虚拟加工与装配技术

目录

摘要...........................................................-2-

Abstract.................................................................................................................-3-

第一章绪论..................................................-3-

1.1虚拟装配技术.......................................................-4-

1.2虚拟制造技术.......................................................-4-

第二章虚拟加工技术及其应用....................................-5-

2.1虚拟加工系统体系结构...............................................-6-

2.2虚拟加工设备建模................................................-7-

2.3系统实现..........................................................-14-

2.4结语.............................................................-16-

第三章虚拟装配技术及其应用...................................-17-

3.1虚拟装配基本设计思想及内涵.......................................-17-

3.2应用研究..........................................................-19-

第四章用快速原型技术加工活塞.................................-23-

4.1活塞模型的创建.....................................................-23-

结束语........................................................-28-

参考文献......................................................-29-

虚拟加工及相关技术

摘要

【摘要】分析了发展虚拟轴机床的意义，研究了虚拟轴机床的发展历史、现

状和发展趋势，提出了应采取的对策及今后研究开发工作的方向。

关键词:虚拟轴机床数控技术机器人技术

InteIIigentManufacturing

Abstract

IntelligentManufacturingintroducedthebackground,

maincontentsandobjectives,ArtificialIntelligenceand

工MT,IMSrelations,IMSandC工MS,intelligentmanufacturing

andthematerialbasisofthetheoreticalbasisofthe

characteristicsofintelligentmanufacturingsystemandthe

frameworkstructure,andgaveabriefingonintelligence

MachiningCenter工MC,intelligentmanufacturingtechnology

developmenttrendofwood,aswellastheIntelligent

ManufacturingSystemsresearchresultsandproblematic.

Keywords:IntelligentManufacturing,IMS,IMC,IMT.

第一章绪论

1.1虚拟装配技术

近年来，世界机械制造业市场的竞争日趋激烈,为了适应变化迅速的市场

需求，产品研制周期、质量、成生、服务成为每一个现代企业必须面对的问题。

近20年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是

现代化企业生存、发展的必由之路。同时，先进的产品研制方法、手段以及实

施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。以波

童公司为例，在数字化代表产品一波音777的展示中,不像以往那样重点宣传

新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术以及

产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三

维数字化设计与集成产品开发团队IPT(IntegratedProductDevelopment

Team)(238个Team)的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均

在计算机上完成。研制周期从过去的8年时圆缩减到5年，其中虚拟装配的工程

设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。“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。通常有2种定义：

(1)虚拟装配是一种零件模型按约更关系进行重新定位的过程，是有效分

析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行

定位、分析过程。

(2)虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三

维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检

验产品的可装配性。

1.2虚拟制造技术

虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现

实技术，在计算机群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能

分析、质量检测以及企业各级的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制

造过程各级的决策与控制能力。虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之

一，包括加工环境建模、加工工艺模拟、NC解析、加工过程仿真等。其中，

环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文以实际加工环境为基础建立

一个具有沉浸感的虚拟加工环境，对虚拟加工环境建模关键技术展开研究，设

计人员能在该环境下对零件加工过程进行仿真并对零件的加工进行分析，从而

提高生产效率和加工质量。

第二章虚拟加工技术及其应用

2.1虚拟加工系统体系结构

虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具

有虚拟性、数字化集成性、依赖性。虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造

设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。

由此，以现实制造过程为基础，本课题组提出了一个开放的、可重组、可扩展

的虚拟加工系统体系（图1）o

人机交互界面

〃回加工4支4分电

虚

拟「而工过意1国H

产

输碍撞检测

工co

艺加工误差检湾i

数

得

仿真鳍果分析:）

PDM

图1虚拟加工系统体系结构

体系结构由界面层、功能层和数据层组成。界面层提供用户与系统交互的

界面，用户通过该界面可以快速组装一个虚拟加工环境并进行虚拟加工，直观

地观看加工过程，对加工过程进行干预，并获取分析结果。

功能层分为虚拟加工环境建模部分和虚拟加工仿真、分析部分，前一部分

主要用于快速配置可重构的虚拟加工环境，包括设备建模、环境（车间）建模、

刀具建模、夹具建模等功能模块;虚拟加工仿真、分析部分主要用于对产品的

加工过程进行仿真相分析，包括了加工过程可视化、加工过程受热变形仿真、

加工误差检测、仿真结果分析等功能模块。

数据层是虚拟加工系统重组、扩展的基础，包括可重用的虚拟设备模型、

可扩展的虚拟环境模型。除此之外，用来组装虚拟设备的虚拟零部件模型及用

来进行加工的刀具模型、夹具模型、毛坯模型等都要建立相应的数据库。

虚拟加工环境建模是真实加工环境在数字化世界中的映射。产品的实际加

工环境包括加工设备、工装夹具及其加工刀具等，因此在虑拟加工环境中需要

建立相应的加工设备模型、夹具模型、刀具模型及工件模型，使得虚拟加工环

境能够依据用户输入的NC代码、工艺模塑和刀具模型给出有关工件变化、刀

具状况、加工效率等信息，为进行产品的可制造性评价和优化打下基础。虚拟

加工设备主要是指虚拟机床，用于仿真实际加工设备加工虚拟产品，机床模型

包括机床的几何实体信息、运动特征信息、伺服特性信息、刚度特性信息以及

热变形特性信息的影响等；虚拟刀具包括镜刀、车刀、钻头等常用的加工刀具,

用于仿真实际的切削过程，刀具模型包括刀具几何实体信息、切削特征信息和

运动特征信息等:虚拟夹具用于仿真实际的工装夹具，夹具模型包括夹具几何

实体信息、装夹特征信息等。虚拟加工设备、夹具、刀具和工件建模原理一致,

本文以虚拟加工设备为例，研究虚拟加工环境的构建。

2.2虚拟加工设备建模

图2虚拟加工设备模型类结构

虚拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。根据机床信息的不同，机床模型

分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配

体，包含多个部件和零件，且部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成

零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在

NC代码的驱动下，采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动

与转动，以此驱动虚拟机床的运动。本文将仿真模型作为机床的物理属性依附

在机床的几何模型上，建立虚拟加工设备模型的类结构（图2）。类结构建立床

身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类;

零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零件、部件

之间的包含、聚合关系形成虚拟加工设备。

几

何

模

型

*

一

「茎邮科的完整徵担库I

I修部件模里柒配形成虚推加〒

F~设瞽物理*花手玩工

本文以类结构为指导，给出虚拟机床的建模流理（图3）首先建立可重用的

零部件JL何模型和可重用的零部件仿真模型，分别存入几何模型库和仿真模

型库。从几何模型库和仿真模型库中分别选取合适的零部件几何模型和仿真模

型就可以组建成所求的零部件完整模型。获取了零部件的完整模型。然后将它

们按一定规则装配组装成虚拟加工设备模型。对各种虚拟加工设备进行物理属

性建模就可得到符合实际需要的虚拟加工设备。

2.2.1几何特征信息的获取

零件儿何模型的建立是实现可重构虚拟加工环境建模的关键，零部件乃至

设备的工程语义、各种仿真模型最终都必须以零部件几何模型为依托。我们将

分析处理用的与工程语义相关联的零部件几何模型和屏幕三维显示用的几何

模型（分别称为工程几何模型和显示几何模型）分开处理。

工程几何模型负责接受各种仿真模型的依附以及描述该零部件工程语义

的工程数据（如质量、材料、代号等）的定义，所含数据包括零部件模型的参考

点、坐标系、描述该零部件形状的特征数据，但不包括有关屏幕显示的信息。

对工程几何模型需要的特征数据通过对使用的三维软件进行二次开发获得。以

UG为例，特征信息获取方法如下：

Stepl:应用函数DF_PART_ask_display_part,从UGOpenAPI中获取零部

件模型句柄。

Step2:应用函数UF_PART_ask_part_name,从UG/OpenAPI中获取零部

件名字，并创建一个零部件几何模型对象。虚拟加工环境开发中，我们设计

了零部件几何模型类CGeoPart3d,用于记录其特征树、零件名等信息。

Step3:获取特征数据，根据特征类型创建相应的特征对象，把这些特征数

据存储在对应特征对象的成员变量中。建立CGLFeatu因为特征义类记录各特

征共有数据，如特征类型、特征名、参考点坐标等;建立Block、Cone、Cylinder,

Simple_Hole>Reel_Pad等常规特征子类记录各类特征特有参数，如Block的

特征类CGLFeatBlock记录Block特征特有的参数长宽高。UG/OpenAPI中获

取特征类型的函数为UF_MODL_ask_feat_type;获取特征名的函数为

UF_MODL_ask_feat_name;获取参考点坐标的函数，

UF_MODL_ask_feat」ocation;获取特征参数的函数，UF_MODL_ask_*_parms,*

代表具体的特征类型，如为Block,则函数表示获取Block特征的参数。

Step4:应用获取特征关系函数UF_MODL_ask_feat_relatives,获取特征之

间的关系，并根据该关系step3创建的各特征对象链接到零部件几何模型对象

的特征树的对应位置

显示几何模型只包含三维显示需要的一些数据（如点集、三角面片集、颜

色、法矢等）。我们采用VRML文件作为中性文件获得零件的显示几何模型，

即在CAD软件中通过对一些规则形状的物体进行几何运算,并导出形成STL,

VRML格式的中性文件，记录零部件几何模型的三角面片数据。

2.2.2零件几何模型的建立

获取的显示几何模型实质是一系列离散的面集，而获取的特征数据只有外

形尺寸等特征信息，都不足以表示零部件几何模型。需要根据特征数据来识别

并重新组织面集以构造零部件几何模型。

本文采用面向对象的思想分析零件几何模型,为特征造型中常见的几何表

面类型及其约束方程分别设计类，利用类和对象间的继承、聚合特性实现零件

的可重构和重用性。图4为本文建立的零件几何模型对象结构，描述零件几何

模型与工程语义、形状特征之间的对象关系以及该零部件与其它零部件之间的

几何约束关系。

图14零部件几何模型的对象结构

图中，约束方程类是根据获取特征信息建立相应的特征面约束方程;几何

表面有平面类(CGLPlaneFace)＞圆面类(CGLRoundFace)、桂面类

(CGLCylinderFace)＞锥面类(CGLConeFace)等;形状特征用于描述一定工程意

义的功能几何形状信息，包括与零件的几何形状、尺寸相关的信息集合。形状

特征有：Block特征(CGLFeatBlock)、Boss特征(CGLFeatBoss)、Cone特征

(CGLFeatCone)、Cylinder特征(CGLFeatCylinder)等

一个形状特征由一组几何表面组成，每一个几何表面都会对应于一个显示

几何模型中的面集。通过约束方程类将VRML文件中离散的三角面片和形状

特征的几何表面管理起来，形成零件的完整几何模型。零部件几何模型类

CGeoPart3d记录零部件几何模型的工程语义、形状特征构成，还要描述该零

部件与其它零部件之间的几何约束关系，它的类定义如下：

classCGeoPart3d

public:

voidlnitO;〃零件的初始化，包括零件的空间位置、特征树等相关信息

voidPiekMesh（）;II进行特征匹配与模型重构

voidglDraw（）;

private:

typedefstructFeatureNode

（

CGLFeature*m...pFeat;

CStringm_featName;

CStringm_featType;

}FEATNODE;//记录特征信息的节点类型

typedefvector<FEATNODE>VECTGLFeature;〃零（部）件特征数组

typedeflist<CVGeoPart*>CVGeoPartList;//零（部）件指针链表类型

CSceneGraphm_SceneGraph;〃零（部）件场景对象

VECTGLFeaturem_VectorFeature;〃零（部）件特征数组

CStringm_PartName;〃零（部）件名称

CGLReferPointm_ReferPoint;〃零（部）件的参考点

floatm_comparaCoord[4][4];〃相对主零（部）件的坐标

floatm_AbsoluteCoord[4][4];〃在装配环境中的绝对坐标

BOOLm_CorP;//零件或部件

针对构成机床的零部件的树状层次结构，我们应用多叉树来描述。在每一

部件类中，有成员变量m」PartPointList是一个指针链表，记录所有该子装配

体中的零部件指针。如图5所示。

ClassCComponent;

（

PartListm_lPartPointList;〃零部件指针链表定义

CPart*m_ParentPart;〃父零（部）件指针

图5虚拟机床装配关系

其中，C表示子装配体指针,P表示零件指针，A表示2个零件之间的装配

关系列表。各个零件通过面贴合、面对齐、面相距、点重合等装配关系装配成

虚拟机床。

2.2.3虚拟设备几何模型的显示

虚拟加工环境建模系统中，虚拟设备几何模型的显示最终是在OpenGL

环境中完成的。OpenGL最初是SGI公司的IRISGL图形工作站的分支，作

为标准的图形软件接口，提供了丰富而且功能强大API函数，用户可以通过

编程来自主地控制模型的行为，从而可以满足进行仿真分析等复杂操作的要

求。

从图4看出，组成虚拟设备的各个零部件通过形状特征来关联零部件几何

模型的工程语义部分和拓扑显示部分。零件的显示几何模刷通过处理CAD软

件导出的中性文件获得，零件的最终显示可以用OpenGL语句根据显示几何

模型中的三角丽片数据来逐个绘制三角面片。利用虚拟设备几何模型的层次关

系，其显示流程如图6所示。图中绘制零部件各特征时，由于是通过CGLFeature

类的指针调用的，所以具备了动态联编的条件，因此能产生动应联编的数果。

即表面上调用的都是CGLFeature类的绘制函数glDraw(),实际上在执行过程

中会根据不同的指针类型调用相应的子类的、改写过的绘制函数glDraw(),进

而圆满完成各特征的绘制任务。

//m_PDTreeVectorIi|是CM»chi”的虚拟装配

其包含的元童是废以机床的一系列零部件

UtB_VeCorFe・t・r4］是的一个或0支

量数绢.其元素是一个结杓，该姑枸中但含一个

CGLFcatirc美措什nti-cal

//«•»转征包含两个粉征表面，一个IS柱面，一

MB®

“几何衰ST与面集的关联通过上带的特衽口国与

发型意构实现

HpFacrArniyUACCLMeshJd的成员变北数!fl.

用来记录面柒各三角面片.“八〃

图6虚拟设备几何模型显示流程

对于设备的属性仿真模型而言，运动模型是最基本的。环境中物体运动时,

通过运动关系模型计算相关运动物体的空间位姿，调用显示方法不断地刷新屏

幕产生连续的动画仿真。

2.3系统实现

本文应用UG三维造型软件对一套加工设备进行了几何建模，通过文件输

出得到零部件的VRML文件，以VisualC++6.0。为开发工具，选用OpenGL

作为图形引擎开发了可重构三维虚拟加工环境建模系统VMES（Virtual

MachiningEnvironmentSyslem）,利用该系统实现了LeadWellLTC系列加工中

心的快速建模（图7）。LeadWellLTC20AP是卧式加工中心，将其简化为床身、

加工舱舱门、导轨、刀座、刀盘、主轴头、尾架、顶尖、支架、控制台等。针

对各模块的通用程度我们采取相应的建模策略，如床身、舱门等是该加工中心

特有的异型部件，为其单独建模；导轨、刀座、刀盘等对同类机床而言，其

外形结构具有很大相似性，因此通过对数据库中类似部件进行修改后重用（若

数据库中已有类似）;主袖头、尾架、顶尖等则属于通用部件或标准部件，可以

直接重用（若数据库中已有相同）。图8为构建的虚拟加工环境，利用该环境可

以对零件进行虚拟加工仿真。

图7虚拟机床工程语义定义

图8虚拟加工环境

2.4结语

虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系

统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人

员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿

真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从

而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本

课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够

有效提升该研究所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。

第三章虚拟装配技术及其应用

3.1虚拟装配基本设计思想及内涵

3.1.1以设计为中心的虚拟装配

以设计为中心的虚拟装配(Design-CenteredVirtualAssembly)是指在

产品三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出

以设计为核心的应用思想，这表现在以下三个层次，如图1所示。

图9虚拟装配层次图

(1)装面向配的设计(DFA)

即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，能高效地进行物理装配，能在产品研制初期使设计部门与制造部

门之间更有效地协同工作。

(2)自顶向下(Top-down)的并行产品设计(CPD)

并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计，强调开发人

员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及早发现，以缩短产品开发周

期，降低产品成本，提高产品质量。

(3)与MasterModel相关的可制造性设计和可装配性设计

产品研制是多部门的协同工作过程，各部门间的合作往往受到各个企业的

生产条件等方面的限制，结合各个企业的生产能力和生产特性，改进产品设计

模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料种

类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的MasterModel

为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各

个部门协同工作，实现CAD/CAM/CAE系统的高度集成，有效提高产品的可制造

性和可装配性。

3.1.2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)

主要包含以下两方面内容。

(1)实现对产品总体设计进程的控制

在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，人为地将虚拟装配技术应

用于产品设计过程，该过程可以划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶

段和详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的

控制，以及虚拟装配设计流程。

1)总体设计阶段。总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行

产品初步的总体布局，主要包括：建立主模型(MasterModel)空间；进行产

品初步的结构、系统总体布局。

2)装配设计阶段。装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品

三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配(装配区域、

装配层次的划分)；具体模型定义(建立几何约束关系、三维实体模型等)以

及应力控制。

3)详细设计阶段。详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成

产品三维实体模型的最终设计，主要包括：完成产品三维实体模型的最终设

计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。

(2)过程控制管理

过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作

等方面内容。通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产品设

计结果和加工工艺等产品相关信息的管理，从而实现优化产品开发过程的目

的。

3.1.3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

产品装配设计模型中，融入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要

目标是评价产品的可装配性。

(1)优化装配过程

目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能

并行地进行装配。

(2)可装配性评价

主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设

计是否需要修改。

3.2应用研究

3.2.1基础应用环境

虚拟装配技术在焊接小车设计中的应用，需要以一定的基础应用环境作为

平台，主要包括以下几个方面：协同工作环境、统一的信息编码系统以及机械

通用基础标准。

(1)协同工作环境。有一个协同工作的基础环境，实现支持异地设计、

异地装配、异地测试的工作环境，特别是基于网络的三维图形的异地快速传递、

过程控制、人机交互的基础环境是非常必要的。

(2)统一的信息编码系统。焊接小车的设计是一项复杂的系统工程，各

项工程数据在IPT内部以及IPT之间进行合理流动，因此有效的管理是实现虚

拟装配技术的重要环节，必须能够实现平台的协同设计，又能对各种产品数据

进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使

用的人。因此，采用统一的信息编码系统是一项重要的应用基础环节。

(3)机械通用基础标准。虚拟装配技术如果要实现行业

CAD/CAE/CAPP/CAM技术的有效集成和厂所之间的数据交换，必须采用机械通

用基础标准。

3.2.2焊接小车部件级产品实施方法及途径

lo软硬件环境

硬件：COMPAQ服务器一台；P4,2.7G,1M内存的微机8台。

软件：Pro/ENGINEER2001及其支持环境。

2.焊接小车的传动装置虚拟装配技术应用研究

我们选择传动装置的虚拟装配技术应用研究作为工程实例，对虚拟装配技

术的工程应用思想、方法、具体实施途径作进一步研究，为下一阶段整个小车

的应用提供一种基本的理论支持。

(1)总体设计阶段。IPT根据小车总体设计要求以及基本的总体设计参

数，建立蜗轮蜗杆和齿轮的主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶

段的模型如图2所示。在此阶段，主要包括以下基本步骤：根据已有工程图样

建立粗糙模型；布置部分初始模型(蜗轮、蜗杆、齿轮等)；对系统构件进行

初步布置、建立初始模型。

图10总体设计阶段模型

本阶段结束时，必须冻结已经建立的产品主模型空间，作为模型设计共享

的基础。

(2)装配设计阶段。这是小车模型具体建立阶段。本阶段主要包括以下

基本步骤：建立各部件的实体模型；定义具体结构装配的分解线路(建立装配

层次、装配区域)；建立模型间的具体装配约束(Constraints)关系；从共享

数据库中提取相应的结构模型;进行计算机装配(ComputerMock-Up,简称

CMU),以及进行干涉检查。

(3)详细设计阶段。本阶段完成焊接小车所有零件的设计工作，保证小

车内所有零件干涉自由，设计模型如图3所示。

图11详细设计阶段模型

第四章用快速原型技术加工活塞

4.1活塞模型的创建

第一步用拉伸功能得到半圆柱

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