基于UG的机床夹具虚拟装配技术研究.pdf

第 8期 2 0 1 1 年 8月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 2 3 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 8 0 2 3 7 0 3 基于 U G的机床夹具虚拟装配技术研究 范孝 良梁宇红 华北电力大学 机械工程系， 保定 0 7 1 0 0 3 Re s e a r c h f o r v i r t u al a s s e mb l y t e c h n o l o g y o f ma c h i n e t o o I ’ S f i x t u r e b a s e d o n UG F AN Xi a o - l i a n g ， L I ANG Yu h o n g D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N o rt h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ， B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ， C h i n a t 、 ” 1 1 ’ 斤 H ＼ ． l ， “ 、 ． H 斤 妻一 H 量 ， “ “ 、 量 e ＼． ． 、 、 量 ’ 、 H H 、 ． ● 【 摘要】 虚拟制造作为 目 前制造业最具挑战性的领域， 发展速度惊人。 以立式钻床夹具为例， 在 U G软件基础上介绍了夹具设计及三维建模的方法， 并成功创建了夹具三维模型 ； 并采用自底向上的装 配方式完成夹具的装配 ； 分析 了夹具的装配顺序及路径规划； 探讨 了夹具装配干涉碰撞技术； 最后研 究 了虚拟仿真技术， 实现 了机床夹具的快速装配， 这样提 高了设计质量， 缩短 了开发周期， 提 高了企业对 新产品的 自主研发能力和竞争 ， 充分体现 了虚拟装配技术的优越性。 关键词 U G； 虚拟装配； 干涉 【 A b s t r a c t 】 V ir t u a l m a n u f a c t u r i n g a s t h e m o s t c h a l l e n g i n g fi e l d ， i s d e v e lo p in g in a n a m a z i n g s p e e d ． B y t a k i n g v e r t i c a l d r i l l i n g fi x t u r e傩 a n e x amp l e ． a m e t h o d f o r fix t u r e d e s i g n a n d 3 D mo d e l i n g i s i n t r o d u c e d i n t h is p a p e r b a s e d o n U G S o j w a r e ， and a 3 D m o d e l f o r t h e fi x t u r e i s b u i l t s u c c e s s f u l l y ． Me anw h i l e t h e fix t u r e i s a s s e mb l e d b y a d o p t i n g t h e b o t t o m u p ass e m b l y w a y ． T h e n t h e fi x t u r e ass e mb l y s e q u e n c e and t h e p a t h p l ann i n g i s a n al y z e d as w e l l a s t h e i n t e 咖r e n c e c o l l i s i o n t e c h n o l o g y f o r t h e ass e mb l i n g o f t h e fix t u r e i s d is c u s s e d ； F i n a l l y ， t h e v i r t u al s i m u l ati o n t e c h n o l o gy i s s t u d i e d ， t h r o u g h w h i c h t h e r a p i d ass e mb l y o f mach i n e t o o l is r e a l i z e d， w h i c h i m pr o v e s t h e d e s i gn q u ali t y ， s h o r t e n s t h e d e v e l o pme n t c y c l e a n d i m pr o v e s c a p a b i l i t y of e n t e r p r i s e i n r e s e a r c h i n g and d e v e l o p i n g n e w p r o d u c t i n d e p e n d e n t l y and t h e i r c o m p e t i v e n e s s ． e adv an t a g e s ofv i r t u al ass e mb l y t e c h n o l o gy i s a y e mb o d i e d ． Ke y wo r d s UG； Vi r t u a l a s s e mb l y ； I n t e r f e r e n c e 中图分类号 T H1 6 6 文献标识码 A 1引言 近几年， 虚拟现实技术发展迅速， 人们开始认识到虚拟现实 在各个领域的应用价值，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。而夹具作为工艺装备的重要组成之一， 其最大的结构特点就 是拼装性， 即它是由一些基本结构组装而成的， 而这些基本结构 都具有相对固定的形式， 是研究虚拟装配技术很好的模型。 U n i g r a p h i c s 是当今世界上密集集成的， 面向制造业的 C A I D ／ C AD ／ C A E ／ C A M高端主流软件， 利用该软件可以对夹具的各个零 部件进行三维实体建模， 虚拟装配和运动仿真， 绘制工程图。 以使 用在立式钻床上， 用来加工曲柄轴上的五个通孔和同轴线上沉孔 的夹具为例分析研究。 2虚拟装配 2 ． 1夹具设计 加工的曲柄板及装配好的夹具 ， 如图 1 所示。 工件以中间 女 来稿 日 期 2 0 1 0 1 0 2 4 孔、 端面和外圆在分度盘的外圆、 三个支承钉和活动 形块上定 位。插入开E l 垫圈， 拧螺母夹紧工件， 钻完第一个孔后， 抬起手柄 拔出定位销， 转动分度盘， 当下一个分度孔与定位销对准时， 对定 销在弹簧作用下， 插入分度孔， 即可钻第二个孔， 以此类推。 一 图 1兀件及夹具 2 ． 2建模方法 U G虚拟装配主要的建模方法有 几何建模 、 特征建模、 实体 建模和参数化建模。 本夹具要用到特征有拉伸、 回转、 扫掠、 求差、 求和、 阵列、 镜像、 倒角等。 U G建模具有如下特点 提供并行的自顶而下和自下而上的 产品开发方法； 装配模型中零件数据是对零件本身的链接映象， 2 3 8 范孝良等 基于 U G的机床夹具虚拟装配技术研究 第8 期 保证装配模型和零件设计完全双向相关， 并改进了软件操作性 能， 减少了存储空间的需求 ， 零件设计修改后装配模型中的零件 会自动更新 ， 同时可在装配环境下直接修改零件设计； 坐标系定 位； 逻辑对齐、 贴合 、 偏移等灵活的定位方式和约束关系； 在装配 中安放零件或子装配件， 并可定义不同零件或组件间的参数关 系； 参数化的装配建模提供描述组件间配合关系的附加功能， 也 可用于说明通用紧固件组和其它重复部件； 装配导航； 零件搜索； 零件装机数量统计 ； 调用 目录； 参考集 ； 装配部分着色显示； 标准 件库调用； 重量控制； 在装配层次中快速切换 ， 直接访问任何零件 或子装配件； 生成支持汉字的装配明细表， 当装配结构变化时装 配明细表可自动更新； 并行计算能力， 支持多 C P U硬件平台。 2 ． 3装配方式 在 U G系统中包含多组件装配和虚拟装配两种不同的装配 模式。多组件装配是将部件的所有数据复制到装配图中， 装配中 的部件与所引用的部件没有关联性； 虚拟装配模式是利用部件问 的相互链接关系来建立的。 虚拟装配所需空间少， 装配速度高， 所 装配的部件是由零件和子装配构成的部件， 子装配是在高一级装 配中被用作组件的装配， 包含 自己的组件。 在 U G中，系统提供自底向上装配， 自顶向下装配和混合装 配。 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； 自顶向下装配是在装配级中创建与其他部件相 关的部件模型， 是从装配部件的顶级向下产生子装配和零件， 配合 使用 U C g WA V E技术和部件间表达式 I n t e r p a r t E x p r e s s i o n s 技术； 混合装配是将前面两者结合。结合夹具结构特点， 在总体装配中我 们采用自底向上装配， 先创建子装配件如底座、 分度盘、 压板， 定位 板等， 再新建一总装配件， 添加建好的子装配件， 并通过合适的配对 约束条件将组件定位， 完成夹具的总装配， 夹具的装配结构树， 如图 2 所示 机床夹具总装配体 夹具子装配 1 l I 夹具子装配 2 l _ ”I 夹具子装配 n l 夹具元件1 1 l} 夹 具元件 1 2 l - ． ．1 夹具元件1 n I 图 2虚拟装配结构树 3装配工艺规划 3 ． 1装配顺序规划 装配顺序规划是基于装配建模的装配工艺顺序的自动生 成。 对一个复杂产品的装配， 其可行性装配方案很多， 但是除了满 足可行陛外， 还应考虑效率、 效益等各方面因素， 一般零件间的装 配应遵循可行性原则、 稳定性原则、 装配序列并行度原则、 零件重 定向次数最少原则、 聚合性原则， 以便节省时间、 提高效率。 装配顺序也可以采用“ 可拆即可装” 的原则来确定 ， 这样拆 卸比装配容易。 对于刚性夹具， 拆卸时夹具零件会保持原有形式， 拆卸过程是可逆的， 即能装就能拆， 能拆就能装。 当我们完成拆卸 的过程， 记录下拆卸顺序， 再逆序操作， 就是装配的顺序， 则可以 完成装配顺序规划。 例如， 如图2所示， 分读盘及曲柄部件 当我们拆卸时顺序 应该是 螺母一垫圈一曲柄轴。 因此， 装配顺序应该为 曲柄轴垫圈螺母。 3 _ 2装配路径规划 装配路径与装配顺序类似， 是装配顺序规划的副产品。它在 装配模型和装配序列规划的基础上， 充分利用装配信息 包括一定 的装配环境和装配部件的空间姿态等进行路径分析、求解和判 断，并生成一条无碰撞的从装配起点到装配终点的装配路径无 碰撞干涉的路径规划， 从而达到优化 十的设计效果。 装配路径规 划的内容主要包括装配体及其相关的数据结构模型的前置处理、 分离方向的确定、 分离平移量的确定 、 拆分方向的确定和干涉检 查， 在确定装配路径时， 要根据已装配好的夹具部件与要装配的夹 具路径的特点来考虑其可行陛， 并要确保不干涉碰撞。 只有未发生 干涉的装配才是有效的， 系统会自动记录零件移动路径。 图 3装配顺序演示 3 ． 3装配干涉碰撞检查 装配体的干涉检查零件装配好以后， 要进行干涉检查， 以便 确定零件和两件之间是否存在实体边界冲突 即干涉 ， 冲突发生 在哪里， 为消除干涉做好准备。 干涉检验可分为静态干涉和动态干涉检验。静态干涉检验 是指物体在空间中静止即场景中零件在整个时间轴上是不发生 变化的， 检测零件间的干涉情况。 可利用 U G软件自带的分析功能进行简单分析， 也可对装 配件的部分或全部组件间隙分析， 此模式可采用交互式或批处理 模式进行装配分析， 具体方法有如下 3 种 方法 A s s e m b l i e s 一 一C o mp o n e n t s 一 一 C h e c k C l e a r a n c e s 方法 A n a l y s i s 一 一 S i m p l e I n t e r f e r e n c e 方法三 A n a l y s i s ⋯ 一 A s s e m b l y C l e a r a n c e 静态干涉分析得到 B O M表零件明细表 ， 如图 4所示。从表 中可知有硬干涉和接触干涉两种干涉类型， 分析可知这两种干涉 属于正常干涉 ， 故此夹具静态检测无错误。 图 4干涉明细表 动态干涉分析是在装配体的零部件在拆装运动的过程中， 检查其运动包络体是否存在零部件的运动干涉。 在动态干涉问题 的检测中， 对于简单对象或者依靠驱动进行运动的结构， 可以使 No ． 8 A u g ． 2 0 1 1 机 械 设计 与制 造 2 3 9 用 U G工作环境中的运动分析 M0 ，r 1 0 N 模块进行分析， 主要步 骤如下 添加连杆 ， 创建运动副， 添加运动驱动和标记点 描述运 动轨迹 ， 输入相应的行程； 另外也可利用开发程序进行分析。此 外， A D A M S软件具有强大的动力性分析功能， 而 U G与 A D A M S 具有一定的连接性， 所以将在 U G中建好的三维夹具模型导入到 该软件中对其进行动力学仿真分析能保证机构设计的正确性。 4装配仿真 虚拟装配的研究中， 装配工艺规划更关心的是装拆运动的 可行性， 因此， 规划过程的装坼 运动仿真可以考虑根据运动规律 的变化用较简单的动画方式实现， 而其演示可利用 U G的动画播 放功能来完成。 装配元件的运动时一个连续的过程， 可处理为一系列离散 的运动状态， 形成视觉上的连续效果。故装配元件位姿变化的顺 序为“ 连续一离散连续” ， 如图 5 所示， 元件的装配运动轨迹有 3 个运动段组成 Hp Hp l ， Hp I Hp 2 ， Hp 2 _ Hp 3 。 图5装配元件运动的连续与离散 4 ． 1装配空间中零部件的位姿描述和变换 在装配实体模型的三维空间O X Y Z中， 装配元件的位姿是通 过一个位姿矩阵[ P ] m e m b t o a s m b 来决定的， 装配元件从一个位 姿关键点到另一个关键点， 实际上等价于原来的位姿[ P ] 发生一个 矩阵变换[ T ] 达到新的位姿[ P ] ， 故矩阵[ T ] mo v e 的计算是关键。 4 - 2装硅 斥 运动的 1 1元组表示法 三维装配空间中， 装配元件的运动不是无规律可循的， 在一 定时间段内， 元件或者平移， 或者旋转， 或者既有平移又有旋转 如螺钉的拧进与旋出 ， 三者必占一个。所以， 元件的装拆运动 Mo v e能看作具有确定规律的运动段 Mi 的总和。 Mo v e ∑ ， ／ 1 ， 2， ⋯ m 如图6所示， 可直观的表达这种计算， a b c a , b 、 C 分别对 应下面的三幅图 a 复合装诉运动 b 平动 可选 c 转动 可选 图6装配元件运动的分解与变换 由此可见复合运动I T ] m o v e 可看作是单纯的平动[ T ] t r a n和 [ T ] mt 两种变换的合成。 5结论 虚拟制造是制造业发展的主要方向之一， 虚拟装配作为虚 拟制造的主要组成部分 ， 近年来受到了学术界和工业界的广泛关 注。 虚拟装配技术主要包括虚拟建模方法、 装配顺序规划、 装配干 涉检测和运动仿真技术。 机床夹具作为机械加工工艺系统的一个重要组成部分 ， 以 立式钻床上加工曲柄轴的夹具为例， 运用 U G软件研究了虚拟装 配的关键技术， 介绍了在 U G中装配干涉检测的方法， 实现了夹 具的快速装配， 提高了设计质量， 缩短了开发周期， 提高了企业对 新产品的自主研发能力 ，提升了企业产品在市场中的竞争力， 结 果证明利用新型技术能为企业带来良好的经济效益。 参考文献 [ 1 ] 孟宪栋， 刘彤安．机床夹具图册[ M] ．北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 5 ． [ 2 ] 肖田 元． 虚拟制造[ M] ．北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 8 ． 【 3 ] 马登武， 叶文， 李瑛． 基于包围盒的碰撞检测算法综述[ J j ．系统仿真学 报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 4 1 0 5 8 1 0 6 1 ． [ 4 ] 刘检华， 姚瑁， 宁汝新． 基于虚拟装配的碰撞检测算法研究与实现[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 4 ， 1 6 8 1 7 7 5 1 7 7 ． 1 5 J J a v a r a m s ， e t a1 ． V A D E A v i r t u a l a s s e m b l y d e s i g n e n v i r o n m e n t [ J ] ． I E E E C o mp u t e r G r a p h i c s a n d A p p l i c a t i o n ， 1 9 9 9 ， 1 9 6 4 4 5 0 ． [ 6 ] 李广宇， 王收军， 苏越．基于 U G和 A D A M S 平台下汽车焊装夹具干涉 的分析与解决[ J ] ．机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 1 5 0 2 5 0 ． [ 7 ] J A Y A R A M s ， C o n n a c h e r H ， L Y O N S K V i r t u al a s s e m b l y u s i n g v i r t u a l r e a l i t y t e c h n i q u e s [ J ] ． C o m p u t e r - A i d e d D e s i g n ， 1 9 9 7 ， 2 9 8 5 7 5 - 5 8 4 ． [ 8 ] R a p i d C A E A n al y s i s f r o mP a r a m e t r i c S o l i d M o d e l A s s e m b l i e s o f I n s t r m n e n t P a n e l S t r u c t u r e s [ z ] ．S A E 9 8 0 8 3 3 ， 2 0 0 2 ．