基于CATIA的机械零件虚拟装配方法djun.docx

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1、 基于CCATIIA的机机械零件件虚拟装装配方法法 EE（EE指导教师师：eee摘要：装配配设计是是产品设设计过程程的重要要环节，随随着虚拟拟现实技技术的日日益成熟熟，虚拟拟装配已已成为其其应用的的重要研研究方向向，虚拟拟装配也也为面向向装配的的设计提提供了一一种新的的思路和和方法。在在传统的的装配过过程中, 当一一个零部部件与另另一个零零部件装装配失败败后, 只能返返回装配配结果, 重新新设计, 重新新生成样样品, 重新用用真实装装配来检检验。这这种装配配关系的的滞后检检验, 不但带带来成本本的巨大大浪费, 而且且完全不不符合快快速反应应市场的的需要。随随着计算算机软件件硬件技技术的发发展,

2、 在机械械制造领领域中, 零部部件如何何装配加加工、各各零部件件是否发发生干涉涉等都能能在虚拟拟装配环环境中实实现。借借助虚拟拟装配技技术, 能在产产品设计计阶段就就能了解解设计结结果的装装配性。这这种虚拟拟装配技技术对小小批量生生产方式式具有开开发周期期短、设设计质量量高, 开发成成本低等等特点。本文分析析了目前前虚拟装装配技术术的发展展状况，归归纳总结结了虚拟拟装配的的关键技技术和基基本流程程，介绍绍了装配配的基本本步骤及及干涉检检查的基基本步骤骤。论文文成功的的实现了了基于CCATIIA的装装配及干干涉检查查，最后后通过具具体实例例验证了了方法的的可行性性和正确确性。关键词词: 虚虚拟装

3、配配；CAATIAA；干涉涉检验；约束；检查碰碰撞 Virrtuaal aasseemblly oof mmechhaniicall parrts bassed on CATTIA eee（ee）Tutoor: eeAbsstraact: Asssemmblyy deesiggn iis aan iimpoortaant parrt oof pprodductt deesiggn pproccesss , bennefiits matturee moouthh off viirtuual reaalitty ttechhnollogyy , virrtuaal aasseemblly hhas

4、 beccomee ann immporrtannt rreseearcch ddireectiion of thee apppliicattionn , thee viirtuual asssembbly dessignn foor aasseemblly aand evaaluaatioon oof aa neew wway of thiinkiing andd appprooachh. AAfteer tthe faiilurre oof tthe asssembbly of a ccompponeent witth ootheer ccompponeentss inn thhe aas

5、seemblly pproccesss , thee onnly retturnn too thhe aasseemblly rresuultss , re- deesiggn, re - ggeneeratted sammplee too teest , rre- usee thhe rreall asssemmblyy . Thiis aasseemblly bbetwweenn thhe llag tesst , noot oonlyy too brringg thhe ccostt off ennormmouss waastee, bbut doees nnot meeet tthe

6、rappid ressponnse to marrkett neeedss . Witth tthe devveloopmeent of commputter sofftwaare andd haardwwaree teechnnoloogy in thee fiieldd off maachiinerry mmanuufaccturringg , spaare parrts howw too asssemmblee thhe pproccesssingg, tthe varriouus ppartts oof iinteerveentiion cann bee immpleemenntedd

7、 inn a virrtuaal aasseemblly eenviironnmennt . Wiith thee viirtuual asssembbly tecchnoologgy iin tthe prooducct ddesiign staage to unddersstannd tthe asssembbly of thee deesiggn rresuultss . Thiis vvirttuall asssemmblyy teechnnoloogy forr a smaall battch hass a shoort cyccle of devveloopmeent , hhig

8、hh quualiity of dessignn , loww coost of devveloopmeent. Thiis ppapeer aanallyzees tthe currrennt sstatte oof ddeveeloppmennt oof tthe virrtuaal aasseemblly ttechhnollogyy , andd suummaarizzes thee keey ttechhnollogiies andd thhe bbasiic pproccesss off thhe vvirttuall asssemmblyy , thee baasicc stte

9、pss off thhe bbasiic sstepps oof tthe asssembbly andd innterrferrencce cchecckinng . A succcesssfuul rreallizaatioon oof CCATIIA - baasedd asssemmblyy annd iinteerfeerennce cheeckiing in thee Paaperr, aand finnallly , thhrouugh conncreete exaamplles to verrifyy thhe ffeassibiilitty aand acccuraacy o

10、f thee meethood .Keyyworrds: vvirttuall asssemmblyy； CCATIIA ； innterrferrencce ttestt ；cconsstraaintts ； cchecckinng tthe colllissionn 目录第一章 绪论论11.1 引言.11.2内内外虚拟拟装配环环境技术术的发展展与现状状.11.2.1 虚虚拟装配配的发展展现状.111.2.2 干干涉检查查的发展展现状.31.3 研究背背景及课课题的提提出.441.4本本章小结结.55第二章CCATIIA零件件设计方方法.62.1利利用 CCATIIA VV5进行行零件设设计

11、的方方法662.1.1草图图 (sskettcheer)设设计工作作介绍62.1.2零件件的设计计方法662.1.3生成成二维工工程图.72.2设设计举例例.7第三章 虚拟拟装配环环境的设设计基础础.1003.1虚虚拟装配配的定义义.1103.2虚虚拟装配配流程.1103.3虚虚拟装配配的关键键技术.1103.3.1面向向虚拟装装配的建建模技术术.1003.3.2 虚虚拟装配配设计环环境技术术是虚拟拟装配技技术的基基础.1113.3.3装配配规划技技术和装装配信息息的记录录.123.3.4干涉涉检查.1133.3.5装配配约束.114 第四章章 管道阀阀门的装装配及干干涉检（实实例).164.

12、1零零件的装装配.164.2管管道阀门门的装配配过程.1664.3管管道阀门门的干涉涉检验过过程.2334.3.1干涉涉分析的的步骤.224第五章 结论.333参考文献献.34致谢.366第一章 绪论1.1引引言随着计算算机在产产品设计计和制造造中的应应用发展展，新产产品的开开发过程程发生了了巨大的的变化，以以计算机机技术、仿仿真技术术和信息息技术为为支撑的的虚拟产产品设计计，使新新产品开开发流程程向着数数字化、集集成化的的方向发发展，对对产品进进行构思思、设计计、装配配、分析析和测试试，摆脱脱了传统统的产品品开发的的设计过过程，由由二维设设计向三三维设计计的转变变，几何何模型向向虚拟的的产品

13、模模型的转转变，实实现了产产品的设设计评价价、装配配评价、测测试分析析和试生生产，逐逐步由计计算机仿仿真技术术的虚拟拟装配过过程所替替代，从从而解决决了企业业在产品品开发过过程中速速度、质质量、成成本和服服务等问问题，大大大提高高了企业业在市场场中的竞竞争力。1.2国国内外虚虚拟装配配环境技技术的发发展与现现状1.2.1 虚拟装装配的发发展现状状虚拟装配配(Viirtuual Asssembbly ,VAA)是虚虚拟产品品的一个个重要组组成部分分，是实实际装配配过程的的本质在在计算机机上的反反映，它它可以解解决设计计与装配配的对象象在研制制过程中中难以实实现的动动态性能能。通过过计算机机仿真反

14、反映装配配的本质质是虚拟拟装配的的特点，也也就是说说，虚拟拟装配设设计是在在计算机机上完成成所设计计零部件件的装配配模型，将将不同的的零件组组装成一一个装配配体，其其基本功功能是定定义不同同零件之之间的相相对位置置约束关关系，生生成爆炸炸视图，进进行零件件之间的的动态干干涉检查查，发现现零部件件设计上上的不合合理的地地方，以以改进设设计，并并完成该该装配体体的动态态模拟设设计。因因此，虚虚拟装配配的实现现有助于于对产品品进行虚虚拟分析析和虚拟拟设计，有有助于解解决产品品从设计计到生产产所出现现的技术术问题，以以达到缩缩短产品品开发周周期，降降低生产产成本以以及优化化产品性性能等目目的。据据国外

15、统统计，目目前制造造业应用用虚拟装装配技术术节约了了25%的研制制经费，并并大大缩缩短了研研制周期期。虚拟环境境(Viirtuual Envviroonmeent ,VEE)，就就是将人人与计算算机系统统集成到到一个环环境中，由由计算机机生成交交互式的的三维仿仿真，并并通过视视觉、听听觉、触触觉作用用到人，使使人产生生身临其其境的感感觉。虚虚拟装配配是在虚虚拟环境境中完成成的，是是虚拟环环境技术术在CAAD领域域的应用用。在给给定了一一套装配配过程模模型和有有效的装装配过程程模拟技技术的情情况下，产产品装配配的所有有结果和和可能存存在的问问题都能能够在一一个在线线的虚拟拟环境中中表示出出来。利

16、利用虚拟拟环境可可以避免免开发昂昂贵的物物理模型型的原型型，同时时可以与与其他的的计算机机辅助设设计技术术兼容，并并使用户户能在更更丰富，更更直观的的环境下下运用虚虚拟环境境的硬软软件来设设计和规规划装配配。目前，虚虚拟装配配技术在在工业发发达国家家己经得得到了广广泛深入入的研究究和应用用。美国Seeatttle波波音高级级技术中中心开发发的虚拟拟空间实实验(VVSX)飞行器器相当于于一 个个飞行器器的虚拟拟原型机机;英国国Teccnommatiix技术术有限公公司开发发的计算算机辅助助生产工工程(CCAPEE)产品品涉及到到了设计计、优化化、制造造等技术术;德国国BMWW公司建建立了VVir

17、ttuall Prroceess Weeek体系系，利用用虚拟技技术对汽汽车装配配流程的的合理性性加以测测试;RRossslerr等在虚虚拟环境境中利用用自动和和交互技技术相结结合的方方法，研研究了虚虚拟环境境中原型型产品的的可拆性性;日本本的N.Abee等开发发了机械械零件装装配性验验证和装装配机器器可视化化系统，支支持设计计者在虚虚拟环境境中进行行装配分分析和性性能评估估，初学学者在装装配机器器时可以以进行系系统的操操作训练练,Junng等开开发了一一个基于于知识的的虚拟装装配系统统CODDY，允允许设计计者通过过三维操操作或简简单的语语言命令令进行产产品装配配,AuttoDeesk公公司

18、开发发的CTTL DDiviisioon公司司开发的的DVSS等系统统,描述了了物体装装配关系系和运动动规则。在国内，由由于虚拟拟制造技技术研究究和应用用起步相相对较晚晚，直到到最近几几年，虚虚拟装配配技术的的研究才才开始受受到人们们的重视视，才成成为最近近几年来来工业技技术界的的研究热热点之一一。因此此，虚拟拟装配技技术目前前还处于于研究阶阶段，离离实际应应用尚有有一定距距离，大大多数研研究也仅仅是居于于纯理论论或基于于Proo/E, UGG软件平平台基础础上的研研究和探探索 不不过，在在装配建建模、装装配约束束、装配配序列规规划和装装配干涉涉等方而而，还是是取得了了一 定定的进展展。上海交

19、通通大学建建立了分分布式虚虚拟制造造系统的的框架体体系(DDVMSS)浙江大大学国家家重点实实验室设设计的虚虚拟装配配设计系系统(VVirttuall Deesiggn aand Virrtuaal AAsseemblly SSysttem, VDDVASS，实现现了在同同一虚拟拟环境中中修改尚尚未满足足装配条条件的零零件的几几何，而而无需在在虚拟环环境与CCAD系系统间进进行数据据转换和和传输，提提高了系系统的可可靠性并并对基于于语义的的产品装装配设计计技术进进行了研研究，实实现了基基于语义义的产品品装配操操作，对对进一步步提高产产品装配配效率与与质量具具有重要要意义，西西南交通通大学机机械

20、工程程研究所所对基于于虚拟现现实技术术的原型型设计机机理进行行了研究究，把虚虚拟现实实技术与与CADD设计环环境结合合起来;刘振宇宇等研究究了装配配设计中中的装配配语义的的识别和和和约束束的转化化问题，孙孙军华等等建立了了基于虚虚拟现实实建模语语言(VVirttuall Reealiity ModdeliingLLangguagge VVRMLL)的交交互式虚虚拟装配配平台，实实现了从从静态装装配体的的VRMML文件件到动态态交互式式虚拟装配的VVRMLL文件的的转化，谭谭国锋综综合应用用Proo/E， AuttoCAADPhhotooshoop CorrelDDraww等CAAD软件件形成虚

21、虚拟制造造/虚拟拟装配(VirrtuaalMaanuffactturee/Viirtuual Asssembbly VMM/VAA)技术术应用与与产品的的成型过过程，取取得了良良好的效效果。2.2 干涉检检查的发发展现状状碰撞干涉涉检查是是虚拟装装配的重重要组成成部分，也也是虚拟拟装配研研究的关关键技术术和重要要内容。干干涉检查查的根本本问题是是求交和和测试问问题，干干涉检查查的关键键问题是是如何减减少计算算量，提提高精度度。近十十年来，国国内外许许多学者者对干涉涉问题进进行了深深入的研研究，并并提出了了多种方方法。 Youun和WWohnn提出“分层描描述”的方法法来简化化物体的的碰撞检检测

22、，这这种分层层描述的的物体由由多个彼彼此相关关的部分分组成，该该算法首首先确定定最有可可能发生生碰撞的的接触点点清单，后后确定在在这些接接触点之之内的形形体是否否发生碰碰撞。CCoheen等人人将这种种算法引引入交互互环境的的实时精精确碰撞撞检测，在在多物体体环境下下，他们们采用一一个两级级的碰撞撞检测系系统来进进行物体体间的精精确计算算。何为为平，土土佑君提提出一个个匀速直直线运动动多面体体在时间间和空间间的D维维直线求求交干涉涉检测算算法，其其检测效效率与静静态物体体的干涉涉求交相相同。为为使用基基十线性性姿态运运动的多多面体连连续时间间干涉检检测算法法，又提提出将复复杂运动动按一定定的允

23、差差划分为为分段线线性姿态态运动的的算法和和线性姿姿态运动动的均匀匀插补算算法。张张林煊，童童秉枢等等人采用用干涉检检查的分分级递进进，采用用“包围盒盒级!半半包围盒盒级!精精确实体体级”共二个个级别的的干涉检检查模式式，由粗粗到精地地进行路路径可行行性检验验，能在在很大程程度上提提高干涉涉检查效效率。 Mooore, Wiilheelemms根据据Cyrrus-Becck裁剪剪算法提提出一种种凸多面面体碰撞撞检测算算法，即即通过检检测多面面体顶点点是否相相互包含含来判定定它们是是否发生生碰撞。 Baarafff, Herrzenn等人提提出了基基于参数数曲面的的几何碰碰撞检测测算法。AAlo

24、nnso, Seerraano和和Flaaqueer采用用定义碰碰撞影响响矩阵及及体兀的的数据结结构等一一些优化化策略来来加快碰碰撞检测测。 土兆其其，赵沁沁平等人人提出一一个计算算凸多面面体间碰碰撞点的的快速算算法,即即在虚拟拟环境中中检测到到碰撞时时，在碰碰撞之前前快速计计算出两两个物体体之间的的准确碰碰撞时间间，并计计算出此此时两个个物体之之间的碰碰撞点。 任世军军等人提提出一种种判断两两个凸多多面体是是否相交交的一种种快速算算法，其其思想是是取一种种从一个个多面体体指向另另一个多多面体的的向量，根根据两个个多面体体中的面面与这一一向量的的相对位位置关系系来寻找找相交的的平面，即即有两个

25、个多面体体的交点点位十这这一平面面，若能能找到一一个相交交平面则则可以判判定两个个多面体体相交。 综合国国内外的的研究内内容和研研究方法法，干涉涉检查的的关键技技术是如如何提高高效率，减减少计算算量。1.3 研究背背景及课课题的提提出装配设计计是产品品设计过过程的重重要环节节，装配配设计技技术已成成为CAAD领域域研究的的关键技技术。传传统的装装配设计计在很大大程度上上依赖于于设计人人员的经经验，装装配设计计的效率率低，在在信息技技术飞速速发展的的前提下下，这已已经不能能满足人人们缩短短产品开开发周期期，降低低开发成成本的需需要。因因此，随随着虚拟拟现实（VVirttuall Reealiit

26、y） 技术的的口益成成熟，为为设计者者提供了了视，听听，触觉觉一体化化的设计计环境，也也为产品品装配性性分析提提供了新新的手段段，虚拟拟装配已已成为虚虚拟现实实技术运运用的重重要研究究方向。 虚拟装装配是产产品数字字化定义义中的一一个重要要环节，在在虚拟技技术领域域和仿真真领域中中得到广广泛的应应用研究究。虚拟拟装配技技术在飞飞机的应应用中，是是一种全全新的概概念，它它是在计计算机上上完成飞飞机零部部件的实实体造型型，并进进行虚拟拟装配，干干涉分析析等多次次协调，并并通过统统一的产产品数据据管理，实实现飞机机二维设设计过程程与飞机机零部件件制造，装装配过程程的高度度统一，从从而大大大地缩短短产

27、品的的研制开开发时间间，降低低产品开开发成本本。CATIIA是由由法国DDasssaullt公司司开发的的集CAAD/CCAM/CAEE于一体体的优秀秀三维设设计系统统，它的的强大辅辅助设计计、制造造和工程程分析功功能在机机械、电电子、航航空、航航天和汽汽车等行行业获得得了广泛泛应用，并并逐步成成为诸多多行业的的产品数数字化设设计的主主流软件件平台。但但由于CCATIIA是一一个通用用的计算算机辅助助设计软软件系统统，在某某个专业业特定应应用时，可可能显得得繁琐，如如果能在在CATTIA软软件通用用系统基基础上，针针对行业业标准规规范和具具体应用用要求，进进行二次次开发，并并融合公公司的经经验

28、和标标准，将将会显著著提高CCATIIA软件件的使用用效率和和工程设设计人员员的CAATIAA系统应应用水平平，实现现产品设设计的一一致性和和规范性性。由于CAATIAA比起当当今流行行的其它它CADD软件(如:UUG III， Proo/E，AAutooCADD等)具具有独特特的优势势，近年年来CAATIAA软件己己经广泛泛应用于于我国的的航空、航航天、汽汽车和轮轮船等行行业，而而且有逐逐渐代替替其他CCAD软软件的趋趋势。因因此，以以CATTIA为为平台进进行虚拟拟装配的的研究有有着及其其重要的的研究价价值，且且己经是是刻不容容缓之事事。本课课题是以以管道阀阀门为例例基于CCATIIA的零

29、零件虚拟拟装配及及干涉检检验，从从管道阀阀门的装装配及干干涉检验验过程中中初步对对CATTIA的的功能了了解。1.4本本章小结结本章首先先简单介介绍了虚虚拟装配配技术，然然后介绍绍了虚拟拟装配技技术在国国内外的的发展与与研究现现状，接接着对国国内外虚虚拟装配配技术中中的装配配约束技技术的发发展及其其研究现现状作了了简单介介绍，最最后阐述述了本课课题的选选题依据据和本课课题的研研究意义义。 ,.2.电电机选择择2.1电电动机选选择（倒倒数第三三页里有有东东）2.1.1选择择电动机机类型2.1.2选择择电动机机容量电动机所所需工作作功率为为：；工作机所所需功率率为：；传动装置置的总效效率为：；传动

30、滚筒筒滚动轴承承效率闭式齿轮轮传动效效率联轴器效效率代入数值值得：所需电动动机功率率为：略大于即即可。选用同步步转速114600r/mmin ；4级；型号号 Y1660M-4.功功率为111kWW2.1.3确定定电动机机转速取滚筒直直径1.分配配传动比比（1）总总传动比比(2)分分配动装装置各级级传动比比取两级圆圆柱齿轮轮减速器器高速级级传动比比则低速级级的传动动比2.1.4 电电机端盖盖组装CCAD截截图图2.11.4电电机端盖盖2.2 运动和和动力参参数计算算2.2.1电动动机轴2.2.2高速速轴2.2.3中间间轴2.2.4低速速轴2.2.5滚筒筒轴3.齿轮轮计算3.1选选定齿轮轮类型、精

31、精度等级级、材料料及齿数数1按传传动方案案，选用用斜齿圆圆柱齿轮轮传动。2绞车车为一般般工作机机器，速速度不高高，故选选用7级级精度（GGB 1100995-888）。3材料料选择。由由表100-1选选择小齿齿轮材料料为400Cr（调调质），硬硬度为2280 HBSS，大齿齿轮材料料为455钢（调调质）硬硬度为2240 HBSS，二者者材料硬硬度差为为40 HBSS。4选小小齿轮齿齿数，大大齿轮齿齿数。取取5初选螺螺旋角。初初选螺旋旋角3.2按按齿面接接触强度度设计由机械械设计设设计计算算公式（10-21）进行试算，即3.2.1确定定公式内内的各计计算数值值（1）试试选载荷荷系数11。（2）由

32、由机械械设计第第八版图图10-30选选取区域域系数。（3）由由机械械设计第第八版图图10-26查查得，则。（4）计计算小齿齿轮传递递的转矩矩。（5）由由机械械设计第第八版表表10-7 选选取齿宽宽系数（6）由由机械械设计第第八版表表10-6查得得材料的的弹性影影响系数数（7）由由机械械设计第第八版图图10-21dd按齿面面硬度查查得小齿齿轮的接接触疲劳劳强度极极限；大大齿轮的的接触疲疲劳强度度极限。13计算算应力循循环次数数。（9）由由机械械设计第第八版图图（100-199）取接接触疲劳劳寿命系系数;。（10）计计算接触触疲劳许许用应力力。取失效概概率为11%，安安全系数数S=11，由机机械设

33、计计第八八版式（10-12）得（11）许许用接触触应力3.2.2计算算（1）试试算小齿齿轮分度度圆直径径=449.556mmm（2）计计算圆周周速度（3）计计算齿宽宽及模数数=2mmmh=2.2522.2552=4.5mmm49.556/44.5=11.01（4）计计算纵向向重合度度0.3118124taan=220.773（5）计计算载荷荷系数KK。已知使用用系数根根据v= 7.66 mm/s,7级精精度，由由机械械设计第第八版图图10-8查得得动载系系数由机械械设计第第八版表表10-4查得得的值与与齿轮的的相同，故故由机械械设计第第八版图图 100-133查得由机械械设计第第八版表表10-

34、3查得得.故载荷荷系数11.1111.41.42=2.22（6）按按实际的的载荷系系数校正正所算得得分度圆圆直径，由由式（110-110a）得得（7）计计算模数数3.3按按齿根弯弯曲强度度设计由式（110-117）3.3.1确定定计算参参数（1）计计算载荷荷系数。=2.009（2）根根据纵向向重合度度，从机机械设计计第八八版图110-228查得得螺旋角角影响系系数（3）计计算当量量齿数。（4）查查齿形系系数。由表100-5查查得（5）查查取应力力校正系系数。由机械械设计第第八版表表10-5查得得（6）由由机械械设计第第八版图图10-224c查查得小齿齿轮的弯弯曲疲劳劳强度极极限；大大齿轮的的弯

35、曲强强度极限限；（7）由由机械械设计第第八版图图10-18取取弯曲疲疲劳寿命命系数，；（8）计计算弯曲曲疲劳许许用应力力。取弯曲疲疲劳安全全系数SS1.44,由机机械设计计第八八版式（10-12）得（9）计计算大、小小齿轮的的并加以以比较。=由此可知知大齿轮轮的数值值大。3.3.2设计计计算对比计算算结果，由由齿面接接触疲劳劳强度计计算的法法面模数数大于由由齿面齿齿根弯曲曲疲劳强强度计算算的法面面模数，取取2，已可可满足弯弯曲强度度。但为为了同时时满足接接触疲劳劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由取 ，则 取3.4几几何尺寸寸计算3.4.1计算算中

36、心距距a=将中以距距圆整为为1411mm.3.4.2按圆圆整后的的中心距距修正螺螺旋角因值改变变不多，故故参数、等不必必修正。3.4.3计算算大、小小齿轮的的分度圆圆直径3.4.4计算算齿轮宽宽度圆整后取取.低速级取m=33;由取圆整后取取表 1高高速级齿齿轮：名称称代号计算公式式小小齿轮大齿轮模数m22压力角2020分度圆直直径d=2277=544=21009=2218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直直径表 2低低速级齿齿轮：名称称代号计算公式式小小齿轮大齿轮模数m33压力角2020分度圆直直径d=3277=544=21009=2218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直直径4.轴轴的设计计4.1低低速轴4.1.1求输输出轴上