虚拟装配技术在大尺寸内孔键槽对程度测量仪开发中的研究与应用.pdf

趋测与控制 机械研究与应用 虚拟装配技术在大尺寸内孑 L 键槽对程度测量仪 开发 中的研究与应用 罗文翠 王玉虎 唐林虎 王琚 1 兰州工业高等专科学校 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 2 兰石 国民油井工程公 司 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 摘要 大尺寸 内孔键 槽对程度测量仪由主 副测头两部分组成 通过主测 头上安 装数 显仪 直接显示数据 方便快捷 测量精度高 消除了常规测量的累积误差 大大提高了准确性 而且该测量仪径向尺寸可调 增大了测量范 围 利用了P ro E环境下自顶向下的虚拟装配技术 不仅建立了测量仪三维实体模型 而且实现 了测量仪虚 拟装配及运动仿真 在产品设计阶段就消除了各种不足和缺陷 实现了快速设计与优化 简化了设计开发过 程 缩短了研制周期 降低开发费用 获得最优化和创新的设计产品 关键词 内孔键槽对程度测量仪 虚拟装配技术 仿真模型 4 L 化设计 中图分类号 T H 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 4 1 4 2 0 1 0 0 5 0 1 0 4 0 3 Ap pl ica t io n o f v ir t ua l a s s e m b l y t e ch no l o g y in de v e l o p m e nt o f l a r g e bo r e k e y wa y s ymme t r y m e a s ur in g in s t r u m e nt L u o We n cu i Wa n g Yu h u T a n g L i n h u Wa n g J u n 1 T h e m e ch a n i ca l e n g i n e e r i n g d e p a r t m e n t o f L a n z h o u h i g h e r p o l y t e ch n i cal co l l e g e L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 C h in a 2 L a n z h o u L S n a t i o n a l o i l w e l l e n gi n e e rin g co m p a n y L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 C h i n a Ab s t r a ct T h e r e a r e t w o co mp o n e n t s o f a l a r g e s iz e b o r e k e y wa y s y mme t r y me a s u r in g in s t r u me n t o n e is ma in p r o b e t h e o t h e r is v ice p r o b e T h e d a t a s h o w e d o n t h e d ig it a l d is p l a y I n s t r u me n t w h ich in s t a l l e d o n t h e ma in p r o b e Th is me t h o d is co n v e n ie n t h is h a ccu r a cy a n d t h e a ccu mu l a t e d e r r o r o f co n v e n t io n a l me a s u r e me n t is e l imin a t e d t h u s the a ccu r a cy is in cr e a s e d g r e a t l y t h e r a d i a l s i z e o f t h is i n s t r u m e n t i s a d j u s t a b l e t h u s t h e m e asu r in g r a n g e i s i n cre a s e d B y u s e o f t o p d o w n v ir t u al 8 s s e mb l y t e ch n o l o g y in P r o E e n v ir o n me n t a t h r e e d ime n s io n a l s o l id mo d e l is e s t a b l is h e d a n d v ir t u al ass e mb l y a n d mo ti o n s i mula t io n o f a me asu r in g i n s t r u me n t i s a ch i e v e d T h u s a l l k i n d s o f s h o r t co mi n g s a n d d e fi cie n ci e s i n t h e p r o d u ct d e s ig n s t a g e is e l imin a t e d t h e r a p id d e s ig n a n d o p t imiz a t io n is a ch ie v e d t h e d e s ig n a n d d e v e l o p me n t p r o ce s s is s imp l ifl e d t h e d e v e l o p me n t cy cl e an d d e v e l o p me n t C O S T S is r e d u ce d t h e o p t imiz e d a n d in n o v a t iv e d e s ig n s is o b t a in e d Ke y wo r d s s iz e bo r e k e y wa y s y mme t ry me a s u ri n g in s t rume n t v ir t u al a s s e mb l y t e ch n o l o gy s imula t io n mo d e l o p ti miz a ti o n d e s ign 1 引 言 键槽对孑 L 中心 的不对称会严重影响键受载的均 匀性及装拆的难易程度 一般键槽对孑 L 中心均有较高 的对称度要求 传统的内孔键槽对称度测量 一般将 平尺紧贴在键槽一侧面 测出平尺与孔壁间的最大尺 寸 然后用同样的方法测量键槽 的另一侧面 两次读 数相减除 2 即为键槽对孔中心的对称度偏差 这种 测量方法累积误差较大 准确度低 且较为麻烦 另 外 也有用键槽样板直接测量内孔键槽对称度 的 这 种测量方法适合小尺寸 一个样板只能测量一种规格 的键槽 而且精度取决 于样板及孔 的加工精度 样板 制造成本较高 对大尺寸 内孔键槽对称度测量难度 较大 因此 我们设计了数字式大尺寸内孑 L 键槽对程 度测量仪 在键槽对称度测量仪的设计开发过程中 采用 了 虚拟装配技术 传统的设计都是基于二维的 往往要 经历 设计图纸 一 制作样机 一 修改图纸 一 成功制造 试验样机 一大批量投产 的开发过程 开发周期长 且成本高 因此无法满足快速多变的市场需求 随着 现代社会的的发展和三维技术的日 趋完善 传统设计 已不能适应当代的要求 虚拟装配技术是利用计算 机工具 在产品的设计阶段就可以实时并行的模拟出 产品设计的全过程 通过计算机模拟虚拟样机 经过 分析 预建模 可视化进行装配 根据产品设计的形状 特征和精度要 求 真实 的模 拟产 品三维装 配过 程 P r o E软件中的机构模块 Me ch a n is m 能够对设计进 行运动仿真显示 运动干涉检查 运动轨迹 位移 速 度和加速度计算等 项 目 新型数字式内孔键槽对称度精密测量仪 0 4 1 2 B 一 0 3 收稿 日期 2 01 0 0 9 0 3 作者简介 罗文翠 1 9 6 9一 女 甘肃靖远人 副教授 研究方 向 结构设计 和优化设计 l 04 机械研究与应用 在内孔键槽对称度测量仪 的设计 阶段 利用 P m E的虚拟装配和运动仿真技术 对整个系统进行 分析 及时发现并修改设计 中的不足和缺陷 直至获 得最优设计方案后 再制做出物理样机 这样不但加 快了产品开发进度 也减少 了产 品开发费用 和成本 从而获得最优化的设计产品 2 键槽对称度测量仪 的工作原理 数字式大尺寸 内孔键槽对称度测量仪 的结构设 计如图 1 所示 由主 副测头两部分组成 其副测头 座上有 固定 活动测头各一个 在测量时 调节螺杆使 活动测头在燕尾 内移动 与键槽两侧 面贴合 并 由锁 紧螺母锁紧 然后调节顶杆使其头部对中且与孔壁贴 紧 其主测头上安装数显仪 调节主测头微条机构 并沿导柱上下移动 主测头 使数显仪显示数据最大 依此法测量工件 的另一面 记下此时的最大读数 然 后将两次读数相减除 2 即为键槽对孔 中心的对称度 偏差 该测量仪径向尺寸可调 增大了测量范 围 对 于同一键槽宽度而不同规格孔径的键槽 可通过顶杆 和主测头的螺纹副进行调节 键槽宽度可通过调节 螺杆使活动测头在燕尾 内左右移动调节 如被测键 槽 的规格较多 可以做不同规格的副测头 顶杆 及主 测头连接部分 该测量仪调节装置采用细牙螺纹联 接 提高 了微调时 的稳定 性 这种测量方法 方便快 捷 测量精度高 消除了常规 测量的累积误差 提高 了准 确性 而且该测量仪径向尺 寸可调 增大了测量范围 图1 结构分解图 3 虚拟装配技术在键槽对程度测量仪开发中 的应用 3 1 研究 目标 设计以 P r o E软件为设计平台 利用虚拟装配技 术制作出符合要求的虚拟样机 以仿真模型代替了物 理样机 通过虚拟装 配技术对其进行整体分析和干 涉检查 及时发现和修改设计缺陷 确保设计精度 缩 短了产品的开发周期 降低了产品的成本 提高了产 品的市场竞争力 通过研究 希望达到以下目标 键槽对程度测量仪实现面向装配的设计 确保设计精 度 为下一步开发研制提供 实施方法和理论支持 实 现缩短产品的开发周期 降低产 品的成本 提高产 品 质量 键槽对称度测量仪零件实现三维实体造型 实现无纸化设计制造系统 实现统一的数据管理 达到产品的设计数据共享 应用虚拟装配技术实现 设计 装配 仿真 修改同步进行 实现自顶向下的装 配技术 趋测与控制 3 2 设计过程 虚拟装配设计过程分如下 3个 阶段 1 总体设计阶段总体设计阶段是产品研制 的初级阶段 完成初步的总体布局 根据产品的设计 要求 进行产品的结构和系统的总体布局 2 装配设计阶段装配设计阶段是产 品开发 的主要阶段 完成产品所有零部件的模型设计 包括 产品装配区域 装配层次的划分 建立装 配约束和三 维实体造型 3 详细设计阶段详细设计 阶段是产 品的完 善阶段 完成产品模型的最终设计 在该阶段进行产 品的计算机装配 进行仿真分析 进行静 动态干涉检 查 保证产品准确无误 3 3 键槽对称度测量仪的虚拟装配技术 键槽对称度测量仪精度要求高 结构复杂 如果 零件精度和位置尺寸设计不当 就会影响到整体性能 和测量精度 在键槽对程度测量仪设计研制过程中 虚拟装配技术的实现途径如下 1 总体设计阶段在总体设计 阶段 根据键槽 对称度测量仪的设计要求和总体设计参数 确定整体 尺寸和大致外形 建立主模型空间 2 装配设计阶段在装配设计阶段 先完成键 槽对称度测量仪的结构设计 系统零件的三维实体设 计 再确定装配基准 装配层次 装配约束 这里按照 设计逻辑依 附关 系确定装 配区域 分 为主测头装 配 体 副侧头装配体 每一个子装配体又由下一级 的子 装配体和零件组成 这样一级一级设计 出测量仪所有 零部件模型的设计 如图 2所示 3 详细设计 阶段在详细设计阶段 中 在保证 所有零件无干涉和运动协调时 完成键槽对称度测量 仪所有零件的设计工作 如图 3所示 图2 装配体图 图3 结构装配图 4 键槽对称度测量仪的虚拟装配的关键环节 4 1 建立主模型 划分装配层次 在满足设计要求 的前提下 建立主模型 按照设 计逻辑依附关系划分划分装配区域 4 2 统一的数据管理 为了便于设计数据 的管理 所有信息都存储在统 1 05 趋测与控制 机械研 究与应用 一 的数据库中 由信息管理系统统一管理 使各项设 计数据合理使用 保证顺利实现键槽对程度测量仪自 上向下的设计 4 3 建立设计约束 建立装配模型应能够将产品的功能和设计意图 为设计约束 统一管理 设计者能够随意查询产品的 设计约束模型能够管理所有零部件的形状特征和装 配体特征以及它们之间的约束关系 一旦某个形状特 征或装配特征发生变化 模型能够根据设计约束关系 将与变化特征相关的所有特征改变 从而保证整体设 计 的一致性 在三维设计软件中 P r o E n g i n e e r 软件 能够提供强大的设计约束的建立与编辑功能 被广泛 用于产品开发中 J 4 4 进行装配仿真 虚拟装配的过程 中 对装配体中的零部件的空间 位置沿其装配路径连续的进行操作 并将该过程以动 画的形式表示出来 以检查零部件在其运动轨迹上与 装配环境的干涉碰撞情况 对测量仪进行运动学仿 真 模拟实际相对运动关系 检查有相对运动的构件 问的运动协调情况 最后根据零部件 的干涉和运动 上接第1 0 3页 图4 参数输人界面 一 图5 椭圆齿轮三维模型 图6 三阶椭圆齿轮三维模型 4 结语 在 S o l id Wo r k s 环境下 利用 V B 6 0良好的界面 1 0 6 结果 修改完善原设计参数 在确保无干涉后 单击 动画 对话框的 捕获 按钮 便可以获得运动仿真 的视频文件 5 结论 在 P r o E n g i n e e r 软件环境下 利用自上向下的虚 拟装配技术 完成了键槽对称度测量仪各零部件和装 配体三维实体模型 实现了虚拟装配和运动仿真 并 进行 了干涉和碰撞检查 获得最优化结果 制造了实 物样机 通过样机测试试验 测量精度高 消除了常 规测量的累积误差 大大提高了准确性 而且该测量 仪径向尺寸可调 增大了测量范围 降低了成本 参考文献 1 赵晓 应用经纬仪法测定窖简体中心线 J 四川水泥 2 0 0 0 3 1 9 2 1 2 罗中华 最优化方法及其在机械行业中的应用 M 北京 电子 工业出版社 2 0 0 8 3 韩玉龙 P ro E N G I N E E R w i l d fir e 3 0装配与产品设计教程 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 6 4 王成 王效岳 虚拟样机技术及 A D AMS J 机械工程 与 自动 化 2 0 0 4 6 6 6 6 8 设计功能和计算能力对 S o l id Wo