基于UG虚拟装配技术的运输装填车滑动架设计

2012-07-03程永强王迎春时建明

制造业自动化 2012年20期

王洁，韩勇，程永强，王迎春，时建明

（空军工程大学西安 710051）

0 引言

虚拟装配(Virtual Assembly)是产品数字化制造中的一个重要环节。Sankar Jayaram[1]对虚拟装配作了这样的定义：虚拟装配是利用计算机工具,在没有产品或支撑工艺的物理实现情况下,通过分析、虚拟模型、可视化和数据表达,做出或“辅助”做出装配关系工程决定。也就是说,虚拟装配技术是以计算机辅助设计技术为核心，在设计之初就对产品的设计、装配进行建模，在计算机上实现产品从设计、加工、装配到检验的整个设计周期的模拟和仿真。

由于虚拟装配技术具有自动化程度高、协同能力好、设计成本低、设计周期短和系列化生产快等特点。近年来，虚拟装配技术在国内外都得到了广泛的应用：文献[2]中提到：美国国防部在一种新型军舰的开发上采用了虚拟装配技术，节约成本60万美元，减轻舰体总量100吨，将新型军舰的开发周期从14年缩短到7年。在国内，虽然对虚拟装配技术的研究起步较晚，但近年来国内各研究机构对虚拟装配技术的研究比较活跃。在文献[3]中,华中科技大学的姜华博士等人在Pro/E环境下，利用其开发工具成功开发了包括装配序列规划、装配路径规划及装配过程仿真等功能模块的虚拟装配系统。

滑动架是导弹运输装填车的重要组成部分。在传统的滑动架设计中，通常要经过图纸设计—样机试制—装配实验—更改设计—设计定型的循环过程。这种模式的过程复杂，结构的合理性必须依靠实物模型，然而在这个过程中，任何滑动架结构的微小改动都可能导致整体的重新设计。这样就导致了设计周期较长，设计经费偏高，设计精度低以及系列化生产困难等问题，尤其是在复杂武器系统设计中，这些问题更加突出。运用虚拟装配技术对滑动架进行设计可以很大程度上解决以上问题，而且可以让新技术、新思想更好、更快的体现在新型武器系统中。

1 基于UG的虚拟装配技术

UG中提供了三种装配方法：一种是自底向上的装配方法，指将全部设计好的装配组件添加到装配中并设置约束；一种是自顶向下（Top-down）的装配方法，指在装配体中首先创建组件装配体，然后再详细设计各组件模型的装配过程，而根据设计人员的习惯，通常是选择自顶向下的装配建模方法；第三种则是混合装配，它是一种将前两种结合起来的装配方法。本文采用的即为自顶向下的装配方法。

1.1 自顶向下（Top-down）的装配建模

自顶向下装配建模[4]是指在装配工作上下文中，根据产品设计方案和各部件间约束关系建立新组件和几何件，并将几何件加入新组件的方法。

在建模过程中，每个零件的构建都是在装配环境中进行的，先在装配中建立几何模型，然后产生新组件，并把几何模型加入到新组件中。它允许设计者在高层产品设计发生变化时自动更新低层零部件的设计。由于产品的总体参数、产品的包络空间、零部件的布置与定位等主要参数都在装配的高层定义，而详细设计在零部件的底层构建，因此，通过设定产品的高层几何定义和约束，使得详细设计可以在概念设计完成之前开始实施，使产品设计并行开展。产品设计应按照市场或客户的需求展开，他们对产品的需求决定了一些关键的产品参数，而这些参数必须合并到高级产品设计的初期设计布局中，形成所有下游设计活动的基础。图1即为自顶向下装配建模的流程。

图1 自顶向下装配建模的流程

1.2 滑动架虚拟装配关键技术

本文在在滑动架设计中用到的虚拟装配的关键技术主要包括虚拟装配总体布局、虚拟装配建模技术、虚拟装配控制技术和运动仿真技术等。

1）虚拟装配结构设计：依据滑动架的功能原理，对各部分部件进行合理的设计；

2）虚拟装配建模技术：虚拟装配建模技术是用来开发虚拟装配系统中各种模型的所有技术和方法。主要是指在产品设计过程中，根据设计参数进行的产品总体及各部件的三维建模技术；

3）装配仿真技术：因为虚拟装配的部件模型的复杂性和多样性，在产品设计过程中必须对设计的部件进行各种检验从而使设计尽可能合理。这些检测技术主要包括干涉检验和仿真，干涉检验又包括静态干涉和动态干涉。

图2 虚拟设计过程的功能模型

2 滑动架虚拟装配设计的总体方案

滑动架是装弹设备中导弹支撑装置中的重要组成部件，用来支撑和抱夹导弹的二级火箭，并且在对发射架进行装、退导弹时，在传动装置的配合下来移动导弹。它主要由支撑导弹的鞍形座、自动抱夹导弹的抱夹装置、定位装置和使滑动架移动的滑车等组成。

2.1 设计目标

1）建立基于滑动架数字模型和装配工艺数字模型的虚拟装配的并行数字化装配设计，并由此设计出适应现代防空武器的滑动架；

2）实现滑动架从实体模型设计到数字化设计的转变，并且提高武器的设计精度以提高武器性能；

3）通过实现滑动架的虚拟装配来实现快速设计以及节约成本的目的。

2.2 设计思想

进行滑动架的虚拟设计，实际上就是运用计算机辅助技术反复构造虚拟装配体，并对其进行分析、仿真，以得到最优的设计结果。这种设计的显著特点在于可以进行反复设计、分析并在此过程中用虚拟装配体来替代实物模型。针对滑动架的总体布局与装配设计要求，本文提出的基于虚拟装配技术的滑动架设计的虚拟设计过程的功能模型如图2所示。

3 滑动架的虚拟装配过程

滑动架的虚拟装配过程主要包括装配模型的建立、滑动架的运动仿真以及生产工程图纸等。

3.1 装配模型的建立

1）产品建模：产品建模的实质就是在完成滑动架总体设计方案的基础上，建立适合滑动架虚拟设计过程的产品模型，也即完成滑动架包括三维模型、参数化模型、知识模型等模型的生成与规划。这些模型集成了与装配以及工程设计知识相关的信息，并提供给设计的相关过程使用。

2）结构设计：结构设计主要是为实现滑动架的功能而进行的滑动架各功能部件的设计，并在在该过程中完成滑动架结构、系统零件形状的基本设计，是滑动架设计的重要阶段。其结构如图3所示。

图3 滑动架结构图

3）装配设计：在装配设计中首先要完成的是如何实现滑动架的功能要求，也就是如何实现其各种动作，接下来要进行的是确定装配基准、装配层次和装配约束。以执行元件夹头作为设计装配基准，分为以下几个装配区域：鞍形座装配体，滑车装配体，平衡装置装配体，手柄装配体以及弹簧筒装配体等。每一个子装配体又由下一级的子装配体和零件组成，主要是按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系，这样一步一步设计出滑动架所有零部件模型，其装配体以及装配体爆炸图分别如图4和图5所示。

图4 滑动架装配图

图5 滑动架装配体爆炸图

3.2 装配仿真

UG的仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等[5]。仿真结果可以指导修改零件的结构设计（加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线、调整齿轮比等）或调整零件的材料（减轻、加重或增加厚度等）。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品仿真方案中，然后重新仿真。一旦确定优化的设计方案，设计更改就可直接反映到装配主模型中。

对滑动架进行装配仿真，就是模拟滑动架的实际运动情况，检查运动机构的运动协调关系。最后根据零部件的干涉和运动情况，修改原设计。滑动架干涉检查结果如图6所示。