基于UG NX二次開(kāi)發(fā)的自動(dòng)裝配技術(shù)研究

陶小剛，郝 博

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

基于UG NX二次開(kāi)發(fā)的自動(dòng)裝配技術(shù)研究

陶小剛1，郝 博2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

以Visual Studio 2010 C++為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以UG/Open API為開(kāi)發(fā)接口，對(duì)UG的二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入探究，并以UG NX的開(kāi)發(fā)界面為支撐，對(duì)旋轉(zhuǎn)刀柄架進(jìn)行自動(dòng)裝配.通過(guò)該裝配實(shí)例對(duì)UG自動(dòng)裝配的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述.實(shí)例驗(yàn)證表明，利用UG實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配，可以避免虛擬手動(dòng)裝配造成的繁瑣，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本，提高裝配效率.

Visual Studio 2010；UG/Open API；二次開(kāi)發(fā)；自動(dòng)裝配

Unigraphics(簡(jiǎn)稱UG)是Siemens PLM Software公司最新推出面向制造業(yè)的CAD/CAE/CAM一體化高端軟件.它集成的二維工程圖創(chuàng)建、三維實(shí)體造型、參數(shù)化建模、裝配建模、數(shù)控加工、模具設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)模擬仿真和動(dòng)力學(xué)分析等技術(shù)，在航空、航天、汽車(chē)、船舶、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3].

UG NX系統(tǒng)配置了UG/Open API開(kāi)發(fā)接口,世界上大部分有開(kāi)發(fā)功能的應(yīng)用程序都可以和UG NX密切融合.本文擬結(jié)合Visual Studio 2010 ，對(duì)UG進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證一鍵虛擬裝配，創(chuàng)建快速、簡(jiǎn)潔的操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從零件到裝配體的自動(dòng)裝配過(guò)程.

1 UG NX二次開(kāi)發(fā)工具及程序模式

1.1 UG NX二次開(kāi)發(fā)工具

UG NX的二次開(kāi)發(fā)工具主要有以下4種：①UG/Open Menuscript，用于菜單的修改、編輯、刪除、創(chuàng)建和重置；②UG/Open UIStyler，是一種定制UG風(fēng)格對(duì)話框的可視化編輯器；③UG/Open GRIP，是一種專門(mén)解釋UG系統(tǒng)與外部連接的圖形交互式編程語(yǔ)言；④UG/Open API，是UG與外部應(yīng)用程序的接口.針對(duì)不同開(kāi)發(fā)環(huán)境，各種UG NX二次開(kāi)發(fā)工具各有特點(diǎn).本文主要介紹 UG/Open API.

UG/Open API又稱User Function，它包含開(kāi)發(fā)模式、語(yǔ)法、表達(dá)式，支持C、C++、VB、.NET、Java等主要的高級(jí)語(yǔ)言[4].

1.2 UG NX二次開(kāi)發(fā)的程序模式

根據(jù)程序所要求運(yùn)行的環(huán)境，UG/Open API開(kāi)發(fā)程序可分為外部和內(nèi)部?jī)煞N程序模式.

1.2.1 外部(External)程序模式

首先通過(guò)UG三維軟件建立PAR格式文件，然后通過(guò)API函數(shù)在外部編寫(xiě)具有操作功能的程序，最后結(jié)合PRT文件和外部程序運(yùn)行函數(shù)，實(shí)現(xiàn)UG NX開(kāi)發(fā)的結(jié)果.

在外部程序模式下，UG/Open API只能在UG環(huán)境外運(yùn)行，不能在UG的環(huán)境中作為UG的子程序運(yùn)行.它作為操作系統(tǒng)的子程序，運(yùn)行和調(diào)用相當(dāng)靈活，但不能與UG圖形進(jìn)行交互，所以其應(yīng)用范圍相當(dāng)狹窄.

1.2.2 內(nèi)部(Inernal)程序模式

所謂內(nèi)部程序模式，就是通過(guò)UG界面調(diào)用開(kāi)發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)特定功能.這種功能的實(shí)現(xiàn)大體上有兩種形式：一種是全函數(shù)編寫(xiě)，生成可執(zhí)行的動(dòng)態(tài)鏈接；另一種是結(jié)合部分UG自動(dòng)功能模塊和開(kāi)發(fā)函數(shù)，生成可執(zhí)行的動(dòng)態(tài)鏈接.比較而言，通過(guò)后者，可以更簡(jiǎn)潔有效、目標(biāo)性更強(qiáng)地實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)功能.

在內(nèi)部程序模式下，UG/Open API只能在UG環(huán)境內(nèi)運(yùn)行.該模式下編譯鏈接生成的DLL文件，程序代碼小，運(yùn)行速度快，運(yùn)行的結(jié)果在UG界面窗口中可見(jiàn).其入口函數(shù)主要是ufsta(啟動(dòng)時(shí)的User Exit)和ufusr(直接激活的User Exit)，可以與用戶進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)與UG的無(wú)縫集成[5].

UG內(nèi)部程序模式的通用性比較強(qiáng).結(jié)合這一優(yōu)點(diǎn)，本文采用內(nèi)部程序模式，通過(guò)VS2010中C++編譯環(huán)境編譯鏈接，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL文件，然后執(zhí)行NX系統(tǒng)的NX Open程序來(lái)運(yùn)行動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)裝配.

2 UG系統(tǒng)裝配模塊的裝配樹(shù)

UG裝配過(guò)程是以樹(shù)形結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械中各組件和部件進(jìn)行一定約束的虛擬裝配.根據(jù)UG系統(tǒng)的裝配模塊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在執(zhí)行裝配的過(guò)程中，有且只有一個(gè)部件相對(duì)于原點(diǎn)絕對(duì)靜止，即裝配模塊中只含有一個(gè)裝配樹(shù)根.顯然，裝配樹(shù)根的選取對(duì)裝配過(guò)程有至關(guān)重要的作用.圖1所示為某小車(chē)的裝配樹(shù)簡(jiǎn)圖.通過(guò)該簡(jiǎn)圖，很容易得出裝配樹(shù)三要素，即部件事例、部件原型與部件實(shí)例[6].

(1)部件事例(Part Occurrence).類似圖1中4個(gè)車(chē)輪Ins_1、Ins_2、Ins_3、Ins_4，兩個(gè)車(chē)輪軸occ_5、occ_6和車(chē)底座occ_7，部件事例是客觀存在的具體部件模型；同時(shí)，可以理解為，圖中的虛線箭頭表示同類型部件對(duì)其部件基本模型的一種引用關(guān)系.因此，當(dāng)裝配過(guò)程需多次引用時(shí)，只需建立部件原型所對(duì)應(yīng)的事例庫(kù)即可.在裝配環(huán)境中，不同的部件事例表示部件被裝配在裝配體的不同位置.因此，為了區(qū)分各部分的部件事例，在編寫(xiě)可執(zhí)行程序時(shí)，必須賦予部件事例確定、唯一的標(biāo)識(shí).

(2)部件原型(Part Prototype).類似于圖1中輪pro_1、車(chē)輪軸pro_2和車(chē)底座pro_3，部件原型可以認(rèn)為是同類型部件的基本部件模型，是同類型部件中最基本元素的集合。它記錄了模型所需的所有數(shù)據(jù)，同樣也是客觀存在的具體部件模型.一個(gè)裝配過(guò)程多次引用某一部件原型，則會(huì)產(chǎn)生不同的部件事例效應(yīng)，但是這些效應(yīng)最基本的來(lái)源還是部件原型.

(3)部件實(shí)例(Part Instance).部件實(shí)例是指在裝配環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)裝配各組件確定的相對(duì)位置，對(duì)裝配組件施加的一種虛擬裝配關(guān)系.它也表示兩部件在裝配過(guò)程中唯一的裝配加載關(guān)系.類似圖1中的實(shí)線箭頭，要完成車(chē)輪與車(chē)輪軸的固定安裝，需要在車(chē)輪軸的徑向?qū)?chē)輪施加一定約束；要完成車(chē)輪軸與車(chē)底座的固定安裝，同樣需要在車(chē)輪軸的徑向?qū)?chē)底座施加一定約束.這個(gè)過(guò)程就是部件實(shí)例.

圖1 小車(chē)的裝配樹(shù)簡(jiǎn)圖

3 自動(dòng)裝配的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

運(yùn)用3DCAD實(shí)現(xiàn)裝配主要是通過(guò)手動(dòng)添加零部件，通過(guò)特征約束實(shí)現(xiàn)零部件的手動(dòng)裝配.它雖然可提高虛擬裝配水平，但是仍需要人為識(shí)別裝配特征.本文通過(guò)UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)裝配零部件特征進(jìn)行函數(shù)標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)零部件的自動(dòng)裝配.

在UG二次開(kāi)發(fā)中，自動(dòng)裝配過(guò)程包括主動(dòng)組件的加載過(guò)程、組件事例標(biāo)識(shí)的獲取過(guò)程、約束對(duì)象標(biāo)識(shí)的獲取過(guò)程和裝配約束關(guān)系的建立過(guò)程[7].

3.1 主動(dòng)組件的加載過(guò)程

通過(guò)調(diào)用UF_ASSEM_add_part_to_assembly函數(shù)可實(shí)現(xiàn)組件的加載過(guò)程.在加載過(guò)程中，需要確定零部件的位置和方位，從而更精確地安裝到工作部件上，實(shí)現(xiàn)裝配零部件與工作部件的裝配順序加載關(guān)系.用于獲取主動(dòng)組件加載的代碼如下：

/*主動(dòng)組件的加載*/

double adOrigin[3] = {0，0，0};

/*部件在裝配中的坐標(biāo)原點(diǎn)重定位*/

double adCsysMatrix[6] = {1,0,0,1,0,0};

/*部件在裝配中的坐標(biāo)系重定位*/

tag_t tInsPartFrom;

UF_PART_load_status_t load_status;

UF_ASSEM_add_part_to_assembly(tPrtWorkpart,sPartName,sRefsetsName,

sInstanceName,adOrigin,adCsyMatrix,i

LayerNum,&tInsPartFrom,&load_status );

uc1601(“加載組件成功”,1);

/*終止開(kāi)發(fā)環(huán)境*/

在程序編寫(xiě)過(guò)程中，識(shí)別和定義零部件需要添加的標(biāo)識(shí)符如下：PrtWorkpart為工作部件標(biāo)識(shí)；sPartName 為加載部件文件名；sInstanceName為加載部件的組件名；tInsPartFrom為返回加載部件的實(shí)例標(biāo)識(shí).

3.2 組件事例標(biāo)識(shí)的獲取過(guò)程

(1)主動(dòng)組件事例標(biāo)識(shí)獲取：UF_ASSEM_ask_part_occ_of_inst函數(shù)直接獲取.

(2)從動(dòng)組件事例標(biāo)識(shí)獲?。孩俅_定從動(dòng)組件的部件標(biāo)識(shí)；②獲取從動(dòng)組件的所有事例標(biāo)識(shí)；③對(duì)事例標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的組件名與從動(dòng)組件名進(jìn)行匹配識(shí)別說(shuō)明，確定從動(dòng)組件的事例標(biāo)識(shí).

對(duì)于組件事例標(biāo)識(shí)的獲取過(guò)程，同一裝配過(guò)程的部件名和組件名只能有一個(gè)相同.

3.3 約束對(duì)象標(biāo)識(shí)的獲取過(guò)程

用于建立裝配約束關(guān)系的對(duì)象標(biāo)識(shí)的獲取步驟為：①使用UF_ASSEM_set_work_part函數(shù)，將對(duì)象所在的部件設(shè)置為工作部件；②利用UF_OBJ_cycle_by_name獲取對(duì)象的標(biāo)識(shí).

這里，同一種部件只有唯一確定的對(duì)象名.

3.4 裝配約束關(guān)系的建立過(guò)程

裝配中各部件之間要實(shí)現(xiàn)絕對(duì)靜止或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合，就必須建立裝配約束關(guān)系.裝配約束是指實(shí)現(xiàn)兩部件在空間中唯一確定的位置關(guān)系需要對(duì)部件位置和方位的控制.在裝配時(shí)，各個(gè)配合關(guān)系的約束之間不能存在約束干涉，否則會(huì)產(chǎn)生裝配偏移或安裝缺失,即在UG裝配界面表現(xiàn)為紅色約束干涉.

NX提供的裝配配對(duì)約束關(guān)系包括貼合(Mate)、對(duì)齊(Align)、角度(Angle)、中心(Center)、距離(Distance)、平行(Parallel)、垂直(Perpendicular)和相切(Tangent)等.

(1)定義裝配約束條件：填寫(xiě)結(jié)構(gòu)UF_ASSEM_constraint_s中的內(nèi)容.

(2)求解約束：使用函數(shù)UF_ASSEM_solve_mc求解配合關(guān)系，并返回相應(yīng)參數(shù).其語(yǔ)法格式如下：

/*約束求解數(shù)據(jù)*/

UF_ASSEM_mating_condition_p_t mc_data；/* 輸入?yún)?shù)，定義配合關(guān)系結(jié)構(gòu)*/

UF_ASSEM_mc_status_t* status； /* 輸出參數(shù)，表示求解結(jié)果*/

UF_ASSEM_dof_p_t dof；/*輸出參數(shù)，表示如果求解成功，那么該參數(shù)代表部件自由度的數(shù)量*/

double transform[4][4];/*輸出參數(shù)，表示完成裝配約束時(shí)部件的變換矩陣*/

......

/*裝配環(huán)境下*/

......

UF_CALL(UF_ASSEM_solve_mc( &mc_data，&status，&dof，&transform )).

(3)將約束應(yīng)用于裝配體：使用函數(shù)為UF_ASSEM_apple_mc_data.

(4)更新模型：使用函數(shù)UF_MODL_updata，反映更新后模型的變化.

裝配配合關(guān)系和配合約束所涉及的其他函數(shù)及功能如表1所示.

表1 裝配配合關(guān)系和配合約束所涉及的其他函數(shù)及功能

4 旋轉(zhuǎn)刀柄架自動(dòng)裝配實(shí)例

旋轉(zhuǎn)刀柄架由旋轉(zhuǎn)板、刀柄定位板、銷(xiāo)釘、刀柄桿、墊圈和壓緊螺釘?shù)炔考M成.采用UG二次開(kāi)發(fā)中參數(shù)化建模獲取方法創(chuàng)建這些部件后,一鍵自動(dòng)裝配成旋轉(zhuǎn)刀柄架.

4.1 項(xiàng)目文件夾創(chuàng)建和系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置

4.1.1 項(xiàng)目文件夾創(chuàng)建

在D盤(pán)文件夾Assembly下分別創(chuàng)建application和startup兩個(gè)子文件夾.其中，一個(gè)子文件夾用于存放對(duì)話框文件和編譯鏈接后生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，以及工具條和對(duì)話框的位圖圖標(biāo)；另一個(gè)子文件夾用于存放菜單和工具條文件.

4.1.2 系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置

設(shè)置1：“UGII_VENDOR_DIR = D:Assembly”；UG NX系統(tǒng)在啟動(dòng)后自動(dòng)執(zhí)行菜單文件和工具條文件.

設(shè)置2：“UGII_BITMAP_PATH = D:Assemblyapplication”；UG NX系統(tǒng)能夠找到相應(yīng)的位圖文件.

4.2 菜單和工具條設(shè)計(jì)

利用記事本編寫(xiě)菜單和工具條代碼，創(chuàng)建菜單名caidan.men，創(chuàng)建工具條名gongjutiao.tbr；利用UG/Open MenuScript語(yǔ)言建立用戶菜單和工具條.

4.2.1 菜單文件caidan.men的具體代碼

VERSION 120 /*菜單腳本號(hào)120*/

EDIT UG_GATEWAY_MAIN_MENUBAR /*編輯UG主菜單*/

BEFORE UG_HELP /*在HELP菜單前設(shè)置新菜單*/

CASCADE_BUTTON CUSTOM_MYMENU /*層頂菜單項(xiàng)定義第一級(jí)菜單ID*/

LABEL 裝配實(shí)例 /*菜單項(xiàng)名稱*/

END_OF_BEFORE /*結(jié)束第一級(jí)菜單編輯*/

MENU CUSTOM_MYMENU /*編輯第二級(jí)菜單*/

BUTTON MAKE_XZDBJ /*定義第二級(jí)菜單ID*/

LABEL 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)刀柄架 /*菜單項(xiàng)名稱*/

BITMAP makexzdbj.bmp /*第二級(jí)菜單位圖地址*/

ACTIONS makexzdbj.dlg /*指定菜單響應(yīng)行為*/

END_OF_MENU /*編輯菜單完成*/

4.2.2 工具條文件gongjutiao.tbr的具體代碼

TITLE 裝配實(shí)例 /*工具條的標(biāo)題*/

VERSION 170 /*工具條腳本號(hào)170*/

BUTTON MAKE_QG /*定義的工具條ID*/

LABEL 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)刀柄架 /*工具條名稱*/

BITMAP makexzdbj.bmp /*工具條位圖地址*/

新建文件完成后，將文件保存到startup文件夾中，啟動(dòng)UG ，新建一個(gè)部件.此時(shí)，界面中出現(xiàn)一個(gè)新“裝配實(shí)例”的菜單項(xiàng)并伴有下拉菜單項(xiàng)“創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)刀柄架”，同時(shí)UG界面出現(xiàn)“創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)刀柄架”的工具條(圖2).

圖2 菜單和工具條創(chuàng)建

4.3 對(duì)話框創(chuàng)建過(guò)程

啟動(dòng)UG，新建部件模型，點(diǎn)擊【開(kāi)始】，進(jìn)入U(xiǎn)G/Open UIStyler界面，利用各種對(duì)話框控件制作“創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)刀柄架”對(duì)話框.該對(duì)話框定義5個(gè)回調(diào)函數(shù)，即【取消】按鈕回調(diào)函數(shù)cancel_cb_pressed、【確定】按鈕回調(diào)函數(shù)ok_cb_pressed、【返回】按鈕回調(diào)函數(shù)back_cb、【瀏覽】按鈕回調(diào)函數(shù)action_browse_act_cb和【創(chuàng)建】按鈕回調(diào)函數(shù)action_create_act_cb.創(chuàng)建完成后，保存文件，語(yǔ)言選擇為“C”，將自動(dòng)生成的makexzdbj.dlg、makexzdbj.h和makexzdbj_template.c文件(其中makexzdbj.dlg為資源文件)保存到application文件夾中.對(duì)話框的創(chuàng)建過(guò)程如圖3所示.

4.4 自動(dòng)裝配圖的生成

裝配過(guò)程中首先獲取UG NX的許可，生成每個(gè)部件，依次加載到主動(dòng)組件上.在加載過(guò)程中，需要對(duì)裝配約束進(jìn)行判斷求解，求解成功后進(jìn)行主動(dòng)組件的加載操作，創(chuàng)建所需的裝配圖.旋轉(zhuǎn)刀柄架安裝系統(tǒng)流程如圖4所示.

通過(guò)編寫(xiě)程序代碼，瀏覽創(chuàng)建生成文件，生成旋轉(zhuǎn)刀柄架自動(dòng)裝配圖(圖5).

圖3 對(duì)話框的創(chuàng)建過(guò)程

圖4 旋轉(zhuǎn)刀柄架安裝系統(tǒng)流程

圖5 旋轉(zhuǎn)刀柄架自動(dòng)裝配圖

5 結(jié)束語(yǔ)

利用Visual Studio 2010 C++開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)UG NX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)裝配實(shí)例直觀、準(zhǔn)確地反映各部件形狀及其裝配關(guān)系，驗(yàn)證了該自動(dòng)裝配技術(shù)的可行性.裝配組件通過(guò)建立參數(shù)化設(shè)計(jì)模型來(lái)創(chuàng)建，方便了各部件的系統(tǒng)儲(chǔ)存，縮小了內(nèi)存占用空間.通過(guò)自動(dòng)裝配技術(shù)的研究，傳統(tǒng)手動(dòng)虛擬裝配會(huì)被替代，自動(dòng)裝配技術(shù)將在機(jī)械行業(yè)廣泛應(yīng)用.

[1] 劉紅軍，李 帥，周 鳴.基于UG的PCB電路板自動(dòng)裝配技術(shù)的開(kāi)發(fā)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011,33(19)：24-26.

[2] 王曉英，李 森.基于UG NX的模具三維建模與裝配技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007(3):78-81.

[3] 劉路路，郝 博.基于三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2011,28(3):20-23.

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[5] 黃 勇.UG/Open API、MFC和COM開(kāi)發(fā)實(shí)例精解[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009:2-3.

[6] 芮岳峰，井維峰.基于UG自動(dòng)化虛擬裝配系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007,36(5)：18-20.

[7] 周臨震，李青祝，秦 珂.基于UG NX系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)[M].南京：江蘇大學(xué)出版社，2012：184-187.

Research on Automatic Assembly Technology Based on UG NX Secondary Development

TAO Xiao-gang1，HAO Bo2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University,Shengyang 110159,China;2.Liaoning Jidian Polytechnic,Dandong 118009,China)

Take Visual Studio 2010 C++as integrated development environment and UG / open API as the development interface program, this paper explored the secondary development of UG, and automated the assembly of the rotation of the shank frame by the support of the UG NX development interface. Furthermore, this paper also discussed the key techniques in the automatic assembly of UG through the assembly case carried out above. By the verification of the case, it proved that using UG automatic assembly, the tedious manual work of virtual assembly can be avoided, the product development cycle can be shortened, the cost can be reduced and thus the efficiency of assembly can be improved.

Visual Studio 2010; UG/open API; secondary development; automatic assembly

2016-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61672360)

陶小剛(1993-)，男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù).

1006-3269(2016)04-0024-06

TP391.7

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.006