[CAD图纸全套]虚拟环境下发动机拆装工具参数化建模及操作空间检验设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 在汽车发动机设计过程中，由于结构复杂，零件数目众多，各个零件又不是规则的形状，且它们之间的间隙也大小不一，所以很难考虑到零件之间的干涉问题，本设计就是在虚拟环境下针对此问题做出了有针对性的研究。 随着计算机的普及以及在各行各业中的作用变得日益明显起来，发动机的设计也基本上脱离了手工的时代，转向了软件时代，利用软件在虚拟环境下设计发动机可以大大的节省基金的投入，减少设计人员的劳动强度，更加直观的看到发动机的雏形，这就是人们选择软件设计的原因；但是，在虚拟环境下对发动机进行拆装干涉实验现在发展的还 不是很成熟，其主要原因是在众多的设计类软件中没有一个专门的模块来完成干涉的检测操作。 本设计就是在已有的软件 用此模块对虚拟环境下的组合件进行拆装干涉实验，从而得出发动机在拆装过程中拆装工具是否与周围的零件产生运动干涉，从而缩短设计周期，减少设计出的发动机因拆装工具与零件之间的干涉而产生的麻烦。 关键词： 汽车发动机； 涉检查；参数化建模；操作工具 黑龙江工程学院本科生毕业设计 n is of so it is to is in a to of in of of to in a to of is in a to is is in of of a to is on G a to in so as to 龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 1 题的意义及目的 . 1 内外研究现状 . 1 . 1 . 2 计原则 . 3 . 3 . 3 . 3 成的内容 . 4 第 2 章 系统的总体设计 . 5 . 5 . 5 . 5 . 6 . 7 . 10 . 10 具条的定义 . 15 . 15 . 16 第 3 章 干涉检查 . 17 . 17 . 17 算法 . 18 . 18 黑龙江工程学院本科生毕业设计 . 19 第 4 章 操作界面的实现 . 20 . 20 . 20 . 21 . 22 . 23 . 23 . 24 . 25 . 28 . 32 结 论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 36 附 录 . 37 附录 A . 37 附录 B . 39 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 买文档送全套 纸，扣扣 414951605 第 1 章 绪 论 题的意义及目的 各 种装配工具，如扳手、螺丝刀、铆钉枪、气动套筒等，是在实际发动机装配生产过程中必不可少的，它们在装配过程中的可操作性不容忽视。每种工具都有其操作空间需求，如扳手需连续旋转 60以上，而电动套筒只需一个无干涉的工作位置。它们的可操作性是对装配设计、装配序列规划的一个重要检查依据。有必要设计一种快速有效地装配工具操作空间检验（简称工具检验）方法。不合理的序列可导致工具没有足够的空间完成安装操作。目前在装配序列规划中考虑工具操作运动空间的研究较少。目前数字化制造应用越来越广泛，但大多都只研究产品本身的数字化制造及建 模，对产品装配所需工具的参数化建模考虑甚少。因此本课题要研究虚拟环境下拆卸工具参数化建模及操作空间检验。 为了进行有效的发动机虚拟拆卸中的操作工具的操作空间检验，虚拟环境中的操作工具是必不可少的，在动态仿真之前，要进行操作工具的实体参数化建模，用这些虚拟工具模型，去模拟实际中的操作工具，并进行操作空间干涉性检验。 在发动机设计过程中在虚拟环境下进行拆装工具参数化建模及操作空间检验有如下重要性及意义： （ 1） 提高工作效率减少资金投入：将真实环境里的发动机拆卸实验改在虚拟环境下，因不需要生产出真实的零件，故减 少了资金的投入提高了工作效率。 （ 2） 优化设计方案：在虚拟环境下设计出的发动机可以在虚拟环境下进行拆卸空间的检验，对拆卸工具进行参数化分析，以便对不合理处进行优化处理。 （ 3） 缩短设计周期：采用虚拟环境的空间检验，对不合理出的修改更加容易，便利，并且可在任意时间进行检验，这样大大的缩短了设计的周期。 内外研究现状 参数化建模方面的研究 随着计算机辅助技术应用的日益广泛 , 如何在零件生产中充分利用计算机辅助技术 , 提高零件的生产效率 , 缩短生产周期 , 全面提升零件生产技术水平 , 已成为 近几黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 年来研究的重要课题之一；因此在通用 台上进行二次开发 ,建立符合国家标准 , 适合企业应用的专业化、集成化的标准件库 , 可以提高生产效率 , 同时对推广标准件的应用 , 缩短产品的开发周期具有重要意义 3。标准零部件的设计是一项费时费力且带有很大重复性的工作 , 因此国内外许多企业、高校纷纷在不同的 台上研究建立参数化的标准件库 , 但研究的重点基本都放在标准件的参数驱动和标准件库的管理方面 , 而能够方便地嵌入不同的 台 , 并且集标准件查询、 模、零件装配定位、 自动生成等功 能于一体的零件库系统尚不多见 6。 称 软件起源于美国麦道飞机公司，当时为了设计和制造 斗机 ,而形成了 品。 件在 表现出了强大的功能，但 通用支撑软件系统仅具有 基本功能，没有提供专用产品所需要的完整 C A D / C A M 功能。由于机械产品的千变万化，需要针对具体对象在选用的 件平台上进行二次开发，来设计出界面友好、功能强大和使用方便的专用产品的 统。 随着计算机的应用和发展以及三维数控 设备的引进，近年来国内 件二次开发取得了很大的进步，特别是在 就是 计方面软件二次开发已有相当多的成果，如上海交通大学国家模具 程研究中心的覆盖件冲模智能设计系统、同济大学的 中科技大学的 U G 软件二次开发等，但是在 控加工方面软件二次开发的研究相对来说就少了，国内主流的数控加工编程软件有，主流的三维设计软件有 、 ，很多公司一般用 、 进 行数控加工编程 21。很显然， 、 G 这三大软件中， 遍被同时用来设计和加工，可以实现设计与加工之间的无缝接口，使用起来不会有不同文档之间的兼容问题，比较方便。既然这样，那么 控加工方面软件二次开发的研究应是值得的。 空间干涉方面的研究 在发动机的设计之初就要考虑到发动机的拆装，除了要考虑到各个零部件的装配空间外，还要考虑到装配工具的移动空间，以防止工具与各个零部件之间的干涉现象。这些在虚拟状态下就比较容易实现 5。采用虚拟装配技术对产品的装配干涉进 行分析 ,给出相应的结构修改建议 , 这样就可以在设计阶段进行验证 ,确保设计的正确性 , 避免损失。干涉检验的研究在数控加工过程仿真中具有重要的意义 , 而干涉检验的有效实现尤为重要。它可以为干涉回避提供较好的参考依据 , 以便真正实现加工仿真的目的。 虚拟装配的干涉检验技术主要包括零部件组选择、干涉和间隙体积计算、干涉零件创成干涉检验报告生成等 23。对于机床产品的虚拟装配及装配干涉检验主要包括 : 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 对零件及组件进行合理装配 ;利用相对位置及尺寸定义零件间的关系 ;通过动画 , 利用干涉检验或可视检查装配部件和组件的物理 性能分析。装配干涉检验主要可按对象属性分为几何可行性分析和机械可行性分析 8; 按对象观测状态可分为静态干涉检验和动态干涉检验 ,在此做静态干涉检验和动态装配路径上的几何可行性分析零部件静态干涉检验是对产品零部件设计的评估 , 可以在主任设计师确定装配结构和总体设计后 , 由多个设计人员进行零部件细化设计 , 最后由主任设计师进行装配件的静态干涉检查得到装配件的干涉和间隙体积计算 , 生成干涉检验报告几何可行性分析是指对于组成产品、各个级别的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中的静态 空间位置的相交性也包含零部件在构成产品的装配过程中在空间上的几何干涉检查。静态的几何可行性分析 , 可以在三维 境状态中通过观测产品构成进行具体来说可以对产品的观测视角进行调整进行局部区域的缩放 ,对于零部件的颜色进行不同的标示 4。动态装配路径上的几何可行性分析 ,利用虚拟装配的功能模块来实现。该模块具有进行零部件装配过程装配姿态调整零部件的消隐等功能通过以上的功能可以实现按用户设置的路径、姿态顺序动画演示零部件的装配过程 , 演示过程中可进行装配过程中的动态几何可行性分析机械可行性分析是指能否建立起零 部件之间的装配关系 ,如工具、操作手或机械手可否进人作业点装配操作的空间是否足够大等等。系统中对于这样一种可行性的研究可以通过“ 虚零件” 的方法解决即可以将手和装配工具等作为组成产品的虚拟零件 , 这些虚拟零件与实际零部件之间也存在与装配关系等同的“ 虚装配关系” ,这样机械可行性分析与几何可行性分析一样可以由三维 统来完成这样就可以用简化求交算法来提高检测效率 , 同时也满足了实际应用安全余量的要求 17。这样就可以用简化求交算法来提高检测效率 , 同时也满足了实际应用安全余量的要求。 计原则 用性原则 无论是汽油发动机还是柴油发动机都可适用，用户操作方便，没有繁琐的操作。 靠性原则 新开发出的参数模块在应用时应该具有一定的稳定性，使客户可以放心的使用。 范性原则 对开发出的模块应该符合行业的工具尺寸标准。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 成的内容 本课题主要完成的设计内容是利用在 境下开发出的参数化拆装工具模块对发动机进行虚拟环境的拆装，同时对拆装空间进行检验，具体内容如下： （ 1） 对发动机的拆装工具进行参数化建模，也就是在 境下利用 软件对其进行二次开发，完成模 块的建立； （ 2） 对发动机进行测量，掌握发动机的各个零件的数值以及各个零件之间的间隙； （ 3） 在虚拟环境下即 境下把拆装工具当做发动机的一部分进行安装； （ 4） 对拆装工具在发动机部件中进行动态与静态的检查，以检查拆装空间是否允许工具的运动要求。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 系统的总体设计 数化建模工具简介 为提高对专用功能的支持， 供了 序设计模块、 个 辅助开发模块，利用它们可以开发出符合自己要求的 统。 要用来调用 以实现强大的图形绘制、装配和工程图等功能，利用 可以提高系列化产品的设计效率。 序一般在 境下编制，具有独立的开发工具、编译连接过程、程序语法和文件格式。 供的另外一种功能强大的二次开发模块，具有与高级语言C/C+的开发接口，出了可以实现 造型、装配、分析和设计等各项功能外，还可以利用 所支持的全部功能，具有很大的灵活性。 各项程序都以于 C/C+程序设计具有极好的兼容性， 序得到了最为广泛的应用。 以生成自己的菜单，将 原有菜单替换也可以实现对 个菜单的编辑并生成自己的菜单。编辑菜单的方法灵活，语法简单，可以满足大多数用户的要求。 供的用来创建对话框的专用模块，利用它可以生成包括按钮、文本框、列表 框和单选按钮在内的对话框要素的创建，可以实现它们的任意组合，从而创建具有 格的各种对话框，在存储对话框时，系统同时保存相应的C/C+文件，通过对 C/C+程序的编制最后生成动态链接库文件， 数化建模 数化建模的流程 本设计的参数化建模主要应用的软件为 ， 在 以很好的执行需要完成的任务。 参数化建模大体可以分为四个过程，而且每个过程又是环环相扣的，它们之间的联系是非常紧密的， 即：（ 1）三维实体参数化建模、（ 2）设置环境变量、菜单定制文件和 的动态链接库工程、（ 3）程序编写、（ 4）生成文件。具体流程如图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 图 （ 1）三维实体参数化建模：在 境下利用获得的数据画出一个实体模型，通过电子表格把所有的相关数据输入，生成数据库形式的数据流。 （ 2）设置环境变量、菜单定制文件和 动态链接库工程：对软件中的变量进行设置，使 软件可以在 （ 3）程序编写：用 进行程序编写，上面的联系起来。 （ 4）生成文件：生成可以在 数化建模实现方法 1、系统参数与尺寸约束 能在草图设计时，将输入的尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在此后的设计中进行可视化修改，从而到达最直接的参数驱动建模的目的。用系统参数驱动图形的关键在于如何将从实物中提取的参数转化到 来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。 过尺寸约束实现对几何形状的控制。设计时必须以完整的尺寸参考为出发点（ 全约束），不能漏注尺寸或多注尺寸。尺寸驱动是在二维草图 面实现的。当草图中的图形相对于坐标轴位置关系都确定，图形完全约束后，其尺寸和位置关系能协同变化，系统黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 将直接把尺寸约束转化为系统参数。 2、特征和表达式驱动图形 模块中提供各种标准设计特征，各标准特征突出关键特征尺寸与定位尺寸，能很好的传达设计意图，并且易于调用和编辑，也能创建特征集，对特征进行管理。特征参数与表达式之间能相互依赖，互相传递数据，提高了表达式设计的层次，使实际信息可以用工程特征来 定义。不同部件中的表达式也可通过链接来协同工作，即一个部件中的某一表达式可通过链接其它部件中的另一表达式建立某种联系，当被引用部件中的表达式被更新时，与它链接的部件中的相应表达式也被更新。 3、利用电子表格驱动图形 电子表格 (供了在 一个智能接口。在建模应用里， 息可以从部件被抽取到电子表格中，在被用来更新部件前进行手工处理。事实上，表格驱动的界面及机内函数为相关的、参数化设计提供了方便 而有力的工具。 数化建模实例 下面通过对开口扳手的 三维模型的创建实例来说明参数化建模方法。 1、 分析零件模型提取特征参数 在起初选择工具图的时候选择一实物作为模板，这样我们在得到尺寸及形状约束的时候可以保证准确，不会出现大的偏差。 图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 如图所示开口扳手工具实物图，可将此扳手的主要尺寸作为主要驱动扳手尺寸。扳手 的模型可通过拉伸得到，在建模时应特别注意拉伸体 和 倒角这 两 个主要特征以及他们的关系。 2、扳手底面在草图中的尺寸约束 首先进入草图模式，通过默认为主要参考坐标系，如图所 示，绘制两条平行线，与 5度夹角，接着绘制出外轮廓，使各个点约束，标注尺寸。同理，绘制出另一头的扳手，由平行线进行连接。确定出尺寸。完成草图的绘制。如图 图 图 3、拉伸实体 单击【插入】中的【成型特征】中的【拉伸】命令，系统将弹出拉身体的参数输黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 入值，进行参数输入，单击【确定】完成草图对草图进行拉伸，如图 图 至此，我们在虚拟空间建立了扳手的实体模型。 4、表达式更名 单击【工具】中的【表达式】，系统弹出对话框， 将表达式进行更名，将 更名为 di, 更名为 d2,00更名为 l，结果如图 图 5、生成部件族 单击【工具】中的【部件族】命令，系统将弹出如图 示的【组建组】黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 对话框。在【可用的列】列表框中双击待提取参数 l，这是这些表达式将出现在【选定的列】列表框中，对保存的路径进行更改，单击创建按钮，进行零件库的创建。 图 建族】对话框 这时系统将弹出 作表，在该表中，系统产生了 3 个数据列，分别对应于刚刚提取的参数。将扳手的系列参 数数据录入到 图 击【部件族】的【生成部件】，进行验证如图 )7*8 扳手图、 (2)8*10扳手图所示： 数化建模的二次开发 次开发程序的研究 用户二次开发的结果，在 件 )可通过主菜单项 序可通过主菜单项 菜单项 直接执行。这种 方法功能比较简单，一次只能执行一个 能将由多个 且用户必须确切知道要执行的 龙江工程学院本科生毕业设计 11 际上， 交互接口，即在 主菜单中有一菜单项 来调用二次开发的 话框。缺省的 单有如下三个菜单项： 单项用于调用由环境变量 菜单定义文件中的 话框或工具条， 。 单项用于重新调用由环境变量 菜单定义文件中的 项指定的 有了这一工具，用户可将由多个 一个程序由对话框或工具条中的一个图标 (或一个按钮或一个任选项 )来调用，使用起来就非常方便。 若用户开发的 是一个方面的内容 (如 标准件 )，用一个 时利用 单的 图 若用户开发的 容比较多，需要多个 话框或工具条来实黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 现 (如开发了 标准件 、 通用传动件 、 专用结构设计工具 三部分内容，用三个 ，这时可以重新定义 (1)7*8 图 (2)8*10 图 图 拉菜单的定义 文件的定义格式为： ! 符号 !开头的是注解行，在菜单定义文件中不起作用。 键词后面指定的参数是缺省的菜单定义文件名，也可通过环境参数指定。进入 ，用户可通过 单中的 单项来调用缺省的菜单定义文件。后面以每两行定义一项菜单。 标题内容就显示在 中。 文件即是所谓的 义文件，用来对该项菜单要执行的动作进行定义。可以使用完整的黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 文件名标识符，没指定路径时将使用环境变量 对话框标题 (按钮(图标 (列表框 (内容组成。标题部分由关键词 头，按钮部分由关键 词 头，图标部分由关键词 头，列表框部分由关键词 头。标题部分是唯一的 ;按钮、图标、列表框部分可以有多段定义，每一段定义若干个按钮 (或图标、或列表框 )，各段的排列顺序可任意，取决于设计者对各按钮、图标和对话框的排列外观。对话框的最后部分将自动出现 关钮，以便对选定的内容 (按钮、图标或列表框条目 )进行确认或取消当前的操作。 题部分的定义 （ 1）标题部分定义的格式如下： （ 2）定义版本号 N|义 态，缺省为 为 选择一项 (按钮、图标或列表框条目 )后，就取消 中大写部分为关键词，不能改变 ;其余部分可自行定义。以下类同。 （ 3）按钮部分的定义 按钮部分定义的格式如下： 钮部分定义开始 钮部分标题行。 字符串，最多127个字符。可省略 定每一行排列按钮的个数以下每三行定义一个按钮 钮上显示的内容， 定激活按钮时所完成动作的类型 定激活按钮时所调用的程序的路径和文件名激活按钮时所完成动作的类型有如下几种，分别 用一宏定义文件 ( 序 序 ( 义文件 ( 按钮的大小将由各按 钮定义中 行排列按钮的个数以及对话框的总体宽度来决定。 （ 4）图标部分的定义 图标部分定义的格式如下： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 多 127个字符。可省略 定每一行排列图标的个数以下每四行定义一个图标光标位于图标上时显示的文字，用于对图标的功能进行注解 定激活图标时所完成动作的类型，与按钮 部分所用的类型一致 定激活图标时所执行的程序的路径和文件名图标显示时所用的图象文件，可使用标准的 X 位图格式图象编辑程序来定义，如 作系统中即使用 序。定义图标位图时，应使用白色背景和黑色前景，不支持彩色。一般情况下，推荐使用 36(36 象素的位图块来定义图标，更小或更大尺寸的图标将影响整个 （ 5）列表框部分的定义 列表框部分定义的格式如下： 表框部分定义开始 表框部分标题行。 字符串，最多127 个字符 。可省略 定列表框窗口的高度 (行数或条目项数 )，数字非法时缺省为 7 以下每三行定义一个列表框条目 定显示在列表框中的条目文字 定选中该条目时所完成动作的类型，与按钮部分所用的类型一致 定选中该条目时所执行的程序的路径和文