面向虛擬裝配的電氣柜物元-關(guān)系模型研究

陳玉花,盛步云

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院湖北省數(shù)字制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

裝配信息建模技術(shù)是虛擬裝配中至關(guān)重要的技術(shù)，虛擬裝配技術(shù)對優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少產(chǎn)品物理建模、縮短裝配周期、提高裝配質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)模型資源共享重用有著重要意義[1-2]。在虛擬環(huán)境下，這個(gè)信息模型不僅要表達(dá)清楚零件的各類特征信息，還要表達(dá)零件與零件之間的裝配關(guān)系。目前，在三維CAD中的虛擬裝配，主要依靠用戶手動(dòng)添加繁瑣的約束關(guān)系，并且在裝配時(shí)一旦出現(xiàn)零件特征形狀誤差，無法實(shí)時(shí)地進(jìn)行改正。因此，建立產(chǎn)品數(shù)字化裝配信息模型，可以為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品智能裝配提供有效解決方案。

國內(nèi)外學(xué)者在面向虛擬裝配進(jìn)行裝配信息建模和信息提取方面進(jìn)行了大量的研究。Sanderson等[3]建立了一個(gè)由五元組組成的關(guān)系模型。Sah等[4]提出了基于產(chǎn)品特征的產(chǎn)品裝配信息模型，按照特征分級表示，方便裝配信息的提取。張聞雷等[5]建立了中小企業(yè)裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)，定義了多層次與多維度的裝配集成模型。戴國洪等[6]提出一種基于多視圖的裝配信息模型，利用不同的向視圖表達(dá)各種裝配信息。

這些研究以不同的方法對產(chǎn)品的裝配信息進(jìn)行了建模，但大致都是傳統(tǒng)意義上的層次模型和關(guān)系模型。電氣柜型號多樣，結(jié)構(gòu)多樣，這些傳統(tǒng)方法不能適應(yīng)電氣柜的多種變換。本文引入的物元-關(guān)系模型具有發(fā)散性、可拓性、相關(guān)性、蘊(yùn)含性等特性，能夠?qū)Ξa(chǎn)品信息進(jìn)行更好的管理和集成。其中可拓性有置換、增加、刪減等多種基本變換形式，能夠適應(yīng)不同需求的電氣柜結(jié)構(gòu)。本文分析從電氣柜中各個(gè)零部件的物元-關(guān)系入手，對電氣柜的各種信息進(jìn)行了有序的組織和表達(dá)，建立了電氣柜物元-關(guān)系模型，對虛擬裝配提供支持，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

1 電氣柜的物元-關(guān)系模型

1.1 物元和關(guān)系元定義

給定事物的名稱N，它關(guān)于特征c的量值為v,以有序三元組r=(N,c,v)作為描述事物的基本元，稱為物元[7],把事物的名稱、特征、量值作為物元三要素。v由N和c確定，記作

v=c(N)

(1)

因此物元也可以表示為

r=(N,c,c(N))

(2)

一個(gè)事物有多個(gè)特征，如果事物N以n個(gè)特征c1,c2,…,cn和相應(yīng)的量值v1,v2,…,vn描述，則n維物元R可表示為

(3)

式中：R=(N,C,V)，C表示各個(gè)特征的集合，V表示特征對應(yīng)量值的集合。

物元與物元之間可能有不同的關(guān)系,這些關(guān)系之間又相互作用、相互影響，關(guān)系元就是描述這類現(xiàn)象的形式化工具。以關(guān)系詞或關(guān)系名S和n個(gè)特征ci(Q)以及相應(yīng)的量值vi構(gòu)成n維關(guān)系元Q：

(4)

當(dāng)n為1時(shí)，稱Q為單維關(guān)系元。

1.2 電氣柜物元-關(guān)系模型構(gòu)建

電氣柜的生產(chǎn)特點(diǎn)是多品種、小批量、面向訂單型生產(chǎn)制造。根據(jù)用戶的需求不同，不同型號的電氣柜結(jié)構(gòu)形式多種多樣。

以電氣柜的零件為對象，構(gòu)建物元模型和關(guān)系元模型。物元模型是虛擬裝配中該零件的唯一索引，通過該索引可以識別該零件的名稱以及該零件在裝配體中的基本結(jié)構(gòu)層次信息等。關(guān)系元模型則是完整描述零件與零件之間的各種約束關(guān)系。根據(jù)物元-關(guān)系元的概念定義電氣柜中零件的物元模型R和關(guān)系元模型Q：

(5)

(6)

關(guān)系元模型中的前項(xiàng)和后項(xiàng)分別為約束關(guān)系中的兩個(gè)零部件，裝配參考元素可以是零件上的點(diǎn)、線、面等。約束類型根據(jù)SolidEdge軟件的裝配約束功能，分為貼合和面對齊關(guān)系、軸對齊關(guān)系、固定關(guān)系、點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系、角度約束、齒輪關(guān)系、凸輪關(guān)系7種類型。

電氣柜的物元-關(guān)系模型的整體表示如圖1所示。

圖1 電氣柜物元-關(guān)系模型

物元-關(guān)系模型具有可拓性。如圖2所示，各個(gè)零件的物元-關(guān)系模型通過可拓線聯(lián)系在一起。

圖2 物元-關(guān)系模型可拓線

同物同征線或同征同值線相鄰兩個(gè)面上的設(shè)計(jì)物元具有可替換性。

1.3 物元-關(guān)系模型信息提取

在SolidEdge軟件中，產(chǎn)品包含的零部件及其層次關(guān)系、裝配約束關(guān)系通過產(chǎn)品特征樹來表達(dá)[8]。因此，可以采用遞歸算法對產(chǎn)品特征樹進(jìn)行遍歷來獲取裝配體的各類信息。具體步驟如下：

第一步，遍歷產(chǎn)品特征樹每一層的根節(jié)點(diǎn)，判斷此部件是否還有下一層級，如有則根據(jù)根節(jié)點(diǎn)遍歷根節(jié)點(diǎn)子級中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)；

第二步，通過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得零件模型文檔對象，訪問該零部件的屬性表和變量，獲取它的設(shè)計(jì)參數(shù)等信息；

第三步，根據(jù)每個(gè)零部件文檔對象訪問特征樹中各自的“約束節(jié)點(diǎn)”，提取約束的詳細(xì)信息，包括約束名稱、約束類型等；

第四步，將以上提取到的信息保存在數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)進(jìn)行信息的抽象表達(dá)。

2 基于物元-關(guān)系模型的虛擬裝配

基于物元-關(guān)系模型的信息模型能夠有效保證電氣柜產(chǎn)品信息的完整性和一致性，支持信息的共享與集成。通過對模型中的信息進(jìn)行相應(yīng)的抽象表達(dá)，計(jì)算機(jī)對抽象信息進(jìn)行識別，為虛擬裝配提供支持，實(shí)現(xiàn)模型的調(diào)用、組裝、替換。

2.1 物元-關(guān)系模型信息的抽象表達(dá)

抽象表達(dá)模型信息是為了使計(jì)算機(jī)程序能夠準(zhǔn)確辨識模型中各類信息，捕捉零件在裝配體中的位置和裝配關(guān)系，因此規(guī)范化的抽象表達(dá)是信息共享的重要前提和基礎(chǔ)。信息抽象表達(dá)的流程如圖3所示。

圖3 物元-關(guān)系模型的信息抽象表達(dá)流程

物元-關(guān)系模型中信息采用字母進(jìn)行抽象表達(dá)。以抽屜單元中的塑殼斷路器為例，它的零件名稱抽象表達(dá)為MCCB(塑殼斷路器)，它的所屬裝配體的拓?fù)鋵哟挝恢贸橄蟊磉_(dá)為DU(抽屜單元)，它在裝配結(jié)構(gòu)樹中層次位置抽象表達(dá)為TAX(總裝配)。塑殼斷路器的關(guān)系模型的部分抽象表達(dá)見表1。

表1 塑殼斷路器的關(guān)系模型的抽象表達(dá)

將這些抽象表達(dá)信息標(biāo)識在數(shù)字模型的裝配結(jié)構(gòu)樹和數(shù)據(jù)庫中，完成物元-關(guān)系模型的抽象表達(dá)。圖4是塑殼斷路器的裝配參考元素的抽象表達(dá)在模型中的具體位置。

圖4 塑殼斷路器的標(biāo)識

2.2 模型的調(diào)用與組裝

基于建立的物元-關(guān)系模型以及模型中各類信息的抽象表達(dá)，借助人機(jī)交互，獲取虛擬裝配所需要的各類信息。通過獲取信息完成模型的調(diào)用與組裝的具體步驟如下：

第一步，提取零件的物元-關(guān)系模型中所有信息的抽象表達(dá)；

第二步，對獲取的信息進(jìn)行分析，提取各裝配層次的相關(guān)裝配信息，根據(jù)零件物元模型中的元素M、O、P確定各零件的裝配層次以及從屬關(guān)系；

第三步，根據(jù)物元模型中的元素X、關(guān)系元模型中的元素B和E確定零件之間的約束關(guān)系，從低層級的子裝配層次開始裝配，依據(jù)相應(yīng)的D、E、F完成該裝配層次的裝配；

第四步，判斷目前裝配模型是否為總裝配，若不是，則返回第三步，若是則結(jié)束。

根據(jù)以上步驟，獲取模型信息進(jìn)行模型調(diào)用組裝的流程如圖5所示。

圖5 模型的調(diào)用組裝流程

2.3 模型的替換

數(shù)字模型的替換是生產(chǎn)裝配中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，對提高設(shè)計(jì)效率和縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期有著重要的作用[9]。利用物元-關(guān)系模型可以同時(shí)對電氣柜中多個(gè)零部件進(jìn)行替換，能夠大大提高裝配替換效率。

通過人機(jī)交互界面選擇替換零部件，通過分析被替換零部件的拓?fù)鋵哟我约把b配關(guān)系，從模型庫和數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的零部件替換原模型的零部件，添加相應(yīng)的裝配約束。數(shù)字模型的替換流程如圖6所示。

圖6 數(shù)字模型的替換流程

3 實(shí)例驗(yàn)證

選取某電氣公司的產(chǎn)品低壓抽屜柜為應(yīng)用對象，針對其中一層抽屜中的塑殼斷路器建立面向虛擬裝配的物元-關(guān)系模型，提取抽屜的物元信息和關(guān)系元信息，完成信息的抽象表達(dá)。利用建立的物元-關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)抽屜的調(diào)用、組裝、替換。

3.1 抽屜的模型結(jié)構(gòu)

如圖7所示，圖7(a)是8E抽屜-125A-手搖裝配的總成裝配圖，圖7(b)是該抽屜的分解示意圖，從圖中可以清楚地看到每一個(gè)零部件在整個(gè)抽屜裝配體中的位置和姿態(tài)。

1—手柄;2—儀表框;3—抽屜底板;4—抽屜右側(cè)板;5—出線母排;6—三級動(dòng)插件;7—抽屜后板;8—抽屜開關(guān)板;9—進(jìn)線母排;10—電流互感器;11—抽屜左側(cè)板;12—塑殼斷路器;13—前上支架;14—手搖機(jī)構(gòu)

3.2 抽屜的物元-關(guān)系模型

以抽屜中的塑殼斷路器為例，建立物元-關(guān)系模型。從圖7可以看出，塑殼斷路器只隸屬于總裝配體，即屬于總裝配層次。它與抽屜開關(guān)板、出線母排、進(jìn)線母排之間分別存在裝配約束關(guān)系。

塑殼斷路器的物元模型：

塑殼斷路器的部分關(guān)系元模型：

……

3.3 電氣柜的信息提取

利用VB.NET對SolidEdge進(jìn)行二次開發(fā)，對SolidEdge當(dāng)前的活動(dòng)模型進(jìn)行自動(dòng)識別并對特征樹進(jìn)行遍歷，將抽屜中的各個(gè)零件，以及零件所屬的各個(gè)層次都按照SolidEdge中的結(jié)構(gòu)樹特征展現(xiàn)出來。

在特征樹中選擇零件塑殼斷路器，提取的裝配信息如圖8所示。

圖8 塑殼斷路器的裝配信息提取

三維模型中各個(gè)零件信息的成功提取為建立完整的裝配信息模型打下了基礎(chǔ)[10]。

3.4 電氣柜的調(diào)用組裝與替換

以8E抽屜-125A-手搖為例，在圖9所示的人機(jī)交互界面上選擇組成該抽屜單元所需要的各類零部件的型號以及部分尺寸參數(shù)，利用圖10所示關(guān)系模型的映射，自動(dòng)生成圖11(a)所示對應(yīng)的抽屜單元的三維模型，將塑殼斷路器型號從TGM1-125M/H替換為TGM1-250M/H后模型如圖11(b)所示。

圖9 人機(jī)交互界面

圖10 抽屜關(guān)系模型部分抽象表達(dá)

圖11 抽屜單元模型

實(shí)例表明，電氣柜的物元-關(guān)系模型對于零件替換、組裝具有一定的適用性。相比于屬性集而言，物元-關(guān)系模型具有以下特性：

1)發(fā)散性。電氣柜的零部件具有多個(gè)特征，一個(gè)特征為多種零部件所擁有，從物元的要素中選擇一個(gè)或者多個(gè)特征進(jìn)行發(fā)散可以為后續(xù)的裝配及拆卸序列問題求解提供多種路徑。

2)可擴(kuò)性。零件物元可以與其他零件物元組成新的裝配體，從而為解決組裝問題提供更多可能性。

3)相關(guān)性。零件物元-關(guān)系模型中的某些特征值具有函數(shù)依賴關(guān)系，為后續(xù)可拓推理提供依據(jù)。

4)蘊(yùn)含性。零件關(guān)系元模型中元素B的存在必然有元素C/D/E/F的存在，為后續(xù)可拓推理提供支持。

4 結(jié)束語

物元-關(guān)系模型表達(dá)了復(fù)雜多樣的產(chǎn)品信息，其中物元模型表達(dá)了電氣柜的基本信息和層次信息，關(guān)系元模型全面、準(zhǔn)確地表達(dá)了電氣柜的裝配信息。通過對SolidEdge軟件采用二次開發(fā)技術(shù)，對抽屜的裝配樹進(jìn)行遍歷算法的研究，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有模型各類信息的提取,并通過8E抽屜-125A-手搖實(shí)例驗(yàn)證了該物元-關(guān)系模型對模型的組裝、替換的適用性，同時(shí)物元-關(guān)系模型的可拓推理特性也能夠?yàn)楹罄m(xù)智能設(shè)計(jì)和裝配拆卸序列求解提供技術(shù)支持。