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1、云南锡业职业技术学院毕业设计（论文）说明系（部） 机电工程系 专 业 机电一体化技术年 级 10级 姓 名 指导教师 2012年 11月 20 日摘 要虚拟技术是全球化趋势下现代制造业需求和虚拟现实技术推动的结果。面对激烈的市场竞争，制造业必须加速产品开发进程，缩短产品设计开发周期。与传统的装配设计相比，虚拟装配技术能满足并行工程的要求，实现产品可装配的设计及时发现产品设计中的问题，提高了装配质量和装配效率，降低了装配成本。本论文主要研究基于Pro/ENGINEER设计平台进行了产品的虚拟设计的方法，其中以电风扇为例，详细地研究了该方法进行产品虚拟设计的关键环节，即零部件建模、虚拟装配、运动仿
2、真等。论文还对产品设计中虚拟设计方法与传统设计发展的差异、优越性进行了比对。本研究为基于Pro/ENGINEER的产品虚拟设计方法奠定了基础。该方法具有广阔的应用前景，通过深入研究，该方法还将进一步发挥潜能，是一种非常有前景的产品虚拟设计方法。关键词：电风扇，虚拟设计，虚拟装配，运动仿真30第一章 绪论1.1 课题的提出目前，世界各国的经济竞争，主要体现为制造技术的竞争。电风扇是现实生活中最常用的一种家用电器。它影响着人们的日常生活，因为电风扇和空调相比有很多优点，它比空调的耗能要小，特别是随着国际能源短缺和人们节能观念的深入，电风扇更受重视。另外，电风扇吹风比较自然，开门窗也不受影响，而空调
3、房间都是密闭的，空气流通差，很容易感染疾病。此外电风扇价格比较便宜受到大众的喜爱。在电风扇设计中的应用在市场发展越来越成熟的今天，电风扇产品所涉及的学科和工业门类众多，用传统的设计方法很难达到。所以就需要寻找一种新的方法来对电风扇进行设计。综上所述迫切要求实现电风扇的虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配、运动学仿真、动力学仿真等。1.1.1 虚拟装配现状及发展虚拟装配是近十几年兴起的虚拟制造技术研究的重要方向之一，它从产品装配的视角出发，以提高全生命周期的产品及其相关过程设计的质量为目标，综合利用计算机辅助设计技术、虚拟现实技术、计算机建模与仿真技术、信息技术等，建立一个具有较强真实感的虚拟环境，设计
4、者可在虚拟环境中交互式地进行产品设计、装配操作和规划、检验和评价产品的装配性能，并制定合理的装配方案。虚拟装配技术已成为数字化制造技术在制造业中研究和应用的典范，针对复杂产品利用该技术可优化产品设计，避免或减少物理模型的制作，缩短开发周期，降低成本，从而实现产品的并行开发，提高装配质量和效率，改善产品的售后服务。虚拟装配在航空航天、汽车、船舶、工程机械等领域的复杂产品设计及其装配工艺规划具有重要的意义，受到国内外的普遍关注。1.1.2 国内虚拟设计现状及发展我国许多制造厂存在机制僵化，包袱沉重、观念落后、设备老化、技术落后等共性问题，因此，如何应用先进制造技术，探索一种提高企业竞争力要素的全面
5、解决方案，成为各研究机构和企业重点研究课题。面对市场全球化和激烈的市场竞争，如何才能有效地提高产品质量、降低成本、缩短产品上市时间、抢先占领市场、赢取先期垄断市场的丰厚利润，是产品设计部门面临的一个共同的靠课题。传统制造业在产品设计、制造过程中存在以下问题：（1） 产品设计质量不高、预见性差，主要表现在对大型、复杂程度较高的产品时，由于设计手段及生理因素的限制，设计易出错和人为疏漏，并缺乏对产品制造、装配工艺的预见，影响设计质量；（2） 在传统设计模式中，基本是串行流程，设计、制造周期长，不能快速响应市场，计划经济时代，是“大鱼吃小鱼”。而在市场经济时代，则是快鱼吃慢鱼，市场响应快的企业往往能
6、占得先机，赢得市场。反之会被激烈的市场竞争淘汰；（3） 产品设计、制造费用高，产品成本上升，缺乏市场竞争力。由于设计中的错误多数只有在生产、装配中发现，返工和废品增加成本。依靠物理原型机进行产品生产、装配、测试和更改设计，产品开发的要求，企业继续根据自身特点，探索一种先进高效的设计方法和模式。要解决上述问题，制造业必须从产品的设计手段和方法研究着手，加强信息技术与传统产业的结合，促进传统产业的技术升级。由于计算机硬件、计算机网络、信息处理等技术取得了飞跃性的进步。为人们实现先进的哲理思想，解决企业在激烈的市场竞争中面临的问题提供了技术手段的可能性。但是，当人类利用信息技术工具解决制造系统的问题
7、时，也会遇到制造系统与信息系统之间的“沟通”问题，必须解决如何利用信息工具描述制造系统、处理制造活动的问题。本文提出一种基于Pro/ENGINEER平台的虚拟设计技术对传统产品的设计开发方法，以电风扇为典型案例，应用虚拟设计技术，完成三维实体设计，虚拟装配，机构的运动仿真以及电风扇扇叶注射模的设计。运用虚拟设计技术可以在产品实际生产前采取预防措施，从而使产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期的目的，为企业全面采用虚拟产品开发技术设计产品，提供可行的流程和方法。因此，本课题对企业提高开发产品的市场竞争力有积极的作用，值得探索和研究。相信通过对发达国家的一些成功经验的研究与学习，我国
8、的制造业会越来越多地应用虚拟设计和制造技术，增强自身竞争力，使自己在国际化市场处于不败之地。1.2 论文的主要内容 本文利用Pro/ENGINEER对电风扇主要零件进行三维设计，并对其进行虚拟仿真。其主要内容包括：1 对电风扇的基础零件三维绘制；2 三维建模、装配约束、干涉检测及系统优化等；3 应用虚拟技术进行电风扇的虚拟装配和仿真；4 对虚拟装配理论和关键技术进行了解研究。本论文应用到了虚拟建模、虚拟装配、虚拟仿真分析等内容。1.3 本论文研究的意义随着全球经济一体化的大经济环境形成，市场竞争愈演愈烈，国内许多企业正面临着严峻的考验，企业在积极主动地采用先进技术和生产方式，增强自身在市场竞争
9、中的应变能力和生存能力。我国许多产品的开发大多数采用的是串行方法，设计试制出原型样机，然后测试，验证并分析它们，工程师设计出产品，往往要经过多次反复的试制才能成功进入市场，产品开发时间长，无法再缩短上市时间上去的实质性的突破。近年来，虚拟现实技术的应用越来越广泛，它大大改变了人与计算机之间的交互方式。在这种情况下产生了虚拟制造技术，而虚拟装配是虚拟制造技术的一个重要组成部分，是当前装配设计技术的一种崭新的思路和方法，具有非常重要的研究价值。虚拟装配设计是产品设计的重要环节，它可以为企业带来众多的经济效益，例如缩短产品的开发周期，提高产品的质量和可靠性，降低生产成本和减少库存等。第二章 虚拟装配
10、与模拟仿真2.1 虚拟装配2.1.1 装配以及虚拟装配的概念1 装配的概念任何一台机械，都是由许多零件以及部件组成。我们把零件以及部件组装成一台完整的机械的过程成为装配。由于机械的复杂程度不同，零件组合情况不同，在机械装配中，我们把组成机械的单元进行分区：1）零件 是机械组装的基本单元。零件时由一整块材料做成，在结构上不能再进行拆分。在装配过程中，有的零件具有配合基准，可以保证装配在其上面的零件具有正确的相对位置，我们称之为基础零件。在电风扇中。后座可以认为是基础零件。2 ）组件 由软干戈零件组成，不具有独立的功能，比如活塞连杆组件，它由连杆、活塞、销等零件组成，但是它不具有独立作用。3 ）部
11、件和总成 由若干个零件或组件组成，具有结构和作用上的独立性。习惯上我们把直接组成机械的单元成为总成。组成总成的单元成为部件。机械的装配过程就是由零件组装成组件、由组件组装成部件、由部件组装成总成以及最后组装成机械的过程。2 虚拟装配的概念虚拟装配实际上是在计算机上模拟设备的连续装配过程如何有效地模拟实际装配过程是虚拟装配的目的，设备采用分层装配是为了更好地模拟装配的过程。对于整体设备而言，我们关心的是设备中各个组件在装配体中的装配形式及其装配过程，因此在虚拟装配过程中首先要确定进行装配的零部件组成，其次确定各个零部件的装配顺序，再次确定各个零部件所需的装配约束。最后以连续的方式实现虚拟装配过程
12、。在三维设计系统中进行设备的运动仿真就是在设计过程中模拟设计产品的运行情况，为设计评估提供依据。设备中各个运动部件的运动方式是多种多样的，但总的说主要有直线运动、回转运动、曲线运动等。要在计算机上模拟设备中各个部件的运动过程，就必须了解各个零部件的运动形式及其运动过程。因此首先要对各个部件的运动进行分析，然后是其运动的实现。2.1.2 虚拟装配的要求及建立过程产品进行虚拟装配能实现如下功能：1 体现产品的功能要求2 应能对装配进行评价，指出装配方法的优劣3 能满足并行工程的需要4 能够使装配产品系列化，以适应市场。虚拟装配需要以下步骤：1 建立产品的三维模型；2 规划产品的装配顺序 ；3 规划
13、每个产品的装配路径；4 对产品的可装配性进行评价。2.1.3 虚拟装配的意义众所周知，制造业是国家的经济基础，是国民经济的装备部门，在一定的历史时期，制造业的发达与否，影响一个国家的前途命运，这对于我们国家具有特殊的意义。虚拟制造是新世纪制造业发展的重要方向之一，是现实制造过程在计算机上的本质体现。他能在虚拟状态下设计、制造、测试和分析产品，从而更迅速更有效地进行产品开发和制造。虚拟装配是虚拟制造的关键组成部分之一，他通过计算机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评价和预测产品模型，做出与装配相关的工程决策，不需要实际产品作支持。它通过统一的产品数据管理实现产品的三维设计过程与产品零部件制
14、造、装配的高度统一。其作用可归结为如下几个方面：1 选择最佳方案，优化装配结构。装配设计的基本任务是从原理方案出发在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图。在虚拟环境中对不同的装配方案进行比较，选择最优方案，可以完善装配系统，保证产品的合格率和优质率。2 制造虚拟样机，节约制造使用费用。采用廉价的数字模型，设计人员可以从设计到生成制造整个过程出发制定周密的计划，多方面对产品进行观察和分析，预见生成和装配过程中出现的问题，即节约了制造物理样机的费用，又减少了材料和产品的库存。3 产品的可行性分析，降低装配成本。对产品的可装配性分析是产品可制造型的基础。通过对机构进行运动仿真，确保产
15、品的零部件能够装配到位，也能够分析维修过程中可能出现的问题，考虑工具及安全性、视线和拆卸等方面的问题，既降低了成本，又有利于提高产品的质量和可靠性。4 产品并行设计和VR技术的支持和保障。产品并行设计是让下游有关活动尽早溶汇到上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计早期加以考虑。2.1.4 虚拟装配技术国内外的研究动态及现状面向虚拟装配技术大体上可分作两个层次。一是采用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观地展示产品装配过场中零部件的运用形态和空间位置关系，并提供装配序列的性能及其优化结果。二是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境，操作人员有身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配顺序和效果。迄今为止，虚拟装配的发展可分为三个阶段：第一阶段是虚拟装配理论的提出与完善，第二阶段是虚拟装配原型系统的开发阶段，第三阶段是虚拟装配在工业界的应用研究阶段。由于虚拟装配技术有着广阔的应用前景，国外的政府部门、企业和大学科研院所从20世纪90年代中前期就开始了对虚拟装配技术多方位、多层次的研究，并且取得了很多的成果，现在已经进入对虚拟装配技术深入研究和广泛应用的阶段。二十世纪九十年代末
