基于虛擬裝配技術的萬能繪圖儀創新設計開發研究

陳云，郭利，張爽華

(安徽國防科技職業學院機械工程系，安徽六安237011)

基于虛擬裝配技術的萬能繪圖儀創新設計開發研究

陳云，郭利，張爽華

(安徽國防科技職業學院機械工程系，安徽六安237011)

基于UG平臺，首先通過自底向上的虛擬裝配、干涉分析，然后與PowerPoint相鏈接，最終完成萬能繪圖儀的設計開發過程。顯而易見，此技術不但可以提高產品設計效率及質量，而且能夠實現產品的裝配工藝可視化，為企業的無紙化辦公提供技術參考。

萬能繪圖儀;虛擬裝配;創新設計;動畫;UG

量角器、三角板、圓規是教師教學中必備的繪圖用具，往往由于件數多、使用麻煩，教師常常忘記帶上一、兩件，從而影響正常的教學秩序。為了解決以上難題，本文將詳細介紹一種萬能繪圖儀的創新設計開發過程，該繪圖儀是在UG平臺下基于虛擬裝配技術開發設計完成的。

一 萬能繪圖儀

1．產品簡介。

現在教師上課畫圖時，畫圖工具的攜帶成了一個棘手問題，幾乎每個繪圖工具只具備一個功能，要用到好幾種工具，件數多，使用起來極其麻煩;其次，教師在畫圖的時候，還要一邊畫圖一邊扶著工具，這樣不僅浪費時間，而且影響畫圖精度。基于以上考慮，便設計開發了這款萬能繪圖儀，其攜帶方便、操作簡單，成本價格不及一個量角器，是教師最理想、最經濟、最簡便的繪圖用具，其實物圖如圖1所示。

圖1 萬能繪圖儀實物

2．結構組成。

萬能繪圖儀采用四連桿機構，主要由連桿、刻度盤及圓柱銷釘等零部件組成，如圖2所示。

3．功能介紹。

此萬能繪圖儀不僅可以畫圓，還可以當量角器、平行四邊形線框、直尺等使用，而且其(安裝上磁鐵石)能夠粘附在鐵質黑板上，所以畫圖時完全可以不用手扶，省力方便，其詳細功能介紹如圖3所示。

圖2 萬能繪圖儀三維實體UG圖

圖3 萬能繪圖儀功能大

4．工作原理。

如圖2、圖3所示:①扳轉萬能繪圖儀主板1、主板2，根據刻度盤上指針的長度讀數，便可作出相應半徑的圓，實現圓規功能，注:其中，圓規畫圓半徑是根據正弦三角函數

計算得出的。設:OA、OB為圓規兩長腳的長度，即為圓的半徑OA=OB=R。△AOB為等腰三角形，∠AOB=α，∠AOC=α/2，AC=R×sinα/2，AB=2R×sinα/2，AB即為圓規畫圓的半徑長;②通過刻度盤指針停留點的度數讀出角度，實現量角器功能;③變換復板1、2的不同位置，可畫出各種三角形、四邊形及梯形等形狀;④去掉復板1、復板2，拉直伸縮板1、2，便成為了一把直尺;⑤在繪圖儀上安裝磁鐵石，便可粘附在鐵質黑板上，畫圖時不需用手扶。

5．成本預算。

考慮到此繪圖儀是教學用品，且不需要承受大載荷，所以整體采用木質原料，這樣一來不僅可以方便攜帶，而且還可減少重量、縮小成本，因此，相對以往的教學教具更加節省木材，減小木工的工作量，節省木材，保護樹木，保護環境。

表1 成本預算(總費用:50元)

二 虛擬裝配技術

傳統產品的設計開發往往會由于設計不正確或裝配過程不合理而導致產品的研發成本增加、研發周期變長，近些年隨著計算機技術的迅猛發展，興起了一個全新的研究領域—虛擬裝配，其是在計算機上利用虛擬的實體模型進行仿真設計與裝配成形，早期發現并解決設計與裝配過程中所出現的問題。

圖4 虛擬裝配設計流程

a)設計流程。

根據機械產品設計開發過程，可將虛擬裝配技術設計流程劃分為圖4所示的幾個步驟。

b)零件建模。

萬能繪圖儀組成主要有:圓規主體(含刻度盤)、復板1 (2)、伸縮板1(2)、銷釘等，其三維實體如圖5所示。

圖5 萬能繪圖儀主要零部件

c)虛擬裝配。

在UG平臺下，根據萬能繪圖儀功能要求及各個零件之間的關系，采用自底向上(down－top)的裝配設計思路，通過裝配約束管理，完成其總裝圖，如圖6所示。

圖6 萬能繪圖儀總裝圖

d)干涉檢查。

干涉檢查是評價虛擬裝配效果的有效手段，分靜態和動態干涉兩種。通過靜態干涉檢查可以發現設計的零部件結構是否合理，及時修改不合理的結構，確保零部件無干涉地裝在一起;而動態干涉檢查可以確保裝配設計的正確性。利用UG靜態干涉檢查工具可以發現裝配體存在干涉的部位并及時修改，確定產品的可裝配性。例如:圓柱銷釘和復板2存在干涉，則干涉區域會在UG里高亮顯示，如圖7所示。產生干涉的原因可能是:①銷釘直徑大;②復板2上銷孔直徑小。經過修改后的模型經干涉分析不再存在干涉，如圖8所示。

圖7 有干涉

圖8 修改后(無干涉)

動態干涉檢查可以使用UG內置插件“運動仿真→干涉檢查→干涉暫停事件”來實現，首先使零部件按約束條件運動，若存在干涉，則運動停止并顯示相互干涉的部分。例如:通過動態干涉檢查，可以確保復板1上的導槽足以能夠讓銷釘自由往復滑動。

e)生成爆炸視圖。

利用UG的爆炸技術將總裝圖拆分，詳細查看各個零件，如圖9所示。

圖9 爆炸視圖

f)生成可視化裝配動畫。

為了再現萬能繪圖儀的裝配工藝(裝配過程)，利用“裝配序列導航器”可以形象地描述其裝配過程，動畫截屏如圖10所示。

圖10 動畫截屏

將動畫文件與PowerPoint進行相鏈接，如圖11所示，單擊“總裝動畫”，即可查看扭力限制器的裝配過程，形象易懂。

圖11 鏈接動畫屏

三 和傳統設計方法對比

將萬能繪圖儀的虛擬裝配設計和傳統設計方法對比，對比結果如表2所示。

表2 設計方法比較

四 結語

基于UG平臺，采用虛擬裝配技術實現了萬能繪圖儀的創新設計開發，通過與傳統設計方法的對比，能夠看出基于虛擬裝配技術的設計方法不但可以降低開發成本、縮短研發周期，而且還能實現產品裝配的可視化、形象化，對提高企業產品市場競爭力、加快無紙化辦公具有十分重要的意義。

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Innovation Design and Development of Universal Plotting Instrument based on Virtual Assembly Technology

Chen Yun，Guo Li，Zhang Shuanghua
(Mechanical Engineering Department，Anhui National Defense Vocational College，Liu’an，Anhui 237011，China)

Using UG software，first，through down－top virtual assembly and interference analysis，then linking PowerPoint，finally finishing virtual assembly process of universal plotting instrument．The results show that this technology can not only improve design efficiency and quality of products，but also achieve visual assembly process，what’s more，provide technical reference for enterprises’paperless office．

universal plotting instrument;virtual assembly;innovation design;animation;UG

TH122:TP31

A

1672－6758(2015)05－0018－3

(責任編輯:鄭英玲)

陳云，講師，助理工程師，安徽國防科技職業學院機械工程系。研究方向:機械工程。

2013年安徽高校省級質量工程資助項目“數控技術專業綜合改革試點”(項目編號:2013zy143)的階段性研究成果。

Class No．:TH122:TP31 Document Mark:A