基于3DVIA的虛擬模具拆裝工藝設(shè)計

曾翠華，袁定福

（中國工程物理研究院工學(xué)院，四川綿陽621900）

基于3DVIA的虛擬模具拆裝工藝設(shè)計

曾翠華，袁定福

（中國工程物理研究院工學(xué)院，四川綿陽621900）

基于虛擬仿真技術(shù)，闡述了虛擬拆裝技術(shù)體系及模具的拆裝層次模型。采用3DVIA實(shí)現(xiàn)虛擬模具的拆裝工藝設(shè)計。在VB環(huán)境下，開發(fā)了以菜單和對話框?yàn)槿藱C(jī)交互界面的虛擬模具拆裝軟件，達(dá)到模具設(shè)計驗(yàn)證、指導(dǎo)模具拆裝實(shí)訓(xùn)的目的。

虛擬仿真；層次模型；模具拆裝；工藝設(shè)計

虛擬拆裝技術(shù)是目前產(chǎn)品拆裝的發(fā)展方向，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中，通過對產(chǎn)品建模及對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行計算機(jī)圖形學(xué)的模擬，能對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評價，實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程的早期反饋，減少或避免實(shí)物加工裝配后產(chǎn)生的修改、返工[1-2]。該技術(shù)對模具設(shè)計制造極其重要。本文通過分析產(chǎn)品虛擬拆裝技術(shù)體系，闡述了模具的拆裝層次模型，采用3DVIA規(guī)劃模具的拆裝序列和路徑，實(shí)現(xiàn)了虛擬模具的拆裝工藝設(shè)計；并在VB環(huán)境下，開發(fā)以菜單和對話框?yàn)槿藱C(jī)交互界面的虛擬模具拆裝軟件，達(dá)到模具設(shè)計驗(yàn)證、快速掌握模具拆裝技能、降低模具設(shè)計制造成本的目的。

1 虛擬拆裝技術(shù)體系

虛擬拆裝設(shè)計環(huán)境技術(shù)是虛擬裝配技術(shù)的基礎(chǔ)，一般是通過對系統(tǒng)的二次開發(fā)而建立的可視化系統(tǒng)，具有沉浸性、交互性、想象性的虛擬環(huán)境。虛擬拆裝技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、產(chǎn)品的維護(hù)及操作培訓(xùn)方面具有獨(dú)特的作用。在交互式虛擬拆裝環(huán)境中，用戶使用各類交互設(shè)備（數(shù)據(jù)手套/位置跟蹤器、鼠標(biāo)/鍵盤、力反饋操作設(shè)備等）就能像在真實(shí)環(huán)境中一樣對產(chǎn)品零部件進(jìn)行各類拆裝操作，在操作過程中，系統(tǒng)提供實(shí)時的碰撞檢測、拆裝約束處理、拆裝路徑與序列處理等功能，從而使用戶能對產(chǎn)品的可拆裝性進(jìn)行分析、對產(chǎn)品零部件拆裝序列進(jìn)行驗(yàn)證和規(guī)劃、對拆裝操作人員進(jìn)行培訓(xùn)等。在拆裝（或拆卸）結(jié)束后，系統(tǒng)能記錄拆裝過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等供隨后的分析使用[3-6]。

1.1 虛擬拆裝的工藝規(guī)劃

依據(jù)虛擬拆裝所涉及范圍和層次，虛擬拆裝的工藝規(guī)劃可分為系統(tǒng)級拆裝規(guī)劃和作業(yè)級拆裝規(guī)劃。系統(tǒng)級拆裝規(guī)劃是拆裝生產(chǎn)的總體規(guī)劃，主要包括市場需求、投資狀況、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)周期、資源分配、拆裝車間布置、拆裝生產(chǎn)線平衡等，是拆裝生產(chǎn)的綱領(lǐng)性文件。作業(yè)級拆裝規(guī)劃主要指拆裝作業(yè)與過程規(guī)劃，主要包括拆裝順序的規(guī)劃、拆裝路

徑的規(guī)劃、工藝路線的制定、操作空間的干涉驗(yàn)證、工藝卡片和文檔的生成等。

本文選擇作業(yè)級拆裝規(guī)劃進(jìn)行研究。主要研究虛擬模具的拆裝順序規(guī)劃、拆裝路徑規(guī)劃、工藝路線制定、操作空間干涉驗(yàn)證、工藝卡片和文檔的生成等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計驗(yàn)證和指導(dǎo)模具拆裝兩大功能。

1.2 虛擬拆裝的步驟

虛擬拆裝的步驟如下：首先，用三維軟件制作相應(yīng)的三維模型裝配體；然后，將三維模型裝配體導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件；最后，使用各類交互設(shè)備進(jìn)行各類拆裝操作。

本文選擇UG軟件構(gòu)建模具的三維模型裝配體，選擇3DVIA軟件進(jìn)行模具拆裝工藝設(shè)計，選擇鼠標(biāo)/鍵盤進(jìn)行各類模具交互拆裝操作。

2 構(gòu)建模具裝配體

2.1 模具的裝配層次模型

模具裝配過程是模具制造工藝全過程中的關(guān)鍵工藝過程。在裝配時，操作者應(yīng)按事先制定好的裝配工藝規(guī)程進(jìn)行裝配，并要求每一相鄰零件或部件都按裝配工藝規(guī)程中所確定的裝配基準(zhǔn)進(jìn)行定位和固定，以確保零件間的配合及位置精度，從而保證凸模（或型芯）與凹模（或型腔）間精密、均勻地配合、模具上、下（定、動）模定向開合運(yùn)動及其他輔助機(jī)構(gòu)，如卸料、抽芯、送料等運(yùn)動的精確性。

模具的裝配層次模型見圖1。依據(jù)該模型，能使規(guī)劃出的裝配序列和路徑更符合生產(chǎn)實(shí)際，并使裝配序列規(guī)劃和仿真動畫也可采用分層操作的方法，逐層規(guī)劃，逐層仿真、記錄、保存。分層以子裝配體為最小單元，在上層裝配仿真中，下層部件作為一個零件參與上層裝配，直至完成總裝配。

圖1 裝配層次模型

2.2 構(gòu)建模具裝配體

2.2.1 模具子裝配體劃分

依據(jù)前述的模具裝配層次模型原理，再結(jié)合模具的結(jié)構(gòu)，以注塑模具為例，將模具的裝配體進(jìn)行子裝配體劃分（圖2）。

2.2.2 構(gòu)建模具裝配體

圖2 注塑模具子裝配體劃分

用UG軟件中的相和、接觸、距離、角度等命令完成圖2所示的各子裝配體模塊，最后完成總裝配體。只要定義出各子裝配體相關(guān)零件之間的約束關(guān)系，UG就根據(jù)給出的約束要求，將各零件裝配到位。完成了模具的總裝配體后，需對裝配結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行調(diào)整，使各零件的結(jié)構(gòu)層次更合理，以便規(guī)劃虛擬環(huán)境下的拆卸路徑。

2.2.3 模具裝配體中文命名

由于UG軟件不能中文命名，所以在UG完成模具總裝配體后，將裝配體模型另存為*.stl格式文件。打開SolidWorks軟件，導(dǎo)入模具的*.stl格式文件，這樣便可對模具的總裝配體樹進(jìn)行中文命名，為以后在3DVIA Composer虛擬拆裝環(huán)境下模型的導(dǎo)入做好準(zhǔn)備。圖3是完成中文命名后的模具裝配體模型及裝配樹。

圖3 模具裝配體模型及裝配樹

3 拆裝工藝設(shè)計

3DVIA Composer是一款圖形軟件，主要用于幫助企業(yè)創(chuàng)建并維護(hù)其產(chǎn)品文檔，包括用戶手冊的圖解說明、制作培訓(xùn)資料、現(xiàn)場維護(hù)修理指導(dǎo)、裝配指導(dǎo)說明、在線文檔和客戶服務(wù)及其他能描述企業(yè)產(chǎn)品和流程的應(yīng)用。該軟件可讀取SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER和其他許多標(biāo)準(zhǔn)CAD格式的3D CAD數(shù)據(jù)；還可輸出許多標(biāo)準(zhǔn)文件格式，包括Microsoft Office、PDF、HTML、SVG、CGM等，并允許用戶將3DVIA Composer生成的內(nèi)容集成到現(xiàn)有產(chǎn)品文檔中。3DVIA Check提供動態(tài)和靜態(tài)碰撞檢測，

允許用戶快速檢驗(yàn)維修和裝配工藝。這樣，能確保

操作員對裝配體中的零部件進(jìn)行維護(hù)和修理。

3.1 3DVIA的拆裝原理

3DVIA Composer V6R2010構(gòu)建的虛擬拆裝工藝設(shè)計平臺，以照相關(guān)鍵幀或位置關(guān)鍵幀的形式記錄拆裝順序和拆裝路徑，并輔以路徑規(guī)劃和交互式動態(tài)檢測技術(shù)來生成仿真動畫。仿真動畫關(guān)鍵幀的選取原則應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)拆裝工藝的規(guī)定，每道工步都應(yīng)有相應(yīng)的關(guān)鍵幀：對于拆裝運(yùn)動，其首、尾應(yīng)有關(guān)鍵幀；對于非直線運(yùn)動，或多個零件的聯(lián)動，除首、尾關(guān)鍵幀外，應(yīng)添加一定數(shù)量的中間過程插值關(guān)鍵幀，使運(yùn)動盡量真實(shí)。

3.2 3DVIA的拆裝步驟

本文利用3DVIA Composer V6R2010構(gòu)建虛擬拆裝工藝設(shè)計平臺，模具的拆裝步驟如下：

（1）生成一個初步拆裝順序。啟動軟件3DVIA Composer V6R2010，導(dǎo)入圖3所示的模具數(shù)據(jù)文件，3DVIA Composer的內(nèi)核技術(shù)——子拆裝體識別法生成一個初步的模具拆裝順序。子拆裝體識別法利用的是已層次化的虛擬拆裝工藝模型，集成于模型中的各拆裝資源作為約束條件，識別出子拆裝體，之后將產(chǎn)品總拆裝逐層拆卸，直到拆卸為已識別的子拆裝體，依據(jù)這些子拆裝體的拆卸順序，生成初始拆裝順序。

（2）規(guī)劃出子拆裝體的拆裝序列。3DVIA Composer結(jié)合已有的拆裝工藝知識和推理規(guī)則，對識別出的子拆裝體進(jìn)行推理。

（3）仿真評估。以“可拆即可裝”的假設(shè)為前提，在三維可視化環(huán)境中，以人機(jī)交互仿真拆卸的方式對上兩步形成的產(chǎn)品初始拆裝順序全面進(jìn)行逐層動態(tài)仿真評估，以得到最優(yōu)的拆裝序列。

3.3 仿真動畫制作

拆裝仿真動畫是直接面向虛擬模具的直觀演示拆裝文件，它是以虛擬拆裝工藝模型、拆裝序列和路徑規(guī)劃、工藝腳本為基礎(chǔ)，通過對零部件模型賦予運(yùn)動自由度、對零部件運(yùn)動路徑作約束處理、對零部件模型運(yùn)動的類型（如旋轉(zhuǎn)、平移和拉伸）和時間作約束處理、定義拆裝資源和操作語義信息等，在計算機(jī)仿真拆裝環(huán)境中對產(chǎn)品實(shí)際拆裝過程的真實(shí)模擬。

依據(jù)前述3DVIA的拆裝原理和拆裝步驟完成圖3中模具裝配體的拆裝。圖4是3DVIA Composer V6R2010保存的虛擬模具拆裝仿真動畫文件，其后綴名為smg文件。該仿真動畫制作過程中可直觀、定量、定性分析每個模具零件拆裝的工藝設(shè)計細(xì)節(jié)，將以往大量在試制過程中驗(yàn)證、優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，提前在計算機(jī)仿真環(huán)境中模擬，不但能提前發(fā)現(xiàn)問題，還能通過科學(xué)測量、可視化的分析手段，設(shè)計合理的改進(jìn)方案；仿真動畫還使模具拆裝技術(shù)工人更易理解拆裝工藝，減少了拆裝過程反復(fù)及人為差錯。

圖4 沖壓模具拆裝工藝設(shè)計

3.4 仿真動畫封裝

為了便于用戶進(jìn)行模具設(shè)計驗(yàn)證和指導(dǎo)模具拆裝實(shí)訓(xùn)，需對仿真動畫進(jìn)行封裝，為此開發(fā)了專業(yè)的《虛擬模具拆裝系統(tǒng)軟件》。采用VB實(shí)現(xiàn)了軟件的界面開發(fā)，在界面開發(fā)中，突破了VB的Active X部件與VB接口編程技術(shù)難點(diǎn)。用戶安裝啟動該軟件后，進(jìn)入虛擬模具拆裝界面（圖5），鼠標(biāo)單擊界面中各對話框及工具條，能實(shí)現(xiàn)以下三大功能：

（1）模具設(shè)計驗(yàn)證。如圖5所示，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊3DVIA的洋蔥皮功能，在模具設(shè)計階段就可準(zhǔn)確地仿真模擬出其裝配結(jié)構(gòu)和零件的干涉，以此進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)證，不需研制樣品或原型，即可確保模具設(shè)計的正確性，既避免了經(jīng)濟(jì)損失，又節(jié)省了大量的制造工時。

（2）指導(dǎo)模具拆裝實(shí)訓(xùn)。《虛擬模具拆裝系統(tǒng)軟件》的安裝程序啟動后，程序自帶的模具數(shù)據(jù)庫文件名自動顯示在圖5所示的文件名列表框內(nèi)，用戶只需鼠標(biāo)單擊打開，進(jìn)入模具虛擬拆裝環(huán)境，體驗(yàn)拆裝平臺的虛擬化和拆裝工藝文件的動態(tài)可視化。在清晰明確的三維拆裝動畫指示下，拆裝人員可輕松地完成模具零件的組裝，大大降低對拆裝人員的技能要求；應(yīng)用于模具的拆裝教學(xué)與培訓(xùn)，可使學(xué)員較直觀地熟悉模具的結(jié)構(gòu)，拆裝要點(diǎn)，提高拆裝效率和拆裝質(zhì)量。

（3）拓展。用戶安裝本軟件后，能在軟件界面下打開自我創(chuàng)建的其他機(jī)械設(shè)備拆裝工藝文件（文件后綴名為smg、smgXml、smgGeom和exe）?？稍趫D5所示界面中，用鼠標(biāo)逐層點(diǎn)擊文件所在磁盤、文件夾列表框，最終選中模型虛擬拆裝文件，進(jìn)入虛擬拆裝環(huán)境。

Design of Mold Virtual Disassembling and Assembling Process Based on 3DVIA

Zeng Cuihua，Yuan Dingfu
（Institute of Technology CAEP，Mianyang 621900，China）

Based on the virtualsimulation technology，the technology system ofvirtual disassembling and assembling and disassembling and assembling hierarchinal model are analysed. Design of mold virtual disassembling and assembling process was established by 3DVIA.The virtual mold disassembling and assembling system software provided human-computer interface of menu and dialog box is developed under VB environment.The aim of mold design verification and mold dismantling training is reached.

virtual simulation；hierarchical model；mold disassembling and assembling；process design

TP391.9

A

1009－279X（2014）01－0054-03

2013-10-30

曾翠華，女，1970年生，副教授。