虚拟装配在装配体反求工程中的应用
        讨论了装配体反求的主要内容,探讨了虚拟装配在反求工程中的应用,并结合车钩机构反求中虚拟装配的应用作了具体分析。

    在机械设计领域中,反求工程是在没有图纸或者图纸不完全的情况下,按照现有零件的实物模型(称为零件原形),利用各种数字化技术及CAD技术重新构造实物原型的过程。根据零件实物样品进行测量,按照反求工程(RE)要求由测蹙数据完成零件的三维CAD建模,在工程实践中具有广泛的用途,这也就是通常所说的基于实物的反求工程。装配体反求是指对机构的装配模型的反求。而虚拟装配(Virtual Assembly,VA)是指利用计算机工具,通过分析、预测产品模型,对产品进行数据描述和可视化,做出与装配有关的工程决策,而不需要实物产品模型作支持。在反求工程中应用虚拟装配对零件模型进行分析并修正,以实现产品功能。
1 装配体反求
    基于实物的反求分为单个零件的反求和装配体的反求。依据实物的反求实际上就是一个产品数字化的过程,与传统正向设计最大的区别在于:正向设计是由设计人员根据想要实现的机构功能依据设计原理经过一系列的设计活动后得到新产品;而反求设计是依据测量数据在三维设计软件中建模来逼近原型,其CAD建模以实物模型作为建模依据,造型所需的所有信息如轮廓形状、曲面划块、曲面类型、以及CAD建模所需的点、线、构图平面等都依赖设计人员去分析发现,并通过测量去获取,并且其装配关系也是不确定的,需要设计人员通过分析去确定并最后得到能实现其功能的产品。
    装配体反求不仅要依据装配体各零件的测量数据来反求出构成装配体的各零件的三维模型,还要反求出机构中各零件之间的装配关系以及装配体中运动零件的行程等,当零件有复杂内腔时还要反求出其未知型腔,这样才能求出完整的装配模型。
    在装配体反求中,首先要将装配体分解成零件组,在零件分解的基础上再对单个零件进行三维CAD建模并生成零件间的装配关系。零件分解不仅为装配体分析提供依据也对整个建模过程提供了重要的辅助决策。装配体的部分零件装配关系如销联接,平面对齐等可直接通过零件分解得到,但对于装配体内部零件的装配关系则难以直接获取,需要借助于虚拟装配来加以分析并确定。
    总的来说,装配体是由多个零件装配构成的,对它的反求不仅要考虑对单个零件的结构形状反求,而且要更多地考虑对零件之间的装配关系反求,基于装配的思想要贯穿于装配体反求设计的全过程。
2 反求工程中的虚拟装配
    一般正向设计主要采用自上向下的设计方法来实现机械产品的设计,也就是先由产品的功能设计出装配体,之后再设计装配中的各零件。而对于装配体的反求来说,虽然是已经有了装配体实物做基础,但各零件的装配关系并不能完全确定,故在反求设计时先要以各零件的测量数据为依据来进行模型重构,然后再通过虚拟装配来求出完整的装配体,因此采用的是自下向上的设计方法,即先在CAD软件的零件模块中构造各个零件的三维模型,然后在装配模块中建立零部件之间的链接关系,并是通过配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。
    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,是有效的分析反求产品设计合理性的一种手段。其功能有:
    (1)冲突检测,即指组成装配体的零部件进行集合上的干涉检查,这里的检查包含有零部件在装配体的静态空间位置的相交性,也包含零部件在构成装配体的装配过程中在空间上的集合干涉,并通过虚拟装配来进一步分析确定装配体零件之间的装配关系。
    (2)间隙检测,即指组成装配体的零部件进行间隙距离检查分析,包含零部件之间的装配间隙及零部件特征之间的间隙距离检测。
    (3)未知型腔求解,指对于测量难以得到形状特征的内腔等通过虚拟装配确定其形状。
    (4)装配关系分析及确定。指通过虚拟装配求解不完整的装配关系,并最终得到完整的装配模型。
    零件虚拟装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的,也就是在各元件之间建立的一定的链接关系,并对其进行约束,从而确定各零件在空间的具体位置关系。可以这样说,零件之间的装配约束关系就是实际环境中零件之间的设计关系在虚拟环境的映射。故如何定义零件之间的装配约束关系是零件虚拟装配的关键。
    虚拟装配是在虚拟环境中根据零部件的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位置和姿态关系,实时、交巨地进行约束识别、定位,使零部件在满足所有约束的基础上精确地到达最终的装配位置。具体在反求设计中表现为依据现已获取的约束关系对装配体各零件进行虚拟装配,通过干涉及间隙检测实时交互的进行模型修改、约束识别、约束关系分析及确定。
    反求工程中虚拟装配的最终目的是要得到完整的装配模型,此装配模型包含装配体中各零件信息模型和装配信息模型,并保证该机构能实现原装配体机构的实际工作功能。
3 应用实例
    现以一车钩机构的反求为例,介绍虚拟装配在车钩装配体反求中的具体应用。在本反求工程的应用中,以Pro/E软件作为建模平台,采用自底向上的模式对装配体进行反求设计,对每个零部件分别进行实体建模,然后进行虚拟装配。
    零件建模前,首先进行零件结构分析,按照特征的主次关系,选用合理的顺序进行建模。虽然不同的建模顺序可以构造同样的实体,但不同方法构造出来的实体却具有不同的稳定性和町修改性。通常零件越复杂,其稳定性与可修改性就越差,在技术可能的情况下,应尽量简化实体特征结构。在实体建模过程中,应尽量使用单个体素。
    Pro/E软件具有单一数据库的特性,在虚拟装配中,零部件的几何体是被装配利用,而不是复制到装配中。因此不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件,整个装配部件保持关联性,如果修改某个零件,则引用它的装配件自动更新,反映零部件的最新变化。
    车钩机构包括有钩体、钩舌、钩锁铁、推铁、下锁销、下锁销杠六个主要零件,其反求步骤如下:
    (1)应用Pro/E的Part模块,在Pro/E里导入各零件测最数据,并以此为依据对各零件进行模型重构;漠剖西构过程中应遵循零件在装配体中的约束关系,如两平行面之间的距离约束,相邻平面的位置约束;曲面重构时要考虑到零件装配轮廓的贴合、共线等要求。
    (2)应用Pro/E的Assembly模块,根据车钩三态各零件位置关系对车钩各零件模型进行装配。首先是在装配模块中确定合理的装配约束,将各零件按车钩闭锁、开锁、全开三个状态进行静态装配,即按照各零件的装配约束将各零件组装起来,由于钩体的内腔形状较复杂,难以直接由测量得到其完整的形状特征数据,但根据钩舌、钩锁铁、推铁、下锁销在三态下与钩体之问的相互位置父系,以及各零件的工作作用所决定的运动极限范围即可求解出内腔的形状,如图1所示。

内腔形状
图1 内腔形状


    (3)在以上三种状态下分别应用Pro/E的全局干涉分析各零件模型问的干涉情况,并应用间隙检测和距离、角度等测量分析各零件模型的准确性,对于以上枪查发现的问题,消除零件模型之间的干涉并对零件进行修改,使其符合装配体的功能要求。如下锁销和下锁销杆在闭锁状态下互相干涉,测量分析发现是下锁销杆的模型尺寸偏大造成,那么在此装配状态下测量出其干涉大小并依此进行模型修改,过程如图2、3所示。

有干涉状态
图2 有干涉状态           图3 干涉消除状态


    在确保各零件能正常工作且满足原设计功能要求的情况下,可对部分零件进行修改,优化设计模型,以便于各零件及整个装配体工程图的生成。
    (4)由于钩锁铁、下锁销及推铁都是在钩体内腔内活动,在非破坏性的零件分解时无法获知它们在内腔中的装配关系,但通过虚拟装配能清晰直观的得到在三态下它们的相互装配关系。
4 结语
    通过将虚拟装配应用于装配体反求工程中,能够求解出复杂零件的未知结构和内腔空间范围等,而且能通过实时交互调整各零件的位姿,以确定装配体零件间的装配关系及运动限制,可在制造前对装配体的功能和可装配性进行评价,从而达到缩短反求产品设计和制造周期,降低反求产品开发成本,并提供产品快速响应市场变化的能力。

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    收录时间:2015年09月07日 20:22:09 来源:e-works 作者:匿名
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