基于UG虛擬裝配技術(shù)的運(yùn)輸裝填車(chē)滑動(dòng)架設(shè)計(jì)

王 潔，韓 勇，程永強(qiáng)，王迎春，時(shí)建明

（空軍工程大學(xué) 西安 710051）

0 引言

虛擬裝配(Virtual Assembly)是產(chǎn)品數(shù)字化制造中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。Sankar Jayaram[1]對(duì)虛擬裝配作了這樣的定義：虛擬裝配是利用計(jì)算機(jī)工具,在沒(méi)有產(chǎn)品或支撐工藝的物理實(shí)現(xiàn)情況下,通過(guò)分析、虛擬模型、可視化和數(shù)據(jù)表達(dá),做出或“輔助”做出裝配關(guān)系工程決定。也就是說(shuō),虛擬裝配技術(shù)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為核心，在設(shè)計(jì)之初就對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配進(jìn)行建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工、裝配到檢驗(yàn)的整個(gè)設(shè)計(jì)周期的模擬和仿真。

由于虛擬裝配技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、協(xié)同能力好、設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)周期短和系列化生產(chǎn)快等特點(diǎn)。近年來(lái)，虛擬裝配技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用：文獻(xiàn)[2]中提到：美國(guó)國(guó)防部在一種新型軍艦的開(kāi)發(fā)上采用了虛擬裝配技術(shù)，節(jié)約成本60萬(wàn)美元，減輕艦體總量100噸，將新型軍艦的開(kāi)發(fā)周期從14年縮短到7年。在國(guó)內(nèi)，雖然對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究起步較晚，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究比較活躍。在文獻(xiàn)[3]中,華中科技大學(xué)的姜華博士等人在Pro/E環(huán)境下，利用其開(kāi)發(fā)工具成功開(kāi)發(fā)了包括裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃及裝配過(guò)程仿真等功能模塊的虛擬裝配系統(tǒng)。

滑動(dòng)架是導(dǎo)彈運(yùn)輸裝填車(chē)的重要組成部分。在傳統(tǒng)的滑動(dòng)架設(shè)計(jì)中，通常要經(jīng)過(guò)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)—樣機(jī)試制—裝配實(shí)驗(yàn)—更改設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)定型的循環(huán)過(guò)程。這種模式的過(guò)程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的合理性必須依靠實(shí)物模型，然而在這個(gè)過(guò)程中，任何滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)的微小改動(dòng)都可能導(dǎo)致整體的重新設(shè)計(jì)。這樣就導(dǎo)致了設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)偏高，設(shè)計(jì)精度低以及系列化生產(chǎn)困難等問(wèn)題，尤其是在復(fù)雜武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這些問(wèn)題更加突出。運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)對(duì)滑動(dòng)架進(jìn)行設(shè)計(jì)可以很大程度上解決以上問(wèn)題，而且可以讓新技術(shù)、新思想更好、更快的體現(xiàn)在新型武器系統(tǒng)中。

1 基于UG的虛擬裝配技術(shù)

UG中提供了三種裝配方法：一種是自底向上的裝配方法，指將全部設(shè)計(jì)好的裝配組件添加到裝配中并設(shè)置約束；一種是自頂向下（Top-down）的裝配方法，指在裝配體中首先創(chuàng)建組件裝配體，然后再詳細(xì)設(shè)計(jì)各組件模型的裝配過(guò)程，而根據(jù)設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣，通常是選擇自頂向下的裝配建模方法；第三種則是混合裝配，它是一種將前兩種結(jié)合起來(lái)的裝配方法。本文采用的即為自頂向下的裝配方法。

1.1 自頂向下（Top-down）的裝配建模

自頂向下裝配建模[4]是指在裝配工作上下文中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和各部件間約束關(guān)系建立新組件和幾何件，并將幾何件加入新組件的方法。

在建模過(guò)程中，每個(gè)零件的構(gòu)建都是在裝配環(huán)境中進(jìn)行的，先在裝配中建立幾何模型，然后產(chǎn)生新組件，并把幾何模型加入到新組件中。它允許設(shè)計(jì)者在高層產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)更新低層零部件的設(shè)計(jì)。由于產(chǎn)品的總體參數(shù)、產(chǎn)品的包絡(luò)空間、零部件的布置與定位等主要參數(shù)都在裝配的高層定義，而詳細(xì)設(shè)計(jì)在零部件的底層構(gòu)建，因此，通過(guò)設(shè)定產(chǎn)品的高層幾何定義和約束，使得詳細(xì)設(shè)計(jì)可以在概念設(shè)計(jì)完成之前開(kāi)始實(shí)施，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行開(kāi)展。產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)按照市場(chǎng)或客戶的需求展開(kāi)，他們對(duì)產(chǎn)品的需求決定了一些關(guān)鍵的產(chǎn)品參數(shù)，而這些參數(shù)必須合并到高級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期設(shè)計(jì)布局中，形成所有下游設(shè)計(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。圖1即為自頂向下裝配建模的流程。

圖1 自頂向下裝配建模的流程

1.2 滑動(dòng)架虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)

本文在在滑動(dòng)架設(shè)計(jì)中用到的虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)主要包括虛擬裝配總體布局、虛擬裝配建模技術(shù)、虛擬裝配控制技術(shù)和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)等。

1）虛擬裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)滑動(dòng)架的功能原理，對(duì)各部分部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；

2）虛擬裝配建模技術(shù)：虛擬裝配建模技術(shù)是用來(lái)開(kāi)發(fā)虛擬裝配系統(tǒng)中各種模型的所有技術(shù)和方法。主要是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行的產(chǎn)品總體及各部件的三維建模技術(shù)；

3）裝配仿真技術(shù)：因?yàn)樘摂M裝配的部件模型的復(fù)雜性和多樣性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)設(shè)計(jì)的部件進(jìn)行各種檢驗(yàn)從而使設(shè)計(jì)盡可能合理。這些檢測(cè)技術(shù)主要包括干涉檢驗(yàn)和仿真，干涉檢驗(yàn)又包括靜態(tài)干涉和動(dòng)態(tài)干涉。

圖2 虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程的功能模型

2 滑動(dòng)架虛擬裝配設(shè)計(jì)的總體方案

滑動(dòng)架是裝彈設(shè)備中導(dǎo)彈支撐裝置中的重要組成部件，用來(lái)支撐和抱夾導(dǎo)彈的二級(jí)火箭，并且在對(duì)發(fā)射架進(jìn)行裝、退導(dǎo)彈時(shí)，在傳動(dòng)裝置的配合下來(lái)移動(dòng)導(dǎo)彈。它主要由支撐導(dǎo)彈的鞍形座、自動(dòng)抱夾導(dǎo)彈的抱夾裝置、定位裝置和使滑動(dòng)架移動(dòng)的滑車(chē)等組成。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）建立基于滑動(dòng)架數(shù)字模型和裝配工藝數(shù)字模型的虛擬裝配的并行數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)，并由此設(shè)計(jì)出適應(yīng)現(xiàn)代防空武器的滑動(dòng)架；

2）實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)架從實(shí)體模型設(shè)計(jì)到數(shù)字化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，并且提高武器的設(shè)計(jì)精度以提高武器性能；

3）通過(guò)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)架的虛擬裝配來(lái)實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)以及節(jié)約成本的目的。

2.2 設(shè)計(jì)思想

進(jìn)行滑動(dòng)架的虛擬設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)反復(fù)構(gòu)造虛擬裝配體，并對(duì)其進(jìn)行分析、仿真，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。這種設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)在于可以進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)、分析并在此過(guò)程中用虛擬裝配體來(lái)替代實(shí)物模型。針對(duì)滑動(dòng)架的總體布局與裝配設(shè)計(jì)要求，本文提出的基于虛擬裝配技術(shù)的滑動(dòng)架設(shè)計(jì)的虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程的功能模型如圖2所示。

3 滑動(dòng)架的虛擬裝配過(guò)程

滑動(dòng)架的虛擬裝配過(guò)程主要包括裝配模型的建立、滑動(dòng)架的運(yùn)動(dòng)仿真以及生產(chǎn)工程圖紙等。

3.1 裝配模型的建立

1）產(chǎn)品建模：產(chǎn)品建模的實(shí)質(zhì)就是在完成滑動(dòng)架總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，建立適合滑動(dòng)架虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程的產(chǎn)品模型，也即完成滑動(dòng)架包括三維模型、參數(shù)化模型、知識(shí)模型等模型的生成與規(guī)劃。這些模型集成了與裝配以及工程設(shè)計(jì)知識(shí)相關(guān)的信息，并提供給設(shè)計(jì)的相關(guān)過(guò)程使用。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是為實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)架的功能而進(jìn)行的滑動(dòng)架各功能部件的設(shè)計(jì)，并在在該過(guò)程中完成滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)零件形狀的基本設(shè)計(jì)，是滑動(dòng)架設(shè)計(jì)的重要階段。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滑動(dòng)架結(jié)構(gòu)圖

3）裝配設(shè)計(jì)：在裝配設(shè)計(jì)中首先要完成的是如何實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)架的功能要求，也就是如何實(shí)現(xiàn)其各種動(dòng)作，接下來(lái)要進(jìn)行的是確定裝配基準(zhǔn)、裝配層次和裝配約束。以執(zhí)行元件夾頭作為設(shè)計(jì)裝配基準(zhǔn)，分為以下幾個(gè)裝配區(qū)域：鞍形座裝配體，滑車(chē)裝配體，平衡裝置裝配體，手柄裝配體以及彈簧筒裝配體等。每一個(gè)子裝配體又由下一級(jí)的子裝配體和零件組成，主要是按照零部件間的設(shè)計(jì)邏輯依附關(guān)系來(lái)確定模型的父子關(guān)系，這樣一步一步設(shè)計(jì)出滑動(dòng)架所有零部件模型，其裝配體以及裝配體爆炸圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 滑動(dòng)架裝配圖

圖5 滑動(dòng)架裝配體爆炸圖

3.2 裝配仿真

UG的仿真模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等[5]。仿真結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（加長(zhǎng)或縮短構(gòu)件的力臂長(zhǎng)度、修改凸輪型線、調(diào)整齒輪比等）或調(diào)整零件的材料（減輕、加重或增加厚度等）。設(shè)計(jì)的更改可以反映在裝配主模型的復(fù)制品仿真方案中，然后重新仿真。一旦確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改就可直接反映到裝配主模型中。

對(duì)滑動(dòng)架進(jìn)行裝配仿真，就是模擬滑動(dòng)架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，檢查運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系。最后根據(jù)零部件的干涉和運(yùn)動(dòng)情況，修改原設(shè)計(jì)。滑動(dòng)架干涉檢查結(jié)果如圖6所示。

圖6 滑動(dòng)架干涉檢查結(jié)果

圖6的干涉檢查結(jié)果說(shuō)明滑動(dòng)架各部件之間的干涉結(jié)果為接觸干涉，所謂接觸干涉是指各部件之間有接觸但并不存在干涉現(xiàn)象，說(shuō)明干涉檢驗(yàn)結(jié)果較滿意。如果部件之間存在硬干涉、軟干涉等干涉，則需要修改設(shè)計(jì)，并重新進(jìn)行干涉檢驗(yàn)直到不存在干涉現(xiàn)象。

圖7 鞍形座工程圖

3.3 生成工程圖紙

當(dāng)滑動(dòng)架的虛擬裝配完成后，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已基本定形，創(chuàng)建平面工程圖紙是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是從概念產(chǎn)品到現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的一座橋梁和描述語(yǔ)言。圖7即為滑動(dòng)架中的鞍形座工程圖。

4 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比

通過(guò)對(duì)滑動(dòng)架的虛擬設(shè)計(jì)，將滑動(dòng)架在實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能的前提下與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 滑動(dòng)架設(shè)計(jì)指標(biāo)比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在UG環(huán)境下，利用自頂向下的建模技術(shù)對(duì)滑動(dòng)架進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)并且完成了虛擬裝配。通過(guò)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比得知，基于虛擬裝配技術(shù)的滑動(dòng)架設(shè)計(jì)不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期、減少設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也可以很大程度上提高滑動(dòng)架的設(shè)計(jì)精度。

由于虛擬裝配技術(shù)具有的自動(dòng)化程度高、協(xié)同能力好、設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)周期短和系列化生產(chǎn)快等特點(diǎn)，在武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是復(fù)雜武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

[1] Sankar Jayaram. Virtual assembly using virtual reality technique[J]. Computer-Aided Design, 1997, 29(8):575-584.

[2] 鄭太雄. 虛擬裝配理論與方法研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué),2003.

[3] 姜華. 機(jī)械產(chǎn)品的裝配序列規(guī)劃研究[D]. 武漢: 華中理工大學(xué), 1997.

[4] Unigraphics Solutions Inc.UG WAVE產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)培訓(xùn)教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

[5] 林琳, 石勇, 李江, 等. UG NX 5.0 中文版機(jī)械設(shè)計(jì)典型范例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.