雷達(dá)高功率鉸鏈裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)

張紅旗， 陳興玉， 周 卿， 束峰濤

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012）

雷達(dá)高功率鉸鏈裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)

張紅旗1， 陳興玉1， 周 卿2， 束峰濤1

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012）

面向并行工程的需求，提出并設(shè)計(jì)了雷達(dá)高功率鉸鏈三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)（HPH-CAAP）。系統(tǒng)利用微軟的Microsoft Visual C++ 6.0作為開發(fā)語言，UG/OPEN API作為開發(fā)工具，用來驗(yàn)證和改進(jìn)產(chǎn)品可裝配性的仿真系統(tǒng)。闡述了HPH-CAAP的體系結(jié)構(gòu)以及虛擬裝配模型的定義、交互式裝配工藝規(guī)劃、裝配仿真、干涉檢驗(yàn)和模型的參數(shù)化重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)模塊。研究了HPH-CAAP各模塊的實(shí)現(xiàn)全流程。最后給出了系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；高功率鉸鏈；裝配工藝規(guī)劃；可裝配性；參數(shù)化設(shè)計(jì)

在一個(gè)產(chǎn)品的壽命周期中，裝配是個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展，高速加工和強(qiáng)力切削技術(shù)廣泛應(yīng)用于加工過程中，使得加工時(shí)間（包括輔助時(shí)間）不斷縮短，裝配時(shí)間就成了影響制造周期的主要因素。隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，零件的加工精度已不再依賴于工人的技術(shù)水平，但裝配工作卻仍是以人為主，主要依賴于工作人員的技藝水平。因此，裝配質(zhì)量又成了提高產(chǎn)品精度的瓶頸環(huán)節(jié)。然而傳統(tǒng)的機(jī)械零件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在著較大的局限性，且由于大多數(shù)設(shè)計(jì)不是面向裝配的，在沒有物理原型時(shí)很難對(duì)產(chǎn)品的裝配性能和裝配質(zhì)量進(jìn)行分析和驗(yàn)證，導(dǎo)致開發(fā)過程的反復(fù)和費(fèi)用增高。

鑒于此，眾多學(xué)者基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過交互式裝配工藝規(guī)劃，以可視化方式對(duì)產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)。張林煊[1]等人提出了一種裝配仿真系統(tǒng)，可在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證和改進(jìn)產(chǎn)品的裝配工藝，并對(duì)裝配路徑的遞進(jìn)式檢查和裝/拆運(yùn)動(dòng)的 11元組表示及變換進(jìn)行了研究。侯文君[2]等人設(shè)計(jì)了基于UG的三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng) 3D-CAAP，對(duì)可視化裝配規(guī)劃、實(shí)時(shí)記錄裝配順序、裝配知識(shí)查找、裝配順序與路徑的編輯修改等進(jìn)行了研究。李仲興[3]等人采用二次開發(fā)工具 UG/Open API開發(fā)出車輛電磁制動(dòng)器虛擬裝配系統(tǒng)，討論了其模型的重構(gòu)、交互式裝配工藝規(guī)劃與干涉檢驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)模塊。以上學(xué)者都采用交互式裝配工藝規(guī)劃方法對(duì)產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行了缺陷預(yù)見和改進(jìn)。

雷達(dá)高功率鉸鏈在雷達(dá)產(chǎn)品中起著傳輸高頻、高功率微波信號(hào)的作用，為了實(shí)現(xiàn)其并行化開發(fā)，開發(fā)其專用的裝配工藝輔助規(guī)劃系統(tǒng)HPH-CAAP (High Power Hinge-Computer Aided Assembly Planning)是很有價(jià)值的。本系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)零部件模型實(shí)施預(yù)裝配，規(guī)劃產(chǎn)品的裝配工藝，驗(yàn)證可裝配性并可對(duì)有設(shè)計(jì)缺陷的組件模型進(jìn)行參數(shù)化重構(gòu)。

1 HPH-CAAP系統(tǒng)構(gòu)造

由于裝配模型和裝配工藝過程的復(fù)雜性，開發(fā)獨(dú)立的虛擬裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)是比較困難的，同時(shí)其可用性、易用性難以保證。UG軟件目前在企業(yè)中應(yīng)用非常的廣泛，開發(fā)基于UG平臺(tái)的虛擬裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。鑒于此，作者在商用CAD軟件UG的基礎(chǔ)上，以UG/Open API和C/C++語言為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了一種寄生式的裝配工藝規(guī)劃仿真系統(tǒng)HPH-CAAP。圖1所示為系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供共享的數(shù)據(jù)資源，是系統(tǒng)的支撐和基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)了通過UG軟件構(gòu)造的三維數(shù)字化模型。其中三維標(biāo)準(zhǔn)件庫存儲(chǔ)了系統(tǒng)開發(fā)過程中所需的標(biāo)準(zhǔn)件模型，如螺栓和螺釘?shù)?；用戶自定義模型庫存儲(chǔ)了雷達(dá)高功率鉸鏈構(gòu)成中的一些典型結(jié)構(gòu)單元件；行業(yè)組件庫存儲(chǔ)了雷達(dá)高功率鉸鏈構(gòu)成的組件模型。裝配工藝信息庫存儲(chǔ)了雷達(dá)高功率鉸鏈的裝配層次信息、裝配約束信息、組件位姿信息以及其裝配工藝規(guī)劃過程中的裝配順序與路徑信息、裝配工步信息和裝配過程干涉信息等，以便于工藝規(guī)劃的信息重用。

1.2 功能層

系統(tǒng)基于UG軟件生成的三維裝配模型，首先進(jìn)行各裝配組件的名稱、ID號(hào)等裝配信息的提取。然后檢索數(shù)據(jù)庫，獲得相應(yīng)的虛擬裝配模型信息。若有，則動(dòng)畫仿真并分析其過程的動(dòng)態(tài)干涉情況；若沒有，則首先進(jìn)行交互式裝配工藝規(guī)劃，獲得相應(yīng)的裝配順序與規(guī)劃路徑信息，然后進(jìn)行動(dòng)畫仿真和干涉檢驗(yàn)。若發(fā)生干涉，則轉(zhuǎn)入裝配模型重構(gòu)環(huán)節(jié)，對(duì)UG裝配模型進(jìn)行參數(shù)化重構(gòu)，獲得符合要求的三維裝配模型。

1.3 界面層

該層是由UG軟件提供的基本功能支持，為各個(gè)功能模塊運(yùn)行提供平臺(tái)。其中包括功能模塊運(yùn)行所需的實(shí)現(xiàn)函數(shù)、資源和動(dòng)態(tài)鏈接庫的接口等。設(shè)計(jì)師通過觸發(fā)內(nèi)嵌于UG的定制菜單，進(jìn)而在UG環(huán)境中運(yùn)行HPH-CAAP系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬裝配模型的定義

虛擬裝配模型(VA_assembly)包含了裝配層次結(jié)構(gòu)樹信息和裝配規(guī)劃信息。對(duì)于裝配層次結(jié)構(gòu)樹，建立了一個(gè)VA_component數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示裝配中的每一個(gè)組件，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括組件的實(shí)例標(biāo)識(shí)(instance_tag)、事例標(biāo)識(shí)(occurrence_tag)、類別和位姿矩陣等信息，同時(shí)還包括指向其上級(jí)、同級(jí)和下級(jí)組件的指針。對(duì)于裝配規(guī)劃信息，設(shè)定每個(gè)組件的裝/拆到位用一個(gè)工步表示，一個(gè)工步又包含若干個(gè)裝配運(yùn)動(dòng)（裝配運(yùn)動(dòng)可為移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)）。圖 2所示為虛擬裝配模型的結(jié)構(gòu)。

圖2 虛擬裝配模型結(jié)構(gòu)

2.2 交互式裝配工藝規(guī)劃

將靜止的零件或子裝配體稱為固定零件，裝配/拆卸的零件稱為自由零件。零件與裝配體分離的條件是：零件沿某個(gè)方向做無限平移而不與裝配體發(fā)生干涉。為了有效地分離，必須確定分離的平移量，將當(dāng)前的變換矩陣應(yīng)用于自由零件，即單步分解。然后進(jìn)行干涉檢查，以確定零件是否可以由當(dāng)前位置直接變換到目標(biāo)位置（實(shí)際裝配中的初始位置）。當(dāng)檢測(cè)到有干涉時(shí)，必須將分離過程進(jìn)一步細(xì)化，重新計(jì)算拆分方向，得到新的變換矩陣[1]，再計(jì)算平移距離，重復(fù)上述過程，直到自由零件可以無干涉地變換到裝配初始位置。此時(shí)表明該零件可以按照分解序列依次由裝配體拆下至初始位置。最后，將拆分序列逆轉(zhuǎn)，即為各組件的裝配序列。圖3所示為裝配路徑規(guī)劃流程圖（采用UF_UI_select_with_single_dialog()用于組件的選取，UF_UI_specify_vector()用于打開“矢量構(gòu)成”對(duì)話框，UF_DISP_display_temporary_line()用于顯示移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)的軌跡線）。

圖3 裝配路徑規(guī)劃流程圖

2.3 裝配過程的仿真與分析

2.3.1 裝配動(dòng)畫

動(dòng)畫的產(chǎn)生實(shí)際上是在組件的初始位姿與移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)后的位姿之間插入了若干關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)于各關(guān)鍵點(diǎn)，首先抑制組件原來的裝配關(guān)系，然后從 11元組中獲得組件的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)變換矩陣，并在關(guān)鍵點(diǎn)處調(diào)用函數(shù) UF_ASSEM_reposition_instance()設(shè)置組件的位置，以產(chǎn)生視覺上的動(dòng)畫效果。圖4所示為“顯示動(dòng)畫”實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖4 “顯示動(dòng)畫”流程圖

2.3.2 干涉檢查

干涉分析作為虛擬裝配中的一項(xiàng)重要的應(yīng)用，在早期產(chǎn)品開發(fā)過程中可方便快捷地修正錯(cuò)誤，將錯(cuò)誤消除在設(shè)計(jì)階段。干涉分析包括靜態(tài)干涉分析（可裝配性分析）和動(dòng)態(tài)干涉分析（可達(dá)性分析）。

（1） 靜態(tài)干涉分析 采用了UG/Open API中的間隙分析(Clearance Analyse)模塊來進(jìn)行組件間的干涉分析。圖5所示為進(jìn)行干涉分析的具體流程。

圖5 靜態(tài)干涉分析具體流程

（2） 動(dòng)態(tài)干涉分析 組件的動(dòng)態(tài)干涉檢查實(shí)際上是在產(chǎn)生動(dòng)畫的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上進(jìn)行靜態(tài)干涉分析。它是在一連串離散的時(shí)間點(diǎn)上來分析零件是否與其它零部件發(fā)生干涉。這種方法檢測(cè)了零件在離散點(diǎn)上的干涉情況，當(dāng)時(shí)間步長過大時(shí)，某個(gè)零件有可能已經(jīng)完全“穿過”了另一個(gè)零件，因此這種方法有可能遺漏掉某些干涉。為了解決這個(gè)問題就必須控制零件運(yùn)動(dòng)時(shí)間的時(shí)間步長。系統(tǒng)中采用的是移動(dòng)增量干涉檢查法。該方法是將掃描空間進(jìn)行分解，得到多段掃描區(qū)間，并對(duì)每一步進(jìn)行判斷，如果在整個(gè)過程中所有掃描段都無干涉，則認(rèn)為裝配路徑上無干涉。

2.4 裝配模型的重構(gòu)

參數(shù)化建模主要有兩種途徑：① 首先確定實(shí)體模型的參數(shù)變量以及各變量之間的關(guān)系，然后采用底層接口函數(shù)和已確定的變量、變量關(guān)系創(chuàng)建具體特征。變量值發(fā)生變化，特征結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化；② 先在 UG的交互界面下創(chuàng)建好實(shí)體模型，之后尋找實(shí)體中的特征表達(dá)式（對(duì)于裝配模型，為實(shí)現(xiàn)各構(gòu)成組件的聯(lián)動(dòng)，可事先設(shè)置好組件間的尺寸約束關(guān)系），找到后通過對(duì)表達(dá)式的值（UG中表達(dá)式是區(qū)分大小寫的，常用的表達(dá)式有數(shù)值表達(dá)式、條件表達(dá)式或幾何表達(dá)式）進(jìn)行修改，再通過函數(shù)UF_MODL_edit_exp()和UF_MODL_update()對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。

高功率鉸鏈的構(gòu)成組件分為標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件兩部分。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件部分，由于某一類零件外形相似，僅僅是尺寸參數(shù)值不同，因此采用第一種參數(shù)化方法；而對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)件部分，由于外形和尺寸參數(shù)都不同，因此采用第二種參數(shù)化方法。需要注意的是：所創(chuàng)建的作為模板的三維模型的組成特征應(yīng)盡量簡單，對(duì)二維截面輪廓應(yīng)該盡量使用系統(tǒng)提供的約束與尺寸標(biāo)注方法實(shí)現(xiàn)全約束；對(duì)于表達(dá)式應(yīng)盡量采用易于理解，不易混淆的名稱，以增強(qiáng)可讀性。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于上文所述的虛擬裝配工藝規(guī)劃原理與方法，采用VC++語言，通過調(diào)用UG底層開發(fā)接口函數(shù)，定制開發(fā)了HPH-CAAP系統(tǒng)。系統(tǒng)的部分操作界面如圖6所示。系統(tǒng)具有初始化模型、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃與參數(shù)化建模等功能。圖6(a)所示為對(duì)雷達(dá)高功率鉸鏈進(jìn)行移動(dòng)規(guī)劃的界面；圖6(b)顯示了波導(dǎo)法蘭盤的旋轉(zhuǎn)規(guī)劃軌跡曲線。整個(gè)系統(tǒng)能有效地支持設(shè)計(jì)師進(jìn)行雷達(dá)高功率鉸鏈的裝配工藝規(guī)劃，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)實(shí)物裝配過程中存在的問題。

4 結(jié) 論

HPH-CAAP系統(tǒng)在 UG二次開發(fā)的基礎(chǔ)上完成了從初始裝配模型獲取、交互式裝配工藝規(guī)劃和裝配工藝分析等一系列功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高功率鉸鏈的三維參數(shù)化模型的數(shù)字化預(yù)裝配。通過對(duì)構(gòu)成組件進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)干涉檢驗(yàn)和裝配可行性分析，對(duì)系統(tǒng)裝配工藝的改進(jìn)提出了合理意見，排除了很多隱患。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法可拓展應(yīng)用于其他同類產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃中。

圖6 HPH-CAAP系統(tǒng)部分界面

[1]張林煊, 童秉樞. 并行工程中的裝配仿真系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),1999, 11(2)：163-166.

[2]侯文君, 李重慶, 伍華劍, 等. 基于 UG OPEN 的3D-CAAP裝配模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(5)：160-164.

[3]李仲興, 丁家翔, 周孔亢, 等. 基于 UG的車輛電磁制動(dòng)器虛擬裝配系統(tǒng)開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005,36(12)：126-129.

[4]曾 理, 張林煊, 童秉樞. 一個(gè)虛擬裝配支持系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2002, 14(9)：1149-1153.

[5]董正衛(wèi), 田立中, 付宜利. UG/OPEN API編程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2002. 2-150.

Research on Assembly Process Planning System for Radar High Power Hinge

ZHANG Hong-qi1, CHEN Xing-yu1, ZHOU Qing2, SHU Feng-tao1
( 1. NO.38 Research Institute, CETC, Hefei Anhui 230088, China; 2. ZTE Corporation, Nanjing Jiangsu 210012, China )

Three-dimensional assembly process planning system of radar high power hinge(HPH-CAAP) is put forward and designed facing the requirement of concurrent engineering. Product assemblability is verified and improved by the emulational system using Microsoft Visual C++ 6.0 as developing language and UG/OPEN API as developing tool. The main structure of HPH-CAAP and the key technical modules such as virtual assembly model obtaining, assembly process planning, assembly simulation, interference check and model reconstruction are expounded. The total realization processes of HPH-CAAP’s modules are researched. Finally, an application example of this system is implemented.

computer application; high power hinge; assembly process planning;assemblability; parametric design

TP 391

A

1003-0158(2010)06-0111-06

2009-08-19

國防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目（B1120060500）；上海市網(wǎng)絡(luò)化制造與企業(yè)信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（KF200909）

張紅旗（1975-），男，安徽合肥人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄蹸AD、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)以及數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。