圓盤破茬裝置參數(shù)化設(shè)計及自動裝配技術(shù)研究

李　芳，劉海生，白曉虎

(1.遼寧石油化工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；

2.國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866)

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圓盤破茬裝置參數(shù)化設(shè)計及自動裝配技術(shù)研究

李芳1，劉海生2，白曉虎3

(1.遼寧石油化工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；

2.國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866)

摘要：為提高圓盤破茬裝置設(shè)計效率，簡化裝配操作，分析了參數(shù)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于坐標(biāo)系約束的自動裝配和批量自動裝配技術(shù)，研究了約束坐標(biāo)系的建立方法及自動裝配實現(xiàn)的步驟；以VC++6.0為編程語言，以Pro/toolkit提供的底層函數(shù)為開發(fā)工具，對圓盤破茬裝置參數(shù)化設(shè)計及自動裝配工作平臺進(jìn)行了二次開發(fā)。實例驗證結(jié)果表明：模型與程序相結(jié)合的參數(shù)化設(shè)計方法編程簡單，能夠在Pro/E環(huán)境下通過界面操作完成零件設(shè)計；基于坐標(biāo)系約束的自動裝配技術(shù)不需要進(jìn)行矩陣運算，每個零件針對與其裝配的零件只需要建立一個約束坐標(biāo)系，用戶通過選擇裝配零件和參照零件上相應(yīng)的坐標(biāo)系即可完成裝配工作；批量自動裝配技術(shù)適用于裝配體約束坐標(biāo)系位于同一元件或多個相同元件的情況，多個螺栓或螺母的重復(fù)裝配可一次操作自動完成。本研究提出的參數(shù)化設(shè)計方法及自動裝配技術(shù)適用于破茬裝置的系列化設(shè)計，有利于減少重復(fù)性裝配工作。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計；自動裝配；圓盤破茬裝置

參數(shù)化設(shè)計是采用參數(shù)化模型通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，從而自動實現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型[1]。運用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)開發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，可使設(shè)計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)設(shè)計的自動化[2]。常用的CAD軟件提供的裝配模塊雖然包含了豐富的約束條件和裝配工具，可以實現(xiàn)基于零件或子裝配體的裝配過程，但其提供的裝配功能需要操作者定義零件之間的裝配關(guān)系和幾何約束，影響設(shè)計效率，特別是同一零件在一個裝配體中需要裝配很多次的情況下，裝配將是重復(fù)性操作非常多的工作[3-4]。因此，開發(fā)零件自動裝配環(huán)境，實現(xiàn)零件自動裝配就成為提高設(shè)計效率的一個關(guān)鍵問題。韓志強(qiáng)與莫云霞等在開發(fā)自動裝配模塊時采用基準(zhǔn)平面為約束參照，采用平面對齊為約束類型，實現(xiàn)了擦窗機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和機(jī)床的自動裝配，但在每個零件上需要添加三個互相垂直的基準(zhǔn)平面[5-6]；張萍等提出了一種根據(jù)零件及其裝配特征的參考原點和裝配基準(zhǔn)面來確定零件移動位置和方向的方法，完成了夾具的快速自動裝配，但這種方法需要先指定裝配件和裝配體相互匹配的裝配特征，而且涉及到較為抽象的矩陣運算[7]；甘忠等采用基于裝配關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)了時效成型模架的自動裝配，但這種方法在進(jìn)行零件設(shè)計時需要建立零件間的尺寸變量關(guān)聯(lián)，由裝配體整體結(jié)構(gòu)入手，找出零件之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)關(guān)系[8]；閆四玉等將特征建模技術(shù)與API(應(yīng)用程序接口)技術(shù)結(jié)合起來，完成了注塑模具的自動裝配，但該方法需要進(jìn)行矩陣變換[9]。

圓盤破茬裝置是免耕播種機(jī)的重要工作部件[10-12]，目前的研究主要集中在破茬機(jī)理分析和工作性能試驗方面，對破茬裝置設(shè)計方法和手段的改進(jìn)研究較少。本研究以圓盤破茬裝置為對象，探討實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計及自動裝配的關(guān)鍵技術(shù)，對提高免耕播種機(jī)設(shè)計效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期具有重要的現(xiàn)實意義。

1參數(shù)化設(shè)計方法

1.1基于Pro/Toolkit的參數(shù)化設(shè)計思想

Pro/E軟件系統(tǒng)提供的用戶化開發(fā)工具箱Pro/Toolkit，使用戶通過編寫C語言程序就能夠開發(fā)基于Pro/E的應(yīng)用程序模塊，并可以實現(xiàn)外部應(yīng)用程序與Pro/E系統(tǒng)的無縫集成，擴(kuò)充Pro/E系統(tǒng)的功能[13]。本研究采用模型與程序相結(jié)合的方式來實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。利用Pro/E軟件的參數(shù)化建模功能創(chuàng)建零件的三維模型樣板，然后根據(jù)零件的設(shè)計要求建立可以控制模型形狀和大小的設(shè)計參數(shù)，作為模型與應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)的接口。Pro/Toolkit應(yīng)用程序可以檢索出模型樣板的設(shè)計參數(shù)，采用圖形用戶界面對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行查詢或修改，根據(jù)新的設(shè)計參數(shù)生成新的三維模型。這種方法的優(yōu)點是編程相對簡單，設(shè)計程序與零件模型沒有相互依賴的關(guān)系，一個程序經(jīng)較小修改或不需修改就可適用于多個模型。

1.2參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1菜單開發(fā)系統(tǒng)菜單是用戶由Pro/E通用軟件進(jìn)入專用參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的窗口。在VC++環(huán)境下可直接調(diào)用Pro/Toolkit軟件包中添加菜單的底層函數(shù)，從而添加用戶化菜單[14]。本研究中菜單開發(fā)的步驟為：① 創(chuàng)建一個信息文本文件，其內(nèi)容包含菜單及子菜單、按鈕的顯示信息；② 在菜單欄中創(chuàng)建新菜單；③ 添加按鈕命令，就是向Pro/E系統(tǒng)添加和按鈕捆綁在一起的新的命令來調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)；④ 在菜單中添加按鈕或子菜單。

1.2.3參數(shù)化驅(qū)動零件參數(shù)化模型樣板建立后，要根據(jù)設(shè)計要求生成新模型，還需要進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動。其實現(xiàn)過程如圖1所示。

1.2.4標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及接口設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件是系列化的零件，同一類型的標(biāo)準(zhǔn)件具有相同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)關(guān)鍵參數(shù)確定后，標(biāo)準(zhǔn)件就被唯一地確定了，其它參數(shù)都可以通過查表得到。本研究主要對圓盤破茬裝置中的螺栓、螺母和軸承建立了標(biāo)準(zhǔn)件庫，其中螺栓的關(guān)鍵參數(shù)為螺紋直徑和公稱長度，螺母的關(guān)鍵參數(shù)為螺紋直徑，軸承的關(guān)鍵參數(shù)為軸承代號。采用Microsoft Access來開發(fā)數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫由數(shù)據(jù)表組成，來存放不同類型的標(biāo)準(zhǔn)件信息[17]。

本研究采用基于ODBC(Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互連)的方式進(jìn)行Pro/Tookit應(yīng)用程序與標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫的接口設(shè)計，應(yīng)用程序可通過ODBC API訪問不同數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)，每個不同的數(shù)據(jù)源類型由一個ODBC驅(qū)動程序支持，并與具體的數(shù)據(jù)庫通信，通過對話框顯示數(shù)據(jù)庫中的信息供用戶選擇。例如在螺栓選擇對話框中，用戶選擇關(guān)鍵參數(shù)螺紋規(guī)格后，可供選擇的公稱長度系列就顯示出來方便用戶選取，同時螺栓的其它參數(shù)也可以顯示出來，供用戶設(shè)計時參考。當(dāng)螺紋規(guī)格和公稱長度選定后，就可以生成零件用于裝配。

圖1參數(shù)化驅(qū)動流程

Fig.1Flow diagram of parametrical driving

2基于坐標(biāo)系約束的自動裝配思想及實現(xiàn)

2.1自動裝配的定義

虛擬裝配是指將創(chuàng)建好的三維零件實體模型在軟件中按照實際裝配過程裝配起來以構(gòu)成仿真模型。自動裝配并不是完全不需要人工參與，而是指在裝配過程中盡可能地減少人工參與，大多數(shù)裝配操作通過程序?qū)崿F(xiàn)，從而節(jié)省操作時間，提高裝配效率。

2.2坐標(biāo)系約束的概念

裝配約束是將零部件固定在裝配體中的限制條件，即位置約束。通過設(shè)置約束關(guān)系，可指定裝配元件相對于裝配體中的另一個元件或基準(zhǔn)的放置方式和位置關(guān)系，從而使各個元件的配合安裝能正確表達(dá)設(shè)計意圖。因此，裝配約束關(guān)系就成為裝配時需要重點考慮和正確設(shè)置的內(nèi)容，占用大量操作時間。

Pro/Toolkit中提供的匹配、對齊、插入、相切等裝配約束關(guān)系，雖然具有概念簡單、直觀明了的優(yōu)點，但是不同零件裝配時需要的約束類型和數(shù)量都存在很大差別，操作繁瑣，容易產(chǎn)生錯誤。為了提高裝配效率，本研究采用坐標(biāo)系約束作為裝配約束關(guān)系，只需要將裝配零件與參照零件上對應(yīng)的坐標(biāo)系重合，就可以使零件處于正確的裝配位置。一般情況下，完成一個零件的裝配，需要同時滿足多種約束條件，操作時需要多次選取約束類型和參照特征。而采用坐標(biāo)系約束，用戶在進(jìn)行裝配時只需選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系即可，不必考慮約束類型以及零件是否處于不完全約束或過度約束，使得零件裝配時所需的約束類型和數(shù)量得到統(tǒng)一，編程容易，用戶交互操作簡單。

2.3約束坐標(biāo)系的建立

表1　各零件上的約束坐標(biāo)系

2.4自動裝配關(guān)鍵步驟及函數(shù)

1) 將裝配體和裝配元件調(diào)入內(nèi)存。使用函數(shù)ProMdlRetrieve( )將裝配體和裝配元件調(diào)入內(nèi)存，并且獲得二者的ProMdl句柄。

2) 裝配元件初始化。通過函數(shù)ProAsmcompAssemble( )將裝配元件添加到裝配體的某個初始位置，并且得到元件的ProAsmcomp句柄。

3) 分配約束數(shù)組。使用函數(shù)ProArrayAlloc( )創(chuàng)建一個可擴(kuò)展數(shù)組來保存施加于裝配元件上的約束條件，每個約束條件即為數(shù)組的一個元素。

4) 創(chuàng)建裝配元件上約束坐標(biāo)系的ProSelection對象。先通過函數(shù)ProModelitemByNameInit( )得到約束坐標(biāo)系的模型項，然后使用函數(shù)ProSelectionAlloc( )為模型項創(chuàng)建ProSelection對象。

5) 創(chuàng)建參照元件上約束坐標(biāo)系的ProSelection對象。通過用戶交互直接選擇作為約束參照的坐標(biāo)系，即可獲得坐標(biāo)系的ProSelection對象，實現(xiàn)用戶交互選擇的函數(shù)是ProSelect( )。

6) 創(chuàng)建約束對象。使用ProAsmcompconstraintAlloc( )函數(shù)創(chuàng)建一個空的約束對象，然后通過ProAsmcompconstraintTypeSet( )函數(shù)設(shè)置約束類型，使用ProAsmcompconstraintAsmreferenceSet( )函數(shù)設(shè)置裝配體約束參照，通過ProAsmcompconstraintCompreferenceSet( )函數(shù)設(shè)置裝配元件約束參照。

7) 將約束對象追加到約束數(shù)組中。使用ProArrayObjectAdd( )函數(shù)將創(chuàng)建的所有約束對象追加到約束數(shù)組中。

8) 將約束數(shù)組添加到裝配元件并且再生模型。通過ProAsmcompConstraintsSet( )函數(shù)將裝配約束添加到裝配元件上，使用函數(shù)ProSolidRegenerate( )再生模型。

3批量自動裝配技術(shù)

3.1裝配體約束坐標(biāo)系位于同一元件

在裝配螺栓時，由于輪轂上有多個螺栓孔，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行裝配，需要進(jìn)行多次操作，影響設(shè)計效率。本研究采用批量自動裝配方法，只需要在零件裝配對話框選擇螺栓，然后點擊確定按鈕，即可一次性完成多個螺栓的裝配。其基本思想為：在輪轂零件建模時，采用特征陣列工具建立多個與螺栓裝配時使用的約束坐標(biāo)系。將裝配體調(diào)入內(nèi)存后，先采用實體特征訪問函數(shù)來獲得裝配體中輪轂零件的特征ID和其ProMdl對象，然后采用實體坐標(biāo)系訪問函數(shù)來獲得輪轂零件上與螺栓裝配時使用的坐標(biāo)系的個數(shù)，并將坐標(biāo)系的ProCsys對象轉(zhuǎn)化為ProSelection對象。在主程序中通過循環(huán)多次調(diào)入螺栓零件并進(jìn)行裝配，循環(huán)次數(shù)為通過實體坐標(biāo)系訪問函數(shù)獲得的坐標(biāo)系的個數(shù)。

3.2裝配體約束坐標(biāo)系位于多個相同元件

向螺栓上裝配螺母時，裝配體約束坐標(biāo)系位于多個螺栓上。這種情況下實現(xiàn)螺母自動裝配的基本思想為：螺栓建模時建立與螺母裝配使用的約束坐標(biāo)系，當(dāng)完成螺栓裝配后，與螺母裝配使用的約束坐標(biāo)系位于各個螺栓上，而且名稱相同。采用實體特征訪問函數(shù)遍歷裝配體中的各個元件，當(dāng)找到螺栓時就將位于其上的與螺母裝配使用的約束坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為ProSelection對象，并記錄下螺栓的個數(shù)。在主程序中通過循環(huán)多次調(diào)入螺母零件并進(jìn)行裝配，循環(huán)次數(shù)為通過實體特征訪問函數(shù)獲得的螺栓的個數(shù)。

4應(yīng)用實例

將VC++6.0集成開發(fā)環(huán)境與Pro/toolkit提供的底層函數(shù)相結(jié)合，開發(fā)了免耕播種機(jī)圓盤破茬裝置參數(shù)化設(shè)計及自動裝配工作平臺。系統(tǒng)共分三層：人機(jī)交互界面層、任務(wù)執(zhí)行層、數(shù)據(jù)層，如圖2所示。

人機(jī)交互界面包括用Pro/Toolkit開發(fā)的菜單和用VC++開發(fā)的對話框。用戶可由集成于PRO/E系統(tǒng)的二次開發(fā)菜單，選擇要設(shè)計的零件或進(jìn)行裝配，進(jìn)入子系統(tǒng)界面。對話框界面可顯示和輸入零件設(shè)計基本參數(shù)、顯示標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)和選擇零件裝配順序?？梢暬娜藱C(jī)交互界面為用戶與系統(tǒng)之間的信息交互提供了方便。

任務(wù)執(zhí)行層能夠接收用戶的操作及輸入信息，產(chǎn)生相應(yīng)的執(zhí)行動作，完成指定的任務(wù)。根據(jù)用戶選擇，在交互界面顯示零件的設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖；判斷用戶輸入數(shù)據(jù)與設(shè)計約束是否沖突，若不合理則顯示提示信息；查詢數(shù)據(jù)庫，讀取并顯示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(如軸承內(nèi)徑、外徑、寬度，螺栓直徑、長度等)，便于用戶選擇；根據(jù)輸入?yún)?shù)及選擇結(jié)果創(chuàng)建零件實體模型；按照用戶選擇順序進(jìn)行零件裝配。

數(shù)據(jù)層用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和模型檢索，包括零件模型樣板庫、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫和設(shè)計約束庫。零件模型樣板庫存放零件的三維實體模型樣板，通過Pro/Toolkit函數(shù)調(diào)用相關(guān)模型并進(jìn)行參數(shù)檢索。模型庫中的模型根據(jù)要求設(shè)定參數(shù)并和相應(yīng)的幾何尺寸通過關(guān)系進(jìn)行綁定，通過參數(shù)變化即可實現(xiàn)參數(shù)化零件特征驅(qū)動。標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫包括軸承、螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件的型號及參數(shù)，通過數(shù)據(jù)庫接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用。設(shè)計約束庫包括零件內(nèi)部的尺寸約束和零件之間的裝配關(guān)系約束，通過零件建模時創(chuàng)建的關(guān)系或二次開發(fā)程序來調(diào)用，用來保證通過合理的輸入?yún)?shù)生成新模型。

圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

Fig.2Overall system structure

圖3零件裝配對話框

Fig.3Dialog of assembling parts

在圖3所示的對話框中選擇“螺栓”并單擊“確定”按鈕，系統(tǒng)自動將6個螺栓一次性裝配到輪轂的6個螺栓孔中并正確定位，每裝好一個螺栓，左側(cè)模型樹中就出現(xiàn)對應(yīng)的螺栓零件名稱BOLT.PRT，螺栓裝配完成后破茬裝置模型如圖5所示。在對話框中選擇“螺母”并單擊“確定”按鈕，系統(tǒng)自動將6個螺母一次性裝配到6個螺栓上并正確定位，每裝好一個螺母，左側(cè)模型樹中就出現(xiàn)對應(yīng)的螺母零件名稱NUT.PRT，螺母裝配完成后破茬裝置模型如圖6所示。

圖4選擇坐標(biāo)系界面

Fig.4Interface of coordinate system selection

5結(jié)論

1) 針對基于Pro/Toolkit的模型與程序相結(jié)合的參數(shù)化設(shè)計思想，分析了菜單開發(fā)、對話框設(shè)計、參數(shù)化驅(qū)動、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及接口設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

圖5　螺栓裝配結(jié)果

圖6螺母裝配結(jié)果

Fig.6Assembling result of nuts

2) 提出了一種基于坐標(biāo)系約束的自動裝配技術(shù)，分析了約束坐標(biāo)系的建立方法及自動裝配實現(xiàn)的步驟。該方法不涉及抽象的矩陣運算，概念簡單，每個零件針對與其裝配的零件只需要建立一個約束坐標(biāo)系，減少了零件建模工作量。

3) 提出了一種批量自動裝配技術(shù)，分別對裝配體約束坐標(biāo)系位于同一元件或多個相同元件的情況進(jìn)行了研究，適用于螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件通常需要多次裝配的情況。

4) 開發(fā)了圓盤破茬裝置參數(shù)化設(shè)計及自動裝配工作平臺，能夠在Pro/E環(huán)境下通過界面操作完成裝置的系列化設(shè)計及自動裝配，多個螺栓或螺母的裝配可以一次操作完成，減少了重復(fù)性裝配工作。

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Study on parametric design and automatic assembling technology for disc coulter

LI Fang1, LIU Hai-sheng2, BAI Xiao-hu3

(1.CollegeofMiningEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun,Liaoning113001,China;2.StateGridEastInnerMongoliaElectricPowerCompanyLimited,HuhehaoteNeimenggu010020,China;3.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：In order to increase design efficiency and reduce assemble work of disc coulter, the key technologies of parametric design were analyzed. The technology of automatic assembling and batch automatic assembling based on constraint coordinate system was presented, and the method of building constraint coordinate system and the steps of realizing automatic assembling were also investigated. The VC ++6.0 software and the underlying functions provided by Pro/toolkit were used to develop the parametric design and automatic assembling platform for disc coulter. The authentication results by real cases showed that the programming was easy by the parametric design method that integrated the model and the program. Parts can be designed by interface operation in the environment of Pro/E. The automatic assembling technology based on constraint coordinate system requires no any matrix operation. Every part only needs to establish a constraint coordinate system for the reference part. User can accomplish assembly by selecting the corresponding coordinate systems for the assemble part and the reference part. The batch automatic assembling technology is applicable to two cases that the assembly constraint coordinate systems are on a part or on many same parts. The assembly of multiple bolts or nuts can be automatically finished by one operation. The parametric design and automatic assembling technology may be applied toward a series of design for disc coulter and are beneficial in decreasing the repetitive assemble work.

Keywords:parametric design; automatic assembling; disc coulter

中圖分類號：S222

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：李芳(1979—)，女，遼寧義縣人，講師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)研究。 E-mail：happy-lifang@163.com。通信作者：白曉虎(1976—)，男，山西渾源人，講師，博士，主要從事保護(hù)性耕作機(jī)具研究。 E-mail：baixiaohu76@sohu.com。

基金項目：遼寧省自然科學(xué)基金項目“振動作用下免耕圓盤刀破茬過程減阻機(jī)理及功耗研究”(2015020769)

收稿日期：2015-03-20

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.43

文章編號：1000-7601(2016)02-0271-06