基于特征識(shí)別的緊固件快速裝配方法研究*

程亞龍，梅啟元

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于特征識(shí)別的緊固件快速裝配方法研究*

程亞龍，梅啟元

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

為了提高緊固件的裝配效率，文中提出了一種基于特征識(shí)別的緊固件快速裝配方法。首先提取零件上所有孔特征，進(jìn)而在部件中提取所有裝配孔特征；然后通過(guò)裝配知識(shí)推理自動(dòng)匹配得到緊固件的組合模式；提出一種更簡(jiǎn)便的裝配特征定義方式，實(shí)現(xiàn)了緊固件的快速自動(dòng)裝配。最后，建立了緊固件快速裝配流程，并以某部件為例演示了緊固件的快速裝配，驗(yàn)證了方法的有效性。

特征識(shí)別；緊固件；組合模式；裝配特征；自動(dòng)裝配

引 言

緊固件是結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用最廣泛的方式之一，在復(fù)雜設(shè)備中數(shù)量巨大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)師需要進(jìn)行大量的簡(jiǎn)單重復(fù)工作，因此實(shí)現(xiàn)緊固件的快速裝配具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[1]對(duì)電連接器的三維快速裝配技術(shù)進(jìn)行了研究，采用成組技術(shù)實(shí)現(xiàn)緊固件的快速裝配。文獻(xiàn)[2]基于CATIA平臺(tái)開(kāi)發(fā)了適用于平面、斜面和曲面的裝配連接環(huán)境下的裝配孔快速設(shè)計(jì)工具。文獻(xiàn)[3]提出了“批裝配”的概念，自動(dòng)將相同直徑的孔高亮顯示，用戶選擇對(duì)應(yīng)的緊固件型號(hào)實(shí)現(xiàn)快速裝配。文獻(xiàn)[4]通過(guò)手動(dòng)選擇緊固件組合方式、裝配孔類型等實(shí)現(xiàn)裝配模式的匹配，定制開(kāi)發(fā)了基于Creo的標(biāo)準(zhǔn)緊固件工具。此外，文獻(xiàn)[5-9]都對(duì)緊固件的快速裝配進(jìn)行了研究。上述研究取得了許多成果，但緊固件裝配過(guò)程中還需要大量的人工操作，降低了裝配效率。本文基于上述研究基礎(chǔ)，通過(guò)特征識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)裝配孔特征的自動(dòng)提取，基于特征信息和知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)緊固件組合模式的自動(dòng)匹配，采用一種新的緊固件裝配特征定義方式實(shí)現(xiàn)緊固件的自動(dòng)裝配。

1 問(wèn)題描述

目前的緊固件快速裝配方法中，需要手動(dòng)選擇孔的軸線、配合安裝面才能實(shí)現(xiàn)緊固件的裝配，同時(shí)需要選擇緊固件的規(guī)格大小，導(dǎo)致每次只能裝配1組緊固件，不適合大批量裝配，效率較低。因此，必須首先解決裝配孔的自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題，然后根據(jù)識(shí)別得到的孔信息，結(jié)合知識(shí)推理，得到緊固件的規(guī)格參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)

緊固件的自動(dòng)裝配。

1.1 裝配孔特征識(shí)別問(wèn)題

基于特征識(shí)別技術(shù)識(shí)別得到所選零件上所有孔特征，然后識(shí)別得到與所有孔同軸的孔特征，通過(guò)知識(shí)推理得到待裝配孔特征的各項(xiàng)信息，包括孔的軸線、孔的上下安裝面、孔徑、孔深、有無(wú)螺紋、是否沉頭孔、是否盲孔等信息。將所有零件的孔特征按照是否同軸進(jìn)行分組，每組中提取出上下安裝面有重合且孔徑相近的孔形成裝配孔特征，得到該裝配孔特征的軸線、上下安裝面、孔徑、孔深、有無(wú)螺紋、是否沉頭孔、是否盲孔等信息。

1.2 緊固件組合模式匹配

根據(jù)裝配孔特征的信息自動(dòng)匹配得到相應(yīng)的緊固件組合信息。根據(jù)是否沉頭孔可知是否需要用沉頭螺釘，根據(jù)是否通孔、有無(wú)螺紋可知是否需要帶螺母或鉚釘連接，根據(jù)孔徑可以得到緊固件的選用規(guī)格，根據(jù)待裝配孔的深度和其他緊固件的厚度可推知螺栓、螺釘、鉚釘?shù)鹊拈L(zhǎng)度。將自動(dòng)推理得到的緊固件組合推薦給用戶參考，用戶可對(duì)其進(jìn)行修改。

1.3 裝配特征的定義

主流CAD軟件中，裝配1個(gè)螺栓或墊圈需要建立軸線重合、接觸面重合2個(gè)約束特征才能完成1個(gè)緊固件的裝配。對(duì)于自動(dòng)裝配，裝配特征越少，可靠性越高，速度也越快。通過(guò)受壓分析，在緊固件與零件表面建立相應(yīng)的施壓坐標(biāo)系和受壓坐標(biāo)系作為裝配特征，建立坐標(biāo)系重合約束即可實(shí)現(xiàn)1個(gè)緊固件的完全約束，可大大提升裝配的可靠性和速度。

1.4 緊固件的自動(dòng)裝配

按照部件上與裝配孔特征接觸的先后順序，依次將每個(gè)緊固件裝配到部件上。每次裝配時(shí)，將當(dāng)前件的受壓坐標(biāo)系與裝配件的施壓坐標(biāo)系重合，即可完成該緊固件的裝配，待一側(cè)的緊固件裝配完成后再裝配另一側(cè)的緊固件，兩側(cè)均完成后即1組緊固件裝配完成。若有裝配孔特征相同的緊固件的組合模式、規(guī)格相同，則可將裝配好的1組緊固件通過(guò)陣列的方式裝配到相同的裝配孔特征上，提高自動(dòng)裝配速度。

2 裝配孔的識(shí)別

2.1 零件的孔特征識(shí)別

主流格式的三維模型均采用B-Rep結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何信息管理，以B-Rep為基礎(chǔ)通過(guò)特征識(shí)別可以快速識(shí)別出單個(gè)零件上所有孔特征。對(duì)孔特征進(jìn)行比較分析，再提取出部件上的裝配孔特征，建立孔特征的識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 零件上孔特征識(shí)別流程

定義孔特征H的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

H={l,fc,f1,f2,d,h,b,t,c}

式中：l表示孔的軸線；fc表示孔的圓柱面；f1、f2表示孔兩端的安裝面(盲孔時(shí)只有一個(gè)安裝面)；d為孔徑；h為孔深；b表示是否盲孔；t表示是否螺紋孔；c表示是否沉頭孔，這些信息是裝配孔識(shí)別的基礎(chǔ)。

2.2 裝配孔特征識(shí)別

在一個(gè)部件中得到每個(gè)零件上的所有孔特征后，建立裝配孔特征的識(shí)別步驟如下：

1)將所有同軸孔的孔特征分為一組，設(shè)為S={hi|i=1, 2, …,n}，令i=1，k=0。

2)若i≤n，令j=i+ 1；否則轉(zhuǎn)步驟5；若hi不為空，令k=k+ 1，將hi加入裝配孔特征集合Sh，并在S中將hi置為空；否則令i=i+ 1，重復(fù)本步驟。

3)若j>n，則Sh即為一組裝配孔特征，令Sk=Sh，Sh置空，i=i+ 1，轉(zhuǎn)步驟2；否則若hj不為空，則轉(zhuǎn)下一步，若hj為空，令j=j+ 1，重復(fù)本步驟。

4)若hj的安裝面與hi的安裝面有任一面重合，且它們不是同一個(gè)面，則將hj加入Sh，并在S中將hj置空；令j=j+ 1，轉(zhuǎn)步驟3。

5)若Sh不為空，令Sk=Sh；從S中識(shí)別得到k組裝配孔特征{S1,S2, …,Sk}，識(shí)別結(jié)束。

基于上述過(guò)程，取k組中任意一組裝配孔特征Sh為例，將Sh中的孔特征按照鄰接面的上下順序進(jìn)行排序，排序后為Sh={hi|i=1, 2, …,n}，則裝配孔特征Ha的各項(xiàng)信息可根據(jù)各個(gè)孔特征信息綜合得到，具體表示如下：

1)Ha.l=h1.l，裝配孔的軸線即為孔的軸線；

2)Ha.f1=h1.f1，Ha.f2=hn.f2，安裝面即為首尾孔特征的上下安裝面；

3)Ha.d=Min(h1.d,h2.d, …,hn.d)，孔徑為所有孔中的最小孔徑；

5)Ha.b=∨(h1.b, h2.b, …, hn.b)，所有孔中有一個(gè)盲孔即為盲孔；

6)Ha.t=∨(h1.t, h2.t, …, hn.t)，所有孔中有一個(gè)螺紋孔即為螺紋孔；

7)Ha.c=∨(h1.c, h2.c, …, hn.c)，所有孔中有一個(gè)沉頭孔即為沉頭孔。

3 緊固件組合模式自動(dòng)匹配

根據(jù)裝配孔特征的屬性信息，結(jié)合工程實(shí)踐中常用緊固件裝配方式，可以推理得到緊固件的連接模式，推理流程如圖2所示。其中，通透光孔既可螺接，也可鉚接，因此需要用戶交互指定；不帶螺紋的盲孔的連接方式不同于常見(jiàn)緊固件，本文不對(duì)其進(jìn)行研究。圖3所示為常見(jiàn)的3種裝配孔與緊固連接方式示例，符合圖2所示的推理規(guī)則。

圖2 緊固件連接模式推理

圖3 緊固件連接方式示例

4 基于受壓分析的裝配特征定義

圖3(a)所示的緊固件裝配過(guò)程中，需要建立10個(gè)平面或軸線的重合約束才能將5個(gè)緊固件完全約束，手動(dòng)選擇過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí)，因此必須實(shí)現(xiàn)裝配特征的自動(dòng)定義，才能實(shí)現(xiàn)快速裝配。

以螺栓為例，它的緊固原理是螺紋、螺栓頭受到軸線方向的拉伸而產(chǎn)生反向壓力，實(shí)現(xiàn)中間件的壓緊。如圖4所示，將螺栓定為產(chǎn)生壓力的零件，通過(guò)受壓分析，可以得到每個(gè)零件的施壓面和受壓面，而且施壓面與受壓面重合。零件上的受壓面即為裝配孔特征的安裝面。在施壓面孔軸中心建立施壓坐標(biāo)系，Z軸與施壓面法向一致；在受壓面孔軸中心建立受壓坐標(biāo)系，Z軸與受壓面法向相反，同一零件上施壓坐標(biāo)系與受壓坐標(biāo)系的X、Y軸方向保持一致。施壓與受壓坐標(biāo)系即為裝配特征，緊固件上的施壓、受壓坐標(biāo)系可在模型中提前建立，裝配時(shí)直接使用；零件上的施壓、受壓坐標(biāo)系可基于裝配孔特征實(shí)時(shí)建立。在裝配過(guò)程中，依次將待裝件的施壓坐標(biāo)系與已裝件的受壓坐標(biāo)系重合即可實(shí)現(xiàn)待裝件的完全約束。

圖4 緊固件受壓分析與裝配特征定義

5 緊固件快速裝配流程

基于上述分析，通過(guò)孔特征識(shí)別，緊固件裝配模式匹配，裝配特征的動(dòng)態(tài)建立，緊固件裝配等過(guò)程，其間通過(guò)人機(jī)交互調(diào)整確認(rèn)，即可實(shí)現(xiàn)緊固件的快速裝配，其流程如圖5所示。

圖5 緊固件快速裝配流程

6 實(shí)例驗(yàn)證

基于上述研究基礎(chǔ)，在Creo2.0平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了緊固件快速裝配的驗(yàn)證系統(tǒng)。如圖6所示，在裝配孔特征提取后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)裝配孔信息自動(dòng)匹配最佳裝配模式，用戶對(duì)匹配結(jié)果不滿意可手動(dòng)修改選擇。以圖7裝配件為例，利用文中方法可首先提取得到3組裝配孔特征，進(jìn)而通過(guò)自動(dòng)匹配得到緊固件的裝配模式，確認(rèn)后自動(dòng)將緊固件安裝到位。該過(guò)程自動(dòng)化程度高，人機(jī)交互簡(jiǎn)單，可顯著提升裝配效率。

圖6 緊固件裝配模式自動(dòng)匹配

圖7 緊固件快速裝配示例

7 結(jié)束語(yǔ)

提高緊固件快速裝配的自動(dòng)化程度對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率具有重要意義。文中對(duì)緊固件的快速裝配技術(shù)進(jìn)行了研究，首先基于特征識(shí)別技術(shù)提取了零件的所有孔特征，進(jìn)而提取得到部件的裝配孔特征。其次通過(guò)緊固件裝配知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)緊固件裝配模式的自動(dòng)匹配，并提出了一種基于受壓原理的緊固件裝配特征定義方法，簡(jiǎn)化了緊固件的裝配約束過(guò)程。再次建立了緊固件的快速裝配流程。最后以某部件為例演示了緊固件的快速裝配效果，驗(yàn)證了方法的有效性。

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程亞龍(1986-)，男，博士，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究工作。

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Research of Rapid Assembly Approach forFasteners Based on Feature Recognition

CHENG Ya-long，MEI Qi-yuan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to improve the assembly efficiency of fasteners, a method of rapid assembling for fasteners based on feature recognition is proposed in this paper. At first, all the hole-features of parts are abstracted and all the assembly-hole-features are abstracted from the component. Then, on the basis of assembly knowledge reasoning, the group model of fasteners is matched automatically. After that, a more convenient definition of assembly feature is presented, and the automatic assembling of fasteners is implemented. Finally, the rapid assembling process of fasteners is built, and a component is taken as an example to demonstrate the rapid assembling of fasteners. The effectiveness of the method is verified.

feature recognition; fastener; group model; assembly feature; automatic assembly

2016-04-25

TH131

A

1008-5300(2016)03-0042-04