基于VRML的模具裝配研究

王秋紅 (安徽機電職業(yè)技術(shù)學院數(shù)控工程系,安徽蕪湖241000)

VRML是Internet上基于WWW的虛擬現(xiàn)實建模語言,被稱為第2代網(wǎng)絡語言,用來描述三維物體及其運動行為,具有三維性、交互性、分布式集成性和逼真性等特點[1-3],通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建虛擬環(huán)境,可以模擬機械產(chǎn)品模具的裝配過程,幫助學習人員熟悉設備的結(jié)構(gòu)以及裝配關(guān)系。

UG軟件是集CAD/CAE/CAM為一體的三維參數(shù)化設計軟件之一,也是當今世界最先進的計算機輔助設計、分析和制造軟件中的一員,成為UGS產(chǎn)品家族中應用最為廣泛的設計軟件[4]。UG軟件提供了VRML軟件的接口。下面,筆者通過UG軟件完成模具產(chǎn)品的建模、裝配,通過提取裝配體信息利用VRML的環(huán)境最終完成動態(tài)裝配的演示動畫,并以2009年全國職業(yè)技能大賽 “產(chǎn)品造型與快速成型模擬題一” ——新型煙缸蓋子產(chǎn)品模具 (以下簡稱 “南瓜蓋”)為例說明以上過程。

1 模具及動畫設計

“南瓜蓋”模具在UG軟件中完成。首先,在UG軟件中建立南瓜蓋零件,然后利用UG軟件中的注射模設計模塊,逐步完成模具的設計,包括進行零件的初始化、設定材料收縮率、坐標系等;對零件進行模具設計、型腔排布、分型;分型后加載模架,設計流道、澆口、頂針、冷卻系統(tǒng);最后完成模具設計,如圖1所示。

下面利用UG運動仿真模塊,逐步完成該塑料模具的開模及裝配運動仿真,步驟如下:①模型的準備 。運動仿真的模型對象點、線、面、體,裝配及非裝配的三維模型均可。②運動分析,分析各桿件之間的運動關(guān)系。③定義剛性的連桿。④添加運動副和運動驅(qū)動,即設計零部件之間的相對運動。⑤解算及后處理,最終生成動畫。

以開模運動仿真為例介紹具體操作如下:首先導入模型零件→分析模具開模時零部件的相對運動關(guān)系 (如圖2所示可知,開模時主要有3部分結(jié)構(gòu)的運動,分別為模具的動模、定模、塑料件及推出機構(gòu)3部分的運動,具體過程是先動模移動與定模分開,當動模張開到一定距離時,推出機構(gòu)運動,推出塑料零件)→定義連桿 (分別定義以上3部分為連桿,定義連桿時要定義全,包括一些特征曲線也要定義,以便后期設定運動時使用)→添加運動副和運動驅(qū)動 (開模運動主要定義滑動副,設定驅(qū)動類型、幅值、頻率、相位角、位移等)→最后進行結(jié)算及后處理→生成動畫。

進行裝配路徑規(guī)劃首先要符合裝配體的真實裝配順序,此外也要避免裝配體中零件的干涉,對于該模具可將定模部分所有零件視為一個組件,命名為 “組件1”,裝配順序為:定模板→在定模板上裝入定模座板→將澆口套裝進定模板和定模座板→用銷釘和螺釘固定以上部件→裝入定位圈、連接螺釘。

圖1 利用UG軟件設計的 “南瓜蓋”模具

圖2 “南瓜蓋”模具的開模運動

動模部分所有零件視為一個組件,命名為 “組件2”,裝配順序為:支撐塊→動模板→在動模板上裝入導柱并按規(guī)定方向放在支撐板上→將型芯裝入動模板→銷釘固定支撐板和動模板→型芯固定螺釘→按規(guī)定方向放推桿固定板→裝入拉料桿、復位桿→推板→螺釘連接推板和推桿固定板→按規(guī)定方向放墊塊→在墊塊上放動模座板→螺釘連接整體。

最后將組件1、2合模,裝配結(jié)束。

2 利用VRML實現(xiàn)模具裝配演示

將UG文件導出為VRML V2.0版的wrl格式文件,然后用VRML編輯器VrmlPad讀入,對對象進行場景渲染和動畫制作。下面以 “南瓜蓋”模具為例介紹其制作過程。

2.1 VRML動畫實現(xiàn)原理

VRML通過時間傳感器 (TimeSensor)和插補器 (Interpolator)以及路由 (ROUTE)語句來實現(xiàn)關(guān)鍵動畫[1]。基本流程由時間傳感器給出控制動畫效果的時鐘,該時鐘包含了動畫效果的開始時間、停止時間、循環(huán)周期以及是否循環(huán)等動畫控制參數(shù);然后通過該時鐘的事件輸出在虛擬世界中驅(qū)動插補器節(jié)點產(chǎn)生相應的動畫效果。如果需要變速動畫過程或者復雜動畫過程,需要結(jié)合腳本語言java來實現(xiàn)時間傳感器的輸出控制插補器和javascript的輸入,這樣,插補器和javascript的輸出就可以控制整個裝配體中每個組件的移動和旋轉(zhuǎn)等動作。

2.2 VRML文件導入

具體處理方法是:在UG NX軟件中的裝配狀態(tài)下,每次導出一個零件,將其余零件隱藏掉,這樣重復操作到每一個零件,一次保存為 101.w rl、102.wrl、103.wrl……,如從UG中導出定模座板保存為101.wrl。

所有部件導出完畢之后,這時候就要利用inline命令將所有wrl文件聯(lián)系起來,然后建立一個新的wrl文件,保存為 “靜態(tài)模型200.w rl”。每個組件文件要與 “靜態(tài)模型200.w rl”這一整體文件全部存在一個文件夾里,這樣,用VRML瀏覽器打開才能觀看到整個靜態(tài)模型。圖3為通過VRML瀏覽器觀看的靜態(tài)模型。

圖3 轉(zhuǎn)換后的“南瓜蓋”模具的虛擬現(xiàn)實文件

2.3 裝配的動畫路徑規(guī)劃

在實際裝配過程中,被裝配零件由于受裝配關(guān)系的約束而存在裝配順序問題[5]。通過規(guī)劃零件在虛擬空間的運動軌跡實現(xiàn)其虛擬裝配。具體步驟如下:

1)定義T ouchSensor節(jié)點,可實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互式裝配。利用VRML按鍵傳感器節(jié)點或者觸摸傳感器節(jié)點等可以實現(xiàn)用戶與虛擬場景的交互,控制模具的虛擬裝配過程。

2)定義TimeSensor節(jié)點,確定各個組件的變化周期及循環(huán)方式。當獲得交互指令后消息從Time-Sensor節(jié)點的EventOut事件路由到其他節(jié)點,當TimeSensor節(jié)點的時鐘開始計時時,被路由的節(jié)點發(fā)生相應的變化。

3)定義若干個PositionInterp01ator節(jié)點,設置零件平移。為了更好的表現(xiàn)出模具中南瓜蓋零件的形態(tài),程序還要添加OrientationInterpolator節(jié)點,將中間的南瓜蓋零件旋轉(zhuǎn)起來。OrientationInterpolator字段動態(tài)改變觀察方向,或者改變形體的方向。

4)通過2條路由ROUTE語句,將時間代碼與位置代碼結(jié)合,實現(xiàn)真正意義的動畫:

ROUTE Timer1.fraction_changed TO Translator1.set_fraction(時間的變化傳到位置內(nèi)插器)

ROUTE Translator1.value_changed TO Body__1.set_translation(位置內(nèi)插器將特定時間的位置數(shù)值傳給形體所在的局部坐標系)

虛擬裝配的結(jié)果如圖4所示。

圖4 模具虛擬裝配動畫

3 結(jié) 語

利用UG或VRML進行虛擬裝配各有特點,但VRML的文件更便于網(wǎng)絡傳輸,易于與用戶進行交互,將其運用到教學資源庫的開發(fā)中更有優(yōu)勢。

[1]汪興謙.V RML與Java編程實例實例講解 [M].北京:中國水利水電出版社,2001:1-23.

[2]黃文麗,盧碧紅,楊志剛,等.VRM L語言入門與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2003:10-19.

[3]汪志達,葉偉.VRML虛擬現(xiàn)實網(wǎng)頁設計 [M].北京:清華大學出版社,2006:12-16.

[4]青春.基于UG的數(shù)控編程及加工過程仿真 [D].呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學,2007.

[5]池建斌,郭海新,王晨,等.基于VRM L-Java的減速器虛擬拆裝系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].工程圖學學報,2008(2):48-53.