（机械工程专业论文）虚拟装配技术在生产实际中的应用研究.pdf

越 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 虚拟装配技术是一种全新的设计手段，它能对产品的可装配性评价进行直观 描述与表达，并提供三维动画来展示产品的装配仿真过程，有效验证装配工艺的 正确性与合理性，使产品设计人员及时发现和排除设计缺陷与隐患，从而达到缩 短产品开发周期、降低成本、提高生产效率的目的。本文结合工作实际对虚拟装 配技术及其相关理论方法进行了深入的研究，主要包括以下几个方面：( 1 ) 本文 从虚拟装配技术产生发展的历程入手，针对当今机械制造和工程实践研究中的热 点问题一虚拟产品开发( v p d ) ，研究了产品可装配性的重要性及其影响因素， 并结合虚拟装配的功能、作用以及它在生产实际中的应用背景，阐明了论文的研 究方向、意义及内容。( 2 ) 通过分析v a s s 系统对产品装配建模的要求，研究了 装配信息模型的内涵、结构形式、获取途径及功用( 3 ) 装配工艺规划是虚拟装 配研究的焦点问题之一。装配顺序、装配路径和装配工位是装配工艺规划的主要 内容。通过研究装配工艺规划的现状、采取的措旋、实施的手段及达到的目标等 问题，阐述了产品装配工艺规划中装配顺序规划与装配路径规划的具体实现途径 与过程。( 4 ) 产品可装配性好坏最直观的效果，莫过于在计算机上仿真模拟产品 的实际装配过程。本文从计算机运动仿真的角度，研究探讨了装拆运动表示法以 及干涉检查算法。并通过基于人机交互拆卸的装配工艺规划系统，实现了装拆过 程中顺序规划、路径规划以及装拆过程的实时动画仿真模拟。( 5 ) 装配工艺卡片 是连接产品设计和生产过程的纽带。研究了装配工艺卡片的生成机理，并部分自 动地生成了基于零部件设计信息和装配工艺规划结果的装配工艺卡片，最终为实 际装配生产提供指导和技术支持。 v a s s 系统能够在结构可装、过程可装和装配作业指导三个方面展示、验证 与完善产品的装配工艺结果。作者针对v a s s 系统在产品工艺规划验证方面的相 关问题，提出了自己的想法和改进措施，并使其更加完善。最后，本人结合生产 实例一4 g 5 4 汽缸体铸件生产详细地介绍了v a s s 系统的具体应用情况。 关键词：虚拟装配，装配建模，装配工艺规划，装配过程仿真，装配工艺卡 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a sab r a n - n e wm e , a n so f p r o d u c t d e s i g n , v i r t u a la s s e m b l yc a nf r a n k l ye v a l u a t et h e p r o d u c t sa s s e m b l a b i l i t ya n dp r o v i d e3 da n i m a t i o nt od e m o n s t r a t et h ea s s e m b l y p r o c e s so fp r o d u c t v m u a la s s e m b l yc 锄v a l i d a t et h ev a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h e p r o d u c ta s s e m b l yp r o c e s sm a k et h ed e s i g n e rd i s c o v e ra n de l i m i n a t et h eh i d d e nd e s i g n e r r o r so f p r o d u c t , s oi tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l et i m e ，s a v e p r o d u c tc o s t s ，i m p r o v ed e s i g nq u a l i t y , i n c r e a s ee f f i c i e n c yo f p r o d u c e w i t hp h y s i c a l l y o ft h ew o r kc o m b i n e st o g e t h e r , t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a la s s e m b l ya n di tr e l a t e d t h e o r i e sm e t h o da r ea n a l y z e dd e e p l yt h i st h e s i s t h em a i ne f f o r t sa n dc o n t r i b u t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) f r o mt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fv i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y , a i m i n g 砒t h e h o tp r o b l e mo ft o d a y sm a c h i n em a n u f a c t u r i n ga n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e s - v p d ，t h e m e a n i n ga n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fp r o d u c ta s s e m b l a b i l i t ya r ea n a l y z e dd e e p l y c o m b i n et h ef u n c t i o no fv a s sa n di t a p p l i c a t i o ni np r o d u c t i o n ，w ei l l u m i n a t et h e i n v e s t i g a t i v ed i r e c t i o nm e a n i n ga n dc o n t e n t so f t h i st h e s i s ( 2 ) b ya n a l y z et h er e q u e s to f v a s st oa s s e m b l ym o d e l i n g ，a l li n f o r m a t i o nr e q u i r e d f o ra s s e m b l ym o d e l i n gi n c l u d i n gm a n a g e m e n ti n f o ，g e o m e t r i c a li n f o ，t o p o l o g i c a li n f o ， s e m a n t i c a le n g i n e e r i n gi n f o ，a s s e m b l yp r o c e s si n f oa n da s s e m b l yr e s o u r c ei n f oa r e s t u d i e d t h es t r u c t u r ea n do b t a i nm e t h o d so f a i lt h e s ei n f o r r n a t i o na r ea l s os t u d i e d ( 3 ) o n eo ft h eh o tp r o b l e mo fv i r t u a la s s e m b l yi st h ea s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g t h em a i nc o n t e n t so fi ta r ea s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g ，a s s e m b l yp a t hp l a n n i n ga n d a s s e m b l ys t a t i o np l a n n i n g b ys t u d yt h es t a t u sq u o ，i m p l e m e n t a r ym e a n sa n dg o a l st o a c h i e v eo fi t ，i nt h et h e s i sw ee x p a t i a t et h ea p p r o a c ha n dc o u r s et oc a r i yo u tt h e a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g ，a s s e m b l yp a t hp l a n n i n gi fp r o d u c ta s s e m b l yp r o c e s s p l a n n i n g ( 4 ) t oe v a l u a t et h ep r o d u c t sa s s e m b l a b i l i t y , s i m u l a t i n gt h e a c t u a la s s e m b l y p r o c e s st h r o u g hc o m p u t e ri st h eb e s tm e t h o d f r o mt h ev i e wo fc o m p u t e rk i n e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，w es t u d yt h er e p r e s e n t a t i o no fa s s e m b l ya n d o rd i s a s s e m b l ym o v e m e n ta n d a r i t h m e t i co f i n t e r f e r e n c ec h e c k a i lo f t h o s eh a v eb e e nr e a l i z e di nt h ev a s s ( 5 ) a s s e m b l yp r o c e s s c a r d sa r et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h e d e s i g n a n d 江苏大学工程硕士学位论文 m a n u f a c t u r eo fp r o d u c t t h eg e n e r a t i o nm e t h o do fi ti sf u r t h e rd i s c u s s e d i n i t i a l l y g e n e r a t e s t h ec u s t o m i z e d a s s e m b l yp r o c e s s c a r d s p a r t i a l l ya u t o m a t i c a l l y s i m u l t a n e o u s l y a l lo ft h o s ec a np r o v i d et h et e c h n o l o g i cs u p p o r tf o ra c t u a lp r o d u c t m a n n f a c t u r e t h ev a s ss y s t e mc a nb eu s e dt od e m o n s t r a t e ，v e r i f ya n di m p r o v ea s s e m b l y p r o c e s sp l a n so fp r o d u c to nt h et h r e ea s p e c t so ft h es t r u c t u r e ，p r o c e d u r ea n da c t u a l a s s e m b l yo p e r a t i o ng u i d a n c es u c c e s s f u l l y a i ma tt h es h o r t a g et h a tt h es y s t e mo f v a s s e x i t si nt h ea s p e c t so fp r o c e s sp l a n n i n g ，t h et h e s i sp u tf o r w a r do u ro w n v i e w p o i n ta n d i m p r o v e dm e a s u r et om a k ei t sp e r f e c t f i n a l l y , c o m b i n i n gt h ep r o d u c t i o no f4 g 5 4a i r c y l i n d e r ，t h et h e s i si n t r o d u c et h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o no f v a s s 。 k e y w o r d s ：v i r t u a la s s e m b l y , a s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g ， a s s e m b l ys i m u l a t i o n ，a s s e m b l yp r o c e s sc a r d s 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在现代制造业中，产品装配是设计、开发与生产过程中一项极为重要的活动， 是产品功能实现的主要过程，提高装配生产效率所带来的经济效益远比简单地降 低零件的生产制造成本显著。企业对产品装配自动化的需求和装配过程的优化也 极为迫切。因此，研究新的设计手段和方法，推动产品装配技术的进步与发展， 对于改变我国制造业传统的产品研发模式，提高企业市场应变能力具有重要意义。 当前，在产品设计与开发方面，有关产品装配结构及其工艺的设计手段、设 计水平仍然十分落后，与装配在产品全生命周期中的重要地位极不相称。由于装 配设计的技术手段比较落后，企业设计部门仍要依靠技术经验丰富的设计师来完 成产品装配结构及装配工艺的设计任务，产品设计周期长且受设计者的知识局限 性与主观性影响较大。 随着计算机集成制造( c i m s ) 在企业的实施推广和并行工程( c e ) 技术的 发展和应用，对产品装配设计提出了更高的要求：在协同的产品开发环境中，在 产品c a d 设计阶段就要求有关的工艺人员加入进来，对产品有关制造与装配工 艺可行性、最优性进行分析，协助产品设计工作。并行工程认为产品设计对制造、 装配等各环节都具有决定性的影响作用。产品全部开发费用的绝大部分是直接或 间接由产品设计阶段所决定的。据统计，产品设计成本占开发总成本的5 ，但 它却决定着产品总成本的7 0 8 0 i ”1 2 1 3 1 所以说，设计是决定产品成本最为 关键的因素之一。 装配设计作为产品开发的重要环节，除了需要先进的技术工具支持及其他环 节集成之外，还需要考虑按照c e 的思想来规划装配设计的全过程，并协调与其 他环节的关系。装配环节直接面对的是最终产品，装配技术直接影响着最终产品 的性能。虽然装配的地位如此突出，但是由于它的复杂性，它依然是制造过程中 的瓶颈。当务之急是如何有效地降低装配费用，提高装配效率，使企业能够更好 地响应市场变化、满足市场所提出的最短的上市时间，最优的产品质量、最低的 制造成本、最佳的售后服务以及最清洁的环境等要求，从而赢得市场与客户【2 5 】。 虚拟装配技术正是在这种产业发展需求的背景之下应运而生。 1 2 虚拟装配技术综述 近几年，虚拟装配( v a ，v i r t u a l a s s e m b l y ) 技术在虚拟产品开发( v i r t u a lp r o d u c t 江苏大学工程硕士学位论文 d e v e l o p m e n t , v p d ) 技术和面向装配的设计( d f a ，d e s i g nf o r a s s e m b l y ) 技术的 基础上发展了起来。v p d 是虚拟现实( v r ) 技术在制造业产品开发方面的具体应 用。v p d 的实质，就是在设计阶段对产品从设计到制造的全过程统一建模，并通 过仿真技术在计算机上对虚拟产品进行快速反复迭代，使生命周期内的各个方面 如产品性能、可加工性、可装配性、可维护性等达到均衡优化。 1 9 9 0 年，美国马萨诸塞大学的gb o o t h r o y d 和p d e w h m s t 正式提出了面向装 配的设计( d f a ) 这一概念，装配自动化的迫切需求是这一技术产生与发展的动力。 随着信息技术的飞速发展，计算机软、硬件性能日益提高，为d f a 的研究提供了 更好的工具和环境，c i m s 的深入、并行工程和虚拟制造( v m ) 的兴起也为d f a 注入了新的生机与活力。人们对d f a 的发展与改进作了大量的探索研究，d f a 的 作用对象得以拓展为涵盖产品开发过程中与装配相关的所有活动，集成化、并行 化和拟实化是d f a 研究发展的主要表现。 大家知道，在传统的产品设计过程中信息传递都是单一方向：从产品结构设计 岭工艺规划设计o n c 编程，企业各部门之间高度的分工和缺乏同步性，造成了产品 生产周期过长；同时，各部门在时空上相互分割，信息不通，通常只是装配出现问题 时，再返回设计，予以解决。这种“抛墙孤岛”循序渐进式的传统产品开发流程是一 种串行模式，在这种开发模式下许多不合理的设计所造成的装配问题只能等到样机制 造、装配和试验时才得以发现。这时，多数问题无法得到及时更改，修改设计也就意 味着部分或全部的零部件报废和重新试制。这导致了产品的设计开发成本高，更新换 代慢。造成这种局面的主要原因就在于产品开发过程中对可装配性问题考虑的太晚或 太少。 c a d 技术及其应用系统在制造业中的广泛普及，极大地提高了产品的设计效 率和生产加工的自动化水平。但是，作为产品制造重要环节的产品装配技术，由 于与人的知识与经验密切关联，其发展相对地滞后于产品设计技术。并且装配环 节也是制约生产自动化的主要因素，装配性能的好坏是决定产品能否采用装配自 动化的关键。德国对3 5 5 家公司所作的一项调型4 j 【5 】发现，装配自动化的一个主要 障碍是：通常的产品设计目的不是面向装配的，而过多考虑产品的使用性能和制 造方法，致使产品既装配不便，又难于保证装配质量，从而使产品装配成为制造 过程中最薄弱的环节之一。 面向装配的设计( d f a ) 是实施c e 的关键技术之一。它是通过对产品的可装 配性进行检测，提出优化设计建议，以获得最低装配费用的技术。d f a 要求在产 品的设计阶段，并行考虑全生命周期中的各种与装配有关的设计活动，如零件设 计、装配工艺规划、装配图的生成、公差分析与综合、装配线设计、装配生产与 调度等。 2 江苏大学工程硕士学位论文 d f a 的主要目标是通过产品装配合理化而制造出高质、低价和研制周期短的 产品，以增加产品在市场上的竞争能力影响装配合理化的因素很多，最根本的 因素是产品的设计实现装配合理化的主要方法是通过在产品设计的不同阶段中， 考虑产品系列及变型以及产品结构和零部件的几何特征对装配效率、总的装配时 间、装配成本、劳动生产率和装配系统利用率的综合影响，从而使得产品设计是 面向装配优化的设计。 作为一种评估工具，d f a 从装配角度评估产品的设计，并及时提供改进的反 馈信息。d f a 可以帮助设计者了解他们的决定对产品装配性的影响，从而改进和 完善产品设计。d f a 要求在产品的设计阶段就全面考虑产品的装配约束问题，以 减少装配过程中可能发生的不利因素，从而保证产品零部件能进行高效的自动化 装配。 虚拟装配是对d f a 的继承与发展。它主要是通过将产品装配信息加入到产品 设计与工艺设计中，在计算机上对产品模型进行描述和可视化数字预装配，通过仿 真模拟手段分析产品模型，评估装配工艺，优化产品设计和装配工艺过程，及时发 现与设计有关的潜在问题，最终做出正确的与装配有关的工程决策。 1 3 虚拟装配的作用 自9 0 年代以来，虚拟产品开发( v p d ) 潜在的优势开始受到关注，被视为唯 一可对企业经营环境进行有效控制和大幅度改善的技术 6 1 。 虚拟产品开发是一个全新的概念，它以群组协调的工作方式，为工程师提供 了从产品概念的构想、设计到制造全过程的三维可视及交互环境，在计算机上实 现产品开发的全过程，同时可对产品进行结构设计、性能分析、工艺规划、加工 制造、质量检验，并进行质量控制与管理，通过计算机仿真虚拟环境来验证产品 的功能，性能及可加工性等方面可能存在的问题，从而达到优化产品设计，提高 产品的开发效率，降低产品开发成本的目的。 虚拟产品开发能够帮助我们在产品开发的早期就可以在计算机上详细地、全 面地描述产品的全部特征，其中包括产品概念设计、外部形状、工程图纸、技术 报告、审批记录、测试结果、加工程序、维护手册及市场宣传等数字信息忉【钔 9 1 。 虚拟产品开发包括以下主要内容： ( 1 ) 参数化特征设计：在产品设计过程中，从产品的构思到加t 工艺的制定， 是一个逐步细化的描述过程，对象特征的参数化描述，是完成产品设计的基础。 特征可通过三类属性来描述：确定的几何尺寸参数、静态的工艺属性和工艺边界 条件。v p d 中的参数化设计包括实体造型、约束关系，过程控制等。 3 江苏大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 设计分析与评价：通过计算机专用软件程序，对所定义的零件、装配关 系以及强度、重量、变形、应力状态等进行验算，并对设计进行优化，对设计的 结果进行分析评价，从而优化产品设计。 ( 3 ) 产品数据库管理：建立产品的数据模型，实现文档管理、产品结构与配 套管理、产品设计与制造流程管理、工程数据库和管理数据库的数据交换，实现 技术信息和管理信息的集成。 虚拟装配的主要思想是指从产品设计阶段就要将制造和装配因素考虑进去， 以减少制造费用，降低产品成本。在产品设计过程中，利用各种技术手段如分析、 评价、规划、仿真等充分考虑产品的装配环节以及与其相关的各种因素的综合影 响，在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构，使设计出来的产品具 有良好的可装配性，并尽可能降低装配成本和产品制造费用。 因此，虚拟装配的主要作用大体上可归纳为以下几个方面0 0 l ： ( 1 ) 装配设计的合理化指导从便于装配的角度实施设计活动，使产品一设 计出来就具有较好的可装配性。在确保产品零部件能够装配到位的同时，保证产 品装配易实现、成本低。 ( 2 ) 装配性能的系统化分析全面考虑影响产品装配的各种因素，对产品的 可装配性进行系统化的技术经济分析，以发掘设计缺陷，从而精简产品结构。改 善可装配性。产品的可装配性通过虚拟装配分析得到，无须付出昂贵的代价。 ( 3 ) 装配性能的可行性验证技术人员可在虚拟环境中对装配体进行静态与 动态分析，有利于提高产品的可装配性和可靠性：并利用虚拟装配系统去分析产 品维护过程中的问题，考虑装配所需工具的安全性、视线以及拆卸空间等。还可 为清洁生产服务；并通过合理安排工艺过程，充分利用装配资源，促进产品装配 工作顺利进行。 ( 4 ) 支持产品并行化设计产品并行化设计是让下游的有关活动尽早融合到 上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计阶段相对并行地考虑。虚拟装配能 在产品设计阶段通过数字化预装配展示并改进产品的可装配性，因而从装配这一 重要侧面反映出产品的并行设计哲理。 ( 5 ) 它是v p d 的支撑工具作为产品制造过程的终极目标，装配是生产过程 中至关重要的活动。虚拟装配是v p d 的重要组成部分，也是其主要实现手段之一。 1 4 虚拟装配的主要研究对象 产品的最终形成是通过若干零部件的装配实现的。装配是按照确定的精度标 准和技术条件，将一组零散的零部件通过合理的装配工艺流程及各种必要的方式 i 4 江苏大学工程硕士学位论文 连接组合起来的过程 i l l 。从产品形成的技术角度出发，最有可能引起产品返工的 三个方面是：可制造性、可装配性以及工作性能，其中可装配性就是产品及其装 配元件容易装配的能力和特性。一般就手工装配而言，虚拟装配所研究的影响可 装配性的因素主要体现在三方面 1 2 1 ：产品零部件结构、装配工艺和装配资源。 在满足产品功能的前提下，装配过程仿真与数字化预装配、装配工艺规划等 共同从不同侧面对产品结构设计的装配性能进行分析，以检验产品结构设计的可 装配性，从而避免因产品装配问题而进行产品再设计。 虚拟装配作为虚拟产品开发( v p d ) 中的关键技术之一。它主要研究产品的 可装配性。虚拟装配是在产品设计阶段通过实施数字化预装配，以可视化方式评 价、展示和改进产品的可装配性，规划并验证产品的装配工艺过程的一门技术。 它借助于计算机图形学和动态仿真技术实现这一虚拟的装配过程。虚拟装配实际 上是许多门技术的综合利用，如可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造 技术等等。虚拟装配可为动态联盟背景下产品的协同装配设计提供关键技术和支 持工具。 1 5 虚拟装配的研究现状 虚拟装配技术以其能缩短产品研发周期、降低成本、提高产品质量的优势而 成为国内外制造业实施c i m s 研究和应用热点。虚拟装配主要是利用计算机图形 学和仿真技术来模拟装配过程，随着计算机软硬件的迅猛发展，虚拟装配及其相 关技术研究和探索得到不断深入，在国内外的研究已蓬勃展开，许多学者结合实 际工程应用对虚拟装配的发展作了大量的研究，反映了虚拟装配的发展趋势： ( 1 ) 并行化虚拟装配与装配工艺规划、装配系统规划等在设计过程与管理 过程中的集成是并行化的前提，而产品设计过程管理与产品数据管理是实现并行 化的途径。产品设计利用虚拟装配系统的分析评价手段来考虑装配问题体现出了 并行化思想，在产品设计、制造过程中充分体现并行运行机制，使d f a 能够与计 算机辅助设计( c a d ) 实现信息共享，进而实现c a d d f a c a a p p ( 计算机辅助 装配工艺规划) 的集成； ( 2 ) 拟实化装配中的拟实( v r ) 是在虚拟制造( v m ) 研究基础上产生的， 是先进输入输出设备支持下计算机3 d 图形的自然延伸，它为v m 提供了生动形 象的验证和实现手段。 虚拟装配的表现模式分为两类：增强可视化的虚拟装配和基于虚拟现实的虚 拟装配。基于虚拟现实的虚拟装配系统完全建立在虚拟环境基础上，需要各种昂 贵的输入输出设备，不便于深入和推广应用。而可视化的虚拟装配系统由于可利 用现行的c a d 系统进行建模，具有继承性，成本低，在企业中具有较开阔的应用 5 1 7 论文的研究意义 1 7 1 企业实施虚拟装配技术的必要性 制造业是国民经济的支柱产业，国内生产总值的2 0 - - 5 5 应归功于制造业。 在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用约占6 0 ”“。我国加入w t o 后， 机械制造业承受的国际市场压力越来越大，既充满机遇，又面临挑战，竞争日益 激烈。采用现代设计技术对传统的产品研发过程进行改造就成为提高企业竞争力 的重要手段。 虚拟装配技术的应用将给产品的装配设计带来新的思路。虚拟装配技术应用 于可装配性设计，大大避免了因设计不合理而导致制造和装配失败的情况，另外 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 人们开始在计算机上进行装配工艺规划与仿真以获取较佳的装配工艺方案。装配 工艺过程能否实现是衡量可装配性最为直接的指标，装配工艺过程的有效验证与 完善是企业当前解决产品可装配性更为迫切的问题。如何有效提高装配效率、降 低产品装配费用，并通过虚拟装配支持系统确保产品装配无干涉，通过装配过程 与干涉检查的可视化手段来增强产品设计的可信度，从而提高产品设计开发效率， 提高市场竞争力，值得我们研究与探讨。 1 7 2 目前我企业的生产现状及采取的对策 第一拖拉机集团公司是我国第一个生产制造拖拉机的企业。它的诞生使我国 亿万农民“耕地不用牛”的梦想变成了现实。然而，8 0 年代后期，一拖公司曾一 度因为国家产业结构的调整以及设备老化、产品和资金断档等原因而陷入困境。 后来，一拖公司通过国际著名的咨询公司柯尔尼公司进行有效咨询与论证， 对大轮拖、汽车、工程机械、零部件等各个板块进行资源整合，使它们各自的优 势和潜能得以充分发挥，最终成为一拖公司新的经济增长点，打破了过去单一的 以履带式拖拉机为主体的产品格局。从而完成了以产品更新换代为内容的换型改 造工程。另外，h 股的成功上市，也为一拖公司提供了新的发展机遇，使其插上 了腾飞的翅膀。 一拖公司第一铸铁厂是拖拉机零部件铸造生产的一个专业厂，在走过了四十 余年的风雨历程、承载了诸多耀眼的光环和辉煌的业绩之后，这个曾经是中国生 产规模较大的现代化铸造厂，在2 0 世纪9 0 年代末期，由于设备陈旧老化、产品 品种单一加之农机市场需求的严重萎缩以及拖拉机市场格局的变化，使公司主 导产品东方红牌履带式拖拉机产量锐减，由年产2 0 0 0 0 台减少到不足7 0 0 0 台年。作为给主机厂配套的零部件生产企业，一铁厂刹时处于无活可于的尴尬局 面。在残酷的市场面前，一铁人面临着痛苦的抉择只有走市场化道路，寻找 适销对路产品，才是一铁人唯一正确的选择。一铁人经过充分的调研论证，把眼 光锁定在了汽车零部件的生产上。他们决定首先拿下结构复杂、技术含量高、附 加值大的汽车发动机缸体这块硬骨头。 大家都知道，汽车的历史已有百年，现在全世界有6 亿7 千万辆汽车还在服 役之中，而且全球汽车保有量增加势头未减。中国是极具发展潜力的汽车大市场， 是世界上最大、最具潜力的汽车市场。汽车制造业也是铸件的需求大户，全世界 铸件的最大买主是汽车制造业。据不完全统计，1 9 9 8 年，我国汽车铸铁件的产量 就达到7 0 万吨，汽车铸铝件的产量约为8 万吨。 然而，汽车铸件比传统产业的铸件当然要复杂得多，质量要求也较高，供货 节拍较快。它要求采用具有一定水平的较高生产率的铸造设备，设施，资金的投 入也较大。由于汽车自重每减少1 0 ，其油耗可减少5 5 ，排放可减少1 0 因 7 江苏大学工程硕士学位论文 此汽车业对铸件的要求自然也越来越高，为达到减轻汽车自重的且地，要求汽车 铸件必须轻量化、薄壁化、精确化、强韧化。对汽车铸件的“四化”要求，也使 得汽车铸铁件的铸造工艺水平、设备与模具水平以及铸造原、辅材料水平的提高， 都面临着巨大的压力。 大家都知道，汽车上最重要、最复杂的铸件位于汽车的“心脏”一发动机 上，它就是汽车发动机汽缸体。为防止汽车有j l 脏病”，发动机上的主要铸件的 质量要求极为苛刻。缸体作为发动机上最大、最复杂的铸件，不仅要求材质好， 而且还要求尺寸精度高、表面光滑、重量轻。有的汽缸体壁厚最薄处往往还不到 3 m m ，大多采用高强度灰铸铁铸造。因此，要求汽车缸体零件必须要具有高的强 度、良好的刚度，抗震性，耐磨性、耐热性和气密性，且零件毛胚不应有裂纹、 冷隔、疏松、气孔、砂眼、粘砂等铸造缺陷。 目前汽车发动机用缸体一般可分为两类：湿式缸体和干式缸体。湿式缸体使用 时要在缸孔里镶入缸套，在缸套和零件之间形成水套；而干式缸体的水套是直接靠 铸件形成的，而且水套环绕缸孔一周，这就使得干式缸体的铸造工艺相当复杂，缸 体的内腔要靠许多芯子共同形成，而且必须先将这些芯子组装到一起才能下入型腔。 干式缸体的水循环系统结构复杂。有的地方空隙很小，最薄的地方只有大约 2 毫米，这对芯子质量的要求更高，既要保证尺寸精度和足够的强度，又要严格 保证芯子组装时的位置关系。水套芯在设计时还要研究它的热蠕变性。蠕变性是 指物体在受热的情况下体积产生一定膨胀变化的特性。在这种情况下，水套芯与 其它芯子的配合间隙就显得尤为重要了，因为必须让它在铁水浇注热膨胀时有足 够的空间释放，否则水套芯就会受力破碎，造成铸件报废。在设计整套芯子时， 还要研究芯子之间的定位关系及组装顺序，如果顺序错了，芯子就无法全部组装 到位。芯子之间的定位主要是通过芯头来实现，芯头的形状和尺寸是保证芯子之 间定位是否准确的关键。相互配合的芯头之间必须留有一定的配合间隙，冷芯盒 和热芯盒制芯一般间隙在o 2 m m o 5 m m 之间，这样可以保证芯子在组装过程中 不被挤坏，而且不至于使芯子位移过大而导致铸件结构发生大的变化。 正是由于汽车零件的重要性和汽车发动机缸体的复杂性及特殊性，一铁厂在 接手生产汽车缸体铸件时，一度因为产品质量不稳定，废品率居高不下，严重影 响到交货期。造成这种状况固然有生产组织和管理方面的原因，但最突出的却体 现在产品的结构设计和装配环节。 汽车缸体是一种结构复杂的零件，它的设计既特殊又有规律可遵循，要考虑 的因素也比较多。汽车缸体的设计相对于拖拉机缸体而言，要求自然要高得多。 缸体在铸造时其坭芯体中各个芯子之间的相互位置必须绝对保证，否则就会引起 缸体的结构发生变化，比如缸体上各个孔之间的相互位置、铸件局部的壁厚等， 严重的还有可能会发生壁穿透现象，而使铸件报废。这是因为缸体的内腔( 指内 8 江苏大学工程硕士学位论文 部形状) 主要是靠芯子的外形来保证的，特殊情况甚至缸体的内腔和外形都要依 靠芯子才能做出。各个芯子之间的相互位置靠各个芯子之间芯头的配合来保证， 既要留足够的配合间隙让芯子能组装到一起，又要求配合间隙不能太大，否则定 位不准，芯子之间的相互位置也就无法得到有效的保证。 在设计缸体铸件时，必须先进行铸造工艺设计，首先要考虑这个铸件在砂箱 里怎么放置，哪个面朝上哪个面朝下。一般来说较大的平面要朝下，这样可以避 免在大平面上出现铸造缺陷，比如气孔、砂孔、渣孔，结疤等。如果大平面朝上， 渣子、气体、砂子较轻就会浮到上部造成上述缺陷。另外，上平面往往也会由于 长时间被铁水烘烤而产生结疤缺陷。确定了铸件在砂箱里的大体位置后，下一步 就考虑零件的整体结构，哪个部位可以用外模形成，哪些结构必须由芯子形成， 由芯子形成的结构是由一个芯子就可以完成，还是需要几个芯子共同完成，而且 这几个芯子是一个一个按照一定顺序下到型腔里，还是需要组装成一个组合芯共 同下到型腔里，这主要是根据零件的结构来决定的。如果需要芯子形成的结构是 由几块结构通过小部分的透孔来连接起来的，那么它就需要几个芯子来共同形成 它的结构；如果芯子形成的结构之间存在包围与被包围的关系，那么这几个芯子 就需要组装到一起共同下入型腔。 芯子是铸件赖以形成的支柱，它在铸件生产过程中扮演着极其重要的角色， 也是铸件生产中最为关键的环节。因此，在设计铸件芯子时，必须综合考虑芯子 的脱模问题以及与其它芯子或外模之间的相互配合问题、铸件浇冒口留在哪个方 向便于清理的问题、芯盒怎样设计才有利于芯子紧实的问题等等芯子设计一旦 出现纰漏，就会给芯子组装及铸件生产带来严重后果。我厂就曾经发生过由于芯 子结构设计疏忽而导致芯子装配错误，结果造成铸件大量报废的现象，给企业造 成了重大的经济损失。 图i - i ( i ) 4 g 5 4 汽缸体铸件零件图 9 江苏大学工程硕士学位论文 图i - 1 ( 2 ) 4 0 5 4 汽缸体零件三维图 4 0 5 4 汽缸体是我厂为某汽车厂新开发的一款发动机配套生产的4 缸缸体( 如 图1 1 所示) ，它是一种干式缸体，体积小，壁厚较簿( 最薄处大约4 毫米) ，结 构紧凑，内腔和外在质量要求严格。为了达到技术要求，整个铸件全部用芯子包 裹浇注形成。芯子均要求在冷、热芯盒制芯机上制造。这样一方面有利于保证铸 件结构尺寸，另一方面有利于保证铸件表面质量。由于它是干式缸体，水套要靠 铸件直接形成，而且前后端面外形结构比较复杂，要先将形成四个缸的主体芯和 水套芯以及形成前后端面的两个侧板芯事先在操作台上先行定位，待组装好后用 两根穿丝把它们固定在一起，然后把它放到底座芯上一起下入型腔中，再将平衡 轴芯与它们进行装配，最后把盖板芯与底座芯等装配在一起，合箱后就可进行缸 体铸件浇注了。 4 0 5 4 缸体的主体芯是靠穿丝固定在一起，在芯子的组装过程中还要注意以下 几个方面： 1 、芯子没有吹实的地方( 不形成铸件结构和对浇注没有影响的地方除外) 一 定要修实，并符合原几何形状，否则就会形成粘砂、多肉、砂孑l 等缺陷，严重的 会使铸件报废。 2 、芯子上的毛刺要刮干净，如果不刮干净，毛刺会在铸件上形成小的缝隙， 这是造成铸件裂纹的一个主要原因。 3 、芯子和浇注系统内的浮砂要吹干净，不能有活动的砂块，否则就会产生砂 孔。 4 、芯子上的排气道要保证畅通，以避免气孔的产生。 5 、各个芯子组合到一起后要用穿丝将其固定，穿丝要上紧，确保各个芯子之 间配合紧密。如果各个主体芯之间配合不好，就会造成各个缸孔之间的位置尺寸 发生变化。 l o 江苏大学工程硕士学位论文 6 、芯子的组装，由于它受到芯子结构设计的合理性、工作场地、工装设备、 操作人员素质水平等综合因素的影响，极易发生芯子组装困难甚至芯子装配失败 的现象。 所以说，缸体铸件中芯子的设计是一项极为复杂的工作，要综合考虑材料、 设备、工装、装配操作人员以及装配场地等因素。设计阶段一旦出现疏忽和毗漏， 就会使得现场工艺技术人员不停地做出设计改进，频繁地下工艺更改通知单。因 为企业目前还没有很好、很有效的手段可以提前来验证芯子结构设计的合理性以 及芯子组装过程中各种不确定因素的综合影响。 通过上述分析我们不难看出：对于零件的结构设计，我们可以借助于c a d 等相关软件来完成，但是在举足轻重的装配环节却只能靠实践经验的积累去实现， 而这往往会付出惨痛的代价与昂贵的学费，也势必会给企业的生产经营造成许多 负面影响，已成为企业发展的绊脚石。因此，急需引入一种全新的设计方法和设 计理念来规范企业的设计行为，合理配置企业的系统资源，为企业增添新的生机 与活力，使企业效益达到最大化。 一 所以，虚拟装配作为本论文的研究方向，其现实意义就在于通过引入先进的 虚拟装配技术，改变传统的产品设计观念，改善目前企业的装配工艺现状： ( 1 ) c a d 在产品设计和制造领域的广泛应用极大地拓宽了人们的设计思 路，减少了工作量。但是零件设计纰漏问题只有等到进入装配生产阶段才会发现， 不得不频繁更改设计，延长了产品的设计开发周期： ( 2 ) 产品设计方案不能直观进行展示，无法实现产品的协同设计，也无法有 效验证装配工艺规划结果的可行性与合理性； ( 3 ) 全人工进行装配工艺方案的选择与工艺路线的制定，标准化程度低，工 艺集成性差，水平参差不齐，使装配工艺的评价与优化工作难以进行。 1 8 论文的主要研究内容 作为当今制造业提高产品装配技术水平、增强竞争力的有效途径之一，虚拟 装配的发展潜力巨大，其研究与应用几乎涵盖产品开发过程中与装配相关的所有 环节。论文作为起步阶段的研究、探索，从虚拟装配系统需求出发，结合企业生 产装配的实例，建立了产品的三维实体数字化模型，并以虚拟装配为手段，在产 品设计阶段分析产品的可装配性问题，验证装配工艺规划结果，改进与完善了产 品的装配工艺，直观地展示产品的实际装配过程，最后，还自动生成了对实际生 产具有指导作用的产品装配工艺卡片。论文的主要研究内容： 江苏大学工程硕士学住论文 ( 1 ) 装配信息建模： ( 2 ) 装配工艺规划技术； ( 3 ) 装配仿真技术： ( 4 ) 装配工艺卡片自动生成技术： ( 5 ) 装配过程中的干涉检查算法： ( 6 ) 虚拟装配支持系统的应用研究一实例验证。 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第二章产品装配信息建模 装配信息模型是一种集成化的产品信息模型，它支持产品设计中与装配有关 的活动和过程，并能有效存取所需的各种信息。装配信息模型贯穿于产品设计的 全过程，是实现产品信息共享和设计参数有效传递的关键环节。产品装配信息建 模的目的在于：通过建立产品完备的装配信息模型，既保证虚拟装配系统能全面 支持产品的设计过程，又为装配自动化和装配工艺规划以及产品可装配性的分析 与评价等提供信息源和支持手段。因此，研究产品设计过程中装配信息建模技术 具有重要意义。 2 2 装配信息模型 2 2 1 装配层次结构模型 装配模型涉及装配信息以及信息集成所形成的结构化模型两方面的因素。装 配信息体现了三种关系：接触关系、附属关系和装配尺寸关系。接触关系定义了 两相互接触零件表面的运动约束；附属关系用于确定接触关系，它表明附属介质 的种类，并使接触关系保持严格接触；装配尺寸表明两几何元素之间的非接触约 束。装配模型实际上是一组功能零件经过一系列装配操作形成的具有明确位置关 系的零件模型的有机组合，它通过描述装配体中不同元件之间的层次关系、约束 关系等多种装配信息，实现对装配总体的抽象描述。 机械产品是由具有层次关系的零部件组成。人们在进行装配时，通常是将具 有紧密装配连接关系，装配后在整个产品中具有相应功能的零件先行装配在一起， 然后再将各有关零部件装配成产品。图2 - 1 为装配层次结构模型示意图。 图2 - l装配层次结构模型示意图 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 l e e 和g o s s a r d 1 4 】使用一种层次化的树形结构来表现装配，并引入虚键( v l ) 概念。在其树形结构中，虚键节点用来表示零件或子装配之间的相关信息，这些 信息描述了装配特征之间的几何连接条件和工艺约束关系，利用它们可以直接得 到所需的转换矩阵，通过计算可以检查零件间的干涉碰撞。e a s t m a n t b l 提出的定位 图( l g ) 本质上是使用树形结构来建立零部件之间的相对位置关系。在定位图( l g ) 中根节点是装配体的基零件，弧则用来表示零件相对位置的转换矩阵。高飞等人【1 6 】 也对虚键表示法进行了探讨，并提出了改进方案。张申生等人1 1 7 1 提出基于设计过 程，通过对产品及零部件进行编码的方式来实现装配层次关系的描述，并以装配 关系矩阵记录零部件的位置关系、配合关系、联接关系和运动约束关系。 装配层次结构表示法体现了实际形成装配体时的装配顺序，同时也表达了装 配体、子装配体及零件之间的