课程展示
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实验项目名称: 复杂产品的建模和虚拟装配
项目介绍:         课程性质及背景:
        虚拟装配以产品及其零部件的三维实体模型为基础,借助虚拟现实技术在计算机上仿真装配操作的全过程,进行装配操作及其相关特性的分析,实现产品的装配规划和评价,制定合理的装配方案。本课程以复杂产品为对象,使学生了解数字建模和虚拟装配的方法和意义,熟悉产品的结构、工作原理、装拆流程,培养学生利用数字化制造先进技术进行产品设计、提高设计效率的能力,使学生掌握基本的现代产品设计工具。
        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中具有重要的意义,受到国内外的普遍关注。
        实验项目虚拟仿真的特点及必要性:
       装配是按一定的精度和技术要求,将一组零散的零件按一定的次序连接组合成产品的过程,其核心内容是装配序列规划,对产品质量起着决定性的作用。据统计,在产品的生产过程中大约1/3以上的人直接或间接从事与装配有关的活动,装配费用则占整个生产成本的30%~50%(对于某些复杂产品,这个比例会更高)。另一方面,装配环节也是制约生产自动化的主要因素,装配性能的好坏是决定产品能否采用自动化装配的关键。因此,一个好的装配顺序规划和工艺规划,对改进产品设计、降低成本、缩短产品生产周期具有重要意义。
        传统的产品开发过程中,对产品装配性能的分析和评价通常都是借助实物模型来完成的,这种方法既费时、费力、准确性差,又不能及时、方便地进行修改,延长了产品的设计过程,造成了财力、物力的浪费。同时,传统的装配工艺规划采用人工编制,对工艺人员的技术水平和装配经验过分依赖,装配工艺规划过程繁琐且不规范,编制难度大、周期长。
        虚拟现实技术的发展为解决上述问题提供了新的途径。虚拟装配主要实现2个层次的映射,即底层的产品数字化模型映射产品物理模型,顶层的装配过程仿真映射真实的装配过程。底层的映射避免了产品模型的物理实现,同时使得工程分析、装配仿真成为可能;顶层的映射使得产品装配规划、仿真验证及评价成为可能。通过虚拟装配,可实现产品装配过程的计算机验证、可装配性能分析、装配后主要技术参数预测和装配方案优选、装配过程中人的因素影响分析等,减少产品开发制造中的返工,从而节省开发制造成本和时间。
项目目的:         了解产品数字建模的方法;了解产品虚拟装配的实现方法和意义;熟悉产品结构、工作原理和装配顺序;熟悉产品上各零件的名称、作用和相配零件的配合关系。
面向理论课程: 机械原理、机械设计
面向专业: 机械制造及其自动化、机械电子工程
开设地点:
仪器硬件设备
及软件环境:
硬件:图形工作站、3D扫描仪、三维视觉显示设备(头盔显示器、双目全方位显示器等)、交互设备(数据手套、三维鼠标、力矩球、触觉反馈装置、力反馈装置等)、运动捕捉系统(位置跟踪器、运动捕捉等)、三维立体声系统;软件:Pro/Engineer、EON Reality等
实验项目功能
及效果:
        实验内容或任务:(分点列举实验项目可完成的子任务或内容)
        产品零件的数字化建模:在完成产品的方案设计、结构设计、设计计算等详细设计的基础上,进行产品零件的参数化建模,填写零件明细表。
        产品的虚拟装配:确定产品零件的装配序列、装配基准、装配约束,给出产品的装配流程和拆卸流程,完成产品的拆装分析。
        产品的运动仿真:进行干涉检查,并对相关结构参数进行优化;根据产品的工作原理定义主从动件,进行运动学分析,测量各零件的运动特性,检查运动分析的结果。
        完成实验报告,制作虚拟装配和运动仿真视频。
        实验效果:(提供有代表性的2~3张图,配套文字说明)
        这里以减速器为例说明实验效果。学生在前期的学习中对减速器的实物进行了测绘,并在课程设计中按照要求设计了二级减速器。但学生设计的减速器是否合理、实际工作效果如何,难以通过加工制作来进行验证。这里采用虚拟现实的方式,让学生熟悉减速器的结构、工作原理和装配顺序,对减速器的设计进行检查、评价和必要的修改优化。
        图1是完成的减速器主要零件的数字模型。这里采用了参数化建模的方式,因此当通过后续虚拟装配仿真发现设计中可能存在的问题后,可以方便地进行修改。图2是减速器的虚拟装配模型。从图中可以很直观地看到减速器各零件之间的关系、所有零件的明细等。经过虚拟装配,可以检查零件尺寸之间是否存在干涉、零件结构是否影响拆装等,并为接下来的运动学仿真提供基础。