基于基準(zhǔn)平面的虛擬自動裝配技術(shù)研究

楊龍允++孔偉進(jìn)++梅林強++袁鳳如++曹高華

摘 要：以PTC公司的三維設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合自定向下設(shè)計技術(shù)，提出了一種基于平面的產(chǎn)品虛擬自動裝配技術(shù)，并通過對裝配特征的分析，解決了基于平面裝配技術(shù)中裝配關(guān)系和零件偏距的問題。結(jié)合Creo2.0給出的API函數(shù)，以VS2010為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了對軸承座的虛擬自動裝配，驗證了該技術(shù)實的可行性。

關(guān)鍵詞：平面；虛擬；自動裝配；Creo2.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.105

0 引言

裝配技術(shù)不但在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中占有重要地位，也是眾多高校和科研單位重要的研究方向。能否準(zhǔn)確、高效的實現(xiàn)產(chǎn)品裝配成為制約產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要影響因素。但目前的三維設(shè)計軟件在進(jìn)行產(chǎn)品虛擬裝配時，繁瑣復(fù)雜的手工裝配嚴(yán)重降低了產(chǎn)品設(shè)計效率[1]。所以如何簡化裝配過程、提高裝配速度，進(jìn)而提高產(chǎn)品設(shè)計效率成為了當(dāng)今急需要解決的問題。

1 虛擬裝配技術(shù)

1.1 裝配的定義

裝配的過程就是將若干個零件組合成部件或?qū)⑷舾蓚€零件和部件組合成產(chǎn)品的過程；虛擬裝配是指通過軟件完成對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和修改；自動裝配是指對產(chǎn)品各零部件之間的約束和定位關(guān)系的自動識別、自動提取和自動控制的過程[2]。虛擬自動裝配是虛擬裝配和自動化的結(jié)合[3]。

1.2 虛擬裝配的分類

按照裝配體和零件的設(shè)計次序，可以將裝配設(shè)計技術(shù)分為兩種，分別為：自底向上設(shè)計和自定向下設(shè)計。自底向上設(shè)計是指即先設(shè)計出零件，然后將設(shè)計好的零件導(dǎo)入到裝配體中，檢測裝配體是否滿足設(shè)計要求。這種裝配設(shè)計時需要頻繁的給出零件和裝配體之間的配合約束，操作困難，且容易出現(xiàn)欠約束或過約束的情況。自定向下是指：在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段，按照該產(chǎn)品的最基本功能和要求，在設(shè)計頂層構(gòu)筑一個基本骨架，稱之為“頂層基本骨架”，隨后的設(shè)計過程基本上都是在該“頂層基本骨架”的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制、修改、細(xì)化、完善并最終完成整個設(shè)計的過程[4]。

1.3 裝配特征的分類

雖然現(xiàn)如今還沒有給裝配特征一個準(zhǔn)確的定義，但是可以根據(jù)功能將裝配特征分為：主體特征和輔助特征[1]。主體特征可以認(rèn)為是在設(shè)計零件時產(chǎn)生的面、邊、點等；輔助特征可以認(rèn)為是在設(shè)計零件（組件）時人為添加的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。

1.4 零件定位原理

在裝配過程中，需要指定裝配體和零件（組件）的裝配特征及其裝配關(guān)系。根據(jù)裝配特征及其裝配關(guān)系將零件（組件）經(jīng)過移動、旋轉(zhuǎn)到裝配位置，完成裝配過程[5]。其在裝配體中的位置可以用公式[p]=[T][p]來表示，其中[p]、[T]和[p]都是一個4×4階的矩陣。[p]表示零件在裝配體中的位置；[p]表示零件在裝配體中的初始位置，一般定義成一個單位矩陣；[T]是指變換矩陣，控制零件的移動和旋轉(zhuǎn)。通過改變每個零件的變換矩陣，就可以確定零件在裝配體中的位置，完成裝配。

2 基于基準(zhǔn)平面裝配實現(xiàn)原理

2.1 裝配基準(zhǔn)面

裝配基準(zhǔn)面是指在裝配過程中作為基準(zhǔn)的平面。零件或組件都有一個基準(zhǔn)坐標(biāo)系O_XYZ?？紤]到裝配體中零件需要約束的自由度不同，所以需要參加配合的平面也不同，但零件（組件）中最多三個兩兩相互垂直的平面就可以使零件（組件）達(dá)到完全定位。基于基準(zhǔn)平面的自動裝配將零件上的基準(zhǔn)平面與裝配體上的基準(zhǔn)平面進(jìn)行匹配，自動生成變換矩陣，根據(jù)生成的變換矩陣，軟件自動將零件變換到需要裝配的地方，最終實現(xiàn)自動裝配功能。

2.2 裝配元件路徑對象的獲取

裝配體路徑對象的獲取是實現(xiàn)裝配的重要步驟，現(xiàn)階段Croe2.0采用的是多叉樹結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是采用遞歸調(diào)用，從最底層開始向上查詢，每向上查詢一步就會產(chǎn)生一個唯一標(biāo)識號，通過一系列標(biāo)識號就可以表示出零件（子組件）的路徑。

2.3 裝配元件之間偏距問題的處理

在進(jìn)行零件設(shè)計時，由于零件在裝配體中的位置不同，不能保證零件默認(rèn)產(chǎn)生的平面和裝配體中默認(rèn)的平面能夠完全符合要求，一般利用兩種方法解決這種問題。一種利用骨架模型，在裝配體中添加N組平面，N為零件（組件）的個數(shù)，將零件中默認(rèn)的平面分別與這N組平面進(jìn)行約束；另一種是在產(chǎn)品設(shè)計初就確定零件的位置，通過在零件中設(shè)計三個兩兩相互垂直的平面，將這三個平面與組件中默認(rèn)的平面進(jìn)行約束。

3 虛擬自動裝配在Creo2.0中的實現(xiàn)

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計前，應(yīng)該建立外部應(yīng)用程序與Creo2.0的連接。建立的步驟一般為：新建工程，環(huán)境設(shè)置，代碼編寫，信息文件編寫，注冊、運行[6]。

現(xiàn)在以分離式軸承座為例，驗證該技術(shù)實現(xiàn)的可行性。軸承座采用自底向上和自定向下相結(jié)合的設(shè)計方法。軸承座主要有軸承座上蓋、軸承座下蓋和連接件組成。在分析軸承座的具體功能后，根據(jù)軸和軸承的尺寸，確定其裝配零件的尺寸、形狀和位置。在零件設(shè)計環(huán)境中設(shè)計出需要的零件，并根據(jù)裝配體中零件的位置，確定約束基準(zhǔn)平面的位置。然后進(jìn)入裝配環(huán)境，啟動開發(fā)好的自動裝配模塊，完成裝配。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于基準(zhǔn)平面的虛擬裝配思想。并結(jié)合虛擬裝配技術(shù)和二次開發(fā)技術(shù)，以Creo2.0為載體，實現(xiàn)了軸承座的虛擬自動裝配。大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雪梅，閆凡章，張斌，許坤.定制產(chǎn)品中自動裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012（08）：164-166.

[2]楊玲玲，胡樹根，王耘，林小哲，來明.基準(zhǔn)定位的自動裝配技術(shù)[J].輕工機(jī)械，2008，26（01）：59-62.

[3]邊欣，楊光，陳書軍.自頂向下的虛擬裝配設(shè)計[J].機(jī)械管理開發(fā)，2007，98（05）：72-73.

[4]張萍，廖文和，劉長毅.基于裝配特征的零件自動裝配[J].電氣技術(shù)與自動化，2004，33（05）：93-95，99.

[5]劉佶.基于Pro_E的DSG建模與自動裝配技術(shù)研究[D].西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[6]李文亮.自頂向下虛擬裝配系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].大連交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

作者簡介：楊龍允（1991-），男，山東鄆城人，碩士，學(xué)生。endprint