可更换的零部件的件号、名称等重要信息。IPC在教学上经常用来展示发动机结构示意图以及部件之间的关联关系。在早期教学过程中起到了一定的作用。由于现动机结构越来越复杂,传统的二维插图已无法满足教学使用。因此,利用仿真技术开发的三维IPC用于课堂教学和实践教学可起到加深学生认知的效果,其通过三维演示可以直观理解发动机布局和系统组成,清楚地表达发动机和部件的结构,以及发动机各单元体之间,发动机与各系统部件之间的结构关系和拆卸/安装关系,充分展现发动机及各零部件的内部的层次关系。虚拟维修系统开发的IPC是根据CFM56和V2500发动机IPC手册进行编写,其图形窗口显示与三维CAD软件风格完全一致,可以实现旋转、缩放、移动、透视和爆炸等诸多功能。系统用三维爆炸图来描述复杂产品零部件之间的关系,使其清晰易懂。

MANUAL模块根据B737和A320的AMM手册中常用的航线维护程序内容编写的,其主要目的在于:(1)使同学了解发动机结构与系统课程中介绍的内容在实际中的应用,使教学内容与工程实践紧密联系,加深学生的认识;(2)使学生熟悉今后的工作,为将来的工作奠定基础。

该模块用三维动画形象直观地展示典型的航线维修工作的操作过程,减少文字的描述。系统将操作动画和文本同时关联起来,学生可以观察发动机每一步的拆装动画,并与三维模型随时交互,如转动,局部放大,阅读相关联的文档等。学生可以从不同角度充分了解各个部件是如何维修的。使用过程中,学生可以顺序观看,也可根据需要选择性观看,这样大大提高了学习过程的自主性。对于原手册中的警告,注意事项等内容,系统在相关步骤演示过程中适时地通过对话框加以提示,有效地实现了拆装维修时的警示作用。

参考文献

[1] 司杰.三轴数控电火花机床设计与虚拟装配研究[D].天津:河北工业大学,2007.

第10篇

关键词:虚拟装配;虚拟制造;参数化设计;齿轮减速器

中图分类号:TH132.46 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)03-0084-02

虚拟制造技术是产品制造的重要环节,对产品的成本、质量以及制造周期有着重大影响。本文研究圆柱齿轮减速器的虚拟装配技术,对虚拟制造技术具有极其广泛的应用推广价值。

1 虚拟装配的一般方法和步骤

本文以齿轮减速器为基本模型,讨论虚拟装配的有关技术方法,包括箱体类零件的创建方法、齿轮的参数化设计方法、轴承的装配方法、大型组件的装配方法、装配时各个元件间的体积干涉检验方法等,基本涵盖了机械产品设计的全过程。

1.1 减速器零部件实体建模

图1和图2表示出了箱座、箱盖、轴系、端盖等的配合关系,图1中箱座、箱盖部分采用半透明化处理,图2隐藏箱盖、轴承座孔连接螺栓、箱体连接螺栓,这两种方法都能够表达清楚内部结构。模拟装配的第一步是进行零件的实体建模,或者利用已有的实体零件库,本文从零件的实体建模开始讨论,减速器零件的三维实体建模首先进行箱体、箱盖、两对齿轮传动副、三根传动轴和三对轴承设计。

1.2 减速器零部件实体建模

箱盖和箱座是减速器装配的两个大部件,在这两部分的实体造型完成后,可以先进行一次装配,检查是否有不合理或者是漏创建的部分。减速器箱座和箱座三维模型分别如图3和图4所示。

高速轴为齿轮轴,齿轮的建模过程包括绘制草图、拉伸、旋转、切除、挖槽、倒角,考虑到小齿轮尺寸与该轴段尺寸相差不多,所以将小齿轮与轴制成一体,成型后的高速轴见图5。

低速轴部分:由于是回转体,未切键槽时是轴对称图形,在草图绘制平面上绘制对称图形的一半,标注尺寸(添加约束)通过旋转即可生成模型。至于键槽部分:通过建立两个参考平面,在参考平面上绘制键槽孔草图,再拉伸切除即可。草图旋转体平面开槽腔倒棱边倒角,成型后的高速轴见图6。

中间轴同高速轴的造型方法相同,也是齿轮轴,创建过程同高速轴。齿轮是一种参数化的零件,一个齿轮的形状,可以由它的模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数以及齿宽完全确定,只要修改这些参数的数值,就可以改变齿轮的形状。根据斜齿轮特征,建立模型的关键在于确定螺旋线、渐开线、齿根过渡曲线和齿厚。

1.3 轴承实体的参数化设计

本研究中参数化设计选择标准件类型为圆锥滚子轴承30 000,公称直径30 208,(30 210同30 208只是参数不同)。按照所需的轴承代号,选择好类型及参数,点击确定按钮后,即可得到减速器所需的轴承型号的三维模型,添加到装配模型中,如图7所示。

2 减速器的虚拟装配

作为虚拟制造技术的重要部分,虚拟装配是在计算机上的产品仿真过程。用户根据需要能进行下述工作:装配工艺的规划与设计;在屏幕上实现零件到产品的预装配;装配过程的碰撞、干涉检查:可装配性评估;装配过程的优化分析:装配经济指标评价;装配可靠性评估。

齿轮轴、齿轮、键装配完成后的实体模型,如图8和9所示。

三根齿轮轴、齿轮等主要零部件完成虚拟装配后的三维图如图10所示:装配是对几何体的集合进行管理,而不是生成新几何体。如果组成装配的零件发生改变,装配中会自动更新。利用虚拟装配技术,在计算机上完成零部件的实体造型、装配、检查。为新产品研制提供了一种新的设计方法和实施途径。

3 零部件参数化设计

参数化设计是指在构造产品模型时,模型结构在保持模型拓扑关系不变的前提下,可随尺寸参数或改成参数的具体数值变化而自动改变,形成新的产品模型。参数化设计师使用约束来实现设计与修改产品的一种方法,约束可以理解为若干个对象之间的相互关系,即限制一个或多个对象满足一定得关系、条件。

减速器参数化设计系统由常用件设计、附件设计、标准件库、减速器设计、系统帮助五大模块组成。减速器零件很多,下面就以减速器的代表性零件轴承为例,演示一下系统中常用的标准件调用过程。通过参数化设计减速器各个零部件,最后参数化生成圆柱齿轮减速器三维实体模型,从而大大提高了减速器的设计效率。

系统中标准件的调用过程:选择标准件类型为圆锥滚子轴承30 000,公称直径30 208,(30 210同30 208只是参数不同)。按照所需的轴承代号,选择好类型及参数,点击确定按钮后,即可得到减速器所需的轴承型号的三维模型,添加到装配模型中。单从对轴承的调用,足以见得参数化设计的便捷优势,用户不仅可以享受到个性化的界面,还可以抛开厚厚的手册,将建模由几个小时缩短了几秒钟,设计的过程简化了,设计的效率也大大提高了。

4 结 语

本文对虚拟装配系统的若干理论和关键技术进行了研究和探讨,先运用CATIA对每个零部件进行三维实体造型,再利用CATIA的装配模块,完成减速器的虚拟装配。通过齿轮减速器零件的参数化设计和虚拟装配完成了减速器总成的快速虚拟制造过程,虚拟装配过程发现的问题,在设计阶段就及时发现并进行了修改,大大缩短了产品的研发周期。

参考文献:

[1] 孙桓,陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2002.

第11篇

【关键词】准实物仿真;虚拟装配;望远镜目镜组

虚拟装配就教育理论而言,实现了人的临场化,参与者与虚拟环境是互相作用、互相影响的一个整体的两个方面,它营造了“自主学习”的环境,由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟装配实验既可缩短训练的时间,又可获得直观、真实的效果,还能对那些不可视的结构原理和不可重组的精密设备作仿真实训,一方面培养学生操作的技能,另一方面培养学生自我训练的意识和创新能力。

1 UG软件的发展和应用

UG软件是美国著名的三维产品开发软件,由于具有强大的功能,已经逐渐成为当今世界最为流行的CAD/CAM/CAE软件之一。从20世纪90年代进入中国,得到了越来越广泛的应用。

UG软件的虚拟装配模块是目前计算机领域的热点之一,并被广泛应用于各种研究领域,如工业仿真、航天、军事、模具、教育等领域。虚拟装配在各行各业中得到了广泛的应用,并取得了巨大的社会效益和经济效益。

2 准实物仿真的虚拟装配构想

在UG中,虚拟装配模块不仅能够将零部件快速组合,而且在装配过程中,还可以参考其他部件进行部件的相关联设计,并且可以对装配模型进行间隙分析、重量性管理等操作内容。在装配模型生成后,可以建立爆炸视图,并且可以将其引入到装配工程图中。同时,在装配工程图中还可以自动生成装配明细表,并且能够对轴侧图进行局部的修改等。

采用虚拟装配技术,学生可以直观的看到零部件的装配顺序以及装配关系,还可以自行设计模型,真正把他们设计出来的机械零件通过装配来检验模型设计的合理性以及可行性。同时还可以解决在对大型、结构关系负责以及实验条件有限的情况下进行装配零部件。这种虚拟装配与准实物仿真可以满足大部分装配类教学和训练的要求,大大减少经费的投入,并可向网络学校、虚拟教育延伸。

3 虚拟装配在望远镜装配的实现

3.1 虚拟装配的优点

在UG中通常使用虚拟的装配模式进行装配,该装配模式是利用部件间的相互链接关系来建立的,它具有装配时所需要的内存空间少,装配速度高,装配可以自动更新,能定义装配中部件之间的位置关系,只用一个几何体数据备份。

3.2 望远镜装配的方式

望远镜装配是零部件之间创建联系。装配部件与零部件的关系可以是引用,也可以是复制。因此,装配方式包括多零件装配和虚拟装配两种方式。望远镜部件包括物镜组、目镜组、棱镜组、金工等部件。这里主要以虚拟装配望远镜的目镜组为例,说明望远镜装配的方式。

虚拟装配方式是UG NX 6.0中文版采用的装配方式,也是大多数CAD软件所采用的装配方式。虚拟装配方式不需要生成实体模型的装配文件,它只需引用各零部件模型,而引用是通过指针来完成的,也就是前面所说的组件对象。零部件更新时,装配文件一起自动更新。采用虚拟装配所需内存小、运行速度快、存储数据小的优点。

3.3 虚拟装配望远镜目镜组的方法

虚拟装配望远镜所采用的装配方法是自底向上的装配方法。自底向上装配是指首先创建部件的几何模型,再组合成子装配,最后生成装配部件。这种装配方法是在零件级上对部件进行的改变会自动更新到装配见中,下图即是虚拟装配望远镜目镜组的装配过程图。

4 虚拟装配在教学实践环节的影响

教学改革的目标是实现教学现代化,提高教学效益和质量,全面提高学生素质。然而,教学现代化并非只是设备的现代化,它应包含更深刻的含义,包括:教学观念的现代化、教学内容的现代化、教学手段的现代化。而教学实践环节的教学手段的改革更是重中之重,所以探索虚拟现实技术应用于教学实践环节中的作用是巨大的,也是深远的。

第12篇

关键词:工业设计,虚拟现实技术,计算机

 

0.前 言

新世纪以来,随着计算机图像学,人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计和制造等技术的告诉发展,虚拟现实技术在工业实际中的应用越来越多,已经成为工业设计各个阶段不可缺少的工具。虚拟现实技术的广发应用是现代工业实际走向更全面的数字化,是设计部门与企业管理、工程设计与市场营销等产品开发的主要部门之间的交流变得更加容易,不记打打缩短了企业产品开发的时间,而且也为其产品的宣传、销售赢得了先机,为企业在竞争中取胜添加了筹码,加快了企业发展的步伐。

1.虚拟现实的定义

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是一种计算机界面技术。从本质上讲,虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观、自然的实时感知交互工具,最大限度地方便用户操作,提高整个系统的效率。根据VR应用的对象不同,VR的作用可以表现为不同的形式,如将设计概念或方案可视化和可操作化,以方便设计评价和优化;实现逼真的遥现场效果等。

2. 虚拟现实技术在工业设计各个阶段中的应用

(1)虚拟现实技术在需求分析阶段中的应用

通过结合虚拟现实技术的Web页面进行市场调查,可以激发被访问者的兴趣,所得到的信息更丰富,更准确,并且有针对性,这样在产品设计之前可以真正了解市场的需求情况。同时可以利用给予Web的虚拟设计环境把产品的特点和功能尽可能展示给用户,并通过用户的反馈信息获得的个性化需求信息,这有助于设计出符合大批量定制原则的合理的产品结构。发表论文。

(2)虚拟现实技术在概念设计中的应用

在概念设计中运用虚拟现实技术,可以将体验设计思想更好地融于其中,也就是更多关注产品使用者感受,而非产品本身。在不同的虚拟环境中,让他们亲自体验修改模型的感受;利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件,在渲染和生成十分逼真的三维模型时,充分感受自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可以根据用户的建议,邀请专家和部分用户一起对模型提出修改意见,观察设计和修改过程,直至大多数人满意为止。

(3)虚拟现实技术在详细设计中的应用

详细设计是概念设计之后的一个重要阶段,包括零件详细设计、工艺详细设计和可制造装配性详细分析等,其中可制造装配性详细分析尤为重要。发表论文。在进行复杂产品结构设计时,通过虚拟像是技术可以直观地进行装配分析,避免可能出现的干涉和其他不合理问题,及虚拟装配。

(4)虚拟制造

虚拟现实技术为制造模拟带来了真正的虚拟制造环境,通过虚拟知道可以发现制造中潜在的问题,进而在产品实际生产前就采取预防措施,达到产品一次性制造成功的目标,从而降低成本,缩短产品开发奏起,增强产品的竞争力。

虚拟制造系统基本上不消耗资源和能源,也不生产实际的产品,而是运用计算机迷你现实中产品进行产品设计、开发与制造过程,它的运用将会对未来制造业的发展产生极大的推动作用。发表论文。

(5)虚拟评价和测试

在虚拟工业设计中不可忽略的一环是虚拟产品进行评价和测试。虚拟评价技术主要是在方针的基础上,对产品运行状态与性能进行虚拟条件下的评价,从中获得修改的依据,降低修改和生产的成本。

3.结束语

正如其它新兴科学技术一样,虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到,虽然这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论,目前虚拟现实技术所取得的成就,绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力,仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题,还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时,人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日,虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统,成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献:

[1]张立群. 计算机辅助工业设计[M]. 上海:上海人民出版社,2003

[2]鲁晓波,覃京燕等. 计算机辅助工业设计[M].北京:高等教育出版社,2007

第13篇

关键词:液压支架 虚拟样机 动力学建模

0引言

作为煤矿支护设备的液压支架,对保证工作人员的安全和煤炭生产工作的正常进行起着重要的作用,将虚拟样机技术应用于液压支架的性能分析中具有一定的理论价值和实际意义。

在研究液压支架运动性能时,支架动力学研究对象的建模分析与求解是一个关键问题。液压支架使用条件是复杂环境的相互作用,给液压支架系统力学研究带来了很大困难 ,由于理论方法和计算手段的限制,该领域发展缓慢。许多情况下把模型进行大量简化,以便使问题能够用古典力学的方法人工求解,这导致了液压支架许多重要特性无法得到精确的定量分析,计算机技术的迅速发展使在处理上述问题上产生了质的飞跃[3]。

1、虚拟样机技术

虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)是以先进CAD技术建立起来的主模型中心,将其扩展到产品全生命周期的不同阶段,建立与物理样机相一致的数字化仿真模型,并对该模型进行评估和测试,通过对不同参数模型的筛选,更改和优化,将设计思路转化为正确的数字原型,然后利用数字原型进行动力学等多种学科分析的一种技术。虚拟样机技术涉及到先进CAD建模技术、虚拟样机技术、计算机辅助工程和计算可视化等多个领域[5]。

2、分析步骤

对液压支架样机进行建模和分析步骤

1)构造虚拟液压支架样机模型,创建模型零件。通过零件库来创建各种简单的运动单元或者通过中性文件引入复杂的CAD形体;给模型施加约束和运动;给模型施加各种作用力。

2)测试模型定义测量,对模型进行初步仿真,通过仿真结果检验模型中各个零件,约束及力是否正确。

3)校验模型,导入实际实验测试数据,与虚拟仿真的结果进行比较。

4)模型细化,经过初步仿真确定了液压支架模型的基本运动后,可以在模型中加入更复杂的单元,如在运动副上加入摩擦,用线性方程或一般方程定义控制系统,加入柔性连接件等,使模型与真实系统更加近似。

3、液压支架模型构建

在用 ADAMS 建模之前,必须对实际的机床模型进行简化。这样不仅可以节省大量的建模时间,也可以保证 ADAMS 的仿真及分析过程能够顺利进行。同时由于 ADAMS 在进行运动学、动力学求算时,只考虑零件的质心和质量,而对零件的外部形状不予考虑,因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形,并没有多大的实际意义。当然,零件形体描述得越准确,ADAMS 自动求算的零件质量和质心位置也就越精确,但复杂零件的建模并不是 ADAMS 的特长,这样做的代价是将大量的时间花费在建模上,并会大大降低 ADAMS 仿真和分析的运行效率要想得到零件的准确质量和质心,可以通过其它擅长复杂零件建模的软件(如Pro/E)进行建模求算,再将所求结果直接代入 ADAMS 中。这是因为在Pro/E中的产品是完全可编辑的,且与工程图中的信息相关。同时分析软件采用ADAMS动力学分析软件,它为用户提供从产品概念设计,方案论证详细设计,到产品方案修改优化,试验规划甚至故障诊断各阶段。从而达到缩短产品开发周期,降低开发成本,提高产品质量及竞争力的目的[1]。

3.1 利用Pro/E软件进行虚拟建模

Pro/E(Pro/Engineer操作软件)是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation,简称PTC)的重要产品。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念,并且采用了单一数据库来解决相关性问题。Pro/E是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统,工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,可以随意勾画草图,轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

对液压支架整机的三维实体建模一般采用自下向上的方法,即先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型,然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装,最后形成一整的机器。很显然,对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之间的装配关系,是完成液压支架整体建模的关键[2]。

ZY5200/8/18D型液压支架主要由金属结构件、液压系统的防倒、调架装置三大部分组成。主要金属件有顶梁、掩护梁、底座、前、后连杆、推杆及侧护板等。液压控制系统除了立柱、各种千斤顶外,还包括各种液压控制元件和液压辅助元件。防倒、调架装置包括顶梁、掩护梁的左右侧护板及各自的侧推千斤顶、弹簧套筒等。支架各结构件之间及结构件与液压元件间均通过销轴、螺栓等连接,管路连接采用快速接头、U型卡,拆装维护方便。

在对液压支架某部件的结构形状进行正确分析的基础上,将复杂的部件分解为若干简单构件,并分析它们的位置及相互关系。在不影响实质问题的情况下,为了简化建模,均舍区了部件中的焊缝、螺纹、管线等细部结构,以提高系统的处理速度。根据构件的形状和尺寸,在Pro/E软件的零件模块中利用拉伸、旋转、扫描等特征创建方式建立各个构件,在建模过程中,一定要充分利用各构件之间的位置关系和连接关系,选择合适的草绘平面,参照平面及特征的生成方式,即通过合理的设定各构件间的父子关系,以尽量减少部件上的定位尺寸,方便特征的修改和重定义,提高设计效率。

3.2液压支架的整机虚拟装配

创建好液压支架的所有部件之后,可开始进行装配。装配是在Pro/E的组件模块中完成的。由于各部件之间的装配形式。如果装配件与被装配件之间没有相对运动,装配时应使用“放置”选项板定义彼此之间的约束关系;否则,在装配时应使用“连接”选项板来定义它们之间的连接关系和约束关系。在装配过程中,如果按照设定的约束关系并没有使被装配件处于“正常的工作位置”,可使用“拖动”选项板上的“平移”,“旋转”等工具对被装配件进行调整,直至符合要求为止[4]。

在Pro/E中,组件模块提供了“匹配”,“对齐”,“插入”和“坐标系”等多种约束类型和“刚性联接”“销连接”,“滑动联接”,“平面联接”,“球联接”等多种连接形式。在具体操作中,正确的选择并使用这些约束类型和连接形式,对能否成功的实现液压支架的虚拟装配至关重要。

进行三维实体建模之后,然后采用标准文件转换协议,在ADAMS中创建虚拟样机主模型,把每一个零件的IGES文件读入到虚拟环境中,进行装配,定义运动副和边界条件。以上工作完成之后,就可以根据研究工作的具体需要选取不同的分析参数和边界条件来研究液压支架的受力和运动学、动力学问题。

结论

本文主要介绍了虚拟样机技术的特点,分析步骤,并将其应用在液压支架的动力学建模上。由于Pro/E软件在三维建模上的优点,利用其建立液压支架的三维实体模型,借助Pro/E于ADAMS的接口模块,将其导入虚拟样机分析软件ADAMS中。

参考文献:

[1]袁定福编著. Pro/ENGINEER Wildfire 2.0[M].清华大学出版社,2005

[2]李占利,王天平.液压支架CAD现状 [J].煤矿机械.1994

[3]王国彪 饶明杰.液压支架优化设计与计算机模拟分析[M].机械工业出版社.1994

第14篇

[关键词]虚拟制造技术;船舶制造;应用策略

中图分类号:U671.99 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)15-0114-01

随着环境与资源之间的矛盾越来越深,虚拟制造技术应用计算机、信息以及仿真技术,在船舶的制造中进行仿真。通过对船舶的生命周期进行模拟,预测船舶性能。从而有效地提高船舶的质量,降低船舶制造的成本,显著地提高船舶制造的效率。在产品的设计和开发中,很难预测一些潜在的问题,只有等到船舶制造真正地投入到生产和使用中才会发现其存在的问题。但如此一来不仅造成了大量资源和材料的浪费,也大大地延长了船舶开发的周期。采用虚拟制造技术能有效地解决这些问题的发生。主要原因在于虚拟制造技术为船舶的制造提供了设计方案以及可制造性的环境,可以及早地发现船舶在设计中存在的问题,预测产品的性能和指标。

一、虚拟制造技术

虚拟制造是从船舶的设计、制造到报废整个生命周期中。虚拟制造能完成整个船舶的设计过程,从而实现船舶在加工、装配、拆卸以及回收处理整个过程的仿真的设计。虚拟制造技术能对船舶的功能、经济以及生命周期进行预测,评价资源利用率,可以为船舶的设计人员提供改进的依据。如此便能显著地提高船舶的设计质量,降低船舶设计中存在的问题和缺陷。提高船舶制造的规则以及加工生产的合理性,进一步优化船舶制造的质量。船舶在制造的过程中,通过仿真船舶的生产计划,可以时资源进行合理地优化配置。显著地缩短船舶制造的周期,降低船舶制造的生产成本。

(一)材料模拟仿真

虚拟制造技术在船舶材料的模拟仿真中,将材料制备工艺中微观过程学进行模拟,将船舶制造材料的成分、结构以及性能进行优化设计。

(二)虚拟加工

虚拟制造技术在船舶制造中可以对船舶制造的整个加工过程进行仿真模拟。仿真模拟包括对船舶中工件几何参数、轨迹等仿真过程,对加工过程中各项物理参数进行预测与分析,对船舶的运动、动力学进行仿真。这些仿真设计便能在船舶设计的阶段动态的呈现出来,并能预测船舶的性能。

(三)虚拟装配

在虚拟制造技术中,虚拟装配是将计算机仿真以及虚拟现实技术进行联合。从而在计算机上进行船舶的仿真装配,而虚拟装配的首先要在计算机辅助设计系统创建出虚拟的船舶模型,再利用虚拟的环境进行船舶性能的试验、仿真。其中虚拟装配主要是根据船舶设计的外形以及性能等真实地模拟出来,操作者可以采用交互方式来控制船舶装配的过程。然后根据此来评估船舶的可装配性,并在此基础上优化船舶的装配过程,显著地提高船舶一次试制的成功率。从而大大地降低产品生产的成本,节约产品制造的时间。

(四)虚拟包装

虚拟包装是将船舶的外形以及装饰设计的与真实船舶外观设计无异,采用虚拟包装,操作者能在虚拟的环境中对设计进行修改,对船舶的外观设计进行评价,使其更加地合理和美观。目前已经开发研制出虚拟包装图制作软件,能对产品的外观进行虚拟包装图制作。

二、影响虚拟制造技术在船舶制造中应用的因素

采用虚拟制造技术能在真实产品的制造前,预测产品的性能以及制造系统的状态,从而可以帮助操作者预先作出产品的决策以及优化方案。目前我国在虚拟船舶制造基础上,拥有一批掌握先进制造技术的人才。我国有能力在船舶制造上实施虚拟制造技术,影响虚拟制造技术在船舶制造中应用的因素为:

(一)在船舶制造中采用虚拟制造技术是一个不断认识和完善的过程,在采用虚拟制造的过程中,要在目前船舶制造企业现有条件的基础上,不断地发现问题和解决问题,从而使虚拟制造技术在实现其在船舶制造企业的内部逐步实施。

(二)采用虚拟制造技术要充分地调动人力资源的创造性,并最大限度地发挥工程技术人员的主观能动性。鉴于此,船舶公司的工程技术人员要不断地提高自身的专业素质和技能。对工程技术人员定期开展教育和培训,以提高工程技术人员对船舶制造企业的目标认识。提高工程技术人员在吸收、消化以及应用信息上的能力,提高其创造力。

(三)在船舶制造中采用虚拟制造技术,能将产品的竞争者、供应者以及用户之间的关系产生变化。在采用虚拟制造技术的船舶企业,企业之间的竞争优势取决于产品,也就是船舶在市场上投放的速度。并要不断地满足各个用户的需求。

(四)采用虚拟制造技术,要不断地去吸收和借鉴先进的船舶制造技术和工艺,并以此来提高船舶制造企业在市场上的竞争力。

(五)虚拟制造技术的应用,要不断地提供必要的物质和组织资源,并加强对工程技术人员创造性以及主观能动性的支持。

(六)拟船舶制造技术的实施是一个长期的过程,需要在企业实践过程中不断地改进,并实现船舶制造企业全面虚拟制造化。

结论

综上所述,由于虚拟制造技术在船舶制造中的应用,基本上不会去消耗资源和能量,船舶的设计、开发以及实现过程均在计算机上完成的。这样的方式极大地提高了船舶制造的生产率,显著地降低了船舶制造的成本,提高了船舶企业在市场上的竞争力。除此之外,能够有效地对船舶制造的成本、风险以及生产的进度进行预测,及时地对设计中不合理的因素进行修改。降低了时间成本,缩短了船舶开发周期。

参考文献

[1]陈进.虚拟制造技术及其在船舶制造中的应用研究[J].江苏科技信息,2013,26(11):60-60,74.

[2]李琦.VERICUT 软件在数控虚拟制造中的应用研究[J].工具技术,2011,45(1):56-58.

第15篇

关键词:虚拟制作技术;模具制造

一、虚拟制造技术概述

虚拟制造技术(virtual manufacturing technology,VMT)是以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计、生产过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样,可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程,以此来优化产品的设计质量和制造过程,优化生产管理和资源规划,以达到产品开发周期和成本的最小化,产品设计质量的最优化和生产效率最高化,从而形成企业的市场竞争优势。虚拟制造是融合了计算机仿真技术与虚拟现实技术、由多学科先进知识组成的综合系统技术, 是为了实现企业或产品的柔性, 快速地响应市场以及一次制造成功而提出的一种虚拟现实技术。它是 CAD/CAE/CAM/CAPP 和仿真技术的更高阶段, 能在计算机上实现产品从设计到制造到检验的全过程: 根据物体的虚拟模型, 在计算机上模拟 “实际”加工的全过程及产品的装配情况; 还可以及时修改设计, 避免在生产过程中可能出现的问题, 达到新产品一次开发成功, 以缩短开发周期、降低开发成本、提高生产效率的目的。

二、虚拟制造技术在模具工业中的应用

(一)虚拟产品和模具设计

无论是塑料模具还是金属冲压模具,其最终的目的是能够生产出符合要求的产品。企业可以根据市场要求进行产品设计。在保证产品用途要求的前提下,外观和产品的最终成本也要兼顾。产品设计是模具工业中的第一环节,也是影响后续工作的重要一环,产品设计是否合理直接影响经济效益。一般借助计算机进行的模具设计不能有效、合理地把产品设计、模具设计、模具制造等结合起来考虑,在实际制造过程中造成返工修改的次数多、装配性不好,在交付使用过程中则发现满足不了用户的要求,而且设计出来的模具生产灵活性差。虚拟制造技术的虚拟设计过程能够克服上述缺点,因为虚拟设计能充分利用现有的CAD软件,基于特征设计的设计平台,较好地体现面向制造设计、面向装配设计的设计思想。在虚拟设计的过程中,可以充分利用虚拟制造、虚拟装配技术等初步的设计方案进行虚拟装配,并及早发现设计上的问题。

(二)虚拟制造与模具加工

“质量好”、“精度高”、“价格低”、“交货期短”等是人们对模具制造的基本要求。但是许多模具体积庞大、结构复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求较高, 设计制造相当困难。在模具设计阶段无法预料制造过程中将出现的问题, 有可能造成制造困难或无法进行加工。采用虚拟制造的方式, 可以优化模具零件加工过程中的工艺参数, 及时解决加工过程中出现的问题。数控仿真加工是目前应用较广的加工方法, 在计算机上采用仿真软件根据 Pro/E 产生的零件图即可生成零件的加工程序代码。通过计算机构造出一个虚拟的加工环境,在虚拟加工过程中可以观察到刀具完整的运行路径, 完成常规加工的各种功能, 如铣流道、铣平面、钻孔等, 同时还可以发现加工过程中存在的问题, 并及时修正。仿真加工结束后, 将加工程序输入数控机床即可进行实物加工。

(三)虚拟制造与模具装配

在传统模具装配过程中, 需要反复修改和调试, 才能得到满意产品。在调模过程出现的缺陷, 如破裂、起皱、回弹、翘角等, 主要凭装配人员的经验, 通过反复试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决, 这样经常导致零件的报废或工期的延长。而虚拟制造技术可以大大缩短这一过程, 因为在虚拟现实环境下, 不需要建造实体模型, 工程师可以利用虚拟的“自然”环境、可视化优势进行设计, 避免出现干涉等问题, 这样可以避免反复修模,从而保证模具的精度和制造周期。在模具装配中,通过虚拟现实技术可以直观地进行设计,避免可能出现的干涉和其他不合理问题。产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。例如,生产线上各个环节的动作协调和配合是比较复杂的,采用仿真技术,可以直观地进行配置和设计,保证工作的协调。

(四)虚拟调试

模具的调试主要是指虚拟模具的动作过程,对不合理的地方及时反馈信息进行调整。试模是具出厂前必须经历的一个阶段。虚拟试模是虚拟制造模具生产的产品,对于虚拟生产出的产品是否满足顾客需求予以检验,以确定模具能否投入正常生产。例如对塑料注射模具,通过虚拟注射过程检验生产出的制件是否有缺陷,浇口、浇道是否设计合理,型腔能否正常填满。

从时间上讲,产品的开发有先后顺序的,比如设计、工艺、制造,只有在设计进行之后才能进行工艺设计;从数据上来说,工艺性分析在设计数据给出后才能进行。然而,关键的问题在于设计后何时以及数据生成多少时进行工艺分析、工艺设计。在模具工业中,产品设计开始生成某些数据后,就可以将数据传递给模具设计、模具制造、模具装配等,即下游的工作人员可根据产品设计传递来的数据对其进行模具设计、制造、装配方面的分析,并将分析的结果反馈给设计人员。但产品设计与其相关领域的局部数据的一致并不能说明全局数据信息的一致性。

三、结语

总而言之,对于模具工业企业而言,首先必须立足于企业的现有条件,根据虚拟制造的思想发现问题,挖掘潜力;其次必须在组织结构、技术、人才和管理等方面进行进一步的改革,为虚拟制造技术的应用奠定基础;再次,对于模具工业有关的科研单位而言,必须紧紧跟踪国外虚拟制造技术的发展动态,加大国内的研究力度。

参考文献: