基于裝配特征的螺栓連接件自動化裝配技術(shù)研究

鄒東文 向俊輝

摘 要：目前，絕大多數(shù)CAD軟件中的裝配均是設(shè)計者手工拾取點線面的傳統(tǒng)裝配操作，裝配操作過程非常繁瑣且容易出現(xiàn)錯誤。針對以上問題，本文提出了基于裝配特征的零部件自動化裝配方法。并在該方法的指導(dǎo)下，利用 UG和C++語言成功的實現(xiàn)了螺栓連接件的自動化裝配。該裝配的實現(xiàn)對于提升螺栓連接件的裝配效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 裝配特征 螺栓連接件 自動化裝配 UG

0引言

到目前為止，絕大多數(shù)CAD軟件中的裝配都是依靠開發(fā)人員手工拾取裝配對象、重復(fù)輸入裝配命令來完成。對于復(fù)雜裝配體，更需要開發(fā)人員者對相關(guān)的裝配工藝知識、裝配順序有很深的理解。除此之外，傳統(tǒng)裝配操作重復(fù)性高，出錯率相對較大，時間成本也高 [1]。本文提出的基于裝配特征的自動化裝配方法能很好的解決以上問題，使得裝配操作更為快捷、高效，減輕了設(shè)計者的工作強度，提高了裝配建模的效率。

1裝配特征的定義

關(guān)于裝配特征的定義，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者都對其進行了描述。DOsH等指出裝配特征的內(nèi)涵是產(chǎn)品中兩個不同零件間形狀特征間的聯(lián)系[1]。南京航空航天大學(xué)的張萍提出裝配特征是指零件表面上參與裝配活動的區(qū)域，主要包括特征名稱、裝配特征坐標系、特征參數(shù)（尺寸、方向等） [2]。

為了滿足自動化裝配的需要，本文采用孫文等人對裝配特征的定義：

裝配特征是反映幾何元素、配合類型、裝配操作方式以及反映裝配關(guān)系的所有裝配輔助信息的信息集合[3]。其數(shù)學(xué)形式描述如下：

AF={GM∪MA∪AO∪AI}。

其中AF為裝配特征；GM為幾何元素；MA為配合類型；AO為裝配操作方式；AI為與裝配有關(guān)的裝配輔助信息。

由于本文研究的重點是裝配過程中的幾何元素和配合關(guān)系，因此將該裝配特征定義進行簡化，簡化后的數(shù)學(xué)形式如下：

AF={GM∪MA }。

2螺栓連接件的裝配特征分析

螺栓連接件包括螺栓和螺母，在工程中應(yīng)用廣泛。

螺栓和螺母的裝配特征幾何元素如圖1所示，其中1為螺栓軸線，2為螺栓下端面，3為螺母軸線，4為螺母上端面。在裝配過程中螺母上的內(nèi)螺紋與螺栓的外螺紋相配合，裝配特征幾何元素取螺栓軸線和螺母軸線，配合類型為對齊（align），即1與3應(yīng)對齊，裝配特征AF={螺栓軸線∪螺母軸線∪對齊}。除此之外，螺栓下端面與螺母上端面應(yīng)按規(guī)定擰緊到固定值，本文中該值為16.5mm，即2與4面的配合類型采用距離約束，且distance=19，裝配特征幾何元素分別為螺栓下端面和螺母上端面，裝配特征AF={螺栓下端面∪螺母上端面∪距離}。由以上兩對裝配約束關(guān)系即可完成螺栓與螺母的完全裝配。

3螺栓連接件自動裝配的實現(xiàn)

基于裝配特征的零部件自動化裝配方法就是預(yù)先定義待裝配零部件的裝配特征，然后在UG中由程序調(diào)用裝配零部件的幾何元素和配合關(guān)系，將裝配約束施加給裝配幾何元素并對約束進行求解完成零件的自動化裝配。

（1）裝配特征命名

裝配特征名是零件在裝配過程中的唯一標識。在建立了螺栓和螺母的零件模型后，需要對裝配特征幾何元素進行裝配特征命名。螺母上端面的特征命名如圖2所示。

本文中，對裝配特征的幾何元素螺栓軸線、螺栓下端面、螺母軸線、螺母上端面分別命名為：LUOSUAN_AXIS、LS_DUANM、LUOMU_AXIS、LUOMU_DUANM。

（2）自動裝配的實現(xiàn)

UG中，自動化裝配過程通常由三部分組成：部件的導(dǎo)入、部件間配合關(guān)系的創(chuàng)建以及裝配約束的求解和執(zhí)行。在本文中，部件的導(dǎo)入由函數(shù)UF_ASSEM_add_part_to_assembly（ ）來實現(xiàn)。

在自動化裝配中，各部件間的配合關(guān)系是通過裝配約束的創(chuàng)建來實現(xiàn)的。裝配約束是指一個部件到另一個部件的約束，當部件A配合到部件B，則部件A稱為主動件（From），部件B稱為被動件（To）。本文將螺栓設(shè)為裝配被動件，螺母設(shè)為裝配主動件。

本文建立部件間裝配約束的步驟如下：

1）定義裝配約束：即定義結(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求解約束。

3）應(yīng)用約束到裝配體：使用函數(shù)UF_ ASSEM_Apply_mc_data將約束施加到裝配體上；

4）更新模型：使用函數(shù)UF_MODL_update更新裝配后的模型。

在裝配約束創(chuàng)建完畢后，對約束進行求解，并執(zhí)行約束即可完成螺栓連接件的自動化裝配。

此外，本文通過UG Open中的開發(fā)工具UI Styler開發(fā)了螺栓連接件裝配界面，如圖3所示。在裝配時首先點擊“添加螺栓和螺母”按鈕，導(dǎo)入待裝配零件模型；然后通過點擊“自動裝配按鈕”即可實現(xiàn)螺栓連接件的自動裝配。圖4為螺栓和螺母裝配后的效果圖。

4.結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)裝配方法的不足，提出了基于裝配特征的零部件自動化裝配新方法，并以螺栓連接件的自動化裝配為例驗證了該方法的可行性。本文的研究有效的提高了螺栓連接件的裝配效率，減輕了設(shè)計者的工作強度，并且使得裝配后的模型易于修改，為其他裝配系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考。

參考文獻：

[1] 李天信. 基于裝配特征的快速裝配仿真技術(shù)研究及應(yīng)用[D].西安電子科技大學(xué)，2006.

[2] 張萍，廖文和，劉長毅. 基于裝配特征的零件自動裝配[J]. 機械制造與自動化，2004，05：93-95+99.

[3] 孫文，周惠群，趙小東. 基于裝配特征的虛擬自動裝配的研究和表達方法的描述[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2006，15：2350-2353.

作者簡介：鄒東文（1988-11-4）男，漢族，湖北宜昌人，碩士研究生 主要從事汽車專業(yè)教學(xué)研究.

向俊輝 （1991-05-20）女，土家族，湖北宜昌人，護師，本科，主要從事醫(yī)學(xué)研究.