機(jī)械裝調(diào)工藝中虛擬裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用

1、機(jī)械裝調(diào)工藝中虛擬裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用-機(jī)械制造論文 機(jī)械裝調(diào)工藝中虛擬裝配技術(shù)的研究和應(yīng)用 撰文/凱邁（洛陽）測(cè)控有限公司 張志超 劉興明 顧永斌 李永飛 一、引言 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，適時(shí)地滿足了人類社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展快速多樣化的需 要，在它被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)制造領(lǐng)域后， 徹底改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式， 從設(shè) 計(jì)到裝配成成品的產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期過程都可以在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中模擬 仿真。在研究和應(yīng)用的過程中產(chǎn)生各種各樣與計(jì)算機(jī)輔助相關(guān)的概念方法，如： 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔 助制造和計(jì)算機(jī) 輔助工程等，即人 們熟知的 “ CAD/CAM/CAE ”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為計(jì)算機(jī)輔助方法的發(fā)展提供了更

2、 為便利和實(shí)用的條件。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分支之一一一產(chǎn)品虛擬裝配是目前研究的熱點(diǎn)（虛擬 裝配是在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品三維模型、成件模型 等進(jìn)行預(yù)裝配，在滿足產(chǎn)品性能和功能的條件下，通過分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃和仿真 等改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可裝性和經(jīng)濟(jì)性），是實(shí)際裝配過 程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與裝配技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，為徹底解 決傳統(tǒng)裝配中存在的弊端帶來了希望。尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多且加工 精度高的產(chǎn)品。各類光電偵查設(shè)備，在其加工、制造尤其是裝配過程中，往往需 要經(jīng)過多次的試裝、拆卸和返工，造成了大量的人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)，并延 長了研制周

3、期，虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了一條有效途徑。傳統(tǒng) 產(chǎn)品開發(fā)過程如圖1所示 本文主要闡述將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械裝調(diào)工藝中，使得裝配工藝更 為直觀全面，以裝配過程三維爆炸視圖顯示，甚至動(dòng)畫的形式直觀地表達(dá)裝配過 程，便于操作工人對(duì)于裝配工藝的理解。 本文以光電偵查設(shè)備為研究對(duì)象， 基于 SolidWorks 、NX三維軟件，以虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和爆炸視圖等為手段，通 過對(duì)光電產(chǎn)品典型組件裝配過程三維爆炸視圖以及動(dòng)畫的再編輯，從而實(shí)現(xiàn)裝配 工藝三維可視化，通過三維爆炸視圖在裝配工藝規(guī)程的應(yīng)用，以及產(chǎn)品裝配前對(duì) 操作者的多媒體動(dòng)畫培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝調(diào)工藝的改進(jìn)、發(fā)展。并行設(shè)計(jì)工作模式 如圖

4、2所示。 1； rr. .lii 1 - tq 1. 傳統(tǒng)機(jī)械裝配工藝規(guī)程概況 機(jī)械裝調(diào)是機(jī)械制造中的后期工作，是形成產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)械裝調(diào) 是依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)定和精度要求等，將構(gòu)成產(chǎn)品的零件、成件等結(jié)合成組件、部 件，直至產(chǎn)品的過程，機(jī)械裝配工藝是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造精度、生產(chǎn)批量、生 產(chǎn)條件和經(jīng)濟(jì)情況等因素，將這一過程具體化。機(jī)械裝配工藝必須保證生產(chǎn)質(zhì)量 穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理。機(jī)械制造工藝是機(jī)械制造的重要組成部分。 我們一直沿用的機(jī)械裝調(diào)工藝方案的選擇主要依據(jù): 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)、零件大小、制造精度和生產(chǎn)批量等因素，我們依此來選 擇裝配工藝的方法、裝配的組織形式，裝配過程主要為鉗工通過手工的

5、測(cè)量、刮 削等來完成的，這樣能做到在裝配過程中及時(shí)對(duì)零部件進(jìn)行修配以保證裝配任務(wù) 的完成，但是也存在不足。 （1）須等零件全部加工完成后才可進(jìn)行裝配，而且一些必要隱含的裝 配尺寸問題很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，問題難定位，需要重復(fù)拆裝。 （2）能體現(xiàn)并行設(shè)計(jì)的思想。 （3 ）一般要反復(fù)修改，進(jìn)行多次試裝配，周期長，成本高，不能適應(yīng) 當(dāng)前敏捷制造的需要。 2. 虛擬裝配技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn) （1 ）實(shí)物產(chǎn)品的數(shù)字化再現(xiàn)，即生成產(chǎn)品數(shù)字模型。 （2 ）沖突檢測(cè)，是指組成產(chǎn)品、各個(gè)級(jí)別的裝配體的零部件進(jìn)行集合 上的干涉檢查，這里的檢查包含有零部件在裝配體中的靜態(tài)空間位置的相交性， 也包含零部件在構(gòu)成產(chǎn)品的裝配過程中在空間

6、上的集合干涉。 （3）生成裝配序列和路徑，在產(chǎn)品建模和排除“沖突”的過程中，生 成優(yōu)化的裝配序列和路徑，減少實(shí)際生產(chǎn)中的裝配時(shí)間。 利用虛擬裝配技術(shù)可以進(jìn)行虛擬零部件設(shè)計(jì)和虛擬裝配設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相 應(yīng)的裝配檢驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品的零部件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果， 修改設(shè)計(jì)，從而在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中完成了產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程，大大縮短了新 產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程，降低了開發(fā)設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本。 3. “虛擬裝配技術(shù)”在工藝技術(shù)中應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 公司自2009年以來，在編制機(jī)械加工、裝配工藝規(guī)程中逐步地應(yīng)用 SolidWorks、NX 和Pro/ENGINEER 等三維軟件進(jìn)行輔助工藝設(shè)計(jì)，例如按

7、 照加工步驟進(jìn)行零件三維模型的建立； 成件、電子元器件三維模型的收集以及實(shí) 測(cè)實(shí)建；組件模型的建立，干涉檢驗(yàn)；組件三維爆炸視圖動(dòng)畫顯示，優(yōu)化整合最 合理的裝配路線；結(jié)合現(xiàn)今 CAPP信息化系統(tǒng)以及工藝文件需要的三維爆炸視 圖的CAD二維轉(zhuǎn)化，零件過程模型的應(yīng)用等。 經(jīng)過近幾年來的不斷嘗試和積累，以及CAPP信息化技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合 實(shí)際工作需要，公司正在進(jìn)行現(xiàn)有 CAPP信息化系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，向著三維 CAPP信息化系統(tǒng)發(fā)展。 二、產(chǎn)品虛擬裝配技術(shù)在裝調(diào)工藝中應(yīng)用的必要性 1. 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工藝規(guī)程的需求 在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，操作者根據(jù)裝配工藝的要求進(jìn)行操作，他們對(duì)工藝文件的 理解以及工藝內(nèi)容的掌握程度

8、將直接影響裝配質(zhì)量和裝配效率。目前，裝配工藝 一般是以文字?jǐn)⑹鰹橹?，以說明圖（設(shè)計(jì)二維圖樣）為輔的工藝表述形式，有些 復(fù)雜的裝配圖示不直觀，容易造成操作者理解上的偏差，且理解和掌握起來需要 花費(fèi)較多的時(shí)間和精力。而利用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬裝配技術(shù)， 將裝配工藝以的三 維爆炸視圖展現(xiàn)出來，并在爆炸圖上進(jìn)行文字說明（如圖3某型號(hào)升降機(jī)構(gòu)運(yùn) 動(dòng)部件裝配圖所示），使得工藝文件能夠以一種直觀、細(xì)致的方式對(duì)裝配工藝進(jìn) 行描述，從而達(dá)到提高效率的目的以滿足快節(jié)奏的生產(chǎn)需要。 IS： 3礎(chǔ)蘋片穴機(jī)杠心豊H迪飢圍 2. 工藝人員完成高質(zhì)量裝配工藝的需要 進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬裝配，已經(jīng)成為了工藝技術(shù)人員全面解讀設(shè)計(jì)意圖，梳

9、 理裝配路線，選擇高效可行的工藝方法的需求，并且能夠很好的進(jìn)行工藝路線、 工藝方法的可行性驗(yàn)證。 隨著光電產(chǎn)品型號(hào)的不斷增多，產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)周期的壓縮，單純的二維 設(shè)計(jì)圖樣已經(jīng)不能滿足工藝工作的需要，由于產(chǎn)品研發(fā)段模型與最終設(shè)計(jì)圖樣的 偏差，這就需要：工藝人員認(rèn)真審核圖樣、模型，確認(rèn)最終的零件模型；對(duì)部分 成件重新建模；對(duì)電路板的主要特征進(jìn)行建模，對(duì)根據(jù)零部件、成件等的約束關(guān) 系、裝配層次和零部件在虛擬空間的位置和姿態(tài)關(guān)系來對(duì)各零件進(jìn)行裝配并生成 裝配模型。 如圖4所示，為某型號(hào)消旋電機(jī)組件主軸裝調(diào)的三維爆炸圖所示，依據(jù) 虛擬裝配，可以檢查干涉情況，明晰組件軸承系啟動(dòng)力矩本質(zhì)為， 增減推力軸承

10、內(nèi)外調(diào)圈得出公式：L=L1+L2 ，有助于裝調(diào)方法的確定，以及明、細(xì)化工藝規(guī) 程，便于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。 3. 科研產(chǎn)品“并行設(shè)計(jì)模式”的實(shí)現(xiàn) 虛擬裝配技術(shù)對(duì)于科研產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品性能完善，減少開發(fā)過程產(chǎn) 品反復(fù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。 結(jié)合本公司現(xiàn)行生產(chǎn)模式，生產(chǎn)部門單 純依據(jù)設(shè)計(jì)CAD二維圖樣進(jìn)行加工、裝配，很難全面把握產(chǎn)品，工藝人員進(jìn)行 重新建模，核對(duì)、確認(rèn)（過程中與設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)）零件最終技術(shù)狀態(tài)；但是單純依據(jù) 設(shè)計(jì)裝配圖樣，很難核對(duì)組件裝配是否干涉，以及組件是否滿足設(shè)計(jì)功能要求。 拿近期一個(gè)生產(chǎn)實(shí)例來說明，圖5為某型號(hào)俯仰組件外俯仰部分的裝配 圖局部，以及相應(yīng)的旋變壓圈、右側(cè)旋變座的零件圖

11、樣局部視圖， 外俯仰旋變內(nèi) 圈的出線需通過縫隙B、右軸過線孔、縫隙A，此例主要來分析旋變內(nèi)圈導(dǎo)線是 否存在裝配隱患。 單純依據(jù)裝配圖，旋變內(nèi)圈出線貌似不受影響，而實(shí)際情況如圖6所示 （圖6為依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行零件建模，依據(jù)旋變實(shí)物進(jìn)行測(cè)繪建模，按照裝配 關(guān)系進(jìn)行約束組裝），B縫隙僅有0.2mm，A縫隙僅有0.8mm，而且A、B兩 處均有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，存在旋變線磨損切斷的隱患，由于實(shí)際裝配過程，該處較為隱 蔽，不容易發(fā)現(xiàn)，交付用戶后使用一段時(shí)間問題才會(huì)暴漏出來。 在進(jìn)行模型虛擬裝配過程中，工藝人員于此進(jìn)行反饋，并提出更改建議： (1) 更改旋變壓圈尺寸 35為41 (拓寬縫隙B) ; (2)更改右側(cè)旋

12、變座尺 寸0.3為2.9(拓寬縫隙A,且滿足設(shè)計(jì)需要：軸承不脫出)，增加內(nèi)孔圓角R1.5 , 減少磨損導(dǎo)線的隱患。 通過對(duì)模型裝配的分析，預(yù)見性的消除生產(chǎn)過程中的隱蔽問題，很好的 做到了設(shè)計(jì)反饋、生產(chǎn)反饋的流暢執(zhí)行，有效地輔助于設(shè)計(jì)優(yōu)化、產(chǎn)品性能完善, 可見虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用的必需性。 圏e殺計(jì)甌圖ttftEUS 三、虛擬裝配技術(shù)在機(jī)械裝調(diào)工藝中的實(shí)際應(yīng)用 在此我們結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，以及近年來工程技術(shù)室虛擬裝配在機(jī)械裝調(diào)工 藝中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積淀，來說明虛擬裝配技術(shù)在機(jī)械裝調(diào)工藝中的實(shí)際應(yīng)用的幾個(gè) 要點(diǎn)，以及應(yīng)用方法。 1. 裝配建模 本文的裝配建模是應(yīng)用SolidWorks 2008完成的，工藝規(guī)程由

13、艾克斯 特CAPP信息化完成，裝配模型的建立是以零件幾何模型的建立為基礎(chǔ)的，成 件、元器件等依據(jù)資料以及實(shí)物進(jìn)行測(cè)量繪制。虛擬裝配建模就是在虛擬環(huán)境中 根據(jù)零部件的約束關(guān)系、裝配層次和零部件在虛擬空間的位置和姿態(tài)關(guān)系來對(duì)各 零件進(jìn)行裝配并生成裝配模型。 零件模型的建立，主要依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，零件建模的正確性關(guān)系到零件加 工工藝的編制，以及后續(xù)虛擬裝配的正確性；成件模型的建立，模型建立依據(jù)一 方面來自資料的查詢，另外就是依據(jù)實(shí)物，進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)繪，對(duì)于復(fù)雜的成件表述 出成件與裝配相關(guān)的關(guān)鍵特征；電路板模型的建立，依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，以及裝配位 置，繪制接插件位置，以及可能裝配干涉的器件，力求盡量詳盡表述。 f

14、 TKStiEJl 訊數(shù)恙 * 5莫處虧俯Q電機(jī)塑件観璽窗 例如某型號(hào)俯仰電機(jī)組件，首先依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣建立零件模型：“左側(cè)端 蓋、俯仰電機(jī)法蘭、左軸、左軸承外壓圈、俯仰內(nèi)調(diào)圈、俯仰外調(diào)圈、左軸承內(nèi) 壓圈”；因軟件中自帶標(biāo)準(zhǔn)件庫，貝U GB/T68 M3 X 8GB/T68 螺釘M3X 10、 QJ2963.2 彈簧墊圈 2.5、GB/T97.1 墊圈 2.5、GB/T65 螺釘 M2.5 X 8GB/T276 軸承61805按參數(shù)要求生成，而成件J128LYX001力矩電機(jī)依據(jù)實(shí)物測(cè)繪。圖 8所示為該組件模型。 2. 組件虛擬裝配，組件配套檢查以及干涉性、功能性檢查 依據(jù)裝配圖，按照約束關(guān)系，將

15、該組件的零件、成件、標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行組裝。 在轉(zhuǎn)配體中插入首個(gè)零件時(shí)，首先判斷后續(xù)大致視圖方向，通過基準(zhǔn)面約束調(diào)整 首個(gè)零件位置，然后參照裝配圖明細(xì)表（如圖9所示），逐個(gè)進(jìn)行約束定位裝配 a茁1 1! 1 煩世 .) 4 0 W 1 *! f 1 1r wm； _ 】 J 匸 UUlBHe ! 叭也附 .:柿, !s . 拙麗 1 1* t tlJUilim ,i (dnii c-_i 百 : In 4. m 尉啡；JA1J： Td； F Cl* 1 tie”眾L_ 飛；丁1：口.訶2 4 d*. JA1J. 74 W- KUO：忙 wii v-j ： Vi 1 2A12; W;詰；GB/mtl-t

16、W - V i Vi 擔(dān) 側(cè)再；勺駐：Y:們：d.TFZ 芒XU 士丄前 Mft； H*2; Yt OJ01-OUD耳 GB/TStte 1 覆理；AlJ,晉啟.Fiw -I -N4 曲飾弘ME 老+? 1-llv * wq i v = B-L J 4 U 國亡忙屯丁 -. I ?LYX12Vi fl 3巧片*誕羞艮 怙呻 vvv:JVl s 5A ? -i. 3 tfe予-氏圧H丄 GUFTTMZMl tM M WTrVi J-Vi Ma u. m. a , ” ft H 土*i%.4.噸爾“ 擊尤黏玉內(nèi)圧H崗 OB.T65-JM 4+t y：. : 罟m* -i i甘j 11毛忸卄戒葡 l

17、 曲充*1網(wǎng) f屏叱糾 irW*Vq llTi 4& -L-L , J_a4 2 戰(zhàn)訂*取器咕方克門N知 HG/T15-19S7 Mjl * 4?. HIT SH4-m-：w2 4JJ1 wsrw w-v i i vj *aaN. * v B.r l倔 Q二呦吋- 射審tilA gf-vt ：存 AB M PBUT 1 . 3. 組件爆炸視圖在工藝中應(yīng)用 （1）生成組件爆炸視圖。 生成組件爆炸視圖，是在充分分析組件組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)裝配逆順序 生成組件的爆炸視圖。生成爆炸視圖的過程其實(shí)就是組件裝配路線規(guī)劃的過程。 在進(jìn)行“俯仰電機(jī)組件”裝配路線規(guī)劃的過程中，首先考慮為如和避免 電機(jī)碳刷的損傷，

18、如何保證軸承啟動(dòng)力矩與調(diào)試時(shí)的盡量一致，如何高效裝配， 再次基礎(chǔ)上我們確定裝配工藝路線為：“裝配準(zhǔn)備（清洗）一成對(duì)軸承游隙調(diào)整 （啟動(dòng)矩調(diào)整）壓裝電機(jī)定子（不安裝碳刷）電機(jī)轉(zhuǎn)子組合裝配（包含電機(jī) 轉(zhuǎn)子、成對(duì)軸承、左軸承外壓圈）一電機(jī)組裝（并在轉(zhuǎn)子定子之間均勻的墊上青 稞紙）f左側(cè)端蓋安裝f碳刷安裝f電機(jī)跑和”0 斗片佑“g iitw- 歹亞H * A ft ” E耳. P HUi .r4H. Z u Q|i 圏IQ生、璋於*圖的斗T flffi .g jtWW TMMMMM. 心2*任 f-1a “ ，茶.”*薛書氣*汕:耶*西中壞腳“.*也 律旳爭(zhēng) *A J 星.J 蚩11族址畫心 圖17

19、h疵保存 F 生成的爆炸視圖如圖8所示，調(diào)整各組成之間的爆炸間隙，使得視圖中 各組成可見，并能明確裝配關(guān)系 （2）三維爆炸視圖的二維 CAD轉(zhuǎn)換。 我們?cè)趹?yīng)用CAPP信息化系統(tǒng)編制工藝文件時(shí)，為了工藝附圖的可編 輯，以及便于標(biāo)記圖示說明，需要將三維爆炸視圖進(jìn)行二維CAD文件轉(zhuǎn)換。操 作步驟為，首先利用SolidWorks 2008 中“從裝配體到工程圖”的命令，生成 該裝配體的平面視圖，如圖10所示，選擇“模型視圖”，選擇裝配圖，然后選 擇“當(dāng)前模型視圖”，就可以生成模型當(dāng)前爆炸視圖的平面圖， 當(dāng)然我們還可以 生成一些剖視圖，就更為明確的表述了組件的裝配狀態(tài)，然后將文件另存為 DWG文件，就完

20、成了三維爆炸視圖的二維 CAD轉(zhuǎn)換。 （3）二維爆炸視圖用于CAPP工藝文件。 將二維爆炸視圖應(yīng)用于CAPP工藝文件中，是指編制的機(jī)械裝調(diào)工藝文 件，利用二維爆炸視圖作為工藝附圖，使得工藝文件能夠以一種直觀、細(xì)致的方 式對(duì)裝配工藝進(jìn)行描述。 利用CAPP自身的“新建DWG工藝附圖”功能，在 CAD中粘貼爆 炸視圖，調(diào)整視圖繪制比例，使得圖形居中，然后補(bǔ)齊中心線等參照線，然后應(yīng) 用CAD引線功能進(jìn)行爆炸視圖的標(biāo)注說明，完成工藝附圖編輯。 4. 組件裝配動(dòng)畫的生成與培訓(xùn) 隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度和工藝要求的不斷提升，進(jìn)行裝配前操作者針對(duì)性的 工藝培訓(xùn)顯得越來越重要，在培訓(xùn)中，明確組件裝配的注意點(diǎn)，以及便捷高效的 裝配方法，使得操作者更為方便的掌握要點(diǎn)，高效地完成產(chǎn)品裝配。如果將虛擬 裝配過程動(dòng)畫作為培訓(xùn)教材，那