虚拟夹具（共3篇）
虚拟夹具 篇1
0 引言
组合夹具是由一整套预先定制好的不同形状、不同规格的标准元件及合件,根据组合化原理和工件的加工要求组装而成的各类专用夹具,具有标准化、精密化、柔性化的特点。组合夹具元件数目众多,组合方式多样,其装配对技术性及经验性要求较高,实际装配时需要经过多次调试,装配周期较长。
利用虚拟装配技术可以在可视化的虚拟装配环境中验证装配设计和操作的正确性,及早发现装配中的问题,并及时修改设计结果;利用虚拟现实技术显示装配过程,可提供很好的演示内容和训练机会,从而为最终夹具的组装设计节约时间,缩短装配周期;根据预装配的结果指导装配实践,可降低夹具组装的劳动强度。而面向网络的组合夹具虚拟装配技术可以突破基于传统CAD软件进行装配设计的局限,有利于不同区域的装配设计人员及时有效地进行信息沟通与反馈,实现网络环境下组合夹具的异地协同装配与远程指导,为进一步研究组合夹具异地协同组装设计奠定基础。
目前,基于网络的虚拟装配三维模型的表达主要采用VRML技术,VRML文件适于网络传输。但是VRML技术的应用还存在许多局限性,如装配操作交互能力有限、模型信息缺失、模型的参数化及特征的识别困难等,进而难以实现元件的精确定位。文献[1]采用XML文件组织夹具模型信息的表达,通过装配约束匹配完成元件的定位;文献[2,3,4]基于层次约束结构研究了虚拟环境下装配模型的表达方法,并通过层次映射关系构建零部件间的约束关系;文献[5]提出了一种基于几何面的层次式碰撞检测方法,并通过装配干涉检查实现了约束识别与元件定位;文献[6]提出了一种元件级空间分割与包围盒检测相结合的快速碰撞检测算法(F-CD),提高了检测效率;文献[7]探讨了装配约束的表达与求解过程;文献[8,9,10]通过装配关系自动识别、定位求解以及运动导航算法实现装配仿真。然而,当模型间的约束关系较为复杂时,约束识别、定位求解变得困难,计算消耗较大,难以保证网络上交互装配的实时性要求。
本文以面向网络的组合夹具三维可视化虚拟装配为研究目标,研究了网络环境下的组合夹具元件装配建模、装配干涉检查、元件精确定位等关键技术,通过在网络装配平台上进行预装配,验证了装配技术的可行性。
1 组合夹具元件层次信息模型构建
虚拟装配环境中采用三角形面片模型表达组合夹具元件几何信息,可以有效地降低碰撞检测的处理与计算消耗,能够较好地满足实时性要求。目前大多数CAD软件都提供了三角面片模型的数据转换接口。然而三角面片模型丢失了零件模型的几何拓扑信息以及工程设计信息,并且在模型转换过程中不能直接有效地分离出模型特征,因此无法便捷地获取点、线、平面的集合处理装配关系,使得装配人员无法准确地捕捉装配约束和意图,大大降低了虚拟装配系统的交互操作性能。
针对上述问题,本文提出一种具有五层(即零件层、几何层、特征层、包围盒层、三角面片层)拓扑结构的组合夹具元件信息模型,并结合可扩展标识语言XML集中表达和管理组合夹具模型信息。装配模型中,零件层记录夹具元件的名称、代号等基本属性;几何层记录夹具元件的几何造型特征和尺寸大小;特征层记录各夹具元件的装配特征集合,包括装配约束集合及装配尺寸(分析不同夹具元件的结构特点,其装配特征元素表现为点、线、平面);包围盒层记录了一个包围实体的边界盒信息;三角面片层的信息采用由CAD系统转换得到的VRML文件描述,在转换之前首先应设置CAD系统中的模型单位,控制几何数据转换的比例。
本文运用Pro/E建立组合夹具元件的三维参数化模型,基于Pro/E API(Pro/Toolkit)采用VC++开发数据转换接口程序。通过调用相应的库函数,提取零件层、几何层、特征层、包围盒层的相关信息并记录在TXT文档中,然后读取并解析TXT文件和VRML文件,将模型的信息按照上述五层拓扑结构封装在一个XML文件中,实现组合夹具装配模型的重构,具体实现步骤如图1所示。
以槽系组合夹具的基础件为例,说明该类型元件装配模型的重构方法。针对基础件的构型特征,分离出T形槽、螺纹孔及平面三种装配特征,通过自主开发的数据转换接口依次提取各层所对应的信息,最后统一采用XML文件表达模型信息。图2所示为基础件的构型特征和层次模型的XML表达。
2 基于网络的碰撞检测
在虚拟装配过程中,通常采用碰撞检测实现装配元件之间的干涉检查,以保证夹具元件装配路径的可行性。鉴于组合夹具元件已标准化,其构型较规则,因此选用轴对齐包围盒(axis-aligned bounding box,AABB)进行粗略相交测试。AABB能够较紧密地包围夹具元件实体,构造方法简单,能够实现快速的相交测试,满足网络装配的实时性要求。由于碰撞干涉只发生在两个装配元件的局部,因此基于二叉树构造AABB层次树结构,划分模型空间,可以减少精确相交测试中不必要的图元相交测试,提高检测效率。
2.1 AABB层次包围盒体树的构建
基于XML表达的组合夹具层次模型中封装了模型的几何信息和工程设计信息。向虚拟场景添加组合夹具元件,解析其相应的XML文件并提取包围盒层内封装的AABB最大、最小值坐标,采用自顶向下的树型构造算法构建AABB盒体树:首先沿原始包围盒(即根节点)最长轴上的投影中点将其划分为两个子集,并将盒体中的图元划分至对应的集合中;其次针对上述两个子集进行递归调用,构造分支层次结构,同时链接子节点与父节点的映射关系,当输入集合中的图元数量小于某一特定极限值或遍历过程达到既定深度时,结束递归过程。
2.2 层次包围盒体树的更新
当模型发生平移或旋转运动时,为了执行包围盒体树之间的相交测试,必须实时更新层次结构,更新时将它们转换为统一的世界坐标系统。更新方法有重构包围盒体树和更新包围盒体树中的包围盒两种,前者相对于后者要承担更多的运算消耗。VRML模型中通过指定Transform节点内translation、rotation域的域值实现模型的平移和旋转操作。结合虚拟场景中模型运动的特点,本文综合使用上述两种方法实现更新计算。
根据虚拟环境中当前交互输入的位置和方向参数,可以获知夹具模型相对上一次输入的位姿状态。对于平移运动,分别对层次结构中的包围盒进行平移变换,根据平移变换矩阵可以方便地更新当前状态下的包围盒体树。对于旋转运动,盒体树的更新不能通过简单的旋转变换实现,因此,文中采用重构包围盒体树的方法:首先对盒体树的根节点进行旋转变换更新,然后根据上述构建策略对更新后的根节点进行盒体树重构。
2.3 碰撞检测的实现
组合夹具虚拟装配过程中,模型的运动具有非连续性,场景中模型的平移与旋转可以离散为不同的运动点,并在每一点处进行静态干涉检查。随着装配操作的进行,场景内夹具模型的数目不断增加。检测时首先遍历场景树中各模型包围盒体树的根节点,迅速剔除不发生干涉的模型(若根节点不发生碰撞则其对应的模型不干涉);然后递归检测发生碰撞的两棵树的子节点,若两包围盒在坐标轴上的投影彼此不相交且相互背离运动,则其对应的子节点之间不发生装配干涉,否则继续递归至叶节点;最后对叶节点内的图元进行精确计算,并通过对话框提示最大穿刺深度。算法具体实现流程如图3所示。
3 基于几何约束的精确定位
根据碰撞检测返回的穿刺深度,操作人员可以精确控制夹具元件的最终装配位置,但是该方法存在以下两点不足:①难以实现槽、孔特征的装配;②装配过程不够直观,装配操作不够便捷。通过交互匹配组合夹具元件之间满足的装配约束条件,可以有效引导装配运动,精确迅速地完成元件定位。基于约束的虚拟装配就是根据虚拟环境中元件间的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位姿关系,实时、交互地进行约束匹配及定位求解,使得装配件满足当前的约束条件,从而精确控制元件的最终装配位置。
3.1 装配约束表达
装配约束描述并限制了一对元件之间的相对位姿关系。分析组合夹具元件的功能及结构要素特点,将其功能表面转化为装配约束特征,分离出点、直线和平面三种基本几何元素,并将约束类型归纳为面贴合、面对齐、轴孔对齐三种基本类型,其他约束类型如T形槽等可以通过基本约束类型的组合描述。在装配过程中,通过约束的组合实现夹具元件的精确定位。图4所示为基本装配约束类型。
对于分离出来的点、直线、平面几何元素,通过建立统一的标识将其集成到虚拟环境中,表达方法如下:点Point→P(x,y,z),直线Line→Le(P,V),平面Plane→Pe(P,V),坐标向量V→(x,y,z)。针对不同的夹具元件,标识模型的顶点、边的中点、圆弧的圆心或平面图形的中心作为特征点;对于直线元素,标识直线的中点或其两个端点为特征点,以过特征点且与直线方向一致的单位向量为特征向量;对于平面元素,标识面的各个顶点或面的中心点为特征点,以过特征点的单位法矢量为特征向量;将回转体、槽特征抽象为中心线并采用直线的标识方法进行处理。图5描述了平面及柱面的标识方法,图中,圆点为特征点P,箭头表示特征向量V。
通过解析相应的XML文件提取出夹具模型的几何特征尺寸和装配特征信息,并在网页上动态显示,方便装配人员实时查询,交互地完成组装设计。鉴于装配过程中夹具元件呈离散运动状态,其位姿不断发生变化,因此必须实时地更新标识的几何信息,几何变换的参考坐标系均选用世界坐标系。
3.2 装配约束匹配与求解
装配约束匹配就是根据装配元件间的约束类型,判别约束的几何元素(点、直线、平面)并确定装配关系,最终计算两装配元件间的相对位姿,整个装配过程遵循先旋转后平移的原则。约束的匹配可以采用自动识别的方法,若装配时元件间发生干涉,则根据标识的几何元素推导元件间可能存在的装配约束集,并将结果反馈给装配人员进行交互选择。该方法在模型结构比较复杂的情况下,装配件间的约束关系繁多,将会大大增加约束的过滤运算消耗,识别效率低下,实时性差。
本文采用组装人员交互匹配装配特征的方法组织夹具元件的装配,虽在一定程度上降低了系统的智能性,但减少了约束匹配的运算消耗,保证了网络装配的实时性要求。组装设计人员根据装配要求和操作意图,交互地选择相应的装配约束类型。图6所示为装配约束类型选择对话框。
装配过程可视为装配件相对装配基准件的空间位姿调整(先旋转后平移原则),设M为装配件原始位姿矩阵,M′为装配完成后的位姿矩阵,Tr为装配变换矩阵,则有M′=MTr,其中,变换矩阵Tr分解为旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T,即Tr=RT。
根据约束的几何元素类型将约束求解过程分为特征点重合及特征向量平行(包括共线)。以平面贴合为例,设面F1、F2的特征点与特征向量分别为P1、V1和P2、V2,V1、V2之间的夹角为θ,V表示V1与V2构成平面的法矢量,如图7所示。约束求解具体步骤如下:
(1)平移V2至V′2,使特征点P1、P2重合,计算V′2的坐标。
(2)由V1、V′2的坐标计算两向量夹角θ:
(3)计算V1与V′2所构成平面的法矢量V:
(4)计算过F1所在局部坐标系的原点且与V平行的单位向量Vo(即旋转轴向量),按照右手法则,将模型绕Vo(vx、vy、vz)旋转角度φ=θ-π,使得V1与V′2反向共线。计算模型上各点坐标时应变换到世界坐标系下,若当前状态下模型中心不在坐标系原点时,设其坐标为(xc、yc、zc),求出旋转矩阵R如下:
式中,Ro为旋转轴过坐标系原点时的旋转变换矩阵。
(5)根据计算得到的P1点坐标,平移模型并使点P1、P2重合,计算出平移矩阵T。
(6)根据旋转与平移矩阵,将旋转和平移分量分别传递给Transform节点下的rotation和translation域,完成位置变换,实现装配。
4 装配技术流程与应用实例
装配机制采用层次包围体碰撞检测和基于几何约束求解的元件精确定位技术。碰撞检测用于实现组合夹具元件之间的装配干涉检查,对发生干涉的元件进行计算并给出穿刺结果,反馈给装配设计人员,保证了装配操作的有效性;通过对特征几何元素进行标识与约束求解,实现了元件的精确定位。装配技术具体实现流程如图8所示。
以Web为载体,通过Java Applet对VRML场景进行交互控制,构建了网络环境下的组合夹具虚拟装配平台。操作人员通过滚动条和文本框交互输入位姿参数,控制场景中装配元件的位姿,当装配发生干涉时,通过对话框提示操作人员干涉结果。图9所示为装配干涉检查及碰撞响应软件界面。通过对装配特征进行匹配,可以迅速地实现夹具元件的精确定位。图10所示为基础件与槽用方头螺栓的装配,两元件间的装配约束分解为面贴合和轴孔对齐或面贴合和面对齐。图11所示为螺栓与螺孔的配合,通过交互查询并指定孔的分布位置,实现螺纹配合。
图12为一钻孔组合夹具的装配框架图,该套夹具共23个元件。通过在网络装配平台上进行组合夹具预装配,验证了装配技术应用的可行性。图13所示为钻孔夹具预装配结果。
5 结语
本文提出的一种具有五层拓扑结构的组合夹具元件层次信息模型,解决了网络装配模型中信息丢失的问题;基于AABB层次包围盒体树开发的碰撞检测算法能够在网络环境下快速实现干涉检查和穿刺深度计算;通过分析组合夹具的功能结构特点,分离出点、直线、平面三种几何元素,并将装配约束抽象为面贴合、面对齐、轴孔对齐三种基本装配关系,通过装配约束的组合实现了夹具元件的精确定位和虚拟装配仿真。应用实例表明该装配方法能够精确定位元件,且满足网络装配的实时性要求。
摘要：为了实现网络环境下的组合夹具虚拟装配,构建了具有五层结构的夹具元件层次信息模型,提出了一种基于层次包围盒体树的碰撞检测与装配约束交互匹配的虚拟装配技术。运用二叉树分解法划分模型空间构造层次包围盒,开发了碰撞检测算法,实现了网络环境下夹具元件的干涉检查和穿刺深度计算;通过提取夹具元件功能表面的装配约束特征,交互匹配调整其空间位姿,快速实现元件的精确定位和虚拟装配仿真。开发了组合夹具网络虚拟装配平台,通过实例验证了装配技术的可行性。该方法能满足网络虚拟装配的实时性和交互性要求,为进一步研究组合夹具异地协同组装设计奠定了基础。
关键词：虚拟装配,层次信息模型,干涉检查,组合夹具
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虚拟夹具 篇2
组合夹具作为工艺过程的装备之一, 其性能的优劣将直接影响加工零件的形状精度和位置精度。为了节约材料、减少产品的不合格率、提高生产效率, 需在夹具生产前, 在虚拟装配实验系统中进行方案比较、综合分析及修改, 以得到最终适合生产需要的结构。夹具虚拟装配教学实验系统的开发, 为虚拟装配技术走向实际化应用提供了有力的基础。
1 虚拟装配教学实验系统设计体系
虚拟装配是虚拟制造和实践教学的重要组成部分, 也是整个虚拟装配教学过程的一个关键技术, 它将设计过程、装配过程有机结合, 使产品设计具有良好的结构性, 且能高效地进行模拟装配。通过SolidWorks、UG、Pro/E等软件完成夹具零件的实体建模、实体装配、干涉检查和动态仿真等一系列进程, 使组合夹具在虚拟装配系统中的设计过程与装配过程达到高度统一化和真实化。
组合夹具虚拟装配系统是根据夹具产品形状设计合理化、精度要求准确化、模拟装配真实化、制造成本经济化等原则, 在SolidWorks平台上对模型进行合理有效的控制处理来实现组合夹具互换装配、动态仿真以及场景设计而开发的, 其具体设计体系如图1所示。
2 虚拟装配实验系统的构成
组合夹具是由夹具零部件标准化演变过来的, 它由不同形式、不同规格的标准件组合而成。在组合夹具的设计制造过程中, 由于这些组件要求配合精度高、尺寸浮动小、耐磨性好、硬度高并且具有完全的互换性, 因此组合夹具零件库的基本组件数量繁多, 为提高效率, 方便检索标准件, 将其进行分类, 如图2所示。
2.1 组合夹具虚拟装配的精确定位
虚拟装配环境是模拟真实的装配过程, 其通过软件SolidWorks操作待装配零件, 使其按照规定的轨迹运动, 以到达装配位置。在虚拟空间中, 系统应自动捕捉设计者的意图, 按照要求确认装配关系进行干涉分析, 并最终实现待装配件的精确定位。零件精确定位过程见图3。
为实现装配的精确定位, 夹具元件之间装配关系的确定是非常重要的。由于组合夹具元件能满足高度标准化的要求, 其一般按照特定方法相互连接, 装配成满足使用要求的三维实体夹具结构。夹具元件之间的表面通常具有元件连接的基本功能, 并提供元件的相互连接, 这种表面之间的相互特征视为装配特征。根据日常要求把装配特征分为平面型、销型、槽型和孔型4类。
在组合夹具的装配过程中, 元件间的装配关系并非是任意的, 通常受到一定的约束, 但不能出现欠定位情况。一般应避免不完全定位、过定位现象。图4为组合夹具元件常用的几种装配关系。
2.2 组合夹具的检测
在产品设计过程中, 当各零部件组装完成后, 设计者最关心的就是各零部件之间的干涉情况, 使用SolidWorks中的“干涉检查”命令就可以帮助用户了解到这些信息。
SolidWorks中装配体的干涉检查分为静态干涉检查和动态干涉检查, 静态干涉检查是指在特定装配结构形式下检查装配体的各组件之间的相对位置关系是否存在干涉;而动态干涉是检查装配体或装配体组件在运动过程中是否存在运动干涉。通过干涉检查可以发现元件在装配体中的不正确结构, 然后根据装配体的结构和元组件的干涉情况更换元件规格或调整装配位置。
3 虚拟装配系统在教学中的应用案例
本文以成组车孔夹具为例简述虚拟装配在教学中的应用过程。
3.1 调用零件
案例中的成组车孔夹具中的零件分标准件和非标准件, 其中标准件可直接在SolidWorks自带的标准件库中调取 (见图5) , 非标准件则需在自己建立的夹具部件库中调取。
3.2 零件装配
装配是将多个相关零件组合成具有独特功能的产品的一道重要工序, 任何零件在空间都有6个自由度, 装配实质是限制零件自由度的过程。对于紧固的零件主要用到平面重合 (见图6) 、孔的同轴 (见图7) ;对于滑块类的零件就需要定义其可运动范围 (见图8) ;对于螺纹类零件还会用到螺旋配合等。
3.3 快速碰撞检测
在实际的装配教学过程中, 我们依据设计要求按照图纸装配, 但没考虑到元件的实际运动关系, 可能导致元件发生相互碰撞和穿透。为使虚拟环境更加逼真, 因此需要对组合夹具的组装进行检测。
对移动或旋转零部件时产生干涉的部分, 以箭头所指的图形区域进行显示 (见图9) 。在移动或旋转零部件的Property manager的【选项】标签中选择【碰撞检查】单选按钮, 可以指定碰撞检查的方式:选择【所有零部件之间】单选按钮, 运动过程中检查装配体中所有零部件的干涉情况;选择【这些零部件之间】单选按钮, 仅对所选择的零部件进行干涉检查;选中【仅被拖动的零件】复选框, 在图形区域只显示被拖动零件和其他零件的干涉情况;选中【碰撞时停止】复选框, 在移动或旋转零部件时遇到阻挡时停止运动, 同时显示受碰撞的部分。这样便实现了碰撞检测功能, 使各部件不能相互穿越。
3.4 实验与性能分析
本软件在教学应用中具有以下优点:
(1) 基于SolidWorks的夹具参数化设计虚拟环境下的干涉检验, 可有效地避免夹具元件之间的静态、动态干涉, 从而完成可装配性分析, 避免了复杂的计算, 使学生了解了虚拟装配的作用, 实验结果也可指导实际组合夹具的设计生产。
(2) 实践证明, 通过建立三维参数化零件的设计方法可以进行高效的设计和干涉检测, 而且由于干涉检测的零件信息来源于零件数据文件, 从而保证了结果的准确性。
(3) 将虚拟设计技术、参数化设计技术应用于组合夹具的整体设计思想中, 集中体现了以高效设计为核心的虚拟制造的思想, 综合实现了CAD/CAE/CAM的集成, 具有良好的实际应用前景。
4 结束语
组合夹具虚拟装配系统具有灵活性、自主性、功能替代性、安全性及实现虚拟组装效果逼真等优点, 故其在教学实践中具有广泛的应用前景, 且组合夹具虚拟装配实验系统能将抽象事物具体化, 活跃教学实践氛围, 既可加强学生的基本功训练, 又能让学生掌握现代科学知识。在现代夹具的主要发展方向上, 组合夹具虚拟装配系统因其灵活性、高效性、智能化也具有指导生产的重要作用。
参考文献
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虚拟夹具 篇3
关键词：木制楼梯扶手弯头,虚拟样机,工艺方案,专用夹具
1 引言
木制楼梯扶手弯头 (以下简称弯头) 是典型的空间曲面型零件, 应用数控机床一次成型加工时的定位和夹紧都非常困难。为此, 采用四轴三联动数控加工机床分工序加工的加工方法。
2 木制楼梯扶手弯头数控加工的工艺方案分析
弯头由顶面、带凹槽的底面和两个侧面四个空间曲面组成。加工时, 可采用三把成型铣刀分别加工弯头带凹槽的底面、顶面和两个侧面, 其中两个侧面的曲线轮廓形状是相同的, 可共用一把成型铣刀, 分两个工步加工, 整个弯头的加工过程分三道工序四个工步即可完成[1]。
首先, 以弯头毛坯的的侧面、顶面及端截面作为第一道加工工序的粗基准, 加工弯头带凹槽的底面。然后, 再以加工完的带凹槽的底平面和端截面作为第二道加工工序的精基准, 分两个工步加工弯头的两侧面。最后, 同样以加工完的带凹槽的底平面和端截面作为第三道加工工序的精基准, 加工弯头的顶面。弯头的加工工艺过程为:铣带凹槽的底面→两个侧面→顶面, 如图1所示为弯头的加工工艺过程。
在弯头的加工中, 加工弯头上行直线或下行直线部分的表面时, 只要保证数控加工机床X、Y、Z轴的三轴联动, 使成型铣刀的侧面始终与弯头的侧表面接合并且轴线始终垂直于侧表面的底面, 可加工出弯头上行直线或下行直线部分的表面。当加工到弯头的空间轮廓曲线转接圆弧处时, 还需要保证A、B两个坐标轴的旋转运动, 由于弯头绕Y轴的转动实现B坐标轴的旋转运动, 且转动角非常小, 不影响弯头的加工质量, 可忽略不计。因此, 弯头的加工中, 只要保证X、Y、Z、A四轴联动的数控加工机床, 就可加工出弯头的各表面。
从弯头的加工过程来看, 只有加工到弯头的空间轮廓曲线转接圆弧处, 才需要A坐标轴的旋转运动, 因此在加工过程中, 只要实现A坐标轴的匀速旋转功能, 也就是在三轴联动数控加工机床上, 附加一个匀速旋转A轴的功能, 即可实现弯头多轴联动数控加工机床的功能。为此, 只需要设计一台三轴联动数控加工机床, 再配备三套可以绕A坐标轴匀速旋转运动的的专用夹具, 采用四轴三联动数控加工机床即可实现弯头的数控加工。
由于专用夹具实现弯头四轴三联动数控加工A坐标轴的匀速旋转运动, 因此弯头专用夹具的结构及运动性能设计的合理与否将直接影响弯头的加工形状与加工质量。现以加工弯头的第一道工序——铣带凹槽底面为例, 利用虚拟样机技术来确定其弯头专用夹具结构, 并对其进行性能测试。
3 木制楼梯扶手弯头专用夹具的虚拟样机研究
3.1 木制楼梯扶手弯头专用夹具的结构
由图2铣带凹槽底面工序的夹具夹紧示意图可知, 弯头专用夹具是由夹具体、顶面定位块、端面定位块、正反丝杠、上夹板、下夹板、丝母、支撑块和支撑杆等零件组成。弯头毛坯由下夹板、顶面定位块和端面定位块分别支承毛坯的侧面、底面和端截面, 从而实现六点完全定位, 其悬伸部分采用支撑块和支撑杆实现辅助支承, 以提高弯头毛坯悬伸部分的刚度。夹紧是正反丝杠通过丝母带动上、下夹板使弯头毛坯的两个侧面居中找正并夹紧。而弯头空间旋转曲线的半径是通过调整夹具体可调转动中心与夹具体毛坯夹紧固定中心的距离来保证的, 中心主轴套筒在夹具体中心的矩形槽中上下移动, 使主轴套筒中心与夹具体毛坯夹紧固定中心的距离发生变化, 从而改变弯头空间旋转曲线的半径。
3.2 木制楼梯扶手弯头专用夹具的三维模型建立
结合所设计弯头专用夹具的特点, 采用Pro/E作为弯头专用夹具零部件三维实体建模及虚拟样机装配的设计平台。而对弯头专用夹具虚拟样机的运动学分析及仿真测试与评估, 使用的是具有代表性的虚拟样机软件系统MSC/ADAMS。
在Pro/E环境中将装配完毕的弯头专用夹具根据其运动关系定义为弯头专用夹具虚拟样机模型, 进行弯头专用夹具的运动学或动力学仿真, 并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作用力等;也可将弯头专用夹具模型传送到ADAMS/View中, 进行全面的动力学分析[2]。使建立的弯头专用夹具虚拟样机与弯头专用夹具实物在几何特征和物理属性上具有完全的一致性, 避免其转化为其他格式的几何实体模型而导致弯头专用夹具模型固有特性的丢失。因此, 通过Pro/E和ADAMS/View的集成平台来开发弯头专用夹具的虚拟样机是研究的首选方案[3]。
图3所示为在Pro/E环境下设计的弯头专用夹具三维实体装配模型, 提取运动过程中的两个特殊位置, 绕X轴旋转运动的初始位置和终结位置进行运动过程仿真, 可以看出弯头专用夹具可进行无干涉旋转90°运动。
3.3 木制楼梯扶手弯头专用夹具的虚拟样机建立及仿真
借助Pro/E和ADAMS之间的无缝接口程序Mechanism/Pro, 在不影响所要研究的弯头专用夹具运动性能或动力性能的前提下, 将紧固连接和相对静止的数个零部件定义为一个刚体, 减小弯头专用夹具仿真过程中的计算量。在ADAMS/View中导入弯头专用夹具模型后, 就能方便快捷地建立好弯头专用夹具的虚拟样机[4]。分析
图4是在Pro/E环境下建立的弯头专用夹具三维实体模型导入到ADAMS/View后的虚拟样机三维实体模型。由于传动轴通过连接法兰带动夹具体及其零件旋转, 因此, 可将紧固连接的连接法兰和夹具体定义为一个刚体。
创建完弯头专用夹具虚拟样机模型后, ADAMS/View可以自动调用ADAMS/Solver对模型进行仿真求解。由于弯头专用夹具虚拟样机模型的自由度为0, 因此对其进行运动学仿真。在进行弯头专用夹具运动学仿真时, ADAMS/Solver可计算出弯头专用夹具模型中创建的Marker点的角位移、角速度和角加速度等运动学信息。
对虚拟样机模型进行运动学仿真以后, 用曲线的形式输出仿真结果。系统输出的图5为角位移的测量曲线、图6为角速度的测量曲线、图7为角加速度的测量曲线。
由图5角位移测量曲线中可看出, 曲线线性度较好, 说明采用的驱动电机功率足够, 运行平稳。图6角速度测量曲线中, 前2.6s的速度是平稳的, 在2.6s~2.9s之间速度发生了突变, 但变化幅度不大, 仅为0.002。图7角加速度测量曲线中, 角加速度为0, 但随着速度发生的突变, 加速度也相应地发生了变化, 同样变化幅度也不大。对于上述现象, 一是该弯头专用夹具是用来铣带凹槽底面的专用夹具, 而且弯头零件本身对带凹槽底面的加工精度要求就不高, 完全可以满足加工精度要求;二是整个运动过程还是平稳的, 只是在接近结束时速度发生了突变, 且变化幅度不大, 并不影响加工精度, 可以忽略不计。从以上运动特性仿真结果可以看出, 该弯头专用夹具的设计方案完全能满足设计要求, 是合理的设计方案。
4 木制楼梯扶手弯头专用夹具的样机制造
根据以上对弯头专用夹具进行的运动特性分析, 在合理设计方案的基础上, 设计并制造了弯头专用夹具物理样机如图8所示。
该木制楼梯扶手弯头专用夹具可与普通三轴联动数控加工机床配套使用, 构成四轴三联动木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床。
参考文献
[1]夏广岚, 姜新波.木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的总体设计[J].林业科技, 2009, 34 (9) :41-43.
[2]陈卫平, 张云清, 等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[3]李军, 邢俊文, 等.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.
[4]孙智慧, 戴梦德, 等.基于ADAMS的粉体振动给料系统的建模和仿真[J].包装工程, 2008, 29 (2) :33-35.