基于拓?fù)淅碚摰膹?fù)雜周轉(zhuǎn)輪系的仿真裝配技術(shù)

摘 要： 本文在拓?fù)淅碚摰幕A(chǔ)上提出面向大型復(fù)雜的周轉(zhuǎn)輪系虛擬仿真裝配方法，實現(xiàn)了裝配流程的計算機自動化開發(fā)設(shè)計，減少了人多參與度。重點探討了利用AUTOMATION GATEWAY軟件實現(xiàn)PRO/E虛擬環(huán)境下的輪系裝配數(shù)據(jù)信息的采集、裝配過程的實現(xiàn)及優(yōu)化設(shè)計等方面，最后給出PRO/E下的大型復(fù)雜周轉(zhuǎn)輪系的虛擬裝配產(chǎn)品的應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞： 拓?fù)淅碚?數(shù)據(jù)采集 自動裝配

復(fù)雜周轉(zhuǎn)輪系是指輪系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配、生產(chǎn)、調(diào)試復(fù)雜的產(chǎn)品，如飛機、航天器、船舶、衛(wèi)星等[1]。此類周轉(zhuǎn)輪系不同于簡單周轉(zhuǎn)輪系，產(chǎn)品裝配的周期長、裝配過程難度大、裝配的成本很高[2]。仿真虛擬裝配是近年來比較前沿的研究課題，此技術(shù)主要依賴數(shù)字化建模的方法在三維仿真軟件環(huán)境下，借助仿真人機交互的軟硬件設(shè)備在微型機上實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的裝配操作并可實現(xiàn)產(chǎn)品性能仿真分析、裝配過程演示，從而完成對裝配工人的工況條件下的裝配工藝指導(dǎo)、探索新型產(chǎn)品、仿真分析產(chǎn)品特性、減低生產(chǎn)開發(fā)成本，尤其對飛機、衛(wèi)星等大型產(chǎn)品，因所需資源類型較多、裝配難度大、裝配精度高等特點，開展基于拓?fù)淅碚摰膹?fù)雜周轉(zhuǎn)輪系的虛擬仿真裝配技術(shù)的研究有重要的理論、實踐意義和應(yīng)用價值。

1.虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)

不同的虛擬仿真裝配過程，因需求不同對裝配模型包含的信息要求也是不同的，但通常包含以下兩類信息是虛擬仿真裝配過程必需的。

（1）拓?fù)淠Ｐ托畔ⅲ和負(fù)淠Ｐ褪菍⑤喯档奶栞啞⑿行禽?、嚙合關(guān)系等抽象成為實心點、空心圈、粗/細(xì)實現(xiàn)、虛線等，具體說明見參考文獻(xiàn)[3]。此拓?fù)淠Ｐ褪菍ρb配實體信息的抽象，是點、線、約束面、實體之間關(guān)系，以便拓?fù)溲莼头囱?，對新型輪系機構(gòu)進(jìn)行組合、拆分探索。

（2）輪系虛擬裝配信息：應(yīng)包含預(yù)裝配的仿真輪系的元器件、層次結(jié)構(gòu)、和裝配約束關(guān)系等信息，以便在Pro/E仿真環(huán)境下調(diào)用相關(guān)零件進(jìn)行產(chǎn)品組裝以滿足產(chǎn)品的要求。

為了實現(xiàn)復(fù)雜輪系的計算機系統(tǒng)的虛擬仿真裝配，本文采用拓?fù)洳鸱中畔⑻崛〉姆椒ǎ从肰isual Basic面向?qū)ο筌浖?、Pro/E三維仿真裝軟件和兩個軟件的接口軟件Automation Gateway 4.0實現(xiàn)軟件開發(fā)，利用開發(fā)的軟件界面可以輕松實現(xiàn)繪制需要裝配的復(fù)雜輪系對應(yīng)的拓?fù)淠Ｐ?，軟件后臺會根據(jù)用戶繪制過程提取Pro/E三維仿真裝配所需要的拓?fù)湫畔⒓把b配信息，而后通過提取的信息將其轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實環(huán)境所需要的信息，實現(xiàn)人機裝配信息的數(shù)據(jù)交流和采集。圖1給出了信息提取轉(zhuǎn)換的流程。

圖1 信息轉(zhuǎn)換流程

2.拓?fù)淅L制及信息提取界面的開發(fā)

復(fù)雜周轉(zhuǎn)輪系的自動裝配之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是依據(jù)用戶所繪制的拓?fù)鋱D形信息及提取的裝配約束關(guān)系。因此，如何能在拓?fù)鋱D與計算機自動裝配之間構(gòu)建起溝通的橋梁十分關(guān)鍵。為此，開發(fā)了簡單的、易于操作的拓?fù)鋱D繪制及信息提取平臺。在此平臺上，用戶只需要點擊相應(yīng)按鈕就可以完成拓?fù)溆成鋱D的繪制，同時后臺可以根據(jù)用戶繪制的不同的拓?fù)鋱D，仿真裝配出Pro/E下不同的周轉(zhuǎn)輪系。

根據(jù)軟件的要求及軟件要完成的功能，開發(fā)出的平臺應(yīng)包含如下模塊：

（1）繪制圖形模塊，應(yīng)同時包括對圖形的修改部分。

（2）圖形信息自動提取模塊。

本模塊可以根據(jù)用戶繪制的不同的拓?fù)鋱D，提取出不同的圖形信息，這些信息作為形成三維輪系仿真圖的重要依據(jù)，進(jìn)而完成一個拓?fù)鋱D對應(yīng)一個真實輪系圖的一對一映射。

（3）自動裝配模塊。

本模塊要完成兩部分功能：①可以將已經(jīng)繪制完成的拓?fù)鋱D裝配成三維仿真圖。②當(dāng)用戶繪制的拓?fù)鋱D不正確的時候，應(yīng)該給出相應(yīng)的提示。開發(fā)的初始界面如圖2所示：

圖2 初始繪圖界面

a.圖形繪制模塊

圖形繪制模塊由命令控件（Command）和圖形框控件（PictureBox）兩部分組成。在圖形框控件中，首先給出了已經(jīng)畫好的行星輪（4個）、太陽輪（4個）和系桿（3個）的圖形符號，這些符號是通過形狀控件（Shape）形成的，通過設(shè)置形狀控件的Shape屬性完成不同形狀的設(shè)置。在行星輪符號的上邊、太陽輪及系桿的下邊顯示字符”T”的位置，放置的是文本框，用來對各符號起標(biāo)注作用，所有這些控件在程序進(jìn)入運行狀態(tài)時，是不顯示的。只有用戶繪制了相應(yīng)的圖形符號，其對應(yīng)的文本框才呈現(xiàn)可見狀態(tài)。

b.信息提取模塊

信息提取模塊可以根據(jù)用戶繪制的不同拓?fù)溆硤D，提取出相應(yīng)的重要參數(shù)，為其后計算機自動完成輪系的裝配工作打下基礎(chǔ)。此模塊中，提取出了用戶繪制的拓?fù)涞男行禽啞⑻栞喌膫€數(shù)及直線的條數(shù)。另外直線的寬度及類型等信息的提取已在圖形的修改部分給出。

c.自動裝配模塊

自動裝配模塊有兩個命令按鈕組成，分別是“打開模型”命令按鈕和“裝配元件”命令按鈕。其中“打開模型”命令按鈕用來打開當(dāng)前拓?fù)鋱D所對應(yīng)的裝配文件，不同的拓?fù)鋱D對應(yīng)不同的裝配文件，將其作為裝配周轉(zhuǎn)輪系的裝配載體；命令按鈕“裝配元件”用來完成周轉(zhuǎn)輪系的自動裝配工作，裝配流程如圖3所示：

圖3 裝配流程圖

3.應(yīng)用實例

進(jìn)行了Pro/E二次開發(fā)，并實現(xiàn)了基于拓?fù)淅碚摰拿嫦虼笮蛷?fù)雜周轉(zhuǎn)輪系虛擬仿真裝配過程，并在某教學(xué)用輪系演示裝配過程中得到了應(yīng)用。圖4給出了繪圖平臺的初始運行界面，圖5（a～b）給出了畫圖過程及信息提取情況，圖6（a）給出了自動裝配了一部分的裝配場景，圖6（b）給出了裝配完成后的界面情況。

圖4 初始運行界面

圖5（a） 行星輪繪圖及信息提取1

圖5（b） 行星輪繪圖及信息提取2

圖6（a） 裝配過程1

圖6（b） 裝配過程2

4.結(jié)論

（1）考慮拓?fù)淠Ｐ偷墓r裝配環(huán)境，目前的虛擬裝配過程并沒有考慮真正工況條件，均以零件模型為主，沒有考慮工廠的實際加工和裝配過程中的零件形狀、尺寸的精確要求，這需要后續(xù)繼續(xù)研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品零件的優(yōu)化設(shè)計，可以在線根據(jù)實際要求對零件進(jìn)行設(shè)計和再生。

（2）模型庫的建立，目前開發(fā)的軟件系統(tǒng)僅能實現(xiàn)6中簡單和復(fù)雜周轉(zhuǎn)輪系的自動裝配工作，這對有拓?fù)淠Ｐ头囱莼龅拇罅康妮喯碉@然是不夠的，究其原因在于元器件庫中的元器件類型、種類等不夠多樣，目前暫不能實現(xiàn)多樣化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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渭南師范學(xué)院校級自然科學(xué)研究項目（14YKP018）。