畢業論文全鋁散熱器水箱新芯體裝配機 前言 換熱器作為工藝過程必不可少的單元設備廣泛地應用于石油、化工、動力、冶金、船舶、制冷、空調等國民經濟許多領域以及國防工程中，換熱器是合理利用與節約現有能源、開發新能源的關鍵設備，所以 自主設計一個高效自動化 的散熱器 加工設備有著非常重要的意義 。 CAD/CAE技術已成為現代科學技術不可缺少的重要工具，在換熱器設計領域中，它也逐漸取代手工算法而成為一種十分重要的手段和工具。 最優化技術是伴隨計算機技術的發展而出現的一種數學算法并且廣泛應用于工程實踐中，最優化實際上是多方案計 算的發展和系統化、規律化，最優化設計可達到經濟效果最優或安全、可靠等項標準。 虛擬制造技術 以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。這樣，可以在產品的設計階段就模擬出產品及其性能和制造過程，以此來優化產品的設計質量和制造過程，優化生產管理和資源規劃，以達到產品開發周期和成本的最小化，產品設計質量的最優化和生產效率最高化，從而形成企業的市場競爭優勢。 本文在討論了虛擬制造技術的背景、發展趨勢、應用和意義的基礎上，以Pro/e 軟件為平臺，對散熱器水箱芯體裝配機進行虛擬建模、裝配與仿真，并 對設計 進行了優化 ，使裝置設計的更合理。 1 虛擬制造技術 1.1 虛擬制造產生的背景 隨著經濟的全球化和社會的信息化 ， 市場競爭日益激烈，顧客需求日趨多樣化 ， 制造企業為了在競爭激烈的全球市場求得生存與發展，必須解決 TQCS難題，即以最快的上市度 、 最好的質量 、 最低的成本 、 和最優的服務來滿足不同顧客的需求 ， 面對不可預測、持續發展、快速多變的市場需求，企業的生產活動必須具有高度的柔性，企業應當能夠對市場需求的變化做出快速敏捷的反應，并及時地對自身的生 產做出合理的調整與重新規劃 。 基于這些因素 ， 20世紀 90年代中有許多新概念 、 新觀點應運而生，虛擬制造就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式 。 虛擬制造的出現盡管只有短短的幾年時間 ， 但它對制造業的革命性的影響卻很快地顯示出來 。 而且 它 已成為科技界和企業界的研究熱點之 一， 虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質實現 ， 即采用計算機仿真與虛擬現實技術 ， 在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作 ， 實現產品設計、工藝規劃 、 加工制造、性能分析 、 質量檢驗以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強 制造過程各級的決策與控制能力 ， 從而使企業的運作達到全局最優，資源得到合理的配置和利用，提高市場競爭力。虛擬制造使企業的全面集成成為可能，從而 做 為一種 21世紀的新型制造策略和方法正越來越受到工業界和學術界的重視 1。 1.2 國內外發展 情況 虛擬制造技術雖然于 80 年代才剛剛提出來的 ， 但隨著計算機技術的迅速發展，在 90 年代得到人們的極大重視而獲得迅速發展 。 1983 年美國國家標準局 NEL 發展并提出了 “ 虛擬制造單元 ” 的報告，以更大的柔性完成分析、行程和時序安排、報告和監控等功能 ， 1989 年麻省理工學院的 “ 虛 擬制造 ” 的報告提出了虛擬制造在產品概念設計和性能早期評價方面的優勢 ， 1993 年愛荷華大學的報告 “ 制造技術的虛擬環境 ” 提出了建立支持虛擬制造的環境包括虛擬制造的評估系統、裝配順序計劃和材料去除過程模擬以及離線編程等技術 ， 里海大學的報告則提出了與 CAD CAM、 CIM、 CAPP、快速原型、敏捷制造、柔性制造有關的可制造性等問題 ， 1995 年美國標準與技術研究所的報告 “ 國家先進制造實驗臺的概念設計計劃 ” ，強調分散的、多節點的分散虛擬制造，即虛擬企業的概念，強調企業、政府和大學的聯合 ， 美國國家研究委員會的報告 “ 制造中 的信息技術 ” 探討了產品集成、過程設計、車間控制、虛擬工廠等的信息技術問題 ， 1997 年美國標準與技術研究所的報告 “ 使用 VRML的制造系統建模 ” 則探討了虛擬現實技術及在網絡上的應用 ， 可 見美 國已經從虛擬制造的環境和虛擬現實技術、信息系統、仿真和控制、虛擬企業等方面進行了系統的研究和開發 ，多數單元技術已經進入實驗和完善的階段 ， 例如美國華盛頓大學的虛擬制造技術實驗室發展的用于設計和制造的虛擬環境 VEDAM、 用于設計和裝配的虛擬環境等 ， 已經初具規模但虛擬制造 做 為一個完整的體系，尚沒有進行全面的集成 。 特別應說明的是 ， 虛 擬企業的研究在美國得到政府和企業界的極大關注，研究異常活躍，成為其敏捷制造技術的主要支柱之一 。 歐洲以大學為中心也紛紛開展了虛擬制造技術研 究，如 虛擬車間、建模與仿真工程等的研究 。 日本在 60 70 年代的經濟崛起受益于先進制造與管理技術的采用 ， 日本對虛擬制造技術的研究也秉承其傳統的特點重視應 用 ， 主 要進行虛擬制造系統的建模和仿真技術以及虛擬工廠的構造環境研究 。 我國在虛擬制造技術方面的研究只是剛剛起步，目前主要集中在虛擬制造技術的理論研究和實施技術準備階段，系統的研究尚處于國外虛擬制造技術的消化和與國內 環境的結合上 ， 這幾年我國虛擬制造技術受到普遍的重視，發展很快，發展勢頭強勁，例如：清華大學進行了虛擬設計環境軟件、虛擬現實、虛擬機床、虛擬汽車訓練系統等方面的研究； 北京航空航天大學、北京機械科學研究院等高校和科研機構研制出的仿真軟件在汽車零件制造、數控加工等方面也有實際的應用 ； 哈工大、北京機電所、上海交大、南京理工大學等單位也進行了這方面的研究 。 據不完全的調查統計，國內進行虛擬制造技術研究的單位達到了 100家，已經取得了一些可喜的進展 ， 在虛擬現實技術、建模技術、仿真技術、信息技術、應用網絡技術等方面的研究都 很活躍 ， 但研究的進展和研究的深度還屬于初期階段 ， 還沒有形成產業化 。 我國的研究多集中于高等院校和少量的研究院所，企業和公司介入的較少 2。 1.3 虛擬制造的概念和作用 1.3.1 虛擬制造的概念 當今先進制造技術的發展給了我們一個趕超發達國家的機會 ， 20 世紀 80 年代提出的虛擬制造技術應處于先進制造技術之首 ， 虛擬制造是虛擬現實技術在制造業中的具體應用 ， 虛擬現實技術是人們在改善人與計算機的交互方式，提高計算機可操作性中所 作 出的努力中產生的由圖形系統及各種接口設備組成，用來產生虛擬環境并提供沉浸感覺以及交互性 操作的計算機技術 。 虛擬制造以信息技術、仿真技術、虛擬現實技術為支持，可以在產品設計或制造系統的物理實現之前，就能體會或感受到未來產品的性能或制造系統的狀 態 ， 從而可以 做 出前瞻性的決策和優化實施方案 。 虛擬現實技術在制造業的應用，產生了虛擬加工、虛擬裝配、虛擬設計、虛擬產品以及虛擬研究開發中心、虛擬企業，構成了廣義上的虛擬制造含義 。 由于虛擬制造研究的出發點、側重點以及應用場合等方面的不同，因此存在對虛擬制造各種不同的定義 ， 虛擬制造又稱擬實制造，是指利用制造過程的計算機模型和仿真來實現產品的設計和生產的技術，是在 計算機中實現的而不直接消耗物理資源的模擬制造過程。虛擬制造是基于虛擬現實技術而發展起來的，它與精良生產、并行工程、敏捷制造、綠色制造等先進技術有著非常緊密的聯系 3。 基于對當前虛擬制造研究的歸納總結和對虛擬制造的研究，我們認為對虛擬制造的定義應該分為 三 個層次： 1） 虛擬制造 做 為一種哲理、一種制造策略，為制造業的發展指明了方向，在制造企業組織管理、產品開發過程、資源、工作機制等諸方面集成基礎之上，使其成為一個有機整體，以達到提高整體的運作及全局最優決策的效能和市場競爭力的目的 。 2） 同時，虛擬制造 做 為 一種現代制造環境下的制造理論和方法論，為整個制造企業的產品開發過程提供一種實施虛擬制造的方法，為實現企業的全面集成提供指導原則、實施方法和途徑 。 3） 最后，虛擬制造是一種在計算機技術支持下的集成的、虛擬的制造環境 ，虛擬制造是對真實產品制造的動態模擬，是一種在計算機上進行而不消耗物理資源的模擬制造軟件技術 ， 它具有建模和仿真環境，使產品從生產過程、工藝計劃、調度計劃、后勤供應以及財會、采購和管理等一種集成的、綜合的制造環境，在真實產品的制造活動之前，就能預測產品的功能以及制造系統狀態，從而可以作出前瞻性的決策和 優化實施方案 。 1.3.2 虛擬制造的條件 虛擬制造條件 包括以下 三 個核心 ： 1） 數字化的產品和過程建模是以數字化定義產品和過程的能力 ， 其核心是數字化模型，即在物理模型制造出來之前就已經存在的虛擬數字模型 。 2） 客戶機 或 服務器方式的計算和通訊使得在不受地域限制的 虛擬產品 開發組內，對信息進行實時采集和分配成為可 能 。 3） 組織和過程的改革 是 為了實現與傳統設計方式完全不同的純數字化的 虛擬產品開發 模式， 它 不可避免地需要對傳統企業組織和開發過程進行必要的改革，以取得 虛擬產品開發 的成功 4。 1.3.3 虛擬制造技 術在制造業中的應用 目前 VMT 應用在以下幾個方面 ： 1） 在計算機上利用模型和仿真技術完成設計和制作原理樣機 ， 從設計方面考慮產品的可加工 性、可維護性、成本計算和經營實踐等，使設計結果在多方面達到優化，即 虛擬產品設計 。 2） 應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工藝規劃、工裝選用、工藝參數確定，加工工藝性 、 裝配工藝性及可制造性的評價。通過對產品制造全過程模擬和仿真，實現對產品制造方案的評價和對加工生產過程的優化，進而對制造過程模式進行綜合評價 ，即 虛擬產品制造 。 3） 產品生產過程的合理制定、人力資源、制造資源、 物料庫存、生產調度、生產系統的規劃設計等，均可通過計算機仿真進行優化，同時還可對生產系統進行可靠性分析，對生產過程的資金進行分析預測，對產品市場進行分析預測等，從而對人力資源、制造資源的合理配置，對縮短產品生產周期，降低成本意義重大 ，即 虛擬生產過程 。 4） 當市場上新的機遇出現時，將幾個有關的公司或企業或車間協調成一個臨時的公司（企業），通過貢獻各自的特長，以最快的速度、最優的組合贏得這一機遇，完成之后又獨立經營 5，即 虛擬企業 。 綜上所述，虛擬制造技術在企業中的應用可以帶來很多效益 ， 虛擬產品設計可以提高設 計質量、優化產品性能，縮短設計周期 。 虛擬產品制造可以提高制造質量，優化工藝過程，縮短制造周期 。 虛擬生產過程可以優化資源配置、物流管理、縮短生產周期，降低生產成本 。 虛擬企業可以增強企業柔性，滿足客戶的特殊要求，形成企業的市場競爭優勢 。 1.3.4 虛擬制造技術在我國的應用和意義 當前我國虛擬現實技術應用的重點研究方向是基于我國國情，進行產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真，在產品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性 。 在緊跟國際新技術的同時，國內許多高校與研究機構已積極投入到這 一領域的研究工作 。 我國制造業企業在管理上多“金字塔”式的垂直管理，生產轉換不夠敏捷，缺乏柔性；生產上缺乏有效的合作，產品零部件多自制，生產成本過高、市場風險大并且難以突破規模瓶頸 。 因此在國際競爭中始終處于被動局面，競爭力有限 。“虛擬制造”作為企業全新的生產管理手段，對加快我國制造業企業的發展，提高企業的國際競爭力有 極 大 的 作用 6。 2 基于 Pro/E 的虛擬 制造技術 2.1 虛擬裝配的國內外研究現狀 自從 20 世紀 80 年代虛擬現實概念的提出以來，虛擬現實作為一門新興學科正在蓬勃發展，近年來在工程、航空航天 、軍事、建筑等領域得到越來越廣泛的應用 。 虛擬現實采用計算機技術生成一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的人工虛擬環境，使置身于該環境中的人可以通過各種多媒體傳感交互設備與這一虛構的環境進行實時交互作用，產生身臨其境的感覺，具有自主性、沉浸感和交互性的特征 。 世界各國尤其是發達國家都對虛擬裝配技術給予了高度的重視，投人了大量的人力物力進行研究 。 德國 Fraunhofer 工業工程研究所較早進行了虛擬裝配規劃系統的研究和開發，他們開發的第一個虛擬裝配規劃 原型系統可以實現在虛擬環境中執行裝配操作，交互地裝配和拆卸零件 ， 并在用戶交互的基礎上生成裝配圖，進行裝配工時和裝配成本的分析 。 我國從 90 年代中后期開始進行虛擬裝配方面的探索和研究工作 7，我國虛擬裝配技術的應用研究尚處于起步階段，只有為數不多的機構如清華大學、浙江大學、武漢理工大學和西北工業大學等院校作了有益的研究，由于虛擬現實設備非常昂貴，近年來國內大多數研究被限制在介紹國外的進展理論探討范圍內 ， 或者在非虛擬現實環境下進行研究 8。 2.2 虛擬裝配基本設計思想及內涵 虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，在工業產品的開發過程中，有關產品的結構性能、操作性能、生產 工藝、裝配性能甚至維護性能等許多問題都需要在開發過程的前期得到解決 。 通常，人們是借助理論分析、 CAD 系統和各種比例的實物模型，以及參考先前產品的開發經驗來解決有關新產品開發的各種問題 。 但是，由于有關裝配操作和維修的問題往往只會在產品開發的后期或在最終產品試車過程中，甚至在投入使用一段時間后才能暴露出來，尤其是有關維修的問題往往只會在產品已經售出很長時間以后才能被發現 。 為了解決這些問題，有時產品就不得不返回到設計構造階段以便進行必要的設計變更，這樣的產品開發程序既效率低 ， 耗時長 ， 費用又高 。 虛擬裝配設計技術的出 現給以上問題提供了最有效和最有利的解決方法 ， 即便是在設計的初期階段，計算機產生的最初模型也可以放入虛擬環境進行實驗，甚至可以直接在虛擬環境中創建產品模型 。 這樣不僅可以使產品的外表、形狀和功能得到模擬，而且有關產品的人機交互性能也能得到測試和檢驗， 使產品的缺陷和問題在當時的設計階段就能被及時發現并加以解 決9-10。 另外，通過裝配約束，使零件之間具有確定的相互位置 ， 利用 Pro/E 軟件中的干涉檢查命令 ， 可以檢查出各零部件 有無干涉現象 ， 通過虛擬裝配技術，可以縮短產品開發時間，有利于提高產品的質量和可靠性，有利 于降低產品成本，提高企業的競爭力 11。 世界機械制造業市場的競爭日趨激烈 ， 為了適應變化迅速的市場需求 ， 產品研制周期、質量、成本、服務成為每一個現代企業必須面對的問題 。 近 20 年來的實踐證明，將信息技術應用于新產品研制以及實施途徑的改造 ， 是現代化企業生存、發展的必由之路 。 同時，先進的產品研制方法、手段以及實 施途徑，實際上是產品研制質量、成本、設計周期等方面最有利的保證 。 虛擬裝配是產品數字化定義中的一個重要環節 ， 在虛擬技術領域和仿真領域中得到了廣泛的應用研究 ， 通常有 兩 種定義： 1） 虛擬裝配是一種零件模型按約束 關系進行重新定位的過程，是有效分析產品設計合理性的一種手段 。 該定義強調虛擬裝配技術是一種模型重新進行定位、分析過程 。 2） 虛擬裝配是根據產品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性 。 2.3 虛擬裝配的分類 2.3.1 以設計為中心的虛擬裝配 以設計為中心的虛擬裝配 （ Design-Centered Virtual Assembly） 是指在產品三維數字化定義應用于產品研制過程中，結合產品研制的具體情況，突出以設計為核心的應用 思想，這表現在 自頂向下的并行產品設計 、 面向裝配的設計 、 與 Master Model 相關的可制造性設計和可裝配性設計 三個層次 。 2.3.2 以過程控制為中心的虛擬裝配 以過程控制為中心的虛擬裝配 （ Process-Centered Virtual Assembly） 主要包含以下 幾 方面內容 ： 1） 實現對產品總體設計進程的控制 在產品數字化定義過程中，結合產品研制特點 ， 人為地將虛擬裝配技術應用于產品設計過程，該過程可以劃分為 總體設計 、裝配設計和詳細設計 三個 階段 。通過對三個設計階段的控制，實現對產品總體設計進程 的控制，以及虛擬裝配設計流程 。 2） 過程控制管理 過程模型包含了產品開發的過程描述、過程內部相互關系和過程間的協作等方面內容 。 通過對過程模型的有效管理，實現對工程研制過程中各種產品設計結果和加工工藝等產品相關信息的管理，從而實現優化產品開發過程的目的 。 2.3.3 以 仿真為中心的虛擬裝配 以仿真為中心的虛擬裝配 （ Simulate-Centered Virtual Assembly） 是在產品裝配設計模型中，融入仿真技術，并以此來評估和優化裝配過程 ， 其主要目標是評價產品的可裝配性 。 優化裝配過程 的 目的是 使產品能適應當地具體情況，合理劃分成裝配單元，使裝配單元能并行地進行裝配 。 可裝配性評價 主要是評價產品裝配的相對難易程度 ， 計算裝配費用，并以此決定產品設計是否需要修改 12。 2.4 Pro/E 軟件介紹 Pro/E 是美國參數技術公司 (PTC)推出的一種三維建模軟件 ， 功能強大，內容豐富 ,提供了設計零件，裝配產品，開發模具 ， 設計鑄造件，分析應力等功能 ，已被廣泛地應用于機械，汽車，航天，家電，玩具，模具，工業設計等行業 。它是 基于特征的 參數化 建模方式 。 基于特征是指用戶可以通過定義特征來創建零件 ， 零件模型的構造是 由各種特征生成的 ， 零件的設計過程就是特征的累積過程 。參數化是指零件和裝配件的物理形狀由特征屬性值 (指特征的幾何形狀與尺寸 )來驅動 ， 用戶可隨時修改特征尺寸和其它的屬性 ， 特征及特征參數決定了零件的形狀 ， 一旦修改了特征參數 ， 零件的形狀就會發生改變 。 Pro/E 模型是建立在一個真正統一的數據結構上 ， 各模塊之間是全相關的 ，該系統在處理三維實體 、 二維工程圖 、 截面圖 、 總裝配以及在分析 、 仿真加工零件的工藝規程等各類數據時是嚴格一體化的 ， 設計人員可以在任意一個環節對不滿意的模型尺寸進行修改 ， 同時修改后的尺寸都會反映到從設計到 加工的個人過程 ， 以確保所有零件和多個環節的數據一致性 。 基于虛擬現實技術的優越性和 Pro/E 軟件的突出特點，選擇 Pro/E 作為平臺完成裝置的虛擬建模、虛擬裝配與仿真，充分體現虛擬現實技術在產品設計中的作用。 3 Pro/E 環境下全鋁散熱器水箱芯體裝配機的虛擬 建模 首先分析裝置的結構和運動情況，然后在 Pro/E 環境下進行建模，采用簡單的特征建立模型，這樣便于模型的修改。 3.1 設備構成及設備動作循環圖 3.1.1 設備構成 1） 壓裝擴口裝置 本裝置主要由壓裝擴口油缸及調節接頭 、 擴口擺臂 、 同步連桿 、 同步曲柄 、擺臂安裝框架 、 擺臂接連塊 、 擴口橫梁 、 緩沖裝置 、 擴口模 、 橫梁導桿 、 定位塊等 組成 。該裝置的主要功能就是將主片擴口使邊板與主片連接定位，由于是液壓驅動，運行平穩，并可以實現無級調速。 2） 床身 ，主要就是安裝其他部件，起支撐作用。 3）排料裝置 本裝置主要由 料庫傳動裝置、架體、排料輪、多種氣缸、光電開關和計數輪等元部件組成，它的功能是儲料、排料。主要就是達到主片按照要求的數量和位置準確放置。由于該裝置的精度要求的很高，所以這里使用的是步進電動機，使該裝置的得到有效的控制，同時利用了滾珠絲杠等精密元件，也提高了進度， 保證裝置平穩，準確運行，同時也降低噪音。 4） 裝整裝置 本裝置由裝配臺 、 梳齒及導鏈裝置 、 導鏈拉縮氣缸 、 導鏈升降氣缸及導柱導套 、排齊裝置、 主夾緊油缸 、 主夾緊模板組成 ，主要是將排的料按照一定距離準確放置。因為排料的間距由于各種原因總會有誤差，所以 梳齒及導鏈裝置 就是解決這一問題的，導鏈是半開式并相互套在一起，并有一定間隙，它們之間可以壓縮和拉伸。一個導鏈上有一個梳齒，隨著導鏈的壓縮與拉伸，它們間的距離也在變化，壓縮長度就是工作尺寸，拉開長度就是排料尺寸。這樣就保證了主片之間的距離。夾緊主要就是保證壓裝順利進行。 5） 液壓及氣動系統 。主夾緊、壓裝擴口裝置采用液壓傳動方式，工作平穩，壓力穩定，可實現無級調速，操作方便。 6） 電氣控制系統及照明 。 3.1.2 設備動作循環圖 根據各部分的功能確定運動順序如圖 3-1。（ 說明： 為自動 手動作業 ） 圖 3-1循環圖 Fig 3 -1 Circulation chart 3.2 裝置的建模 由于論文 篇幅有限，這里舉幾個特征較多的 大齒輪的建模 例子介紹在 PRO/E中如何建立實體模型。 首先確定齒輪的各個參數，大齒輪的 已知 參數是 ：模數 m=1.5mm， 齒數 z=176，齒形角 =20，齒頂高系數 hd*=1.0，變位系數 x=0,齒隙系數 c*取 0.5。由已知參數公式我們導出需要的參數，齒頂高 ha=ha*m，齒根高 hf=(ha*+c*)m，分度圓直徑裝邊板 排料裝置前進 齒梳機構上升 管排齊機構上升 落料氣缸后退 (排管計數到位 )落料氣缸前進 排料裝置后退 管排齊機構前進 齒梳壓縮主夾緊壓縮 管排齊機構退，管排齊機構下降 齒梳機構下降，齒梳拉開 壓裝擴口進 上釬焊夾具 取出工件 放入翅片，主片 平整翅片 壓裝擴口退 主夾緊退 d=mz=264mm，齒頂圓直徑 da=d+2ha=267mm，齒根圓直徑 df=d-2hf=260.25mm，基圓直徑 db=zmcos()。然后 新建 零件，進入零件環境， 首先分別繪制齒頂圓、齒根圓、分度圓和基圓，基圓利用關系確定尺寸，如圖 3-2。 圖 3-2草繪 Fig 3 -2 Sketch 然后建立坐標原點，來繪制漸開線方程。分別選三個基準面，使 z 坐標垂直于 FRONT 平面。如圖 3-3。 圖 3-3 基準坐標 Fig 3-3 Coordinates 建立漸開線方程，選擇從方程輸入，選擇剛建立的坐標原點，輸入方程如下，完成如圖 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 圖 3-4 漸開線曲線 Fig 3-4 Involute curve 在漸開線和分度圓交點處繪制基準點 PNT0，然后在三個基準面交線出繪制基準軸 A_1，過基準點 PNT0 和基準軸 A_1 繪制基準面 DTM1，然后通過基準軸A_1 繪制基準面 DTM2，與基準面 DTM1 旋轉的角度是 360z/4。 將漸開線通過基準面 DTM2 鏡像出另一邊，如 圖 3-5。 圖 3-5 鏡像 Fig.3-5 Mirror 通過 FRONT平面繪制出齒輪輪廓，倒角后用剛才的漸開線畫出齒槽的輪廓，用拉伸切除命令完成一個齒槽的切除。使用陣列功能陣列出其他槽，如圖 3-6。 圖 3-6拉伸出齒槽 Fig 3-6 Tensile alveolar 然后按照齒輪的外形拉伸切除需要的部分，選用孔命令方便的打出孔，使用陣列功能陣列出相同的特征，在里面的孔加入修飾螺紋，如圖 3-7。 圖 3-7完成 建模 Fig 3-7 Modeling completed 4 Pro/E環境下的全鋁散熱器水箱芯體裝配機的虛擬裝配與 仿真 機械產品中有成千上萬的零件要裝配 在 一起，其配合設計、可裝配性是設計人員常常出現的錯誤，往往要到產品最后裝配時才能發現，造成零件的報廢和工期的延誤，不能及時交貨造成 巨大的經濟損失和信譽損失 ， 采用虛擬現實技術可以在設計階段就進行驗證，保證設計的正確 13。 對 裝置 的設計主要應用 CAD/CAE/CAM 于一體的高效軟件 Pro/E。 在裝配時的關鍵就是對零件進行適當的約束， 它 提供了匹配，對齊等放置約束以及銷釘，平面等連接約束將零件組合在一起，每個特征都是以一個虛擬的特征為參照，這使得裝配十分方便 。 放置約束 主要根據零件之間的關系選擇 匹配，對齊 ，插入等約束條件放置， 匹配 是兩個平面法向方向相反， 對齊 則相同，插入是兩個軸同軸，操作簡單。 連接約束 則考慮零件的運動情況來定義連接，下面主要 介紹運動分析的理論。 1） 運動分析的定義 在滿足伺服電動機輪廓和接頭連接、凸輪從動機構、槽從動機構或齒輪副連接的要求的情況下，模擬機構的運動。運動分析不考慮受力，它模擬除質量和力之外的運動的所有方面。因此，運動分析不能使用執行電動機，也不必為機構指定質量屬性。運動分析忽略模型中的所有動態圖元，如彈簧、阻尼器、重力、力/力矩以及執行電動機等，所有動態圖元都不影響運動分析結果。如果伺服電動機具有不連續輪廓，在運行運動分析前軟件會 嘗試使其輪廓連續，如果不能使其輪廓連續，則此伺服電機將不能用于分析。 使用運動 分析可獲得以下信息：幾何圖元和連接的位置、速度以及加速度 ； 元件間的干涉 ； 機構運動的軌跡曲線 ；作為 Pro/ENGINEER 零件捕獲機構運動的運動包絡 。 2） 運動分析工作流程 運動分析工作流程 如圖 4-1，其中 向組件中增加元件時，會彈出 “ 元件放置 ” 窗口，此窗口有三個頁面： “ 放置 ” 、 “ 移動 ” 、 “ 連接 ” 。 傳統的裝配元件方法是在 “ 放置 ” 頁面給元件加入各種固定約束，將元件的自由度減少到 0，因元件的位置被完全固定，這樣裝配的元件不能用于運動分析（基體除外）。 另一種裝配元件的方法 是在 “ 連接 ” 頁面給元件加入各種組合約束，如 “ 銷釘 ” 、 “ 圓柱 ” 、 “ 剛體 ” 、 “ 球 ” 、 “ 6DOF” 等等，使用這些組合約束裝配的元件，因自由度沒有完全消除（剛體、焊接、常規除外），元件可以自由移動或旋轉 ， 這樣裝配的元件可用于運動分析 。 傳統裝配法可稱為 “ 約束連接 ” ， 后一種裝配法可稱為 “ 接頭連接 ” 。 約束連接與接頭連接的相同點 是它們 都使用 PRO/E 的約束來放置元件，組件與子組件的關系相同。 約束連接與接頭連接的不同點 是 約束連接使用一個或多個單約束來完全消除元件的自由度，接頭連接使用一個或多個組合約束來約束元件的位置。約束連接裝配的目的是消除所有自由度，元件被完整 定位，接頭連接裝配的目的是獲得特定的運動，元件通常還具有一個或多個自由度。 圖 4-1 運動分析工作流程 Fig. 4 -1 Motion Analysis workflow 接頭連接所用的約束都是能實現特定運動 (含固定 )的組合約束，包括： 銷釘、圓柱、滑動桿、軸承、平面、球、 6DOF、常規、剛性、焊接，共 10 種 。 每一種都 實現不同的運動狀態， 如 表 4-1。 表 4-1接頭連接 Tablet.4 -1 Joining 名稱 定義 創建模型 定義主體，生成連接，定義連接軸設置，生成特殊連接 。 檢查模型 拖動組件，檢驗所定義的連接是否能產生預期的運動 。 準備分析 定義初始位置及其快照，創建測量 。 加入運動分析圖元 ， 設定伺服電機 。 分析模型 定義運動分析，運行 。 結果獲得 結果回放，干涉檢查，查看測量結 果，創建軌跡曲線，創建運動包絡 。 銷 釘 由一個軸對齊約束和 一個與軸垂直的平移約束組成。元件可以繞軸旋轉，具有1 個旋轉自由度 ， 總自由度為 1。軸對齊約束可選擇直邊或軸線或圓柱面；平移約束可以是兩個點對齊，也可以是兩個平面的對齊 /配對，平面對齊 /配對時，可以設置偏移量。 圓 柱 由一個軸對齊約束組成。比銷釘約束少了一個平移約束，因此元件可繞軸旋轉同時可沿軸向平移，具有 1 個旋轉自由度和 1 個平移自由度，總自由度為 2。軸對齊約束可選擇直邊或軸線或圓柱面，可反向。 滑 動 桿 即滑塊，由一個軸對齊約束和一個旋轉約束組成。元件可滑軸平移，具有 1個平移自由度，總自由度為 1。軸對 齊約束可選擇直邊或軸線或圓柱面，可反向。旋轉約束選擇兩個平面，偏移量根據元件所處位置自動計算 。 軸 承 由一個點對齊約束組成。它與機械上的 “ 軸承 ” 不同，它是元件（或組件）上的一個點對齊到組件（或元件）上的一條直邊或軸線上，因此元件可沿軸線平移并任意方向旋轉，具有 1 個平移自由度和 3 個旋轉自由度，總自由度為 4。 平 面 由一個平面約束組成，也就是確定了元件上某平面與組件上某平面之間的距離(或重合 )。元件可繞垂直于平面的軸旋轉并在平行于平面的兩個方向上平移，具有1 個旋轉自由度和 2 個平移自由度，總自由度為 3。可 指定偏移量，可反向。 球 由一個點對齊約束組成。元件上的一個點對齊到組件上的一個點，比軸承連接小了一個平移自由度，可以繞著對齊點任意旋轉，具有 3 個入旋轉自由度，總自由度為 3。 剛 性 使用一個或多個基本約束，將元件與組件連接到一起。連接后，元件與組件成為一個主體，相互之間不再有自由度，如果剛性連接沒有將自由度完全消除，則元件將在當前位置被 “ 粘 ” 在組件上。如果將一個子組件與組件用剛性連接，子組件內各零件也將一起被 “ 粘 ” 住，其原有自由度不起作用。總自由度為 0。 焊 接 兩個坐標系對齊，元件自由度被完全消除 。連接后，元件與組件成為一個主體，相互之間不再有自由度。如果將一個子組件與組件用焊接連接，子組件內各零件將參照組件坐標系發按其原有自由度的作用。總自由度為 0。 常 規 也就是自定義組合約束，可根據需要指定一個或多個基本約束來形成一個新的組合約束，其自由度的多少因所用的基本約束種類及數量不同而不同。可用的基本約束有：匹配、對齊、插入、坐標系、線上點、曲面上的點、曲面上的邊，共 7種。在定義的時候，可根據需要選擇一種，也可先不選取類型，直接選取要使用的對象，此時在類型那里開始顯示為 “ 自動 ” ，然后根據所選擇的對象系統自動確定一個合適的基本約束類型。 6DOF 即 6 自由度，也就是對元件不作任何約束，僅用一個元件坐標系和一個組件坐標系重合來使元件與組件發生關聯。元件可任意旋轉和平移，具 有 3 個旋轉自由度和 3 個平移自由度，總自由度為 6。 凸輪連接 ，就是用凸輪的輪廓去控制從動件的運動規律。 PRO/E 里的凸輪連接，使用的是平面凸輪。但為了形象，創建凸輪后，都會讓凸輪顯示出一定的厚度 (深度 )。凸輪連接只需要指定兩個主體上的各一個（或一組）曲面或曲線就可以了。定義窗口里的 “ 凸輪 1”“ 凸輪 2” 分別是兩個主 體中任何一個 ， 并非從動件就是 “ 凸輪 2” 。如果選擇曲面，可將 “ 自動選取 ” 復選框勾上，這樣，系統將自動把與所選曲面的鄰接曲面選中，如果不用 “ 自動選取 ” ，需要選多個相鄰面時要按住 Ctrl。如果選擇曲線 /邊， “ 自動選取 ” 是無效的。如果所選邊是直邊或基準曲線，則還要指定工作平面（即所定義的二維平面凸輪在哪一個平面上）。凸輪一般是從動件沿凸輪件的表面運動，在 PROE里定義凸輪時，還要確定運動的實際接觸面。選取了曲面或曲線后，將會出線一個箭頭，這個箭頭指示出所選曲面或曲線的法向，箭頭指向哪側，也就是運動時接觸點將在哪側。 如果系統指示出的方向與想定義的方向不同，可反向。 齒輪齒條兩種類型。標準齒輪需定義兩個齒輪，齒輪齒條需定義一個小齒輪和一個齒條。一個齒輪（或齒條）由兩個主體和這兩個主體之間的一個旋轉軸構成。因此，在定義齒輪前，需先定義含有旋轉軸的接頭連接（如銷釘）。 定義齒輪 時，只需選定由接頭連接定義出來的與齒輪本體相關的那個旋轉軸即可，系統自動將產生這根軸的兩個主體設定為 “ 齒輪 ” （或 “ 小齒輪 ” 、 “ 齒條 ” ）和 “ 托架 ” ， “ 托架 ” 一般就是用來安裝齒輪的主體，它一般是靜止的，如果系統選反了 ， 可用 “ 反向 ” 按鈕將齒輪與托架主體交換。 伺服電動機 可規定機構以特定方式運動。伺服電動機引起在兩個主體之間、單個自由度內的特定類型的運動。伺服電動機將位置、速度或加速度指定為時間的函數，并可控制平移或旋轉運動。通過指定伺服電動機函數，如常數或線性函數，可以定義運動的輪廓。可從多個預定義的函數中選取，也可輸入自己的函數。可在一個圖元上定義任意多個伺服電動機。 4.1 壓裝擴口裝置的 裝配 在裝配時采用分層裝配技術，主要過程就是將零件先按照動能和運動情況裝配成小的功能體，在裝配過程中完全考慮裝配的可行性，形成高效率的裝配工藝，然后將各個小功能體組成為總體 裝配 14。 床身 根據零件之間的約束關系裝配，首先新建文件，進入組件環境，在放置對話框中將兩個斜面用匹配關系貼在一起，再用對齊關系將上面兩個平面保持在一個平面上，最后用曲面上的邊將零件完全約束放置，其他零件按照類似的關系約束完成床身的裝配。裝配壓裝擴口裝置，新建文件進入組件環境，首先在 缺省位置放置裝配好的床身， 如圖 4-2 所示 。 圖 4-2 裝配壓裝擴口裝置 Fig.4-2 Assembly pressure devices installed expanding 裝配右主梁，考慮到它的運動只是沿導杠的 滑動，所以選連接中的滑動桿，分別選導杠的圓柱面和右主梁部分的內圓柱面定義軸對齊，再選床身定位塊的上表面定義旋轉約束完成連接定義 ， 如 圖 4-3。同樣的方法裝配上左主梁。 圖 4-3 裝配右主梁 Fig.4-3 Right main beam assembly 裝配 左副梁，根據運動特性，選擇滑動桿連接，分別選左副梁的內圓柱面和導杠的圓柱面定義軸對齊，再選左副梁上平面和床身擋塊上平面完成連接定義，如 圖 4-4。同理裝配上右副梁。 圖 4-4 裝配左副梁 Fig.4-4 Assembly deputy left beam 裝配連桿，連桿只是起連接作用，選用銷釘連接。軸對齊選連桿的右內孔面和右主梁的內孔面，平移選連桿側平面和與右主梁對應部位的內側面，如 圖 4-5。同理完成左面連桿的裝配。 圖 4-5 裝配連桿 Fig.4-5 Connecting rod assembly 裝配左擺臂，用銷釘和圓柱定義連接。選擺臂中間內孔面和框架上對應孔的內表面定義軸對齊，選擺臂外平面和框架內平面定義平移完成銷釘連接，選上面的內圓柱面和連桿的內圓柱面定義圓柱連接，如 圖 4-6。同樣的方法裝配右擺臂。 圖 4-6裝配左擺臂 Fig.4-6 Assembly Left Arm 裝配曲柄 ，由于只是旋轉運動，所以選銷釘連接，分別選曲柄中間內圓柱面和框架的內圓柱面再選曲柄的外平面和框架的內側平面完成銷釘連接的定義，如圖 4-7。 圖 4-7 裝配曲柄 Fig.4-7 Crank assembly 裝配液壓缸，先以缺省位置放置缸筒，選液壓缸的外圓柱面和伸出軸外表面定義軸對齊，選中間對稱平面定義旋轉完成滑動桿連接， 如圖 4-8。 圖 4-8 裝配 氣 缸 Fig.4-8 Cylinder assembly 裝配支腳，相同的原理選擇軸的外圓柱面和要插入的孔 的內圓柱面，再選兩個沿軸方向平行的面完成滑動桿的連接，如 圖 4-9。 圖 4-9 裝配支腳 Fig.4-9 Foot assembly 裝配軸承，選支腳下面的內孔面和軸承內圈圓柱面定義軸對齊，選支腳槽的內平面和軸承的外平面定義平移完成銷釘連接，以完全約束裝配調整螺栓完成伸縮氣缸的裝配，如圖 4-10。 圖 4-10 裝配軸承 Fig.4-10 Bearing assembly 將伸縮氣缸整體裝配到壓裝擴口裝置中，分別用銷釘和圓柱連接完成，銷釘連接時要保持軸與擺臂內平面保持 20mm 的距離，如圖 4-11。 圖 4-11 氣缸整體裝配 Fig.4-11 Overall cylinder assembly 裝配左連桿 ,分析運動可用一個銷釘和一個圓柱定義連接，選曲柄下面的軸和連桿右邊的內孔面完成圓柱連接，選連桿左 邊 的 內 孔 面 和 擺 臂 下 面 的 軸 完 成 銷 釘 連 接 ， 如 圖 4-12 。圖 4-12 裝配左連桿 Fig.4-12 Assembly left Linkage 裝配 地腳和操作臺支架完成壓裝擴口裝置的裝配，干涉檢查發現連桿處有干涉，如圖 4-13，調整位置，最后使其無干涉，其中修飾螺紋的干涉忽略。 圖 4-13 完成裝配 Fig.4-13 Complete assembly 4.2 送料部分 裝配 按照約束關系裝配各個子組件，裝配轉動軸時使用的是銷釘連接，如圖 4-14。 圖 4-14 子組件裝配 Fig.4-14 Sub-components assembly 整體裝配，裝配送料機構的右底梁，新建組件在缺省位置放置，裝配送料裝置的左底梁，根據它與壓裝裝置的安裝關系確定它和右底梁的距離，然后分別選擇側面，上面在同一平面內的兩個面對齊，完全約束，如圖 4-15。 圖 4-15 裝配左底梁 Fig.4-15 Assembly left end beam 裝配料庫裝置，因為它的運動只是來回的移動，所以選用滑動桿連接，如圖 4-16。 圖 4-16 裝配料庫 Fig.4-16 Assembly database 裝配傳動齒輪軸，由于只是旋轉，選用銷釘連接來定義旋轉運動，調整大齒輪與安裝板之間的距離，旋轉使它與小齒輪的嚙合不發生干涉情況。齒輪與齒輪，齒輪與齒條之間的傳動關系在仿真時進入機構環境定義它們之間的關系，如圖4-17。 圖 4-17 裝配傳動齒輪軸 Fig.4-17 Gear shaft assembly 利用自上而下的設計方法，在組件環 境下建立安裝軸承的部分，然后裝配上軸承， 安裝 后完成干涉檢查發現軸的軸心和側板上安裝孔的中心不重合而出現干涉，通過測量軸心到側板兩邊的距離來重新測量側板上安裝孔的位置，首先在軸心上建立一個點，然后利用分析下的測量來測量出到兩邊的投影距離分別是148.3mm,212.134mm，如圖 4-18。 圖 4-18 測量 Fig.4 -18 Measurement 重新定位了 孔的位置后，軸心和孔中心達到重合的要求。如 圖 4-19。 圖 4-19 修改后 Fig.4-19 Revised 4.3 排齊裝置的 裝配 裝配排 齊裝置，新建文件進入組件環境，在缺省位置放置送料裝置的安裝板，安裝直線軸承座 、氣缸支架、光杠如圖 4-20。 圖 4-20 裝配排齊裝置 Fig.4-20 Assembly alignment device 裝配子組件梳齒裝置的梳齒部分， 裝配 氣缸，先裝配氣缸主體，再以滑動桿連接裝配氣缸伸出軸，將齒與導鏈裝配到一起再進行整體的連接裝配，選兩個平面連接定義梳齒的運動，在定義的時候調整好距離都進入機構環境準確定位，如圖 4-21。 圖 4-21 裝配 梳齒 Fig.4-21 Assembly comb 裝配尾鏈， 由 于尾鏈固定，所以采用完全約束選擇對應的孔和兩個平面完成裝配如圖 4-22。 圖 4-22 裝配尾鏈 Fig.4-22 Chain tail assembly 將剛才裝配好的子組件裝配到安裝板上， 分別選用圓柱連接完成裝配 裝配旋轉梁， 選用銷釘連接裝配，并且在與支架之間保持 0.25mm 的距離，如圖 4-23。 圖 4-23 上升和前進 Fig.4-23 Rise and Advance 將裝配好的排齊裝置的上橫板部分子組件裝配到旋轉梁上 ，同樣使用兩個圓柱連接 裝配上驅動排齊裝置上升和前進的 氣缸 和伸出軸， 在連接處選用 圓柱就可連接滿足運動關系如 圖 4-24。 圖 4-24 上升和前進 Fig.4-24 Rise and Advance 安裝 上符合要求的標準件和擋塊，完成排齊裝置的裝配檢查干涉，忽略修飾螺紋造成的干涉， 如圖 4-25。 圖 4-25 完成裝配 Fig.4-25 Complete assembly 裝配夾緊裝置 ，新建組件，在缺省位置放置大邊板，然后按照約束關系裝配前立板，然后裝配上另一邊的大邊板， 裝配上臺板 ，放置約束關系如 圖 4-26。 圖 4-26 主體裝配 Fig.4-26 Main assembly 裝配 氣缸，先裝配氣缸主體，完全約束然后裝配上伸出軸，選用滑動桿連接完成氣缸的裝配， 如圖 4-27。 圖 4-27 裝配氣缸 Fig.4-27 Cylinder assembly 按照約束關系 裝配夾緊裝置的主要部位 ，然后將它以完全約束的關系裝配到氣缸的伸出軸完成夾緊裝置的裝配，如 圖 4-28。 圖 4-28 夾緊板 Fig.4-28 The plate for Clamping 裝配上標準件完成夾緊裝置的裝配 然后檢查干涉所有的干涉都是修飾螺紋的干涉，忽略，如 圖 4-29。 圖 4-29 完成裝配 Fig.4-29 Complete assembly 4.4 裝置 整體 的 裝配 新建組件，在缺省位置放置壓裝擴口裝置， 如圖 4-30。 圖 4-30 整體裝配壓裝擴口裝置 Fig.4-30 Overall assembly pressure devices installed expanding 裝配 送料機構，根據安裝關系分別選床身上的安裝板和送料機構上底梁腳上相應的位置采用匹配和對齊來安裝，如 圖 4-31。 圖 4-31 裝配送料機構 Fig.4-31 Ioaded materials distribution agencies 裝配夾緊裝置 ，選要匹配的兩個平面使它們貼在一起，再選安裝板上的孔和夾緊裝置下邊的安裝孔，讓它們用插入關系同軸，最后完成夾緊裝置的安裝，如圖 4-32。 圖 4-32 裝配夾緊裝置 Fig.4-32 Assembly clamping device 裝配排齊裝置，選安裝塊上的兩個孔來與床身上的安裝板定義插入約束，選它們相貼合的兩個面定義配合連接完成排齊裝置的裝配，同樣的方法裝配另一邊的排齊裝置 ，如圖 4-33。 圖 4-33 裝配排齊裝置 Fig.4-33 Assembly alignment device 安裝標準件 ，由于建立了標