第二章产品数字化建模

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构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空 间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意 构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
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虚拟现实系统示意图
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虚拟维修性分析系统原理
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简单的虚维修实例演示 --负重轮,平衡肘的拆卸

工作内容
图11 分析结果
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数字样机在飞机方面的应用
随着计算机技术的发展,目前已经可以 用计算机建立全机的外形数学模型,用来精确地定义飞机的 几何形状,在此阶段可以省去制作一些标准样件。这是建立 飞机产品三维数字模型的第一步。今后可使飞机产品(包括 制造工装)全部进行三维数字化几何建模,加上产品结构( 产品结构树)的建模,构成真正的电子产品样件,可以方便 地进行数字化预装配,为虚拟制造构筑良好的环境。
节的受力(力矩)情况,对判断能否完成维修任务至关重要 。图9、图10为人体在该种姿态下,右臂的受力和力矩情况。
图 9 虚拟人当前状态
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图 10受力和力矩
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4、疲劳分析:在一定的工作时间内,给出任务循环 的次数,完成任务的时间以及间歇时间,分析人体是 否有足够的时间恢复疲劳,在该次任务完成过程中, 结果如图11所示,在规定时间内维修人员能够恢复疲 劳:
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第二节 数字样机
一、物理样机与数字样机
用物质材料制作的产品模型一般称为物理模型(或物理样机与实物 样机) 。 数字样机(Digital MockUp,DMU)的概念目前还没有统一的定 义,它是相对于物理样机在计算机上表达的产品数字化模型。 在计算机上与样机相关的产品数字化模型的名称有数字样机、电子 样机、虚拟样机等,这些都是直接利用了模型的表达形式(电子化 、数字化、虚拟模型)而得出的。
维修工具,此时右手的可达范围如图7所示,可见,右臂可以 到达负重轮中维修需要接触的各个部分,但是,当要拆卸平 衡肘时,虚拟人已经够不到悬挂拉臂的部位,如图8所示,因 此,维修人员需要在卸下负重轮后,向前移动,才能进行平 衡肘的拆卸工作:
图7 右手可达范围
图8 右手可达范围
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3、受力和力矩分析:在承受外载荷的情况下,人体各关
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几何信息
产品 数字化 模型
非几何信息
IDM
图号、零件号
APL
产品的设计结果体现在两个方面,一方面是产品的几何信息 ,它存储在IDM系统中的数据集中;另一方面是产品的非几 何信息,包括产品结构树和工艺信息,它存储于APL系统中 。这两部分信息密切相关、不可分割,其相关性是通过产品 图号或零件号来实现的,由统一的系统来管理。
第二章产品数字化建模
第二章 产品数字化建模
内容简介
产品数字化模型-产品信息的载体,包含了产品功 能信息、性能信息、结构信息、零件几何信息、装配信 息、工艺和加工信息等。
数字化产品模型中,产品生命周期中不同阶段的人 员都可以获得所需的内容。
本章主要介绍了如下方面内容:
➢ 产品模型的描述与表示
➢ 数字样机
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3、产品仿真模型
功能与性能仿真是利用计算机的计算能力,采用数值计算的方法模 拟产品的功能或者性能,一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几 何模型上进行,必须进行一定的转换或者处理,建立符合仿真分析的 模型。例如,有限元分析必须对CAD实体模型进行前置处理,将其进 行简化,网格划分,再赋予材料和施加载荷,然后才能进行求解计算 ,结果则通过后置处理显示。
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Guidelines
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2、零件几何模型
几何模型是产品详细设计的核心,是将概要设计进行详细化的关键 内容,是所有后续工作的基础,也是最适合计算机表示的产品模型。
几何模型用二维或三维模型表示。 在集成化CAD系统中,二维模型可以从三维模型投影得到,以便 与三维模型保持一致性。除此之外,几何模型的非几何信息以属性表 示。属性信息的定义以文本说明,并具有一定的结构。 零件几何模型是详细设计阶段生产的信息模型,是其他各阶段设计 的信息载体,通常作为主模型。 所谓主模型是指以该模型为唯一数据源,其他模型以它为基础,派 生出其他各种模型。派生的过程实现了模型的演变。
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采用一个单一的零件模型贯穿始终是不可能的 设计过程的零件模型为主模型 产品模型是一组有相互关系、反映不同阶段操作的模型组 。
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一、产品设计阶段的模型描述与表示
概念设计
结构设计
产品设计
几何设计
分析仿真
产品设计的基本过程
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概念设计阶段的模型
零件几何模型
产品设计模型
产品仿真模型
产品装配模型
产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息,对产品性能进行校验, 阶段成果包括图形、表格、数据、文本说明等各种形式。仿真分析的 充分利用,可以减少实际物理试验的次数,从而大大降低研制成本。
仿真技术广泛应用在产品设计、制造阶段,如设计阶段的各种有限 元分析、运动机构分析等仿真系统,在制造阶段的铸造浇注仿真、锻 造磨具仿真、数控加工过程仿真、装配仿真等。
工装设备模型:刀具、夹具、模具、量具的设计和制造模型。
产品过程模型:零件在制造过程演变的模型。包括几何形状和其他相关的
工艺信息。
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工艺信息模型-加工工艺流程刀路
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3百度文库数控加工模型
数控加工模型是指数控加工涉及的模型和产生的相应NC程序。 一个复杂零件的数控加工程序生成, 按照加工方法,有数控车、数控铣等加工; 按照工艺要求,有粗加工、精加工、清根等各种操作; 其中程序内部蕴含了工艺信息和加工方法,如粗糙度、公差选择、加 工方式、加工路线、刀具等。程序最后计算得出加工刀具轨迹,并经 过后置处理产生机床代码。这些信息构成了加工模型。 复杂产品的上述各种信息模型是非常庞大的,相关关系也非常复杂, 通常在PDM平台上进行统一管理。
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二、产品制造阶段的模型描述与表示
工艺信息模型
工装模型
产品制造阶段模型
数控加工模型
产品制造阶段模型 14 *
1、工艺信息模型
工艺信息模型为CAPP提供基本信息,涉及工艺过程、数据繁杂、种类
多,不同企业的工艺信息模型差别大,具有不同的模型结构和内容。根据零件 加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息,建立工艺信息模型 。这些基本模型信息构成了编制工艺规划的基础数据。
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几何实体模型
Meshing
有限元模型
沿线均布的压力
沿单元边界均布的压力
实体模型
在关键点加集中力 *
在关键点处 约束
FEA 模型 在节点加集中力
在节点处约束 11
4、产品装配模型
装配模型需要表示产品的结构关系、装配的物料清单、装配的约束 关系、面向实际装配的顺序和路径规划等。 (1) 装配结构树:装配结构模型反映产品 总体结构,初始设计可以 不涉及具体的几何信息,而仅仅表示产品的功能结构、层次结构以 及设计的关键参数。
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虚拟现实技术的主要特征
多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术 所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运 动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
浸没感(Immersion)——指用户感到作为主角存在于模拟环境中 的真实程度。 交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和 从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。
工艺设计的数据来源于详细设计阶段产生的几何模型、装配模型,在此
基础上,还需要设备资源、工装资源等来实现工序的编制。
2、工装模型
工装设计包括刀具、夹具、模具、量具的设计以及产品零件在制造过程中 的不断演化产生的中间状态模型。在工装设计过程中,依据零件在加工过程
中的变化,需要建立相应的模型之间的关系。工装模型包含了两大部分:
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➢ 远期:通过虚拟样机显示产品的外观、内部结构、装配和维
修过程、使用方法、工作过程、工作性能等。有关人员可以浏览 产品的图形与非图形数据,充分发挥三维模型的作用。如利用具 有真实效果的产品结果显示和效果配置功能的效果图,可来探测 、确定各类用户对产品规格、性能、外观等的需求,实现用户驱 动、用户定制;在互联网上发布需要的配套零部件,获得供应商 的电子数据,进行电子模装,验证产品的正确性。
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四、虚拟现实(VR)技术
虚拟现实( Virtual Reality,VR )技术,融合了数字图像处理、计 算机图形学、多媒体技术、传感器 技术等多个信息技术分支,从而大 大推进了计算机技术的发展。
虚拟现实系统就是要利用各种先进 的硬件技术及软件工具,设计出合 理的硬件、软件及交互手段,使参 与者能交互式地观察和操纵系统生 成的虚拟世界。
➢ 中期:建立基于三维模型的产品分析、加工及管理过程,进
行产品的运动和动力学分析,了解运动构件工作时的运动协调关 系、运动范围、可能的运动干涉、产品动力学性能、强度和刚度 等;实现虚拟加工,对加工工艺进行模拟,以检验产品设计的合 理性、可加工性,加工方法、机床和工艺参数的选用,以及加工 过程中可能出现的加工缺陷,为CAM提供数据模型。并且通过PDM 系统实现产品开发过程管理,在一个设计周期内跟踪所有设计事 务和数据的活动,并为设计进程的自动管理提供必要的支持。
18 *
装配过程仿真
装配过程仿真
CAM
强度分析
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数字预装配 结构分析
管路设计 19
二、数字样机的主要内容 一个完整的产品虚拟样机应包含如下几个内容:
➢ 所有零部件的三维CAD模型及各级装配体。三维模型应参数化、适合于
变形设计、适合于部件模块化。 ➢ 与三维CAD模型相关联的二维工程图。 ➢ 三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析。 ➢ 形成基于三维CAD的PDM结构体系。 ➢ 从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。 ➢ 虚拟样机的制作过程就是基于三维CAD的产品开发体系建立的过程。 ➢ 三维整机的检测与试验。
产品设计阶段模型
7 *
1、概念设计阶段的模型
在产品概念设计阶段,主要从功能需求分析出发,初步提出产品 的设计方案,此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。
概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。
从数字化角度看,概念设计是在一定的设计规范下,以方案报告 、草图等形式完成设计的。这个阶段产生的方案视不同的产品对 象而不同。

1 选定负重轮
2 端盖螺母拆卸(虚拟人拆卸 一个,其余示意)
3 卸下端盖
4 卸下内部花螺母
5 拆下负重轮置于地面
6 拧下支撑套上的螺栓
7 卸下平衡肘
8 悬挂拉臂
数量 工具
6 套筒, 扳手
1 1 1
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首先建立虚拟维修环境如图1所示:其中采用的虚拟人的性
别、身高、体重等如图2所示:
图1 虚拟维修环境 图2 虚拟人的性别、身高、体重参数
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三、建立产品数字样机的过程
➢ 初期
应以三维CAD(例如CATIA、UG等)为设计 平台,建立典型产品的全参数化三维实体模型 ,进行干涉和碰撞检查、装配规划等。包括由 三维模型转化建立完全关联的二维工程图;建 立描述产品的物理数据,如基本属性、明细表 信息等,为PDM管理提供基础数据。
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装配体
子装配体1
零件1
子装配体3
零件2
零件3
零件4
零件5
子装配体2
装配结构树
零件6
零件7
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(2)属性信息表:属性信息用来表示产品的非几何信息。 例如,产品名称、规格、零件材料、加工方法、重量、模型设计 者等。 (3)装配约束模型:装配约束模型包括装配特征描述、装配关 系描述、装配操作描述以及装配约束参数。 (4)装配规划模型:装配规划模型用于装配顺序规划和路径规 划,前者给出一个实际可行的零件装配顺序,后者给出零件装配的 可行路径,并对装配设计进行分析和评价。
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根据拆卸方案,采用的维修工具为套筒、扳手,它们的体积,质量,密度分 别如图3、图4所示:
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图3 套筒参数
图4 扳手参数
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1、可视性分析:当虚拟人的目光集中在图5位置时,得到
虚拟人的在当前维修姿势下可视范围如图6所示,可见,维修 部分全在可视范围内:
图5 视点图
图6 可视范围
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2、可达性分析:虚拟人的在当前维修姿势下,右手拿
➢ 产品建模的基本方法
➢产品模型的显示
➢产品模型数据的交换
2
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第一节 产品模型的描述与表示
产品形成过程—昨天-今天-明天
昨天 过程序列
今天 过程链
产品规划 概念设计 详细设计 生产准备
产品规划
概念设计 详细设计 生产准备
PDM
明天 过程流
产品规划
过程管理
概念设计 详细设计 生产准备
PDM 数字模型
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