现代制造工程２００８年第６期ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ
以ＣＡＴＩＡ为平台的自动铝带绕片机
虚拟装配与运动仿真‘
王亚萍１，葛江华１”，隋秀凛１，王显洪１，周长宝１
（１哈尔滨理工大学现代制造技术与刀具开发实验室，哈尔滨１５００８０；
２哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：以ＣＡＴｌＡＶ５软件为设计平台，对自动绕片机进行虚拟装配及全自动加工过程运动仿真，并对机构进行干涉检查及零／部件优化设计，实现了产品螺距的无级调速、程序管理、参数预设置、自动和手动的模拟功能。
关键词：ＣＡＴＩＡ；虚拟装配；运动仿真
中图分类号：ＴＰ３１７文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－３１３３（２００８）０６－－００５０－－－－０５
Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌａｓｓｅｍｂｌｙａｎｄｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃ
ａｌｕｍｉｎｏｕｓ．ｗｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄｏｎＣＡＴＩＡ
ＷａｎｇＹａ．ｐｉｎ９１，ＧｅＪｉａｎｇ．ｈｕａｌ＇２，ＳｕｉＸｉｕ．１ｉｎｌ，ＷａｎｇＸｉａｎ—ｈｏｎ９１，ＺｈｏｕＣｈａｎｇ．ｂａ０１
（１ＣｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＣｕｔｔｅｒＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｈａｒｂｉｎ
Ｕｎｉｖ．Ｓｃｉ．ａｎｄＴｅｃｈ．，Ｈａｅｒｂｉｎ１５００８０，ＣＨＮ；２ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｅｒｂｉｎ１５０００１，ＣＨＮ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｖｉｒｔｕａｌａｓｓｅｍｂｌｙａｎｄｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｕｍｉｎｏｕｓ－ｗｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄｏｎＣＡＴＩＡ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｈｅｃｋｉｎｇ，ａｎｄｐａｒｔｓａｌｅｏｎｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎ．Ｓｏｓｔｅｐｌｅｓｓｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｐｒｏｇｒａｍｍｍａｌｌ－ａｇｅｍｅｎｔ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｐｒｅ－ｓｅｔｔｉｎｇ，ａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｎｄｍａｎｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｒ；ｅｒｅａｌｉｚｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＴＩＡ；Ｖｉｒｔｕａｌａｓｓｅｍｂｌｙ；Ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｏ引言
用此模型进行进一步的设计、分析和制造等‘１Ｉ。
自动铝带绕片机的主要功能是加工不同管径、不同长度的翅片管，通过改变主轴箱上的小电动机转速，可以实现翅片管螺距的改变，提高翅片管的质量，更好地满足用户的需求。本文基于ＣＡＴＩＡ三维建模对自动铝带绕片机进行虚拟装配设计和运动仿真。
ＣＡＴＩＡ是法国达索公司开发的一个ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ／ＰＤＭ一体化的应用系统，具有强大的三维造型功能。设计师通过ＣＡＴＩＡ装配设计建立并管理基于３Ｄ的零件机械装配件。装配件由多个主动或被动模型中的零件组成，零件间的接触自动地对连接进行定义，方便了ＣＡＴＩＡ对运动机构产品进行早期分析。基于先前定义零件的辅助零件定义和依据其之间接触进行自动定位，可加快装配件的设计进度，后续可利
?哈尔滨市科技攻关计划资助项目（２００５ＡＡ２ＢＧ０１３）
５０１零件设计与ＣＡＴＩＡ顾问系统
首先依据设计者的工程设计图，制作绕片机零／部件库，分类绘制零／部件，并在属性名称中修改相应机构的机构名称，产品属Ｊ陛修改路径如图ｌ所示，保存与工程图相对应的统一文件名格式，将文档归类保存，如上料机构的零／部件保存到一个文件夹中，而主轴箱的零／部件保存到另一个文件夹中。
规则影部件的绘制在实体造型（ＰａｒｔＤｅｓｉｇｎ）模块中就能完成，造型复杂的零／部件，可以在实体造型与曲面造型模块之间进行切换来完成。零件的三维实体建模大多是在平面工程图的基础上进行的，只要有一定的建模基础都能将结构形状描绘出来，因而实体建模并不很重要，重要的是，一套产品的设计要牵
万方数据
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ现代制造工程２００８年第６期
涉成百上千的零／部件，为了更好地保存调用零／部件，就要有一套合理的归档管理方案，在后来的装配过程中才能更好地进行调用和装配。
图１属性修改对话窗口
自动铝带绕片机的整体结构主要包括自动上料装置、自动传送装置、自动加工装置和自动下料装置，整个设备受程序控制，整个加工工作都是自动完成。自动绕片机装配模型如图２所示，从图２中可看出，整个结构模型从上到下，层与层之间的模型分类非常清晰。
总装配
ｌ矗ＩＩ蓑ＩＩ萎ｌｌ鬟Ｉｌ磊Ｉ国麟旃
圉囱崮囱囱圉圉图样可以减少因对规则的不熟悉而花费的时间，让设计者更方便且更有效地从事设计工作，并可降低设计失误的发生率嵋Ｊ。
需要注意的是，所有知识模块下的规则或功能都是创建在关联节点之下，因此，若用户在未更改系统参数的状态下，直接开始使用知识模块，虽然其内的功能仍能正常运行，但用户却无法在树形图中看到所设计的数据，自然也无法修改。故在进入知识顾问模块之前，必须先更改ＣＡＴＩＡ软件的应用设置，使编辑的数据可以清楚地显示在屏幕上。顾问系统模型树中的关系节点和参数节点如图３所示。
图３顾问系统模型树
２装配设计与ＣＡＴＩＡ产品功能
零／部件模型创建完成后，接着进入装配阶段。由于整体机构零／部件数量的庞大，不可能一次性把所有的零／部件都导入装配空间中，因为零／部件间的重叠将使装配无法进行，故装配过程用模块化的形式进行。可将上料机构、下料机构、主轴箱和传送装置等分开装配，然后再以产品的形式导入总的装配空间，实现机构的整体装配。装配完成后的绕片机整体虚拟效果图如图４所示，在ＣＡＴＩＡ中用产品装配设计（ＡｓｓｅｍｂｌｙＤｅｓｉｇｎ）模块来完成这一功能。
图４绕片机整体装配模型
５ｌ万方数据
现代制造工程２００８年第６期
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ
ＣＡＴＩＡ
Ｖ５装配设计（ＡｓｓｅｍｂｌｙＤｅｓｉｇｎ）是帮助设计师用自上而下或自下而上的方法定义和管理多层次的大型装配结构。绕片机装配空间模型树如图５所
示，可在图５中各节点之间对结构体的各模块进行
修改。
图５绕片机整体装配空间模型树
整个产品装配完毕后，铝带绕片机的各个机构通
过ＣＡ，Ｉ’ＩＡｖ５的产品功能定义的描述，可以精确有效
地表达产品定义，并可为产品创建图形化的功能模块。产品功能模块的建立，不但明确定义了产品的功能。更重要的是使得产品的设计概念保存下来，从而提升了协同设计和延续设计的效率。绕片机的功能
定义图如图６所示。
图６绕片机功能定义图
此外，该模块可管理功能系统的变量，功能模型
可与几何模型（产品、零件和草图等）产生关联，即在
功能系统与ＣＡＴＩＡ产品项目之间创建链接关系，从而实现对产品的完整功能定义和物理形状定义。它还
５２
可以由功能视图中创建脚本文件来生成３Ｄ数据，让设计者在抽象的功能与具体的实体几何间，设计出更
优秀的产品‘２。。
３运动仿真与电子样机
产品模型装配完成后，开始制作电子样机，对机构进行运动模拟。在ＣＡＴＩＡ中，模拟的驱动是由命令执行的，故应对机构创建连接并生成驱动命令，待机构之间的连接创建完成之后，给相应的命令一些运动参数，如指定地杆（坐标）、运动速度和运动行程等条件，就可以对机构进行运动模拟。
在制作电子样机时，首先要创建机构运动接头，而且对机构自由度要求非常严格，因此连接件与被连接件之间需要有合乎接头的相应位置。完整的机构模拟只有一个执行命令，即要实现一个单自由度运动。在创建连接件与被连接件的驱动时，就要求在创
建每一个接头成功后，立即把相应的命令更改成对应
接头的属性名称，便于下一步的修改操作。与装配过程一样，不能一次性地把所有的接头全部完成，先分类对绕片机的每个单一动作进行创建，即创建不同的机构或者模拟，并对其相应的速度和行程进行控制，待单个机构创建完成后，再对所有的机构进行排序，设置运动执行的时间差，进行整个工作过程的运动
模拟。
在数字模型运动分析中，有两种模拟方式：使用命令模拟运动和使用法则模拟运动。命令模拟运动
操作简单，不考虑时间问题，没有速度、加速度等分
析；法则运动模拟需要用户自定义公式或法则，设置驱动杆件的运动速度，可记录杆件的位置、速度和加
速度。绕片机整个工作模拟过程需用法则模拟运动‘２１。
运动模拟只是电子样机的部分内容，电子样机技术主要是指在计算机平台上，通过三维ＣＡＤ／ＣＡＥ／
ＣＡＭ软件，建立完整的产品数字化样机，组成电子化样机的每个部件除了准确定义三维几何图形外，还赋
有相互间的装配关系、技术关联、工艺、公差、人力资源、材料、制造资源和成本等信息。电子样机应具有
从产品设计、制造到产品维护各阶段所需的所有功
能，为产品和流程开发，以及从产品概念设计到产品维护整个产品生命周期的信息交流和决策提供平台。
ＣＡＴＩＡ
Ｖ５的电子样机功能由专门的模块完成，
从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的功
能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品可维护
万方数据
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ
现代制造工程２００８年第６期
性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技术的实时仿真、多ＣＡＸ支持及产品结构管理等各方面提供了完整的电子样机功能，能够完成与物理样机同样的分析、模拟功能，从而减少制作物理样机的费用，并能进行更多的设计方案验证ＨＪ。
在ＣＡＴＩＡ中有专门的空间分析工具，具有碰撞分析（干涉分析）、剖切分析和最小距离检测等功能。在此，以绕片机的上料座机构为例进行干涉分析，检测铰支撑架与上料座零件之间的间隙大小以及是否有干涉存在。首先进入送料机构装配空间，点击空间分析工具栏，便出现分析结构。上料座机构干涉检测效果图如图７所示，黑色的交线表示发生碰撞的位置。干涉检查的结果如图８所示，列出机构发生干涉的数目。
进行剖切分析是为了创建上料座机构铰支撑架的剖切视图，观察产品的构造。点击空间分析工具栏中第二个图标，接着点击应用，出现剖切分析效果如图９所示。
图７上料座机构干涉检测效果
图８干涉检测结果分析
最小距离检测分析可以计算指定对象之间的最小距离，在这里用于检测上料座机构支撑板与立柱板之间的最小距离，最小距离影响送料机构的精度。点空间分析工具栏中第三个图标，接着点击应用，出现图１０所示最小距离检测分析结果。ＣＡＴＩＡＶ５还能根据检测的最小距离对机构运动的空间进行区域分析，以便对产品的参数进行优化。图１１所示为根据参数调整区域分析结果。
图９剖切分析效果
图１０最小距离检测分析结果
４结语
通过对自动铝带绕片机的虚拟装配与运动仿真设计，基本完成结构创建和干涉分析，为下一步的产
（下转第８９页）
５３
万方数据
仪器仪表／检测／监控现代制造工程２００８年第６期（上接第５３页）
图１１区域分析表
品功能最佳化和整合结构分析提供可靠参考，从而实现由设计到产品维护一体化的集成化解决方案。该方案基本覆盖所有的产品设计和制造领域，能较好满足工业领域中各类大、中、小型企业的数字化设计需求。
参考文献：
［１］王登峰，黄博．ＣＡＴＩＡＶ５机械（汽车）产品ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ全精通教程［Ｍ］．北京：人民交通出版
社，２００７．
［２］尤春风．ＣＡＴＩＡＶ５高级应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．
［３］郭越．三维建模在机械制图中的应用［Ｊ］．延边大学农学学报，２００５，２７（３）．
作者简介：王亚萍，工程师，工学硕士，主要从事ｃＡＤ／ｃＡ彬ＰＤＭ技术方向的研究工作。
作者通讯地址：哈尔滨理工大学西区１７３信箱（哈尔滨１５００８０）
Ｅ—ｍａｌｌ：ｗｙｐｂｌ＠１６３．ｔｏｎｉ
收稿日期：２００８－０２．２７
８９
万方数据
以CATIA为平台的自动铝带绕片机虚拟装配与运动仿真
作者：王亚萍， 葛江华， 隋秀凛， 王显洪， 周长宝， Wang Ya-ping， Ge Jiang-hua， Sui Xiu-lin， Wang Xian-hong， Zhou Chang-bao
作者单位：王亚萍,隋秀凛,王显洪,周长宝,Wang Ya-ping,Sui Xiu-lin,Wang Xian-hong,Zhou Chang-bao(哈尔滨理工大学现代制造技术与刀具开发实验室,哈尔滨,150080)， 葛江华,Ge Jiang-
hua(哈尔滨理工大学现代制造技术与刀具开发实验室,哈尔滨,150080;哈尔滨工业大学机电
学院,哈尔滨,150001)
刊名：
现代制造工程
英文刊名：MODERN MANUFACTURING ENGINEERING
年，卷(期)：2008，(6)
引用次数：1次
参考文献(3条)
1.王登峰.黄博CATIA V5机械(汽车)产品CAD/CAE/CAM全精通教程 2007
2.尤春风CATIA V5高级应用 2006
3.郭越CATIA三维建模在机械制图中的应用[期刊论文]-延边大学农学学报 2005(3)
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引证文献(1条)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/da3808726.html,/Periodical_jxgys200806013.aspx
下载时间：2009年10月17日