毕业论文全铝散热器水箱新芯体装配机

毕业论文全铝散热器水箱新芯体装配机 前言 换热器作为工艺过程必不可少的单元设备广泛地应用于石油、化工、动力、冶金、船舶、制冷、空调等国民经济许多领域以及国防工程中，换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备，所以 自主设计一个高效自动化 的散热器 加工设备有着非常重要的意义 。 CAD/CAE技术已成为现代科学技术不可缺少的重要工具，在换热器设计领域中，它也逐渐取代手工算法而成为一种十分重要的手段和工具。 最优化技术是伴随计算机技术的发展而出现的一种数学算法并且广泛应用于工程实践中，最优化实际上是多方案计 算的发展和系统化、规律化，最优化设计可达到经济效果最优或安全、可靠等项标准。 虚拟制造技术 以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。 本文在讨论了虚拟制造技术的背景、发展趋势、应用和意义的基础上，以Pro/e 软件为平台，对散热器水箱芯体装配机进行虚拟建模、装配与仿真，并 对设计 进行了优化 ，使装置设计的更合理。 1 虚拟制造技术 1.1 虚拟制造产生的背景 随着经济的全球化和社会的信息化 ， 市场竞争日益激烈，顾客需求日趋多样化 ， 制造企业为了在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须解决 TQCS难题，即以最快的上市度 、 最好的质量 、 最低的成本 、 和最优的服务来满足不同顾客的需求 ， 面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生 产做出合理的调整与重新规划 。 基于这些因素 ， 20世纪 90年代中有许多新概念 、 新观点应运而生，虚拟制造就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式 。 虚拟制造的出现尽管只有短短的几年时间 ， 但它对制造业的革命性的影响却很快地显示出来 。 而且 它 已成为科技界和企业界的研究热点之 一， 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现 ， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术 ， 在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作 ， 实现产品设计、工艺规划 、 加工制造、性能分析 、 质量检验以及企业各级过程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 ， 从而使企业的运作达到全局最优，资源得到合理的配置和利用，提高市场竞争力。虚拟制造使企业的全面集成成为可能，从而 做 为一种 21世纪的新型制造策略和方法正越来越受到工业界和学术界的重视 1。 1.2 国内外发展 情况 虚拟制造技术虽然于 80 年代才刚刚提出来的 ， 但随着计算机技术的迅速发展，在 90 年代得到人们的极大重视而获得迅速发展 。 1983 年美国国家标准局 NEL 发展并提出了 “ 虚拟制造单元 ” 的报告，以更大的柔性完成分析、行程和时序安排、报告和监控等功能 ， 1989 年麻省理工学院的 “ 虚 拟制造 ” 的报告提出了虚拟制造在产品概念设计和性能早期评价方面的优势 ， 1993 年爱荷华大学的报告 “ 制造技术的虚拟环境 ” 提出了建立支持虚拟制造的环境包括虚拟制造的评估系统、装配顺序计划和材料去除过程模拟以及离线编程等技术 ， 里海大学的报告则提出了与 CAD CAM、 CIM、 CAPP、快速原型、敏捷制造、柔性制造有关的可制造性等问题 ， 1995 年美国标准与技术研究所的报告 “ 国家先进制造实验台的概念设计计划 ” ，强调分散的、多节点的分散虚拟制造，即虚拟企业的概念，强调企业、政府和大学的联合 ， 美国国家研究委员会的报告 “ 制造中 的信息技术 ” 探讨了产品集成、过程设计、车间控制、虚拟工厂等的信息技术问题 ， 1997 年美国标准与技术研究所的报告 “ 使用 VRML的制造系统建模 ” 则探讨了虚拟现实技术及在网络上的应用 ， 可 见美 国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发 ，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段 ， 例如美国华盛顿大学的虚拟制造技术实验室发展的用于设计和制造的虚拟环境 VEDAM、 用于设计和装配的虚拟环境等 ， 已经初具规模但虚拟制造 做 为一个完整的体系，尚没有进行全面的集成 。 特别应说明的是 ， 虚 拟企业的研究在美国得到政府和企业界的极大关注，研究异常活跃，成为其敏捷制造技术的主要支柱之一 。 欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚拟制造技术研 究，如 虚拟车间、建模与仿真工程等的研究 。 日本在 60 70 年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用 ， 日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特点重视应 用 ， 主 要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究 。 我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内 环境的结合上 ， 这几年我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲，例如：清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究； 北京航空航天大学、北京机械科学研究院等高校和科研机构研制出的仿真软件在汽车零件制造、数控加工等方面也有实际的应用 ； 哈工大、北京机电所、上海交大、南京理工大学等单位也进行了这方面的研究 。 据不完全的调查统计，国内进行虚拟制造技术研究的单位达到了 100家，已经取得了一些可喜的进展 ， 在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等方面的研究都 很活跃 ， 但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段 ， 还没有形成产业化 。 我国的研究多集中于高等院校和少量的研究院所，企业和公司介入的较少 2。 1.3 虚拟制造的概念和作用 1.3.1 虚拟制造的概念 当今先进制造技术的发展给了我们一个赶超发达国家的机会 ， 20 世纪 80 年代提出的虚拟制造技术应处于先进制造技术之首 ， 虚拟制造是虚拟现实技术在制造业中的具体应用 ， 虚拟现实技术是人们在改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中所 作 出的努力中产生的由图形系统及各种接口设备组成，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉以及交互性 操作的计算机技术 。 虚拟制造以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，可以在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能体会或感受到未来产品的性能或制造系统的状 态 ， 从而可以 做 出前瞻性的决策和优化实施方案 。 虚拟现实技术在制造业的应用，产生了虚拟加工、虚拟装配、虚拟设计、虚拟产品以及虚拟研究开发中心、虚拟企业，构成了广义上的虚拟制造含义 。 由于虚拟制造研究的出发点、侧重点以及应用场合等方面的不同，因此存在对虚拟制造各种不同的定义 ， 虚拟制造又称拟实制造，是指利用制造过程的计算机模型和仿真来实现产品的设计和生产的技术，是在 计算机中实现的而不直接消耗物理资源的模拟制造过程。虚拟制造是基于虚拟现实技术而发展起来的，它与精良生产、并行工程、敏捷制造、绿色制造等先进技术有着非常紧密的联系 3。 基于对当前虚拟制造研究的归纳总结和对虚拟制造的研究，我们认为对虚拟制造的定义应该分为 三 个层次： 1） 虚拟制造 做 为一种哲理、一种制造策略，为制造业的发展指明了方向，在制造企业组织管理、产品开发过程、资源、工作机制等诸方面集成基础之上，使其成为一个有机整体，以达到提高整体的运作及全局最优决策的效能和市场竞争力的目的 。 2） 同时，虚拟制造 做 为 一种现代制造环境下的制造理论和方法论，为整个制造企业的产品开发过程提供一种实施虚拟制造的方法，为实现企业的全面集成提供指导原则、实施方法和途径 。 3） 最后，虚拟制造是一种在计算机技术支持下的集成的、虚拟的制造环境 ，虚拟制造是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术 ， 它具有建模和仿真环境，使产品从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应以及财会、采购和管理等一种集成的、综合的制造环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和 优化实施方案 。 1.3.2 虚拟制造的条件 虚拟制造条件 包括以下 三 个核心 ： 1） 数字化的产品和过程建模是以数字化定义产品和过程的能力 ， 其核心是数字化模型，即在物理模型制造出来之前就已经存在的虚拟数字模型 。 2） 客户机 或 服务器方式的计算和通讯使得在不受地域限制的 虚拟产品 开发组内，对信息进行实时采集和分配成为可 能 。 3） 组织和过程的改革 是 为了实现与传统设计方式完全不同的纯数字化的 虚拟产品开发 模式， 它 不可避免地需要对传统企业组织和开发过程进行必要的改革，以取得 虚拟产品开发 的成功 4。 1.3.3 虚拟制造技 术在制造业中的应用 目前 VMT 应用在以下几个方面 ： 1） 在计算机上利用模型和仿真技术完成设计和制作原理样机 ， 从设计方面考虑产品的可加工 性、可维护性、成本计算和经营实践等，使设计结果在多方面达到优化，即 虚拟产品设计 。 2） 应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工艺规划、工装选用、工艺参数确定，加工工艺性 、 装配工艺性及可制造性的评价。通过对产品制造全过程模拟和仿真，实现对产品制造方案的评价和对加工生产过程的优化，进而对制造过程模式进行综合评价 ，即 虚拟产品制造 。 3） 产品生产过程的合理制定、人力资源、制造资源、 物料库存、生产调度、生产系统的规划设计等，均可通过计算机仿真进行优化，同时还可对生产系统进行可靠性分析，对生产过程的资金进行分析预测，对产品市场进行分析预测等，从而对人力资源、制造资源的合理配置，对缩短产品生产周期，降低成本意义重大 ，即 虚拟生产过程 。 4） 当市场上新的机遇出现时，将几个有关的公司或企业或车间协调成一个临时的公司（企业），通过贡献各自的特长，以最快的速度、最优的组合赢得这一机遇，完成之后又独立经营 5，即 虚拟企业 。 综上所述，虚拟制造技术在企业中的应用可以带来很多效益 ， 虚拟产品设计可以提高设 计质量、优化产品性能，缩短设计周期 。 虚拟产品制造可以提高制造质量，优化工艺过程，缩短制造周期 。 虚拟生产过程可以优化资源配置、物流管理、缩短生产周期，降低生产成本 。 虚拟企业可以增强企业柔性，满足客户的特殊要求，形成企业的市场竞争优势 。 1.3.4 虚拟制造技术在我国的应用和意义 当前我国虚拟现实技术应用的重点研究方向是基于我国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性 。 在紧跟国际新技术的同时，国内许多高校与研究机构已积极投入到这 一领域的研究工作 。 我国制造业企业在管理上多“金字塔”式的垂直管理，生产转换不够敏捷，缺乏柔性；生产上缺乏有效的合作，产品零部件多自制，生产成本过高、市场风险大并且难以突破规模瓶颈 。 因此在国际竞争中始终处于被动局面，竞争力有限 。“虚拟制造”作为企业全新的生产管理手段，对加快我国制造业企业的发展，提高企业的国际竞争力有 极 大 的 作用 6。 2 基于 Pro/E 的虚拟 制造技术 2.1 虚拟装配的国内外研究现状 自从 20 世纪 80 年代虚拟现实概念的提出以来，虚拟现实作为一门新兴学科正在蓬勃发展，近年来在工程、航空航天 、军事、建筑等领域得到越来越广泛的应用 。 虚拟现实采用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境中的人可以通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用，产生身临其境的感觉，具有自主性、沉浸感和交互性的特征 。 世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视，投人了大量的人力物力进行研究 。 德国 Fraunhofer 工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发，他们开发的第一个虚拟装配规划 原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作，交互地装配和拆卸零件 ， 并在用户交互的基础上生成装配图，进行装配工时和装配成本的分析 。 我国从 90 年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作 7，我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究，由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内 ， 或者在非虚拟现实环境下进行研究 8。 2.2 虚拟装配基本设计思想及内涵 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，在工业产品的开发过程中，有关产品的结构性能、操作性能、生产 工艺、装配性能甚至维护性能等许多问题都需要在开发过程的前期得到解决 。 通常，人们是借助理论分析、 CAD 系统和各种比例的实物模型，以及参考先前产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种问题 。 但是，由于有关装配操作和维修的问题往往只会在产品开发的后期或在最终产品试车过程中，甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，尤其是有关维修的问题往往只会在产品已经售出很长时间以后才能被发现 。 为了解决这些问题，有时产品就不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更，这样的产品开发程序既效率低 ， 耗时长 ， 费用又高 。 虚拟装配设计技术的出 现给以上问题提供了最有效和最有利的解决方法 ， 即便是在设计的初期阶段，计算机产生的最初模型也可以放入虚拟环境进行实验，甚至可以直接在虚拟环境中创建产品模型 。 这样不仅可以使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和检验， 使产品的缺陷和问题在当时的设计阶段就能被及时发现并加以解 决9-10。 另外，通过装配约束，使零件之间具有确定的相互位置 ， 利用 Pro/E 软件中的干涉检查命令 ， 可以检查出各零部件 有无干涉现象 ， 通过虚拟装配技术，可以缩短产品开发时间，有利于提高产品的质量和可靠性，有利 于降低产品成本，提高企业的竞争力 11。 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、成本、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 。 虚拟装配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 两 种定义： 1） 虚拟装配是一种零件模型按约束 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 。 2.3 虚拟装配的分类 2.3.1 以设计为中心的虚拟装配 以设计为中心的虚拟装配 （ Design-Centered Virtual Assembly） 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 自顶向下的并行产品设计 、 面向装配的设计 、 与 Master Model相关的可制造性设计和可装配性设计 三个层次 。 2.3.2 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-Centered Virtual Assembly） 主要包含以下 几 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 总体设计 、装配设计和详细设计 三个 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 。 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 。 2.3.3 以 仿真为中心的虚拟装配 以仿真为中心的虚拟装配 （ Simulate-Centered Virtual Assembly） 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 。 优化装配过程 的 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 。 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 12。 2.4 Pro/E 软件介绍 Pro/E 是美国参数技术公司 (PTC)推出的一种三维建模软件 ， 功能强大，内容丰富 ,提供了设计零件，装配产品，开发模具 ， 设计铸造件，分析应力等功能 ，已被广泛地应用于机械，汽车，航天，家电，玩具，模具，工业设计等行业 。它是 基于特征的 参数化 建模方式 。 基于特征是指用户可以通过定义特征来创建零件 ， 零件模型的构造是 由各种特征生成的 ， 零件的设计过程就是特征的累积过程 。参数化是指零件和装配件的物理形状由特征属性值 (指特征的几何形状与尺寸 )来驱动 ， 用户可随时修改特征尺寸和其它的属性 ， 特征及特征参数决定了零件的形状 ， 一旦修改了特征参数 ， 零件的形状就会发生改变 。 Pro/E 模型是建立在一个真正统一的数据结构上 ， 各模块之间是全相关的 ，该系统在处理三维实体 、 二维工程图 、 截面图 、 总装配以及在分析 、 仿真加工零件的工艺规程等各类数据时是严格一体化的 ， 设计人员可以在任意一个环节对不满意的模型尺寸进行修改 ， 同时修改后的尺寸都会反映到从设计到 加工的个人过程 ， 以确保所有零件和多个环节的数据一致性 。 基于虚拟现实技术的优越性和 Pro/E 软件的突出特点，选择 Pro/E作为平台完成装置的虚拟建模、虚拟装配与仿真，充分体现虚拟现实技术在产品设计中的作用。 3 Pro/E 环境下全铝散热器水箱芯体装配机的虚拟 建模 首先分析装置的结构和运动情况，然后在 Pro/E 环境下进行建模，采用简单的特征建立模型，这样便于模型的修改。 3.1 设备构成及设备动作循环图 3.1.1 设备构成 1） 压装扩口装置 本装置主要由压装扩口油缸及调节接头 、 扩口摆臂 、 同步连杆 、 同步曲柄 、摆臂安装框架 、 摆臂接连块 、 扩口横梁 、 缓冲装置 、 扩口模 、 横梁导杆 、 定位块等 组成 。该装置的主要功能就是将主片扩口使边板与主片连接定位，由于是液压驱动，运行平稳，并可以实现无级调速。 2） 床身 ，主要就是安装其他部件，起支撑作用。 3）排料装置 本装置主要由 料库传动装置、架体、排料轮、多种气缸、光电开关和计数轮等元部件组成，它的功能是储料、排料。主要就是达到主片按照要求的数量和位置准确放置。由于该装置的精度要求的很高，所以这里使用的是步进电动机，使该装置的得到有效的控制，同时利用了滚珠丝杠等精密元件，也提高了进度， 保证装置平稳，准确运行，同时也降低噪音。 4） 装整装置 本装置由装配台 、 梳齿及导链装置 、 导链拉缩气缸 、 导链升降气缸及导柱导套 、排齐装置、 主夹紧油缸 、 主夹紧模板组成 ，主要是将排的料按照一定距离准确放置。因为排料的间距由于各种原因总会有误差，所以 梳齿及导链装置 就是解决这一问题的，导链是半开式并相互套在一起，并有一定间隙，它们之间可以压缩和拉伸。一个导链上有一个梳齿，随着导链的压缩与拉伸，它们间的距离也在变化，压缩长度就是工作尺寸，拉开长度就是排料尺寸。这样就保证了主片之间的距离。夹紧主要就是保证压装顺利进行。 5） 液压及气动系统 。主夹紧、压装扩口装置采用液压传动方式，工作平稳，压力稳定，可实现无级调速，操作方便。 6） 电气控制系统及照明 。 3.1.2 设备动作循环图 根据各部分的功能确定运动顺序如图 3-1。（ 说明： 为自动 手动作业 ） 图 3-1 循环图 Fig 3 -1 Circulation chart 3.2 装置的建模 由于论文 篇幅有限，这里举几个特征较多的 大齿轮的建模 例子介绍在 PRO/E中如何建立实体模型。 首先确定齿轮的各个参数，大齿轮的 已知 参数是 ：模数 m=1.5mm， 齿数 z=176，齿形角 =20，齿顶高系数 hd*=1.0，变位系数 x=0,齿隙系数 c*取 0.5。由已知参数公式我们导出需要的参数，齿顶高 ha=ha*m，齿根高 hf=(ha*+c*)m，分度圆直径装边板 排料装置前进 齿梳机构上升 管排齐机构上升 落料气缸后退 (排管计数到位 )落料气缸前进 排料装置后退 管排齐机构前进 齿梳压缩主夹紧压缩 管排齐机构退，管排齐机构下降 齿梳机构下降，齿梳拉开 压装扩口进 上钎焊夹具 取出工件 放入翅片，主片 平整翅片 压装扩口退 主夹紧退 d=mz=264mm，齿顶圆直径 da=d+2ha=267mm，齿根圆直径 df=d-2hf=260.25mm，基圆直径 db=zmcos()。然后 新建 零件，进入零件环境， 首先分别绘制齿顶圆、齿根圆、分度圆和基圆，基圆利用关系确定尺寸，如图 3-2。 图 3-2 草绘 Fig 3 -2 Sketch 然后建立坐标原点，来绘制渐开线方程。分别选三个基准面，使 z坐标垂直于 FRONT 平面。如图 3-3。 图 3-3 基准坐标 Fig 3-3 Coordinates 建立渐开线方程，选择从方程输入，选择刚建立的坐标原点，输入方程如下，完成如图 3-4。 m=1.5 z=176 A=20 r=(m*z*cos(A)/2 fi=t*90 Arc=(pi*r*t)/2 x=r*cos(fi)+Arc*sin(fi) y=r*sin(fi)-Arc*cos(fi) z=0 图 3-4 渐开线曲线 Fig 3-4 Involute curve 在渐开线和分度圆交点处绘制基准点 PNT0，然后在三个基准面交线出绘制基准轴 A_1，过基准点 PNT0 和基准轴 A_1 绘制基准面 DTM1，然后通过基准轴A_1 绘制基准面 DTM2，与基准面 DTM1 旋转的角度是 360z/4。 将渐开线通过基准面 DTM2 镜像出另一边，如 图 3-5。 图 3-5 镜像 Fig.3-5 Mirror 通过 FRONT平面绘制出齿轮轮廓，倒角后用刚才的渐开线画出齿槽的轮廓，用拉伸切除命令完成一个齿槽的切除。使用阵列功能阵列出其他槽，如图 3-6。 图 3-6 拉伸出齿槽 Fig 3-6 Tensile alveolar 然后按照齿轮的外形拉伸切除需要的部分，选用孔命令方便的打出孔，使用阵列功能阵列出相同的特征，在里面的孔加入修饰螺纹，如图 3-7。 图 3-7 完成 建模 Fig 3-7 Modeling completed 4 Pro/E环境下的全铝散热器水箱芯体装配机的虚拟装配与 仿真 机械产品中有成千上万的零件要装配 在 一起，其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误，往往要到产品最后装配时才能发现，造成零件的报废和工期的延误，不能及时交货造成 巨大的经济损失和信誉损失 ， 采用虚拟现实技术可以在设计阶段就进行验证，保证设计的正确 13。 对 装置 的设计主要应用 CAD/CAE/CAM 于一体的高效软件 Pro/E。 在装配时的关键就是对零件进行适当的约束， 它 提供了匹配，对齐等放置约束以及销钉，平面等连接约束将零件组合在一起，每个特征都是以一个虚拟的特征为参照，这使得装配十分方便 。 放置约束 主要根据零件之间的关系选择 匹配，对齐 ，插入等约束条件放置， 匹配 是两个平面法向方向相反， 对齐 则相同，插入是两个轴同轴，操作简单。 连接约束 则考虑零件的运动情况来定义连接，下面主要 介绍运动分析的理论。 1） 运动分析的定义 在满足伺服电动机轮廓和接头连接、凸轮从动机构、槽从动机构或齿轮副连接的要求的情况下，模拟机构的运动。运动分析不考虑受力，它模拟除质量和力之外的运动的所有方面。因此，运动分析不能使用执行电动机，也不必为机构指定质量属性。运动分析忽略模型中的所有动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/力矩以及执行电动机等，所有动态图元都不影响运动分析结果。如果伺服电动机具有不连续轮廓，在运行运动分析前软件会 尝试使其轮廓连续，如果不能使其轮廓连续，则此伺服电机将不能用于分析。 使用运动 分析可获得以下信息：几何图元和连接的位置、速度以及加速度 ； 元件间的干涉 ； 机构运动的轨迹曲线 ；作为 Pro/ENGINEER 零件捕获机构运动的运动包络 。 2） 运动分析工作流程 运动分析工作流程 如图 4-1，其中 向组件中增加元件时，会弹出 “ 元件放置 ” 窗口，此窗口有三个页面： “ 放置 ” 、 “ 移动 ” 、 “ 连接 ” 。 传统的装配元件方法是在 “ 放置 ” 页面给元件加入各种固定约束，将元件的自由度减少到 0，因元件的位置被完全固定，这样装配的元件不能用于运动分析（基体除外）。 另一种装配元件的方法 是在 “ 连接 ” 页面给元件加入各种组合约束，如 “ 销钉 ” 、 “ 圆柱 ” 、 “ 刚体 ” 、 “ 球 ” 、 “ 6DOF” 等等，使用这些组合约束装配的元件，因自由度没有完全消除（刚体、焊接、常规除外），元件可以自由移动或旋转 ， 这样装配的元件可用于运动分析 。 传统装配法可称为 “ 约束连接 ” ， 后一种装配法可称为 “ 接头连接 ” 。 约束连接与接头连接的相同点 是它们 都使用 PRO/E 的约束来放置元件，组件与子组件的关系相同。 约束连接与接头连接的不同点 是 约束连接使用一个或多个单约束来完全消除元件的自由度，接头连接使用一个或多个组合约束来约束元件的位置。约束连接装配的目的是消除所有自由度，元件被完整 定位，接头连接装配的目的是获得特定的运动，元件通常还具有一个或多个自由度。 图 4-1 运动分析工作流程 Fig. 4 -1 Motion Analysis workflow 接头连接所用的约束都是能实现特定运动 (含固定 )的组合约束，包括： 销钉、圆柱、滑动杆、轴承、平面、球、 6DOF、常规、刚性、焊接，共 10 种 。 每一种都 实现不同的运动状态， 如 表 4-1。 表 4-1 接头连接 Tablet.4 -1 Joining 名称 定义 创建模型 定义主体，生成连接，定义连接轴设置，生成特殊连接 。 检查模型 拖动组件，检验所定义的连接是否能产生预期的运动 。 准备分析 定义初始位置及其快照，创建测量 。 加入运动分析图元 ， 设定伺服电机 。 分析模型 定义运动分析，运行 。 结果获得 结果回放，干涉检查，查看测量结 果，创建轨迹曲线，创建运动包络 。 销 钉 由一个轴对齐约束和 一个与轴垂直的平移约束组成。元件可以绕轴旋转，具有1 个旋转自由度 ， 总自由度为 1。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面；平移约束可以是两个点对齐，也可以是两个平面的对齐 /配对，平面对齐 /配对时，可以设置偏移量。 圆 柱 由一个轴对齐约束组成。比销钉约束少了一个平移约束，因此元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移，具有 1 个旋转自由度和 1 个平移自由度，总自由度为 2。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向。 滑 动 杆 即滑块，由一个轴对齐约束和一个旋转约束组成。元件可滑轴平移，具有 1个平移自由度，总自由度为 1。轴对 齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向。旋转约束选择两个平面，偏移量根据元件所处位置自动计算 。 轴 承 由一个点对齐约束组成。它与机械上的 “ 轴承 ” 不同，它是元件（或组件）上的一个点对齐到组件（或元件）上的一条直边或轴线上，因此元件可沿轴线平移并任意方向旋转，具有 1 个平移自由度和 3 个旋转自由度，总自由度为 4。 平 面 由一个平面约束组成，也就是确定了元件上某平面与组件上某平面之间的距离(或重合 )。元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有1 个旋转自由度和 2 个平移自由度，总自由度为 3。可 指定偏移量，可反向。 球 由一个点对齐约束组成。元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接小了一个平移自由度，可以绕着对齐点任意旋转，具有 3 个入旋转自由度，总自由度为 3。 刚 性 使用一个或多个基本约束，将元件与组件连接到一起。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度，如果刚性连接没有将自由度完全消除，则元件将在当前位置被 “ 粘 ” 在组件上。如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被 “ 粘 ” 住，其原有自由度不起作用。总自由度为 0。 焊 接 两个坐标系对齐，元件自由度被完全消除 。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度。如果将一个子组件与组件用焊接连接，子组件内各零件将参照组件坐标系发按其原有自由度的作用。总自由度为 0。 常 规 也就是自定义组合约束，可根据需要指定一个或多个基本约束来形成一个新的组合约束，其自由度的多少因所用的基本约束种类及数量不同而不同。可用的基本约束有：匹配、对齐、插入、坐标系、线上点、曲面上的点、曲面上的边，共 7种。在定义的时候，可根据需要选择一种，也可先不选取类型，直接选取要使用的对象，此时在类型那里开始显示为 “ 自动 ” ，然后根据所选择的对象系统自动确定一个合适的基本约束类型。 6DOF 即 6 自由度，也就是对元件不作任何约束，仅用一个元件坐标系和一个组件坐标系重合来使元件与组件发生关联。元件可任意旋转和平移，具 有 3 个旋转自由度和 3 个平移自由度，总自由度为 6。 凸轮连接 ，就是用凸轮的轮廓去控制从动件的运动规律。 PRO/E 里的凸轮连接，使用的是平面凸轮。但为了形象，创建凸轮后，都会让凸轮显示出一定的厚度 (深度 )。凸轮连接只需要指定两个主体上的各一个（或一组）曲面或曲线就可以了。定义窗口里的 “ 凸轮 1”“ 凸轮 2” 分别是两个主 体中任何一个 ， 并非从动件就是 “ 凸轮 2” 。如果选择曲面，可将 “ 自动选取 ” 复选框勾上，这样，系统将自动把与所选曲面的邻接曲面选中，如果不用 “ 自动选取 ” ，需要选多个相邻面时要按住 Ctrl。如果选择曲线 /边， “ 自动选取 ” 是无效的。如果所选边是直边或基准曲线，则还要指定工作平面（即所定义的二维平面凸轮在哪一个平面上）。凸轮一般是从动件沿凸轮件的表面运动，在 PROE 里定义凸轮时，还要确定运动的实际接触面。选取了曲面或曲线后，将会出线一个箭头，这个箭头指示出所选曲面或曲线的法向，箭头指向哪侧，也就是运动时接触点将在哪侧。 如果系统指示出的方向与想定义的方向不同，可反向。 齿轮齿条两种类型。标准齿轮需定义两个齿轮，齿轮齿条需定义一个小齿轮和一个齿条。一个齿轮（或齿条）由两个主体和这两个主体之间的一个旋转轴构成。因此，在定义齿轮前，需先定义含有旋转轴的接头连接（如销钉）。 定义齿轮 时，只需选定由接头连接定义出来的与齿轮本体相关的那个旋转轴即可，系统自动将产生这根轴的两个主体设定为 “ 齿轮 ” （或 “ 小齿轮 ” 、 “ 齿条 ” ）和 “ 托架 ” ， “ 托架 ” 一般就是用来安装齿轮的主体，它一般是静止的，如果系统选反了 ， 可用 “ 反向 ” 按钮将齿轮与托架主体交换。 伺服电动机 可规定机构以特定方式运动。伺服电动机引起在两个主体之间、单个自由度内的特定类型的运动。伺服电动机将位置、速度或加速度指定为时间的函数，并可控制平移或旋转运动。通过指定伺服电动机函数，如常数或线性函数，可以定义运动的轮廓。可从多个预定义的函数中选取，也可输入自己的函数。可在一个图元上定义任意多个伺服电动机。 4.1 压装扩口装置的 装配 在装配时采用分层装配技术，主要过程就是将零件先按照动能和运动情况装配成小的功能体，在装配过程中完全考虑装配的可行性，形成高效率的装配工艺，然后将各个小功能体组成为总体 装配 14。 床身 根据零件之间的约束关系装配，首先新建文件，进入组件环境，在放置对话框中将两个斜面用匹配关系贴在一起，再用对齐关系将上面两个平面保持在一个平面上，最后用曲面上的边将零件完全约束放置，其他零件按照类似的关系约束完成床身的装配。装配压装扩口装置，新建文件进入组件环境，首先在 缺省位置放置装配好的床身， 如图 4-2 所示 。 图 4-2 装配压装扩口装置 Fig.4-2 Assembly pressure devices installed expanding 装配右主梁，考虑到它的运动只是沿导杠的 滑动，所以选连接中的滑动杆，分别选导杠的圆柱面和右主梁部分的内圆柱面定义轴对齐，再选床身定位块的上表面定义旋转约束完成连接定义 ， 如 图 4-3。同样的方法装配上左主梁。 图 4-3 装配右主梁 Fig.4-3 Right main beam assembly 装配 左副梁，根据运动特性，选择滑动杆连接，分别选左副梁的内圆柱面和导杠的圆柱面定义轴对齐，再选左副梁上平面和床身挡块上平面完成连接定义，如 图 4-4。同理装配上右副梁。 图 4-4 装配左副梁 Fig.4-4 Assembly deputy left beam 装配连杆，连杆只是起连接作用，选用销钉连接。轴对齐选连杆的右内孔面和右主梁的内孔面，平移选连杆侧平面和与右主梁对应部位的内侧面，如 图 4-5。同理完成左面连杆的装配。 图 4-5 装配连杆 Fig.4-5 Connecting rod assembly 装配左摆臂，用销钉和圆柱定义连接。选摆臂中间内孔面和框架上对应孔的内表面定义轴对齐，选摆臂外平面和框架内平面定义平移完成销钉连接，选上面的内圆柱面和连杆的内圆柱面定义圆柱连接，如 图 4-6。同样的方法装配右摆臂。 图 4-6 装配左摆臂 Fig.4-6 Assembly Left Arm 装配曲柄 ，由于只是旋转运动，所以选销钉连接，分别选曲柄中间内圆柱面和框架的内圆柱面再选曲柄的外平面和框架的内侧平面完成销钉连接的定义，如图 4-7。 图 4-7 装配曲柄 Fig.4-7 Crank assembly 装配液压缸，先以缺省位置放置缸筒，选液压缸的外圆柱面和伸出轴外表面定义轴对齐，选中间对称平面定义旋转完成滑动杆连接， 如图 4-8。 图 4-8 装配 气 缸 Fig.4-8 Cylinder assembly 装配支脚，相同的原理选择轴的外圆柱面和要插入的孔 的内圆柱面，再选两个沿轴方向平行的面完成滑动杆的连接，如 图 4-9。 图 4-9 装配支脚 Fig.4-9 Foot assembly 装配轴承，选支脚下面的内孔面和轴承内圈圆柱面定义轴对齐，选支脚槽的内平面和轴承的外平面定义平移完成销钉连接，以完全约束装配调整螺栓完成伸缩气缸的装配，如图 4-10。 图 4-10 装配轴承 Fig.4-10 Bearing assembly 将伸缩气缸整体装配到压装扩口装置中，分别用销钉和圆柱连接完成，销钉连接时要保持轴与摆臂内平面保持 20mm的距离，如图 4-11。 图 4-11 气缸整体装配 Fig.4-11 Overall cylinder assembly 装配左连杆 ,分析运动可用一个销钉和一个圆柱定义连接，选曲柄下面的轴和连杆右边的内孔面完成圆柱连接，选连杆左 边 的 内 孔 面 和 摆 臂 下 面 的 轴 完 成 销 钉 连 接 ， 如 图 4-12 。图 4-12 装配左连杆 Fig.4-12 Assembly left Linkage 装配 地脚和操作台支架完成压装扩口装置的装配，干涉检查发现连杆处有干涉，如图 4-13，调整位置，最后使其无干涉，其中修饰螺纹的干涉忽略。 图 4-13 完成装配 Fig.4-13 Complete assembly 4.2 送料部分 装配 按照约束关系装配各个子组件，装配转动轴时使用的是销钉连接，如图 4-14。 图 4-14 子组件装配 Fig.4-14 Sub-components assembly 整体装配，装配送料机构的右底梁，新建组件在缺省位置放置，装配送料装置的左底梁，根据它与压装装置的安装关系确定它和右底梁的距离，然后分别选择侧面，上面在同一平面内的两个面对齐，完全约束，如图 4-15。 图 4-15 装配左底梁 Fig.4-15 Assembly left end beam 装配料库装置，因为它的运动只是来回的移动，所以选用滑动杆连接，如图 4-16。 图 4-16 装配料库 Fig.4-16 Assembly database 装配传动齿轮轴，由于只是旋转，选用销钉连接来定义旋转运动，调整大齿轮与安装板之间的距离，旋转使它与小齿轮的啮合不发生干涉情况。齿轮与齿轮，齿轮与齿条之间的传动关系在仿真时进入机构环境定义它们之间的关系，如图4-17。 图 4-17 装配传动齿轮轴 Fig.4-17 Gear shaft assembly 利用自上而下的设计方法，在组件环 境下建立安装轴承的部分，然后装配上轴承， 安装 后完成干涉检查发现轴的轴心和侧板上安装孔的中心不重合而出现干涉，通过测量轴心到侧板两边的距离来重新测量侧板上安装孔的位置，首先在轴心上建立一个点，然后利用分析下的测量来测量出到两边的投影距离分别是148.3mm,212.134mm，如图 4-18。 图 4-18 测量 Fig.4 -18 Measurement 重新定位了 孔的位置后，轴心和孔中心达到重合的要求。如 图 4-19。 图 4-19 修改后 Fig.4-19 Revised 4.3 排齐装置的 装配 装配排 齐装置，新建文件进入组件环境，在缺省位置放置送料装置的安装板，安装直线轴承座 、气缸支架、光杠如图 4-20。 图 4-20 装配排齐装置 Fig.4-20 Assembly alignment device 装配子组件梳齿装置的梳齿部分， 装配 气缸，先装配气缸主体，再以滑动杆连接装配气缸伸出轴，将齿与导链装配到一起再进行整体的连接装配，选两个平面连接定义梳齿的运动，在定义的时候调整好距离都进入机构环境准确定位，如图 4-21。 图 4-21 装配 梳齿 Fig.4-21 Assembly comb 装配尾链， 由 于尾链固定，所以采用完全约束选择对应的孔和两个平面完成装配如图 4-22。 图 4-22 装配尾链 Fig.4-22 Chain tail assembly 将刚才装配好的子组件装配到安装板上， 分别选用圆柱连接完成装配 装配旋转梁， 选用销钉连接装配，并且在与支架之间保持 0.25mm的距离，如图 4-23。 图 4-23 上升和前进 Fig.4-23 Rise and Advance 将装配好的排齐装置的上横板部分子组件装配到旋转梁上 ，同样使用两个圆柱连接 装配上驱动排齐装置上升和前进的 气缸 和伸出轴， 在连接处选用 圆柱就可连接满足运动关系如 图 4-24。 图 4-24 上升和前进 Fig.4-24 Rise and Advance 安装 上符合要求的标准件和挡块，完成排齐装置的装配检查干涉，忽略修饰螺纹造成的干涉， 如图 4-25。 图 4-25 完成装配 Fig.4-25 Complete assembly 装配夹紧装置 ，新建组件，在缺省位置放置大边板，然后按照约束关系装配前立板，然后装配上另一边的大边板， 装配上台板 ，放置约束关系如 图 4-26。 图 4-26 主体装配 Fig.4-26 Main assembly 装配 气缸，先装配气缸主体，完全约束然后装配上伸出轴，选用滑动杆连接完成气缸的装配， 如图 4-27。 图 4-27 装配气缸 Fig.4-27 Cylinder assembly 按照约束关系 装配夹紧装置的主要部位 ，然后将它以完全约束的关系装配到气缸的伸出轴完成夹紧装置的装配，如 图 4-28。 图 4-28 夹紧板 Fig.4-28 The plate for Clamping 装配上标准件完成夹紧装置的装配 然后检查干涉所有的干涉都是修饰螺纹的干涉，忽略，如 图 4-29。 图 4-29 完成装配 Fig.4-29 Complete assembly 4.4 装置 整体 的 装配 新建组件，在缺省位置放置压装扩口装置， 如图 4-30。 图 4-30 整体装配压装扩口装置 Fig.4-30 Overall assembly pressure devices installed expanding 装配 送料机构，根据安装关系分别选床身上的安装板和送料机构上底梁脚上相应的位置采用匹配和对齐来安装，如 图 4-31。 图 4-31 装配送料机构 Fig.4-31 Ioaded materials distribution agencies 装配夹紧装置 ，选要匹配的两个平面使它们贴在一起，再选安装板上的孔和夹紧装置下边的安装孔，让它们用插入关系同轴，最后完成夹紧装置的安装，如图 4-32。 图 4-32 装配夹紧装置 Fig.4-32 Assembly clamping device 装配排齐装置，选安装块上的两个孔来与床身上的安装板定义插入约束，选它们相贴合的两个面定义配合连接完成排齐装置的装配，同样的方法装配另一边的排齐装置 ，如图 4-33。 图 4-33 装配排齐装置 Fig.4-33 Assembly alignment device 安装标准件 ，由于建立了标准件的族表，所以装配的时候很容易选择不同型号的标准件，然后利用匹配和对齐完全放置标准件，如图 4-34。 图 4-34 标准件装配 Fig.4-34 Standard parts assembly 利用阵列功能阵列出其它相同规格和安装性质的标准件，这为重复工作节省了时间，大大的提高了工作效率。在发现错误的时候，可以使用替换来变换型号错误的标准件，从而避