PDM夹具的装配与仿真研究

【导读】
PDM夹具的装配与仿真研究 1.1机床夹具的概念及分类 机床夹具的概念是:在机床上用于装夹工件(和引导刀具)的一种装置。准确定位工件是其主要作用,其次在机床和刀具之间有正确的位

1.1机床夹具的概念及分类
机床夹具的概念是:在机床上用于装夹工件(和引导刀具)的一种装置。准确定位工件是其主要作用,其次在机床和刀具之间有正确的位置,不干扰加工且能使工件在某个方向夹紧固定。


1.1.1机床夹具的现状及发展
18世纪后期,由于工业革命的到来、科学技术的发展,夹具随着机床问世。目前夹已从原来的辅助工具成为现在门类齐全的工艺装备。

    1)机床夹具的现状
    国际工业产品研究协会的统计表明,订单批量少,生产种类繁多的情况已占生产总数的85%左右。市场对产品要求的提高,使得企业对产品不断的更新升级,以此来保持竞争力。然而,在机械制造业,一些中型工厂和企业中仍然习惯于大量采用传统的专用夹具,通常它们拥有数千甚至近万套专用夹具;此外,在生成多样生产的企业中,3~4年就要更新50%~80%左右专用夹具,而夹具的实际磨损量仅为10%~20%左右,这两者很不成比例。
 
    近年来,成组技术、加工中心、柔性制造系统(FMS)等新技术的投入使用,使得夹具也必须做出相应的调整,对夹具有了新的要求:生产成本上要能迅速使新产品投产,缩短准备周期能;通用性上要至少运用于一种相似工件;精度上要能满足精密加工的夹持要求;效率上能采用液压等为动力源的高效夹紧装置,减轻人力劳动强度,提高生产率:标准化上能使某些常用原件遵循一套标准体系。
 
    2)机床夹具的发展方向
    现代机床夹具的发展有四个主要方向:标准化、精密化、高效化和柔性化。标准化:标准化和通用化对于机床夹具是不可分割的两个方面。我国也针对夹具制订了国家标准:GB/T2148~T2259-91。机床夹具的标准化,使得夹具的通用性效果增强,也利于商品化生产,利于规范设计及生产。
 
   
精密化:机械产品精度要求的提高,也对夹具的精度有了更严格的要求。这类夹具的的结构类型现在很多,如多齿盘(用于精密分度),精度可达±0.1um;高精度三爪自定心卡盘(用于精密车削),定心精度为5um。
 

高效化:夹具的高效化主要表现在装夹工件自动化,夹紧过程动力化,夹具转换自动化三个方面。最终的目标是减少工件加工辅助时间,减轻工人劳动强度。自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具是目前常用的高效化夹具。高效化夹具的使用效果明显,例如,在铣床上使用电动虎钳装夹工件,效率可提高5倍左右;在车床上使用高速三爪自定心卡盘,既可以保证卡爪在试验转速为9000r/rnin的条件下仍能稳定地夹紧,使切削速度有提高的空间。除此之外,在数控机床上,特别是在加工中心上,自动装夹夹具和自动更换夹具设备,使数控机床的优势充分发挥。
 
柔性化:柔性化的定义对于夹具和机床是一致的,它的含义是对象通过调整、组合等方式来适应外部变化等因素的能力。对夹具而言,变化主要是工艺的变化,工序特征、生产批量、零件结构和尺寸大小都属于可变因素。扩大夹具的柔性化程度,使不可拆卸结构为可拆卸结构,适应多种类产品制造。成组夹具、模块化夹具、数控夹具是典型的具有柔性化特征夹具的代表。
 

1.1.2 机床夹具的分类

    按专门化程度分类:
    1)通用夹具。这类夹具的元件组成部分按照一定的标准手册生产制作,可以用作加工同类不同尺寸的工件,我们把这类夹具统称为通用夹具。例如,车床三爪卡盘可以装夹不同轴径的工件。这类夹具常常在生产中起到机床附件的作用,适应性广但效率不高,不适合多种、大批量生产时运用。
 
    2)专用夹具。专用夹具顾名思义是为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。这类夹具一般结构紧凑,操作方便,而且不会影响所要求的加工精度,不足之处是代价较大,时间成本和制造设计成本远大于其他夹具。此外,这类夹具再利用价值较低,夹具会随着产品的下架而无法再使用,造成结构功能可用但己报废的情况。适用于特定产品,批量较大的生产中。
 
    3)通用可调夹具和成组夹具。这类夹具可以根据被加工零件的需要,对夹具结构中的部分元件进行替换或调整。成组夹具用于相似零件的成组加工,通用可调夹具与成组夹具相比,加工对象多样,适用范围更广一些。
 
    4)组合夹具。这是由一些现成标准机床附件元件和部件专用部件组合而成的夹具。这类夹具根据加工零件的不同而进行不同的组装,因此灵活多变,万能性强,元件重复利用率较高,非常适用于新产品的试制和单件小批生产。

    5)随行夹具。这类夹具一般在自动线生产上应用,夹具会随着工位的转化而移动,以完成不同工序的加工。

    按使用的机床分类:
    因为机床种类不同,各自工作特点和结构形式都存在很多不同的地方,相应的对用于机床的夹具结构也不同。因此按机床种类来分,夹具可分为:车、铣、钻、锉、磨床夹具和其他机床夹具。

    按夹紧动力源分类:
    根据夹具所采用的夹紧动力源不同,又可分为:手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、磁力夹具等。


 

1.2 加工中心夹具特点及类型
1.2. 1 加工中心夹具特点

    加工中心夹具通常具有以下特点:
    (1)加工中心具有自动换刀的功能,这一功能决定了它的刀具为悬臂式,因此在夹具上不安装引导刀具的导向件,如锉模套、钻模板等;

    (2)为了使待加工表面充分暴露在外,要求夹具最大限度开敞,必要时可以在夹具体上铣出空洞,避开钻夹头、锉杆等,避免其与夹具体发生干涉,使得可以刀具悬伸长度缩短,可以提高刚度;

    (3)在工件待加工面与底面相交的时,应在夹具上设能将工件提高一定高度的等高元件,以方便进刀,也能满足主轴与工作台面最小距离的要求。此外,工件夹具不得与机床的各元件相互干涉,安装后的工件和夹具最高点不能影响主轴换刀操作,否则会影响效率。与通用机床相比,加工中心所用的夹具的要求要更简单、结构紧凑、刚度高、精度高,装夹便利、快速,具有一定的柔度。
 

1.2.2加工中心夹具类型
加工中心的普及使用,使得用于加工中心的夹具也出现一些分类,总体上说与机床夹具分类相似,就其结构特点而言可以分为:
    1)组合夹具。变化多、重组快,用于加工精度要求不高的情况。

    2)可调夹具。刚性好、功能多、配置齐全,用于多品种、中小批量生产。

    3)专用夹具。装夹稳定、操作便利、结构简单,用于工件形状复杂加工精度要求高的情况。

    4)成组夹具。针对成组加工工艺,可改装性强,用于加工同类多品种产品的情况。


 

1.3 加工中心夹具数字化装配与仿真
1.3.1 加工中心夹具数字化装配仿真的意义

综上所述,加工中心在机械加工领域越来越重要,加工中心机床上所用的夹具的作用也随之扩大。加工中心夹具的快速发展使得这类夹具的分类细化,由于此类机床要求的精度较高,所以要求机床的各个部件也需要在结构和功能上到达一定的精度,传统夹具工装设计在当今时代不能满足要求,数字化技术的实施,使得加工中心机床及夹具都迈向了一个新的台阶,替代传统的工装设计己是历史的必然。

   数字化装配及仿真具体能解决加工中心夹具的以下问题:

   1)预知加工中心夹具装配不易发现的碰撞(即干涉);

   2)虚拟加工进行时的场景,排除换刀、夹具转换时的错误路径;

   3)可视化装配图准确指导现场夹具拼装;

   4)数字化仿真分析能得出加工中心夹具的参考夹紧力,以防夹坏工件。


 

1.3.2 数字化装配及仿真应用流程
数字化装配及仿真涵盖的内容较多,基本包括了从加工中心夹具的设计理念形成到装配成品,其中涉及到了很多环节和细节,科学的规划这些环节能减少工作量,同时加工中心产品的生产流程制度。加工中心夹具的数字化装配及仿真应用流程如图3.1所示。

加工中心夹具数据化装配及仿真流程
 

1.4 加工中心夹具库的建立
本文拟对一类加工中心夹具进行建立及PDM管理,所以加工中心夹具库的建立是工作的第一步,也是最基础、最重要的一个环节。模型的质量决定着装配的质量,承载着数据管理的意义。

    1)参数化建模。整套夹具体的装配离不开标准件的辅助及支撑。因此夹具的三维工装设计必须有健全的标准件库以供调用。由于标准件种类繁多,数量庞大,一种型号多个参数的前提,故采用三维参数化建模,确保标准件准确性,规范性。具体步骤如下:

    (1)建立标准件名称,item等。

    (2)创建标准件名片。如图3.2所示。

    (3)建立种子部件。

    (4)创建部件族。


    零组件信息
零组件ID/版本-名称

创建标准件名片

部件族创建流程见图3.3。
 

部件族创建流程
 

零件的驱动参数表达式是参数化建模的关键环节,编辑表达式的方式有两种,一种是在建模草图及特征参数输入时,对系统默认的参数名进行修改自定义,如图3.4所示;另一种是在建模之后打开参数公式编辑器进行目定义参数名,可以增加或者修改系统默认参数名。第二种方法虽然操作方便但是为后来的参数混淆可能性较大,参数重复出现的现象时有发生,也会造成计算机的重复计算,故在进行此环节时应用第一种方法。
 
   
标准件参数化建模应注意的细节:在标准件的参数化建模过程中,螺纹是出现频率最高的,也是驱动部件族出错率最高的,在做标准件内螺纹时,必须注意符号螺纹的参数驱动,以免种子文件生成的部件族文件没有螺纹参数或螺纹参数错误,造成工程人员无法有效调用该标准件。

   
具体步骤分三步:

   ①定义螺距参数,采用手动输参;

   ②在种子文件上创建孔特征及相应的符号螺纹;

   ③将上述孔、符号螺纹公称直径(Minor Diameter、攻丝尺寸(Tapped Drill Size)表达式编辑为(DD-1.0825*P ) ;

   ④其他照常设置,参数名称需正确区分大小写。

驱动参数名称定义
 

    进行完参数目定义命名和表达式的编辑之后,需要对原始驱动参数进行数据输入,数据的输入在格式上有一定的要求,在数据输入的表格中,零件的型号和名称不能重复,否则生成部件族文件会报错。数据数入表如图3.5所示。

驱动原始参数输入
 

    经过部件族创建的参数化模型都经软件系统默认存储在文件夹Family Members里,每个部件族都一一对应自身的部件族文件夹。在参数化设计成功之后,需要进一步检查种子文件中的参数表格是否保存完整,如保存完整,则该参数化设计的标准件可以投入使用。
 
    2)标准件的调用。在模型进行装配需要使用标准件时,和装配专用件步骤相同,选择添加组件功能按钮。进入PDM数据管理界面选择Search功能栏,在框内输入标准件号,选择所需参数的标准件即可,如图3.6所示。

标准件编号表
 

    3)加工中心夹具专用件建模。在完成了标准件库的建立之后,开始对加工中心的专用件进行建模及装配。在进行建模之前,对软件环境进行设置,以方便统一管理。此外为了方便模型修改及草图管理,将图层规定为草图层、基准层、标注层、实体层、片体层。由于NX建模技术己很成熟,在此不进行详细叙述。本文对实际参与生产的加工中护,夹具建立了若干套模型,以完成本次课题。由于模型较多,在此不做展示,加工中心夹具库中部分夹具编号见图3.7。下文中选出一套典型的夹具作为完成装配及仿真分析的实例。

部分加工中心夹具编号列表
 

1.5 三维装配
1.5.1 三维装配的定义


   
三维装配一般可以这样定义:
    三维装配是指三维产品模型的装配过程,是一种基于虚拟环境的装配技术,一定环境下也叫虚拟装配。三维装配利用计算机工具,以模型为基础进行与装配相关的工作,它不需要实体产品或零件支持,相反还可以支持实体产品装配,在软件平台中,只需通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段模拟物理实验。三维装配是虚拟制造的一个非常重要、关键的环节,也是未来数字化设计与制造中将不断改进的重点。

   
因为在传统二维装配工艺中,单纯的表格、文字、二维图已经不能全面的表达复杂的装配工艺了。由于企业三维CAD(Computer Aided Design)软件的普及应用,基于三维模型的装配技术可以很好解决这个问题。在三维虚拟的环境下,可以进行模型检验、干涉检查、可视化数据表达、模拟装配过程等方法,这些方法能很好的帮助工艺设计者直观地看到装配的工艺及对可行性有了感官的判断。
 

1.5.2 三维装配的实现
要实现三维装配的过程及结果,需要确定几个方面的因素,也就是说根据不同的情况,运用相应的方法实现三维装配及过程。
    1)选取所用软件平台。三维装配技术的深化离不开软件的支持,近年来三维设计软件发展迅速,目前国内外运用广泛的三维软件有如下几种:

    CATIA软件:该软件是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件,在CAD/CAE/CAM领域是不论是功能还是运用广泛性上都占据重要地位,广泛应用于高科技及传统制造行业,它所拥有的集成解决方案几乎覆盖了所有产品设计与制造领域。
 
    SolidWorks软件:该软件是生信公司推出针对机械设计,基于windows环境开发的一款软件。该软件的优势在于建模能力,有很全面的模型库,操作简捷方便,同时也包括结构分析等模块,为制造业提供解决方案。
 
    UG cNx)软件:这款软件是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。该软件在CAE方面优势非常明显,在经过升级后,开发出一个全面的产品建模系统,使得UG中优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能很好的结合在一起,这一结合被实践证明是非常有效的,且被大部分CAD/CAE软件厂商采用。
 
    Pro/Engineer软件:该系统是美国参数技术公司的产品。该公司提出的数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念,这个概念己普遍被认可并且成为了当今机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。采用该理念开发出的第三代产品会涉及到生产过程,使相关用户能够同时进行同一产品的设计,即实现并行工程。
 
    在实际工程运用中,可根据目标项目的难易程度,需要达到的要求及工作人员对软件的掌握程度选择合适的三维设计软件。本论文一方面为了和企业所用达成统一,另一方面因为研究对象特征要求,故选用NX5.0作为软件平台。
 
    2)平台相应的装配模式。本文采用NX5.0平台,研究NX的装配方式得出:NX软件自身提供两种装配模式,一是多组件装配,此装配方式是指装配过程中将所有零部件的模型及数据复制到装配操作界面中,装配中的零部件与引用的部件之间不存在关联性。二是虚拟装配模式,这种方式的原理是通过部件之间的装配关系建立装配体,它的优点是装配所需空间小,装配速度很快,形成的装配都是由零部件和子装配体组成的,子装配在高一级的装配中作为组件被运用。
 
    在NX的装配关系中有重合、对齐、同心、角度等七种配对关系,这七种装配关系完全可以完成机械类复杂的装配关系。虚拟装配方式因其优点在装配工作中用到得概率比较大,几乎在非特殊情况下都采用这种方式。多组件装配一般在只描述零组件位置情况下采用,常采用重定位方式对部件进行编辑,另外在进行装配序列动画时也会运用多组件装配方式。
 
    装配和建模是分不开的,建模是装配的基础,装配是建模的结果和目的。在NX中,基于建模与装配之间的紧密关系和在实际运用中出现在装配后需要优化建模的情况,系统提供了三种方式,自底向上装配和自顶向下模式、混合装配。自底向上装配是指从最低层的元素也就是模型逐层形成装配,基本顺序是先建立模型,接着组成子装配,再由子装配组成总装配。
 
    自顶向下模式是指在装配级中使用建模功能创建相关的零部件,顺序是从装配体系中的高阶层向下产生低阶层的元素模型,配合使用了UG/WAVE技术和零部件表达式技术,其优点是在设计过程中能全盘考虑所要设计零部件的结构及位置关系。混合装配则是将前两者方式交叉结合起来使用。
 

1.5.3 三维可视化装配方法

三维可视化装配是指利用三维设计软件(本论文采用的是NXS.O软件)把产品设计、装配工艺的信息表示出来的过程,最终以图形表现,即三维可视化装配图。在现实中的装配现场,工人们虽然可以从设计师的计算机终端上看到三维设计模型及装配过程,但由于人为记忆力及理解力有限,往往不能很好地利用立体模型指导工装,三维技术的直观、形象地展现装配关系这一功能发挥不了作用。三维可视化装配图可以使三维装配技术最大限度的服务指导现场工人完成装配作业,据调查与以往的文字表达方式装配工艺相比,工人至少节约了40%的看图和理解文字工艺规程的时间;此外还减少了人工阅读歧义,大大提高了装配的准确率和效率。
 
   
设计三维可视化装配图的方法有两种,其共同点是都是以三维装配体为基础,由装配模型(包括所有专用件、标准件等)出发,对装配图进行图形处理达到装配图效果。不同之处在于处理图形时所用的平台及方法不同。
 
    1)设计KMCAPP制作工艺卡
    KMCAPP是由武汉开目公司研发的一款工艺卡制作软件。在制作工艺卡之前第一步需要获取模型的三维装配体,有两种方法可以实现。一是由结构设计提供;二是从PDM数据库系统中下载。关于如何运用PDM获取目标数据将在后面的章节做具体叙述,在此不过多描述。

   获取模型后,开始设计KMCAPP装配工艺卡。具体步骤:

   ①创建KMCAPP装配工艺卡;

   ②拟制装配工艺路线;

   ③创建工序、工步卡;

   ④将NX界面的三维装配视图拷屏;

   ⑤“粘接”在作图板上,裁掉不需要的边框,输出生成“*.bmp”文件;

   ⑥打开" *.bmp”文件,选定图形区进行“拷贝”;

   ⑦将拷贝内容“粘接”在在KMCAPP工艺简图界面中;

   ⑧在该工艺简图界面中调整装配图,找准位置;

   ⑨在工艺绘图界面中对装配零件的序列号及其相关装配技术要求说明进行标注;

   ⑩依次按照③~⑤的步骤,完成各个工序、工步的的视图整合,完成三维可视化装配图。
 
    2)基于PMI功能的三维装配标识
    针对数字化产品定义,产品和制造信息模块,简称PMI(Product and Manufacturing Information),此模块是NX软件的一项重要功能。随着三维技术的发展,客户及设计、生产人员对这一技术提出更高的要求,PMI变得越来越重要,尤其对未来无纸化作业而言。为什么PMI如此重要,其原因有三:一是使产品设计人员能够对三维零件或装配表达出制造人员制造它们时所需要的全部信息。二是改变了所有流程的沟通方式,以二维图纸的沟通转变为全面标注的三维模型。三是与合理的二维图相结合,最准确高效的传递产品和制造信息的功能得到使用客户的完全认同。
 
    NX5.0中PMI传递的信息包括零件的几何公差信息、表面粗糙度、材料规格:装配的装配说明、装配工艺信息、企业标识等。
 
    二种方法比较:第一种方法操作简单,着重对三维模型的图形进行处理,但步骤较繁琐,只适用于简单装配模型;第二种方法需要全面掌握PMI知识,以处理实体模型视图为手段来完成信息传递,在表达效果上较前者更胜一筹。根据本文所用三维模型复杂程度、软件的兼容性、企业的要求、课题的任务量等因素,本文选择第二种方法(即PMI方式)来完成模型的三维可视化装配图。
 

1.5.4可视化装配应用方法及效果
1) NX的PMI预设置。预设置界面如图3.8所示

PMI设置操作
 

    ①注视平面:设置PMI注释的放置默认平面。

    ②显示在所有视图中:创建的尺寸信息、是否生成在所有视图中,勾选顶则在生成视图中显示。

    ③通过有色模型显示PMI:当PMI被实体遮挡,PMI是否会变色显示。

    ④视图旋转后更新读取方向:当尺寸旋转180度后,数字是否会史新显下。

以上四种基本设置是进行PMI标识的第一步,根据具体情况选择不同设置,每个设置选项内容都是在实际操作中经常遇到的,具有很强的实用性。

Nx PMI用户界面如图3.9所示

用户界面及功能图标
 

2)NX PMI添加注释
    用户可以在常规的六平面里对模型进行标注,也可以把任意屏幕停留视图当做一个平面进行注释,如图3.10所示。

注释流程图
 

3)NX PMI添加截面视图
    按照需求创建尽可能多的横截而视图,查看装配部件之间是如何交互的。添加截面效果见图3.11。

添加截面视图

4)NX的PMI布局添加
   因为PMI标妞仁反应模型某一个平面的说明信息,对于稍复杂的装配或零件模型视图不能把个部信息表示出来,所以通过布局将模型多个方位的信息表达出来。布局添加如图3.12所示。

添加所需布局格式
 

5)成果展示
   加工中心夹具三维、可视化装配图如图3.13所示。

夹具三维可视化装配图
 

图3.13所示的可视化装配图采用得是多视图布局,并且运用了PMI截面功能,上视图设置为X-Z平面,对模型先进行爆炸后沿着X-Y平面剖切,这样可以明确的看到内部装配结构;下视图则是选用等轴侧视图,设置好爆炸路径后进行爆炸,对零部件进行标注,标注信息包括装配次序,零部件名称及规格,如有特殊信息标注要求则可进一步添加,鉴于夹具模型标准件较多,所以列如下查阅明细表,详见表3.1所示。

零部件明细对照
 


1.6 面向装配的仿真
1.6.1 装配体干涉分析

三维技术使设计产品变得形象、直观。产品模型的信息也易于读取,拿到设计模型的工艺人员及制造人员不需要有丰富的读图经验也能快速、准确的理解产品结构,这是传统二维表示法无法做到的,尤其是针对某些复杂的工装及产品。然而,三维模型表示也同样具有缺陷性,在进行模型装配时,有些模型的干涉碰撞不易发现,例如轴孔配合中的过度配合,模型中人眼几乎不能观察到这么小范围的碰撞。投入生产后,造成很多的返工。针对此类问题,近年来三维装配技术也做了一些改进,目前在NX中,干涉检验功能可以解决这一问题。

    1)干涉类型
    干涉检查分为动态干涉检查和静态干涉检查。本文仅结合实际案例介绍静态干涉检查在设计方面的使用方法和步骤。
    干涉类型可以分为4种类型:(见图3.14)

    (1)不干涉:2个对象间的距离大于间隙范围;

    (2)接触干涉:两个对象相互接触但结构没有互相侵犯;

    (3)硬干涉:两个对象相交,有公共的部分。系统建立一个干涉实体;

    (4)软干涉:两者最小距离小于间隙范围,但不接触。系统会建立表示最小距离的一条线;

干涉类型示意
 

    2)检验方法
    NX中的静态干涉检验是指在装配模型没有进行任何动作的情况下,检验安装完成后的对象是否存在碰撞,即具有装配关系的结构是否有共同部分。Nx软件针对装配体的不同情况及用户对检验的不同要求,提供了3种检验方式:

    (1):检查间隙方式;
    (2):简单干涉方式;
    (3):装配干涉分析方式。

    采用检查间隙方式:这种方式的流程为进入装配功能选项后选择零部件,打开检查间隙功能页面,之后对所需要进行检验的零部件进行选择(可以框选)。在随后出现的干涉浏览器中可以很方便的查看当前装配中存在的各种千涉。如图3.15所示。
 
    该方式下分析间隙以Omm为分界值,所检验的对象之间间隙大于此值则判定为应一干涉,小于则为不干涉。需要注意的是该方法只适用于具有装配关系的零部件进行分析。

干涉浏览器
 

简单干涉方式:该方式流程为直接进入分析功能选择简单干涉即可。如图3.16检测界面所示,采用这种方法分析时,分析的对象仅有两个,也就是说该方式只适用于检测两个实体模型组成的装配。在将干涉范围缩小到一定程度时,不必要进行多项检验而排查时,采用此种方法会快速锁定干涉目标,节省排查时间。

单组装配检测选择界面
 

其中图3.16中的“结果对象”下拉框中“干涉体”可以帮助用户在分析结果的干涉处创建一个实体来标一记干涉位置。装配干涉分析方式:该方式通过进入分析功能选择装配分析进行检验。采用这种方法分析时,可以对多个零组件和实体进行分析,也可以对不同组的零组件分析,用于装配元件多或初次排查干涉的情况。分析设置如图3.17所示。

装配干涉设置

 

    3)分析模式
    干涉检查主要采用以下三种模式进形分析:
    基于小平而:该方式运算的优点是计算速度快,能节省运算时间。系统会在检测到相交的情况下目动在干涉位置建立交线。
    使用实体:该方式可以用来获取精确的结果,缺点是运算较慢。
    使用可用的实体(系统默认):该方式是一种小平面的预处理和实体分析方式的结合。一般情况推荐使用该模式。
 
    4)分析结果
    本论文对加工中心夹具进行静干涉分析,由于组件较多,故采用第三种方法,选择Use Solids Where Available的默认方式,为了更好地查找干涉组件,对干涉结果做自定义设置,如图3.18所示:干涉设置输出效果如图3.19所示。

干涉结果组件自定义设置输出效果
 

    说明:图3.18中表示在干涉结果视图中保存干涉实体,且干涉部分县市为图中所示颜色,这种方法大大提高操作人员查找十涉部分的效率。提示栏分析结果见图3.20;干涉明细表见图3.21。

结果显示
 

    图3.21中显示装配模型共有91处干涉,包括接触干涉及硬一干涉。经进一步统计,其中接角虫干涉44处,其余都为硬干涉。

干涉明细
 

    分析:着重对硬干涉进行分析,经分析发现产生应干涉的组件多是标准件,因为在建模过程中螺钉螺纹都采用符号螺纹,而NX对不同模块的计算方式存在差别,符号螺纹在工程导入工程制图功能中,默认以螺纹的小径(外螺纹时)计算输出;在进行干涉检验时,是以实体模型尺寸计算,所以在实体模型中造成碰撞。另一种情况为销子这一类需要过盈、过度配合的情况,属于结构设计需要。由此可以得出结论:此加工中心夹具可装配性好。
 

1.6.2 装配仿真
在虚拟装配技术的实际运用中,我们更关心装配过程的可行性。因此,规划过程的装/拆运动仿真可以根据运动规律的变化来用动画方式实现,NX软件自身的动画播放功能可以演示这一过程。
 
   
装配元件的运动可以看做是由一系列离故状态组成的一个连续的过程,从而形成视觉上的连续效果,原理类似于连环画形成动态视觉效果的过程。装配元件位姿变化的顺序为“连续一离散一连续”。如图3.22所示。

装配运动状态变化过程
 

    1)装配空间中零部件的位姿描述和变换
    三维虚拟空间中,计算机描述装配元件的位置与姿态是通过一个矩阵实现的,我们将这个矩阵记为[P],元件位姿的任何变化,在运算过程中都相当于通过矩阵变换
[T]得到新的矩阵[P]。
 
    2)装/拆运动的11元组表示法
    装配过程中中,元件的装/拆连续运动可以被分段描述,在一定时间内,单个元件运动方式是平动、转动或者二者皆有(如螺钉的拧进与旋出),三种情形必占一个。所以,元件的运动Move可以看作是具有确定规律的运动段Mi的总和。
    Move=EM; i=1,2,3"""m
    如图3.23所示,可直观的表达这种计算,a=b+c(a,b,c分别对应图3.22中的三幅图)。

运动空间示意图

    由此可见复合运动[T] move可看作是单纯的平动[T]tran和[T] rot两种变换的合成。
    3)装配仿真动画制作
    基于NX5.0的动画制作方法有两种,一种是用拆卸功能将装配完成模型拆卸,再进行逆播放,从而获得装配动画,这种方法显示零部件间的模型是从无到有,只能表述装配次序,不能描述装配路径。第二种方法同样的是以拆卸逆序来完成,但不同之处是这种方法不仅可以表示装配次序,还可以描述装配路径。
 
   
首先在建模界面对装配模型进尸‘卸装’,这个拆卸的内容不是第一种方法中的直接拆卸,而是对装配模型各个零部件之间的装配关系进行抑制,但装配位置保留。随即进入装配序列模式,对零部件进行路径及次序规划,有了具体的顺序规划和零件装配路径后,开始用插入运动功能对模型拆卸。零件按照装配路径进行拆卸运动,运动方向为XYZ轴上六个方向,拆后的零件仍然保留在界面中。按照规划的次序依次进行拆卸运动。记录拆卸过程,在完成拆卸最后一步时,向回播放记录,就完成了自动装配动画,结果见图3.24。

装配动画过程


3 装夹运动仿真
装夹运动仿真是指对夹具与工件直接接触的的夫紧元件的装夹动作进行计算机模拟实验,这一虚拟实验可以用于运动机构模型检验,分析其运动规律。NX5.0软件内配置了完善的运动分析模块,该模块可以实现三维机构的动力学分析,且能很好的处理分析方一案和结果数据。
 

这一模块功能还可以跟踪零件的运动轨迹。标记需要计算的区域,分析机构中任意位置的速度与力的大小等。进入该模块后,系统会自动复制主模型的装配文件,与上模型数据不具有直接的关联性。在对不同的运动分析方案进行修改时一,不互相影响,且一个影响主模型数据。
    本文对加工中心夹具模型的装夹元件装夹动作进行运动仿真,具体步骤如下:
    1)创建运动方案
    运动方案是进行运动仿真中非常重要的环节。创建连杆,创建运动副,定义运动驱动是运动方案创建的三个步骤。
 
    a、连杆(Links)的创建:连杆在软件中被定义为机构中的运动件,参与仿真的运动零件必须被定义为连杆。连杆的创建需要定义对象、对象属性参数、运动参数等,且每个连杆都必须分别设置。此夹具中依次定义底座、挡板、两支推杆、两V型块共7个连杆,其余不参与装夹的部件无需进行连杆定义。
 
    b、运动副(Joints)的创建:运动副是连接连杆的中介,把不同连杆串接在一起中,使得连杆通过运动副传递运动,运动副具有传递运动和限制运动的双重作用。NX5.O中,运动仿真模块为用户提供两大类运动副:普通类型有旋转副、滑动副等:特殊类型有螺旋副、线缆副等,这两大类基本包括了常见机构的运动形式。
 
    该夹具机构创建了7次运动副,其中J001、J002、J007分别是挡板及底板与地面的固定副;J003、J004、J005、J006为滑动副。由于本结构是以推杆推动V块来传递载荷,而推杆和V块的接触部分是一个点,因此定义这两处6001、6002为3D接触。运动副的创建结果如图3.25所示。
 
    线缆副等,这两大类基本包括了常见机构的运动形式。该夹具机构创建了7次运动副,其中J001、J002、J007分别是挡板及底板与地面的固定副;J003、J004、J005、J006为滑动副。由于本结构是以推杆推动V块来传递载荷,而推杆和V块的接触部分是一个点,因此定义这两处6001、6002为3D接触。运动副的创建结果如图3.25所示。
 
    c、定义运动驱动(Motion Driver):运动驱动指的是加载在运动副上的数据,这一数据主要是控制运动规律的参数。驱动类型共有5种:①无驱动;②恒定驱动,运动规律为线性(旋转或线性位移);③简谐运动驱动,运动参数符合正弦函数规律;④运动函数,运功按照特定的数学函数运动;⑤关节运动驱动,规定特走的步长和步数的运动。此夹具结构中选择两推杆J005、J006为驱动元件。设定类型为简谐运动驱动。控制两v块的位移,使装夹运动接近实际装夹效果。
 
    2)运动仿真分析
    多体动力学解算是运动仿真和分析的核心。在进行这一分析时,时间和步数这两个参数需要设定,之后再进行解算,否则计算无法进行。解算分析完成之后,可以以动画的形式表现机构的运动仿真过程,动画控制见图3.26;仿真过程见图3.27所示。

动画控制界面

仿真运动图

    3)后处理
    运动仿真模块可以通过对机构任意点的标记Markes功能,在运动过程中对标记位置的分析数据进行提取,并以图形和表格形式输出。以此模型为例,标记V型块上待接触工件上一点,输出其加速度一时间的仿真结果,如图3.28所示。

标记点加速度曲线
 

   完成了所需的解算及生成相应的图标、报表文件后,可将仿真运动过程转化成动画,转化方式是利用NX自身的导出功能,导出类型包括动画格式、视频格式,还包含与Teamcente:集成的格式Teamcenter Visualization。导出格式见图x.29。

导出动画

 

  • 2019-11-05 17:02
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