基于Solid Works的CAPP系統(tǒng)的可視化裝配決策*

趙海兵

(蘇州阿爾斯通高壓電氣開(kāi)關(guān)有限公司，江蘇 蘇州 215129)

1 引言

SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是當(dāng)今市場(chǎng)上份額增長(zhǎng)最快、技術(shù)發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最好、性能價(jià)格比最優(yōu)的軟件。除少數(shù)行業(yè)需UG、PRO/E、CATIA等高檔CAD軟件外，中檔的SolidWorks軟件完全可以滿足中小企業(yè)的應(yīng)用，其裝配分析基本滿足中小企業(yè)的要求。而計(jì)算機(jī)輔助的三維可視化裝配技術(shù)是在三維設(shè)計(jì)軟件的平臺(tái)上，對(duì)零部件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位，并對(duì)其裝配工藝過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化模擬仿真，檢驗(yàn)產(chǎn)品工藝裝配的可行性及正確性。

筆者主要是在SolidWorks平臺(tái)上，針對(duì)三維可視化裝配CAPP系統(tǒng)的工藝裝配決策做了6點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的分析和研究，為基于SolidWorks的可視化裝配CAPP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 三維裝配工藝順序規(guī)劃的決策

裝配順序規(guī)劃主要研究裝配順序的生成及其幾何可行性分析，而幾何可行性就是避免裝配操作過(guò)程中裝配單元發(fā)生幾何干涉。筆者根據(jù)“可拆即可裝”的原理，即“以拆卸順序的逆序作為產(chǎn)品的裝配順序”進(jìn)行分析研究。并規(guī)定限制零部件拆卸的主要因素是物理裝配約束，通常情況下物理裝配約束可歸結(jié)為面貼合約束和軸配合約束兩種約束，并簡(jiǎn)化零部件的自由度為12個(gè)方向［1］，即沿+X，+Y，+Z，-X，-Y與-Z 6個(gè)方向的平動(dòng)，和繞上述3個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(遵從右手法則，左轉(zhuǎn)為負(fù))，提出了基于鄰接約束圖的方法來(lái)描述產(chǎn)品零部件間的物理裝配約束關(guān)系。

鄰接約束圖(Connectivity Constraints Graph)CCG，是一種表達(dá)裝配體零件裝配約束關(guān)系和支撐關(guān)系的多重部分有向圖，其形式為:

假設(shè)某產(chǎn)品有n個(gè)零件組成時(shí)，其中上式P為節(jié)點(diǎn)集，P={p1，p2，…，pn}，C為邊集，C={c1，c2，…，cn}}，i，j∈{p1，p2，…，pn}，其中k∈{1，2，…，}，mij為在零件Pi和零件Pj之間的裝配特征矩陣數(shù)目，每一個(gè)裝配特征對(duì)應(yīng)一個(gè)裝配約束，n為在CCG中的裝配特征的總數(shù)。

根據(jù)“可拆即可裝”的原則，通過(guò)記錄零件被拆卸的順序來(lái)描述裝配體的拆卸序列，繼而確定該裝配體的裝配工藝順序，通過(guò)裝配空間中各零部件的位姿描述矩陣和裝配空間中各零部件的位姿變換矩陣來(lái)表達(dá)、記錄及規(guī)劃裝配過(guò)程工藝順序。

3 三維裝配工藝路徑規(guī)劃的決策

在裝配工藝規(guī)劃中，裝配順序規(guī)劃確定了零部件的裝配順序，但具體的裝配路徑需要裝配路徑規(guī)劃分析與求解。裝配路徑規(guī)劃的基本依據(jù)是，零件的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體在不和周?chē)矬w發(fā)生干涉的情況下，裝配路徑盡量最短［2］。裝配路徑規(guī)劃在實(shí)現(xiàn)方式上主要是通過(guò)裝配元件配合面的裝配關(guān)系以及裝配順序自動(dòng)計(jì)算路徑規(guī)劃，即“可拆即可裝”的原則，以及空間方位求解的可視圖法，將裝配體拆卸路徑的逆序作為裝配路徑，通過(guò)記錄裝配體拆卸過(guò)程中各零部件的空間位姿、記錄它們?cè)诳臻g中運(yùn)動(dòng)的軌跡點(diǎn)來(lái)描述整個(gè)過(guò)程的拆卸路徑，繼而確定該裝配體的整個(gè)裝配路徑。

4 三維裝配過(guò)程的干涉檢查

在虛擬可視化裝配過(guò)程中，干涉檢查按檢查層次上的不同，可分為靜態(tài)干涉檢查、動(dòng)態(tài)干涉檢查和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉檢查三個(gè)應(yīng)用層次，體現(xiàn)了產(chǎn)品裝配性能的逐步提高。靜態(tài)干涉檢查的目標(biāo)是裝配體自身的干涉檢查和公差分析;動(dòng)態(tài)干涉檢查是發(fā)現(xiàn)和排除裝配過(guò)程中的干涉，在產(chǎn)品裝配過(guò)程中根據(jù)零部件的裝配路徑、裝配關(guān)系和約束條件進(jìn)行裝配姿態(tài)調(diào)整、修改，保證零部件能按照一定的順序和路徑裝配成具體的產(chǎn)品;機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉是分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能，仿真機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，保證產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件工作時(shí)不與周?chē)悴考l(fā)生碰撞干涉［3］。根據(jù)SolidWorks提供的AssemlyDoc.ToolsCheckInterference2，通過(guò)干涉檢查算法和干涉檢查矩陣來(lái)判斷裝配過(guò)程中兩個(gè)SLDWorks.Solid實(shí)體之間是否存在相互干涉的部分，從而提前對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和改進(jìn)［4］。

5 三維裝配過(guò)程的幾何推理

三維裝配過(guò)程的幾何推理主要是通過(guò)基于集成裝配干涉矩陣的裝配方向自動(dòng)推理方法［5］，即根據(jù)集成干涉檢查矩陣，在某一裝配狀態(tài)，某個(gè)零件的可行裝配方向可以被推導(dǎo)出來(lái)，并以此判別整個(gè)裝配過(guò)程是不是可行的。而零件的可裝配方向推理可以分為3個(gè)步驟:

(1)建立待裝配零件相對(duì)于已裝配零件的干涉向量。假設(shè)零件Ci是待裝配零件，Assembly是在當(dāng)前裝配狀態(tài)下由m個(gè)已裝配好的零件組成的臨時(shí)子裝配體，Assembly={p1，p2，…，pm}。?Cj∈Assembly，?αij{Iijx，Iijy，Iijz}，αij就是零件Ci相對(duì)于零件Cj的裝配干涉向量，裝配干涉向量中的元素都可以在裝配體集成干涉矩陣中得到。用這種方法，針對(duì)待裝配零件Ci，建立其相對(duì)臨時(shí)子裝配Assembly中所有零件的裝配干涉向量。

(2)推導(dǎo)待裝配零件的可行裝配方向［6］。根據(jù)零件的裝配方向向量βi，βi={+Iix，+Iiy，+Iiz，-Iix，-Iiy，-Iiz}，βi中的每個(gè)元素就分別表達(dá)該零件在+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z方向上是否是可裝配的。某元素的值為0就表示待裝配零件在該方向是可裝配的，若為1則表示待裝配零件在該方向上裝配將發(fā)生干涉。

(3)在需要判別的裝配序列中，如果存在一個(gè)沒(méi)有可行的裝配方向的零部件，則該序列整為不可行;若序列中存在多個(gè)沒(méi)有可行裝配方向的零部件，就會(huì)發(fā)生多次干涉。

6 三維裝配過(guò)程優(yōu)化及評(píng)價(jià)

對(duì)于系統(tǒng)裝配過(guò)程的優(yōu)化和評(píng)價(jià)，主要通過(guò)基于并行多層次演化算法的方法來(lái)確保優(yōu)化的正確執(zhí)行。而為了得到最優(yōu)解，需要調(diào)整各個(gè)演化控制參數(shù)，并需要給出部分可行的裝配序列作為演化的起點(diǎn)。首先將可視化拆卸模塊產(chǎn)生的拆卸序列逆轉(zhuǎn)為可行的裝配序列，該裝配序列只是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)得到的，根據(jù)裝配過(guò)程評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)有可能不是最優(yōu)的。但裝配過(guò)程優(yōu)化子系統(tǒng)可將這些可行裝配序列和一些隨機(jī)產(chǎn)生的序列合并在一起作為初始種群，并以裝配過(guò)程評(píng)價(jià)模型中的裝配成本最小化為目標(biāo)再次參與演化計(jì)算，經(jīng)過(guò)演化算法的若干代進(jìn)化計(jì)算，該系統(tǒng)可以在可行裝配序列的基礎(chǔ)上得到最優(yōu)的或次最優(yōu)的裝配過(guò)程［7］。已經(jīng)被優(yōu)化的裝配過(guò)程，可以再次輸入虛擬拆卸/裝配環(huán)境進(jìn)行拆卸/裝配，以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的真實(shí)有效性。

7 三維裝配過(guò)程可視化仿真

三維可視化裝配仿真就是在計(jì)算機(jī)上模擬產(chǎn)品的實(shí)際裝配過(guò)程，直觀展示產(chǎn)品的裝配過(guò)程和裝配方法，且具有多種操作選擇方式，如全過(guò)程裝配或拆卸、單個(gè)裝配或拆卸操作、單個(gè)裝配或拆卸操作中的某次運(yùn)動(dòng)等;裝配過(guò)程仿真的關(guān)鍵在于仿真模型能夠支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員的思維、想象和駕馭能力。設(shè)計(jì)人員如果能在仿真進(jìn)行的過(guò)程中實(shí)時(shí)地改變參數(shù)，觀察仿真結(jié)果，并深入了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，就能減少參數(shù)的修改次數(shù)，提高仿真效率。

裝配仿真的實(shí)質(zhì)［8］就是沿裝配順序規(guī)劃的路徑，對(duì)零部件的空間位置進(jìn)行連續(xù)的操作。在裝配仿真過(guò)程中，主要通過(guò)三維圖形幾何變換矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即:平移矩陣，繞X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)矩陣以及復(fù)合變換矩陣(既有平動(dòng)變換又有轉(zhuǎn)動(dòng)變換)。在裝配仿真過(guò)程中，還要重點(diǎn)考慮零部件由初始位置經(jīng)空間矩陣變換移動(dòng)到裝配終了位置的過(guò)程。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于SolidWorks的三維可視化裝配工藝CAPP系統(tǒng)的工藝裝配決策技術(shù)，能夠使設(shè)計(jì)人員在可視化的環(huán)境下使用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行試裝，從而建立和分析產(chǎn)品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配干涉情況和裝配空間合理性，并以此形成裝配工藝的主體內(nèi)容，繼而形成對(duì)實(shí)際裝配操作有指導(dǎo)意義的裝配工藝卡片，使裝配工人更加明確裝配的任務(wù)和過(guò)程，從而減少錯(cuò)裝，提高裝配的速度和一次性成功率。

［1］ Van Brussel H.Planning and Scheduling of Assembly System［J］.Ands of the CIRP，1990，39(2):637-644.

［2］ 朱海燕.基于WEB的繼電器裝配工藝CAPP系統(tǒng)研究［D］.福州大學(xué)，2005.

［3］ 朱 強(qiáng).基于Solid Works的二次開(kāi)發(fā)在裝配干涉檢查中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工人·冷加工，2004(3):65-66.

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［5］ 朱永慶.繼電器裝配CAPP系統(tǒng)平臺(tái)及裝配過(guò)程模擬研究［D］.福州大學(xué)，2001.

［6］ 伍 濤，謝慶生.用Delphi對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，12(6):36-38.

［7］ 顧建鈞.敏捷制造環(huán)境下裝配CAPP與虛擬裝配技術(shù)研究［D］.東南大學(xué)，2000.

［8］ Wiendahl H.Modeling and Simulation of Assembly System［J］.Annals of the CIRP，1991，40(2):577-585.