一種基于特征的裝配模型及其裝配系統(tǒng)開發(fā)

石海波

SHI Hai-bo

（江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院，鎮(zhèn)江 212001）

一種基于特征的裝配模型及其裝配系統(tǒng)開發(fā)

A feature based automated assembly model and its assembly system develop

石海波

SHI Hai-bo

（江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院，鎮(zhèn)江 212001）

本文結(jié)合裝配工藝過程的特點，定義了一種基于特征的裝配模型，并對裝配模型的表達(dá)及其裝配過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)合具體的產(chǎn)品，開發(fā)了基于該裝配模型的自動裝配系統(tǒng)。

自動裝配；裝配模型

0 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品數(shù)字化裝配技術(shù)是數(shù)字化裝配系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所建立的裝配模型的好壞直接影響到整個數(shù)字化裝配系統(tǒng)裝配的質(zhì)量?；诖?，產(chǎn)品裝配模型的研究受到越來越多學(xué)者的關(guān)注，南風(fēng)強等研究了面向精度的數(shù)字化產(chǎn)品裝配模型，在研究零件特征的公差信息表達(dá)基礎(chǔ)上，建立了面向精度的產(chǎn)品層次裝配模型，實現(xiàn)了裝配環(huán)境中產(chǎn)品裝配尺寸鏈的自動尋找[1]。楊洪君等基于裝配語義等裝配特征，提出了topdown設(shè)計的產(chǎn)品裝配模型，并開發(fā)了原型設(shè)計系統(tǒng)[2]。張應(yīng)中等基于產(chǎn)品裝配對象的分析，提出了面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品裝配模型，并將該模型應(yīng)用與實際的軟件系統(tǒng)中[3]。王俊等在層次結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種表達(dá)式二叉樹裝配模型，通過中序遍歷該樹可得到裝配表達(dá)式，運用自動裝配技術(shù)結(jié)合裝配表達(dá)式蘊含的裝配信息，可快速、高效的完成裝配[4]。在機械產(chǎn)品裝配工藝過程中，存在大量的具有相對固定裝配特征的產(chǎn)品，如標(biāo)準(zhǔn)件等，對于這類產(chǎn)品的裝配過程，裝配形式單一、步驟煩瑣?；诖?，本文將利用現(xiàn)有的三維建模系統(tǒng)，例如CATIA，UG等，設(shè)計一種基于產(chǎn)品裝配特征的裝配模型，針對具有相對固定裝配特征的裝配產(chǎn)品，開發(fā)專用的自動裝配系統(tǒng)。

1 基于特征的裝配模型

對于每一個裝配模型應(yīng)包含若干個零組件以及各零組件之間的裝配關(guān)系，為方便模型的管理，將裝配模型分為COMPONENT級和PART級兩個層級，COMPONENT級的功能主要管理模型的裝配信息，PART級的功能主要管理用于裝配的產(chǎn)品的信息且可以包含下一級的子裝配模型。裝配模型中的裝配關(guān)系用于解決零組件之間的相互裝配關(guān)系和相對位置的求解機制。在本文建立的裝配模型中，通過裝配關(guān)系處理機和裝配特征處理機來解析，并通過預(yù)先設(shè)計的裝配特征匹配原則和相互關(guān)系求解規(guī)則求解組件之間的相互裝配關(guān)系和相對位置關(guān)系，所有的裝配關(guān)系和處理機通過裝配關(guān)系知識庫進(jìn)行管理，如圖1為所描述的裝配模型的層狀結(jié)構(gòu)。對于該裝配模型的結(jié)構(gòu)中，對裝配特征的表達(dá)、裝配空間位置的確定以及裝配特征之間關(guān)系的描述和管理如下：

1.1 裝配特征的表達(dá)

圖1 裝配模型的層狀結(jié)構(gòu)

針對每一個裝配模型，首先要解決組件之間的裝配關(guān)系以及單個組件在模型中表達(dá)方法，基于以上提出的裝配模型的結(jié)構(gòu)，本文基于現(xiàn)有的商用軟件開發(fā)裝配模型，所以模型中的PART級的產(chǎn)品模型表達(dá)是基于現(xiàn)有的商用軟件，可以通過商用軟件表達(dá)PART級產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)、制造特征數(shù)據(jù)、尺寸以及公差等。

圖2 裝配模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對于COMPONENT級產(chǎn)品信息的表達(dá)，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，編寫了虛擬的基礎(chǔ)類結(jié)構(gòu)Component，該類中包括了PART級產(chǎn)品的公共數(shù)據(jù)以及PART產(chǎn)品和裝配件之間的裝配信息，裝配模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中Assembly和Part是Component的集成類，他們同樣包括公共數(shù)據(jù)和各零組件的特殊數(shù)據(jù)。如圖2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中不僅記錄了與下一級幾何實體相關(guān)聯(lián)的裝配關(guān)系，這些裝配關(guān)系可用于裝配規(guī)劃以及裝配的動態(tài)分析，而且通過MateFeature對象記錄了產(chǎn)品和子裝配產(chǎn)品之間的裝配關(guān)系，對象VirtualBind包含了相關(guān)的裝配特征數(shù)據(jù)，并能表達(dá)任意兩個組件之間的關(guān)系，所有的VirtualBind對象通過其所在的裝配模型來管理。

1.2 裝配位置的確定

本模型提供了兩種裝配位置的確定方式，一種方式跟通用的裝配模型中裝配位置的確定方式一樣，采用計算裝配后各產(chǎn)品的空間坐標(biāo)的方式確定其空間位置關(guān)系，其中，各產(chǎn)品的空間位置關(guān)系可通過商用軟件的二次開發(fā)接口獲得。另一種通過裝配模型中零組件的相對位置關(guān)系確定，通過對零組件的裝配特征進(jìn)行約束來確定其空間位置，對于零組件的裝配特征可以通過用戶交互的方式確定，對于一般的裝配模型，其裝配特征都是簡單的幾何特征，如點、直線、平面、球面、圓柱面、圓錐面、圓環(huán)面，對于這些裝配特征的裝配關(guān)系包括相對、貼合、相離、對齊等。所有的約束方程可以通過裝配條件獲取。另外，為求解這些裝配約束關(guān)系，分別構(gòu)造了一個旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣分別表示裝配零件的旋轉(zhuǎn)和平移運動[5]，采用這種方式來確定裝配件的空間位置關(guān)系比利用計算空間坐標(biāo)的方式更方便，效率更高。

1.3 裝配特征之間的關(guān)系

如上所述，在機械裝配工藝過程中，裝配關(guān)系可表達(dá)為各裝配特征之間的配合，如，軸和孔之間的裝配，可以表達(dá)為圓柱孔特征和圓柱面特征之間的配合，通過這種特征之間的配合方式可以完全表達(dá)各組件之間的裝配關(guān)系。如上提出的各裝配特征，與之相對應(yīng)的裝配特征相對固定，在構(gòu)建裝配系統(tǒng)的過程中，通過建立裝配特征專家?guī)斓姆绞?，預(yù)先對各裝配特征進(jìn)行定義來確定各裝配特征之間的裝配關(guān)系，各裝配特征之間是否具有裝配關(guān)系的判斷標(biāo)識如表1所示，其中數(shù)字“1”表示兩特征可裝配，數(shù)字“0”表示兩特征不可以裝配。本文通過對比的方式，在類結(jié)構(gòu)ASMRelation中，存儲各特征之間的裝配關(guān)系判斷標(biāo)識，并通過ASMRelation Expert方法來完成對各裝配特征的搜索和比較。通過專家?guī)斓姆绞絹硎紫韧瓿膳袛鄡裳b配特征是否可以進(jìn)行裝配，可大大降低裝配約束矩陣的維數(shù)，提高求解效率。為了便于計算機識別與計算，將對具有固定特征的裝配產(chǎn)品的特征進(jìn)行標(biāo)識，方便在隨后的裝配特征檢索與匹配。

表1 各裝配特征之間的裝配判斷標(biāo)識

2 基于特征的裝配過程分析及其軟件系統(tǒng)開發(fā)

通過如上所建立的裝配模型，本文將通過基于特征的標(biāo)準(zhǔn)件自動裝配過程分析裝配模型的應(yīng)用。螺釘、螺母、銷這類標(biāo)準(zhǔn)件，在產(chǎn)品的三維設(shè)計過程中，經(jīng)常用于裝配中，其交互約束過于頻繁，設(shè)計效率低，且容易出錯。為了提高裝配效率，利用本文的裝配模型開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)件自動裝配系統(tǒng)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)件自動裝配系統(tǒng)主界面圖

對其裝配過程分析如下：標(biāo)準(zhǔn)件的裝配相對比較固定，對各標(biāo)準(zhǔn)件上預(yù)先定義裝配特征，并對其進(jìn)行標(biāo)識，存入數(shù)據(jù)庫中。在進(jìn)行裝配前，用戶需首先提取主裝配體，將主裝配體中對的各種信息存入裝配模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，主裝配體可對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的COMPONENT級產(chǎn)品和PART級產(chǎn)品，通過對象VirtualBind提取主裝配體中的裝配特征，用戶通過交互的方式選取需要裝配的標(biāo)準(zhǔn)件種類，提取預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)件的裝配特征，通過ASMRelationExpert方法將主裝配體中的裝配特征與標(biāo)準(zhǔn)件中的裝配特征進(jìn)行匹配，將不可匹配的裝配特征以及與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行剔除，在匹配結(jié)束后，用戶需要輸入更多的約束，如裝配裝配特征的幾何尺寸以及公差要求等精確選擇以及定位標(biāo)準(zhǔn)件，并將裝配好的標(biāo)準(zhǔn)件實例化在主裝配模型中，這樣整個標(biāo)準(zhǔn)件的裝配過程結(jié)束。

本文結(jié)合企業(yè)的實際需求，針對常用的標(biāo)準(zhǔn)件、組合件，通過對其裝配過程進(jìn)行分析后，基于UG/OPEN API開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)件的自動裝配系統(tǒng)，如圖3所示。

3 結(jié)論

產(chǎn)品的裝配設(shè)計是一項復(fù)雜的設(shè)計活動，針對特定的產(chǎn)品，研究其裝配設(shè)計模型，對于提高產(chǎn)品的設(shè)計效率有較大的幫助。本文針對裝配特征相對固定的產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行了分析，提出了基于特征的裝配模型，分析了該模型的裝配過程，最后開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)件的自動裝配系統(tǒng)。此外，該裝配模型同樣適用于裝配特征相對固定的產(chǎn)品，如企業(yè)常用的組合件等，對于特定的產(chǎn)品，能較大的提高產(chǎn)品的裝配效率，為實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化裝配提供一種新的思路。

[1] 南風(fēng)強,張友良,汪惠芬,王孝義.面向精度的數(shù)字化產(chǎn)品裝配模型研究及應(yīng)用[J].中國機械工程,2007,18(9):1071-1075.

[2] 楊洪君,寧汝新.支持自頂向下設(shè)計的產(chǎn)品裝配模型研究.組合機床與自動化加工技術(shù),2006,7:99-102.

[3] 張應(yīng)中,羅曉芳.面向?qū)ο螽a(chǎn)品裝配模型的研究[J].計算機工程,2005,31(20):194-196.

[4] 王俊,黃翔,李迎光.基于裝配模型的快速設(shè)計方法研究.中國制造業(yè)信息化,2006,35(1):28-35.

[5] Chun-Fong You,Chui Chien Chiu.An automated assembly environment in feature-based design.The international journal of advanced manufacturing technology.1996(12):280-287.

TP241

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1009-0134(2010)11(下)-0018-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).07

2010-09-13

石海波（1977 -），男，江蘇南京人，工程師，學(xué)士，主要從事計算機應(yīng)用方面的研究工作。