機電產品的配合性和可裝配性是設計人員常易出現錯誤的地方，以往要到產品最后裝配時才能發現，導致零件的報廢和工期的延誤，造成巨大的經濟損失和信譽損失。采用虛擬裝配技術可以在設計階段就進行驗證，確保設計的正確性，避免損失。虛擬裝配系統(Virtual Assembly System，VAS)對于多產品、小批量的生產方式具有縮短產品開發周期、提高產品設計質量、降低產品開發成本等十分顯著的作用。這些作用主要是通過改善產品的裝配性能體現出來的。

　　1 建立CAD應用環境

　　CAD應用環境是虛擬產品開發的基礎工作環境，也是實現產品虛擬裝配、運動學分析、動力學分析、熱力學分析、模態分析的基礎。建立完善的CAD環境可以使零部件、整機和工裝設計統一在一致平臺上;三維設計和二維繪圖統一在同一模型上，從而大大提高設計的效率和質量。CAD應用環境包括三維設計、二維繪圖和標準件庫。

　　I一DEAS三維繪圖和分析軟件具有強大的CAD/CAE/CAM/CAPP等功能。借助它可對任何復雜的零件進行三維實體建模、虛擬裝配和裝配干涉分析;機構建模和機構運動以及動力學分析、精度分析;用有限元方法進行熱變形分析、模態分析;制造過程仿真和計算機輔助工藝規劃等。同時，它還有較好的三維實體的參數化特征造型功能和操作功能鍵的可視化，具有良好的人機交互性。為此，用該軟件來建立加工中心虛擬裝配CAD環境。

　　CAD應用環境的功能：①三維CAD產品建模：實現零部件的三維實體建模。②二維繪圖：實現零部件由三維實體模型到二維圖形的轉化，二維模型的修改、尺寸、精度、公差等的標注;實現二維圖形出圖。③虛擬裝配：由零件三維實體模型進行部組件和產品的裝配，并對裝配過程進行仿真。④參數化標準件庫的建立與應用：數據按國標、部標、廠標輸人到數據庫(及相應的數據文件)，由I-DEAS MS 8.OTEAM工作組自帶數據文件管理。⑤靜態干涉檢驗：在產品、部件裝配模型的基礎上，對裝配的零件進行靜態干涉檢驗。

　　CAD應用環境的系統結構如圖1。

　　圖1 CAD應用環境系統結構

　　2 關鍵技術

　　如圖2所示為虛擬裝配過程框圖。本研究中，主要采用了以下關鍵技術。

　　①虛擬裝配建模方法。虛擬裝配的建模主要包括建立幾何模型、零部件樹狀結構和層次(Hierarchy)劃分、幾何尺寸約束條件施加及結構分析技術。

　　②裝配干涉檢驗技術。虛擬裝配的干涉檢驗技術主要包括零部件組選擇、干涉和間隙體積計算、干涉零件創成、干涉檢驗報告生成等。對于機床產品的虛擬裝配及裝配干涉檢驗主要包括：對零件及組件進行合理裝配(BOM表一零件名細表);利用相對位置及尺寸定義零件間的關系;通過動畫，利用干涉檢驗或可視檢查裝配部件和組件的物理性能分析。

　　裝配干涉檢驗主要可以按照對象屬性分為幾何可行性分析和機械可行性分析;按對象觀測狀態可分為靜態干涉檢驗和動態干涉檢驗，在此做靜態干涉檢驗和動態裝配路徑上的幾何可行性分析。

　　圖2 虛擬裝配過程

　　零部件靜態干涉檢驗是對產品零部件設計的評估，可以在主任設計師確定裝配結構和總體設計后，由多個設計人員進行零部件細化設計，最后由主任設計師進行裝配件的靜態干涉檢查，得到裝配件的干涉和間隙體積計算，生成干涉檢驗報告。

　　幾何可行性分析是指對于組成產品、各個級別的裝配體的零部件進行集合上的干涉檢查，這里的檢查包含有零部件在裝配體中的靜態空間位置的相交性，也包含零部件在構成產品的裝配過程中在空間上的幾何干涉檢查。

　　靜態的幾何可行性分析，可以在三維CAD環境中通過觀測產品構成進行，具體來說可以對于產品的觀測視角進行調整，進行局部區域的縮放，對于零部件的顏色進行不同的標示。

　　動態裝配路徑上的幾何可性分析，可以通過系統選用的三維CAD系統I一DEAS提供的MECHANICAL DESIGN環境，進行虛擬裝配的功能模塊來實現。具有進行零部件裝配過程裝配姿態調整、零部件的消隱等功能。通過以上的功能，可以實現按用戶設置的路徑、姿態、順序動畫演示零部件的裝配過程，演示過程中可進行裝配過程中的動態幾何可行性分析。

　　機械可行性分析是指能否建立起零部件之間的裝配關系，如工具、操作手或機械手可否進人作業點，裝配操作的空間是否足夠大等等。系統中對于這樣一種可行性的研究，可以通過“虛零件”的方法解決，即可以將手(包括操作手或機械手)和裝配工具等作為組成產品的虛擬零件，這些虛擬零件與實際零部件之間也存在與裝配關系等同的“虛裝配關系”，這樣機械可行性分析與幾何可行性分析一樣可以由三維CAD系統來完成。

　　3 應用實例

　　圖3 加工中心整機裝配模型

　　以加工中心TH6350為研究對象，對TH6350機床主軸箱、立柱、X床身、Z床身、工作臺與刀庫等六個部件和整機進行了虛擬裝配設計。如圖3為加工中心整機裝配模型。主軸箱部件裝配模型和裝配輻射狀爆炸圖如圖4、圖5所示。

　　圖4 主軸箱部件虛擬裝配

　　圖5 主軸箱部件輻射狀爆炸

　　以加工中心TH6350為對象，對主軸箱部件進行干涉檢驗，形成TH6350主軸箱裝配干涉檢驗報告：

　　本報告說明主軸箱裝配體共檢查了49141處裝配面，其中存在87處干涉。但應該對干涉處進行細致的科學分析發現：

　　①少部分裝配件干涉處確實存在干涉現象，屬于設計問題，應與改正;

　　②部分裝配件干涉處為彈性元件或可變形零件與其它零部件相接，必然出現干涉現象，不需要修改;

　　③部分裝配件干涉處為設計中過盈配合方式，干涉屬于正常現象。

　　4 結論

　　通過對TH6350加工中心進行虛擬裝配建模，為加工中心的機構仿真及運動學動力學分析、有限元建模及熱變形分析和模態分析等研究奠定了基礎。對虛擬裝配模型進行干涉檢驗，可得到相應的干涉檢驗報告，發現多處裝配干涉點，通過對于裝配模型及干涉報告科學的分析和研究為設計質量提供了保證。利用抑制例如主軸箱部件的主軸箱零件及其分析虛擬裝配可以清晰觀察到主軸箱部件的內部結構，給設計者直觀感受，達到較高模擬精度。研究的TH6350機床主軸箱部件的輻射狀爆炸和工作臺部件的直線狀爆炸提供了多個THb350零部件的視角途徑，為管理、設計、工藝等人員整體把握TH6350零部件提供了幫助。