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图3-9 滑枕和床身虚拟模型

3.2 五轴联动数控加工中心虚拟装配仿真

3.2.1 虚拟装配技术基本理论

虚拟装配是虚拟设计过程中很重要得步骤，它是在完成产品虚拟模型的基础上，按照产品实际的功能和结构要求把各个零部件组装在一起，创建如同产品已经真实存在那样的直观可视化的数字模型，既虚拟样机。虚拟装配技术在机床产品开发过程中主要具有一下功能：

（1）静态干涉检测：虚拟装配可以准确的反映零部件的空间布局和装配关系，当完成虚拟装配后，在计算机中可以检测零部件之间是否发生干涉，能否合理完成装配。

（2）可装配性评估：根据产品设计的形状特性、精度特性，三维真实的模拟产品装配过程，并以交互方式控制产品的模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

（3）优化装配过程：通过在计算机中的虚拟装配，可以将产品的整体装配合理划分成若干个装配单元，使各单元能够并行进行，节省装配时间。

总之，在计算机虚拟环境中装配零部件，查看和分析零件间的配合情况，可以减少物理样机的的需求，大量削减开发费用。同时在产品设计阶段可以方便快捷的修正错误，缩短产品开发周期并降低产品后期制造过程中进行修正的费用。[14]

[14] 产品的模拟装配设计方案研究及其应用．蒋玉明，王 杰，殷国富等．中国机械工程第11卷第7期，2000（7）

虚拟装配仿真技术的核心任务是用可视化手段研究和解决产品的可装配性问题。根据用户对装配仿真的需要程度和产品的复杂程度，产品的虚拟装配仿真通常包含以下几个层次：[15]

[15] 基于I-DEAS平台的产品装配仿真系统的开发；舒启林、王德俊、郝永平；机械设计与制造；29~30；2002,7

（1）装配顺序仿真：根据装配工艺规划模块所生成的装配顺序，模拟零件的装配过程。该层次可以用来对装配工人进行装配前的培训和指导，以直观展示产品的装配过程。

（2）装配路径仿真：以装配顺序为基础，对初始路径及其关键点位姿进行实时交互

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修改与调整，同时对装夹工具的可达性，装配空间的可操作性进行实时仿真，检查各条装配路径上零件在装配过程中是否存在干涉情况。该层次适用于对复杂装配体的可装配性研究。

（3）交互拆卸仿真：对装配体进行实时交互拆卸，以获取可行的拆卸顺序和路径；再根据“可拆即可装”的假定，反过来得到可行的装配顺序和路径，在此基础上仿真产品的装配过程。该层次适用于复杂装配体的装配顺序和装配路径的获取。

（4）机构运动仿真：其目的是对装配模型中的工作装置的运动进行定义，检查运动状态下零件间的干涉情况，验证运动部件在工作时的合理性，并可直观地观察所涉及的产品运动构件的运动过程，从而在产品实际生产出来之前知道其运动过程。

虚拟装配仿真总体结构如图3-10所示。

图3-10 虚拟装配总体结构

3.2.2 加工中心虚拟装配工艺规划

虚拟装配技术包含两个核心技术：装配约束关系和装配顺序关系，即装配工艺。在机床虚拟装配之前，必须确定合理的装配原则。XH7710型立卧自动转换加工中心是一个结构复杂，零部件比较多的产品，如何快速准确地完成整机的装配，需要考虑合理的装配方

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法和装配步骤。虚拟装配技术与虚拟建模技术相似，虚拟装配也采用自下而上的装配方式，即先把散乱零件组装成部件，然后把各个部件和相关零件组装成整机模型。

装配约束关系就是在零件装配是零件间的位置关系，通常包含四种关系：（1）贴合及贴合偏移；（2）对齐及对齐偏移；（3）定向；（4）插入。图3-11所示为四种基本的装配约束关系。除此之外还有坐标系对齐、相切等约束关系。[16]

[16] 段大高，杨庆东，王科社，刘国庆.虚拟环境下五轴加工中心的建模技术研究.北京机械工业学院学报，2002年

图3-11 虚拟装配约束关系

根据加工中心各个主要部件实现的功能不同，可以将其分为万能铣头、滑枕、立柱、床身、工作台和托架等主要部件，由于立卧自动转换万能铣头结构复杂，包含子装配件比较多，本论文主要针对铣头进行虚拟装配，另外也完成对加工中心整机的虚拟装配。

虚拟装配过程中，一些特殊零件的局部装配顺序是固定的，遵循以下规则：[17]

[17] 装配建模及装配顺序分层规划方法研究.于建明，蔡建国.机械科学与技术.2000，7

（1） 螺钉联接的装配顺序是垫圈（或弹簧垫圈）、螺钉；

（2） 螺栓联接的装配顺序为垫圈、螺栓、螺母，螺钉联接和螺栓联接在装配体中的 装配都紧跟在被连接零件之后。

（3） 有些零件如轴承、键、销钉等的装配也遵循一定的原则，定位元件和紧固元件 的装配均在被联接零件之前，定位元件的装配有先于紧固元件，如销钉的装配在两个被联接的零件之后，而又在相应的螺钉联接之前。键的装配次序位于轴件与孔间之间，一般是先将轴承装在轴上，然后轴件再与孔件进行装配。

另外还有一些O型圈、特殊挡圈、密封圈等相关零件之间也有一定的装配工艺要求。

3.2.3 XH7710型立卧自动转换加工中心铣头虚拟装配 1．铣头虚拟装配

在第二章铣头结构分析中，把铣头分解为左侧、右侧和中间三大部分，在虚拟装配过程中，基本按照右侧——中间——左侧的顺序安装，但是有些子装配件也可以同时并行装配。图3-12为立卧自动转换万能铣头的装配模型。图（a）铣头整体装配，图（b）为装配

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模型爆炸图。

图3-12 铣头虚拟装配模型

2．铣头虚拟装配干涉检验

XH7710型加工中心立卧自动转换铣头结构复杂，装配零件多，在装配过程中常常出现零件间相互渗透、咬合或者无法完成装配的情况，即发生装配干涉，这时就需要适时修改零件的结构参数尺寸。

干涉检验是虚拟装配很重要的一个步骤，干涉检验主要包括零部件组选择、干涉和间隙体积计算、干涉零件修改、干涉检验报告生成等。对于机床产品的虚拟装配及装配干涉检验主要包括：对零件及组件进行合理装配；利用相对位置及尺寸定义零件间的关系；通过动画，利用干涉检验或可视检查装配部件和组件的物理性能分析。

本论文主要对XH7710型立卧自动转换铣头进行静态干涉检验和动态干涉检验，零部件静态干涉检验是对产品零部件设计的评估，在产品装配结构和总体设计确定后，由设计人员进行零部件细化设计，最后进行装配件的静态干涉检查，得到装配件的干涉和间隙体积计算，生成干涉检验报告，最终对零部件结构参数进行修改和优化。

完成铣头整体装配后，利用Pro/ENGINEER软件中“全局干涉”功能对铣头虚拟装配模型进行静态干涉检验，发现以下干涉问题：

（1） 铣头中间壳体上螺钉联接与左侧壳体中齿轮产生干涉。

（2） 铣头右侧壳体由立式转换到卧式位置后，主轴端盖与铣头左侧壳体产生干涉。 （3） 刀具主轴上键槽位置偏下，导致键与套筒产生干涉。 （4） 铣头左侧壳体中安装的锥齿轮主轴和花键套产生干涉。

除此之外，在铣头装配模型中还发现有许多细节干涉，在此就不一一列举了。图3-13列出了铣头装配模型中的两个干涉现象，其中左图为螺钉干涉，右图为铣头立卧转换后产生的干涉情况。

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