虚拟环境下发动机拆装工具参数化建模及操作空间检验

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is of so it is is in a 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 摘 要. .选题的意义及目的. .设计原则.完成的内容. 3第2章系统的总体设计.参数化建模工具简介.参数化建模.参数化建模的二次开发.本章总结.干涉检测理论.干涉检测流程.静态干涉检测算法.动态干涉检测算法.本章总结.装配工具生成及操作空间检验.装配工具操作空间检验模块.本章小结. 33参考文献. 34致 谢. 36附 录. 37附录A.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。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,已成为近几年来研究的重要课题之一；因此在通用立符合国家标准,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且集标准件查询、件装配定位、。称件起源于美国麦道飞机公司，当时为了设计和制造形成了有提供专用产品所需要的完整于机械产品的千变万化，需要针对具体对象在选用的设计出界面友好、功能强大和使用方便的专用产品的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，特别是在上海交通大学国家模具济大学的中科技大学的是在内主流的数控加工编程软件有G 等，主流的三维设计软件有、多公司一般用、1。很显然，、G 普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。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: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。户操作方便，没有繁琐的操作。客户可以放心的使用。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。G/用它们可以开发出符合自己要求的G/要用来调用以实现强大的图形绘制、装配和工程图等功能，利用有独立的开发工具、编译连接过程、程序语法和文件格式。有与高级语言C/C+的开发接口，出了可以实现配、分析和设计等各项功能外，还可以利用有很大的灵活性。于C/C+程序设计具有极好的兼容性，G/以生成自己的菜单，将辑菜单的方法灵活，语法简单，可以满足大多数用户的要求。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，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。）三维实体参数化建模：在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：生成可以在参数化建模实现方法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供了在建模应用里，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。、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。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。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入值，进行参数输入，单击【确定】完成草图对草图进行拉伸，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，成部件族单击【工具】中的【部件族】命令，建组】对话框。在【可用的列】列表框中双击待提取参数d1、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。建族】对话框这时系统将弹出该表中，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击【部件族】的【生成部件】，)7*8扳手图、(2)8*10扳手图所示：通过主菜单项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际上，在来调用二次开发的省的话框或工具条，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。若用户开发的标准件)，用一个时利用要多个开发了标准件、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*文件的定义格式为：!开头的是注解行，在菜单定义文件中不起作用。可通过环境参数入户可通过面以每两行定义一项菜单。标题内容就显示在文件即是所谓的来对该项菜单要执行的动作进行定义。可以使用完整的文件名标识符，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。标题部分由关键词钮部分由关键词标部分由关键词表框部分由关键词题部分是唯一的;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。）标题部分定义的格式如下：）定义版本号省为为选择一项(按钮、图标或列表框条目)后，就取消能改变;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：多127个字符。可省略别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：多127个字符。可省略于对图标的功能进行注解按钮部分所用的类型一致使用标准的义图标位图时，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：多127个字符。可省略数或条目项数)，数字非法时缺省为7以下每三行定义一个列表框条目按钮部分所用的类型一致）于定义一组标准件图库。一段第一个图标的功能定义，缺省路径由环境变量来设置调用一钮显示文字内容该实例文件实现的格式与一般不包含对话框，因此其尺寸通常比较小，占有较小的屏幕空间。格式如下：便与工作环境参数设置二次开发的内容主要是做一些共用性的工作，开发的结果将以相应的可执行文件、数据文件等存放于硬盘的某个目录或多个目录下。这些结果必须为具有指定访问权限的各个用户所共用，即在调用相应的程序模块时，系统应能查找到相应的文件。利用须设置几个有关的环境变量，用来指定程序执行时的有关路径。这些环境变量是：缺省目录缺省目录 缺省目录工作环境参数的设置，可用两种方法来实现。一种方法是利用操作系统的各个环境参数进行设置。格式为：作环境参数的设置，应由系统管理员完成。一旦设置好后，具有指定访问权限的用户就可以调用这些二次开发的读者可以清楚地了解参数化建模的过程，感受更加真实。前关于三维空间检测的碰撞问题的研究主要是干涉问题。物体的干涉是两个或者是多个物体的体积占有相同的空间。通常物体的干涉有两大类，静态干涉和动态碰撞检测干涉。动态碰撞检测就是沿特定轨迹移动的物体的干涉检测。所谓可碰撞问题就是物体中移动区域就是物体不与物体初碰撞点的检测就是当物体将与物体测它们在最初发生碰撞时的接触部位。碰撞检测时可能发生的干涉有硬干涉、接触干涉和软干涉三种。以分成三步来完成干涉的检测，即：引入装配体、引入工具和检测。首先打开时点击工具栏中的【人机工程】选择检测空间，选择一种要使用的工具，将工具导入到需要检测的部件上，进行干涉检测，查看是否发生干涉，最后查看结果。有实体干涉检查算法大致可分成两类：一类算法主要基于B高算法效率的关键是如何减少被测元素的数量。另一类算法是以层次模型为基础的。静态碰撞检测算法的优越性在于它们不需要预先知道物体的位置和速度，并且多个运动的物体也能够用一种自然的方式来处理。静态检测算法的主要弱点是由于它们的不连续性，碰撞可能被遗漏。这种情况可使当一个或两个碰撞的物体从一个时间步到下一个时间步中，从一种不相交状态完全彼此穿透到另一种不相交状态时移动的距离足够大。一类技术是基于在给定轨迹上反复利用静态干涉检测被称为“单步检测”的方法，即当物体移动过程中