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虚拟装配技术在全自动扫地机制作中的应用
2014-09-13 来源:
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摘要

    利用虚拟环境作为人机界面来协助用户完成产品设计是一个新的研究方向。本文分析了虚拟装配技术的基本思想,讨论了虚拟装配技术的关键内容,并应用于全自动扫地机的设计研发中。

1 引言

    目前国内使用的全自动扫地机是以进口的小型全自动扫地机为主,其主要使用场所为环境卫生要求高的政府机关,重要的机场、车站场地。据有关专家预测,未来5~10年我国小型全自动扫地机市场空间很大,发展前景看好。为此我们借助于虚拟装配技术设计了一种小型全自动扫地机,该车适用于步行街道、小区、广场及重要场所的清扫保洁。

2 虚拟装配基本思想

    为了缩短产品的开发周期,实现并行产品设计以及与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计,我们在全自动扫地机的设计研发中引入虚拟装配技术。虚拟装配(VirtualAssembly)是产品数字化定义中的一个重要环节,在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究,是实际装配过程在计算机上的本质体现,即在计算机上完成产品零部件的装配建模,进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程,并通过统一的产品数据管理(productdatamanagement,PDM)。实现产品三维研发过程与零部件制造、装配过程的高度统一。它和CAD技术相结合,可以解决设计与装配对象在研发过程中难以实现的动态性能。

    在产品研发中,按照与实际装配各个阶段的关系,可将虚拟装配技术分成以下三类。

    2.1 以设计为中心的虚拟装配

    以设计为中心的虚拟装配(design-centeredvirtualassembly)是指将产品的三维数字化定义应用于产品研发过程中,结合产品研发的具体情况,突出以设计为核心的应用思想。

    2.1.1 面向装配设计(designforassembly,DFA)

    在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合,从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想,使设计的产品具有良好的结构,能高效地进行实际装配,能在产品研发的初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。

    2.1.2 自顶向下(Top-Down)的并行产品设计(concurrentproductdesign,CPD)

    分布在不同地点、不同部门的多个产品开发组(integratedproductteam,IPT)以产品为核心的设计思想,从不同角度、不同需求出发进行协同地并行设计,从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响,把一切可能产生的错误和矛盾尽可能地及早发现,通过自顶向下的并行产品设计分层次地建立统一的产品动态虚拟样机。

    2.1.3 与主模型(mastermodel)相关的可制造性设计和可装配性设计

    产品研发不同阶段的主模型提供了一个面向设计群体的虚拟装配设计环境,使得每个设计产品能有效地控制在可装配的范围之内,以不同阶段的主模型为核心,可以保证产品研发不同阶段装配模型数据结构的完整性和一致性,保证参与产品研发的各个部门可以协同工作,实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成,有效地提高产品可制造性和可装配性。

    2.2 以过程控制为中心的虚拟装配

    以过程控制为中心的虚拟装配(process-centeredvirtualassembly)主要包含实现对产品总体设计进程的控制和过程控制管理二方面的内容。

    2.3 以仿真为中心的虚拟装配

    以仿真为中心的虚拟装配(simulate-centeredvirtualassembly)是在产品装配模型中融入仿真技术,并以此来评估和优化装配过程。其主要是用来评价产品可装配性。

3 实施方法与应用途径

    在全自动扫地机研发过程中,根据全自动扫地机这一特殊产品自身的特点,可以将虚拟装配技术应用于其研发的过程划分为三个阶段(总体设计阶段、基础设计阶段、详细设计阶段),通过对三个设计阶段的控制,实现对全自动扫地机研发进程的控制。

    3.1 总体设计阶段

    全自动扫地机研发的初期阶段,完成初步的总体布局,主要包括:从概念设计开始,建立全自动扫地机主模型空间,划分主要的部件和机构(如图1),进行产品初步的结构、系统总体布局。主模型建立时要保证产品零部件数据结构完整一致,实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成,为协同设计和并行工程打下良好的基础,这也是实现自顶向下设计的前提条件。

   

    3.2 基础设计阶段

    为全自动扫地机研发的主要阶段,基本完成产品的零部件装配建模设计,主要包括:产品零部件模型空间分配(虚拟装配区域、虚拟装配层次的划分),每个主要部件都将建立在定义的概念主模型空间内,每个部件可能还会有更小的部件装配体,这些装配体也将建立在其大的部件装配体内,设计过程的最末端是零件,它们可以建立在它们所属的最低级的部件内;进行具体零部件模型定义,包括建立三维实体模型和装配约束;进行静态干涉检验,静态干涉检验是对全自动扫地机零部件设计进行评估,在确定装配结构和总体设计后,进行零件细化设计,在装配过程中静态检验零部件之间的干涉、间隙等(如图2),并根据检验结果对零部件进行设计修改,从而得到正确的设计。

   

    3.3 详细设计阶段

    全自动扫地机研发的完善阶段,完成产品装配建模的最终设计。主要包括:完成产品装配建模的最终设计;进行产品零部件三维模型的最终虚拟装配(如图3),进行动态干涉检验,动态干涉检验是对全自动扫地机可装配性进行评估,在产品装配过程中,根据零部件的装配路径、装配关系和约束条件,进行装配姿态调整、修改,保证全自动扫地机零部件三维模型无干涉,直到满足最终的设计要求。

   

4 结束语

    通过在全自动扫地机设计中应用虚拟装配技术,实现了并行产品设计以及与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计,为全自动扫地机后续的机构运动仿真及动力学分析等计算分析研究奠定了坚实的基础,不但减少了设计成本,而且提高了设计质量,从而缩短产品研发周期,增强了产品快速响应市场变化的能力。

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