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目 录
摘要 .......................................................................................................................Abstract .................................................................................................................第一章
绪论 .....................................................................................................1.1虚拟装配技术 ...........................................................................................................1.2虚拟制造技术 ...........................................................................................................第二章 虚拟加工技术及其应用 .........................................................................2.1 虚拟加工系统体系结构 ..........................................................................................2.2 虚拟加工设备建模
..............................................................................................2.3 系统实现 ................................................................................................................2.4 结语 ......................................................................................................................第三章 虚拟装配技术及其应用 .......................................................................3.1 虚拟装配基本设计思想及内涵 ............................................................................3.2应用研究 .................................................................................................................第四章 用快速原型技术加工活塞 ...................................................................4.1活塞模型的创建 .....................................................................................................结束语 .................................................................................................................参考文献 .............................................................................................................
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第一章 绪论
1.1虚拟装配技术
近年来，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。以波音公司为例，在数字化代表产品--波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与集成产品开发团队IPT（Integrated Product Development Team）（238个Team）的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。研制周期从过去的8年时间缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。“虚拟装配”（Virtual Aembly）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2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。
1.2虚拟制造技术
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第二章 虚拟加工技术及其应用
2.1 虚拟加工系统体系结构
虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具有虚拟性、数字化集成性、依赖性。虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。由此，以现实制造过程为基础，本课题组提出了一个开放的、可重组、可扩展的虚拟加工系统体系(图1 )。
图1 虚拟加工系统体系结构
体系结构由界面层、功能层和数据层组成。界面层提供用户与系统交互的界面，用户通过该界面可以快速组装一个虚拟加工环境并进行虚拟加工，直观地观看加工过程，对加工过程进行干预，并获取分析结果。
- 6虚拟加工设备建模
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图2 虚拟加工设备模型类结构
虚拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。根据机床信息的不同，机床模型分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配体，包含多个部件和零件，且部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在NC代码的驱动下，采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动与转动，以此驱动虚拟机床的运动。本文将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上，建立虚拟加工设备模型的类结构(图2）。类结构建立床身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类；零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零件、部件之间的包含、聚合关系形成虚拟加工设备。
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特征类CGLFeatBlock记录Block特征特有的参数长宽高。UG/Open API中获取特征类型的函数为UF_MODL_ask_feat_type;获取特征名的函数为UF_MODL_ask_feat_name;
获取参考点坐标的函数，UF_MODL_ask_feat_location;获取特征参数的函数，UF_MODL_ask_*_parms,*代表具体的特征类型，如为Block，则函数表示获取Block特征的参数。
Step4:应用获取特征关系函数UF_MODL_ask_feat_relatives，获取特征之间的关系，并根据该关系step3创建的各特征对象链接到零部件几何模型对象的特征树的对应位置
显示几何模型只包含三维显示需要的一些数据(如点集、三角面片集、颜色、法矢等)。我们采用VRML文件作为中性文件获得零件的显示几何模型，即在CAD软件中通过对一些规则形状的物体进行几何运算，并导出形成STL、VRML格式的中性文件，记录零部件几何模型的三角面片数据。 2.2.2 零件几何模型的建立
获取的显示几何模型实质是一系列离散的面集，而获取的特征数据只有外形尺寸等特征信息，都不足以表示零部件几何模型。需要根据特征数据来识别并重新组织面集以构造零部件几何模型。
本文采用面向对象的思想分析零件几何模型，为特征造型中常见的几何表面类型及其约束方程分别设计类，利用类和对象间的继承、聚合特性实现零件的可重构和重用性。图4为本文建立的零件几何模型对象结构，描述零件几何模型与工程语义、形状特征之间的对象关系以及该零部件与其它零部件之间的几何约束关系。
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void Init (); //零件的初始化， 包括零件的空间位置、特征树等相关信息
void PiekMesh (); II进行特征匹配与模型重构
void glDraw ();
private:
typedef struct FeatureNode
{
CGLFeature * m…pFeat;
CString m_featName;
CString m_featType;
} FEATNODE; //记录特征信息的节点类型
typedef vector VECTGLFeature;//零(部)件特征数组
typedef list CVGeoPartList;//零(部)件指针链表类型
CSceneGraph m_SceneGraph;//零(部)件场景对象
VECTGLFeature m_VectorFeature;//零(部)件特征数组
CString m_PartName; //零(部)件名称
CGLReferPoint m_ReferPoint; //零(部)件的参考点
float m_comparaCoord[4][4]; //相对主零(部)件的坐标
float m_AbsoluteCoord[4][4]; //在装配环境中的绝对坐标
BOOL m_CorP; //零件或部件
针对构成机床的零部件的树状层次结构，我们应用多叉树来描述。在每一部件类中，有成员变量m_lPartPointList是一个指针链表， 记录所有该子装配体中的零部件指针。如图5所示。
Cla CComponent;
{
PartList m_lPartPointList;//零部件指针链表定义
CPart* m_ParentPart;//父零(部)件指针
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即表面上调用的都是CGLFeature类的绘制函数glDraw()，实际上在执行过程中会根据不同的指针类型调用相应的子类的、改写过的绘制函数glDraw()，进而圆满完成各特征的绘制任务。
图6 虚拟设备几何模型显示流程
对于设备的属性仿真模型而言，运动模型是最基本的。环境中物体运动时，通过运动关系模型计算相关运动物体的空间位姿，调用显示方法不断地刷新屏幕产生连续的动画仿真。
2.3 系统实现
本文应用UG三维造型软件对一套加工设备进行了几何建模，通过文件输
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图8 虚拟加工环境
2.4 结语
虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够有效提升该研究所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。
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产品研制是多部门的协同工作过程，各部门间的合作往往受到各个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的生产能力和生产特性，改进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的Master Model为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现CAD/CAM/CAE系统的高度集成，有效提高产品的可制造性和可装配性。
3.1.2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（Proce-Centered Virtual Aembly）主要包含以下两方面内容。
（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，该过程可以划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段。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。
1）总体设计阶段。总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产品初步的总体布局，主要包括：建立主模型（Master Model）空间；进行产品初步的结构、系统总体布局。
2）装配设计阶段。装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）以及应力控制。
3）详细设计阶段。详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产品三维实体模型的最终设计，主要包括 ：完成产品三维实体模型的最终设计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。
（2） 过程控制管理
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进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使用的人。因此，采用统一的信息编码系统是一项重要的应用基础环节。
（3）机械通用基础标准。虚拟装配技术如果要实现行业CAD/CAE/CAPP/CAM技术的有效集成和厂所之间的数据交换，必须采用机械通用基础标准。
3.2.2 焊接小车部件级产品实施方法及途径 1。软硬件环境
硬件：COMPAQ服务器一台；P4，2.7G，1M内存的微机8台。
软件：Pro/ENGINEER 2001及其支持环境。 2.焊接小车的传动装置虚拟装配技术应用研究
我们选择传动装置的虚拟装配技术应用研究作为工程实例，对虚拟装配技术的工程应用思想、方法、具体实施途径作进一步研究，为下一阶段整个小车的应用提供一种基本的理论支持。
（1）总体设计阶段。IPT根据小车总体设计要求以及基本的总体设计参数，建立蜗轮蜗杆和齿轮的主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段的模型如图2所示。在此阶段，主要包括以下基本步骤：根据已有工程图样建立粗糙模型；布置部分初始模型（蜗轮、蜗杆、齿轮等）；对系统构件进行初步布置、建立初始模型。
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图11 详细设计阶段模型
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第三步
第四步
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第七步
第八步
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结束语
虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够有效提升该研究所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。
虚拟装配的应用研究在国内研究所才刚刚起步，无论是在船舶、飞机、机械等领域的产品研制与开发中，还是在其他的轻工艺产品的开发中，人们已经逐渐地认识到虚拟装配所能发挥的巨大作用和发展潜力。在焊接小车的设计过程中采用的装配思想改变了产品研制人员的研制习惯和观念，采用合理的虚拟装配应用方法、建立一定的组织机构是实现虚拟装配的核心，产品数据在研制中的合理管理和流动是实现虚拟装配的基础。
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