一種基于特征的裝配模型及其裝配系統開發

石海波

SHI Hai-bo

（江蘇大學附屬醫院，鎮江 212001）

一種基于特征的裝配模型及其裝配系統開發

A feature based automated assembly model and its assembly system develop

石海波

SHI Hai-bo

（江蘇大學附屬醫院，鎮江 212001）

本文結合裝配工藝過程的特點，定義了一種基于特征的裝配模型，并對裝配模型的表達及其裝配過程進行了詳細分析，結合具體的產品，開發了基于該裝配模型的自動裝配系統。

自動裝配；裝配模型

0 引言

隨著計算機技術的發展，產品數字化裝配技術是數字化裝配系統的基礎，所建立的裝配模型的好壞直接影響到整個數字化裝配系統裝配的質量?；诖?，產品裝配模型的研究受到越來越多學者的關注，南風強等研究了面向精度的數字化產品裝配模型，在研究零件特征的公差信息表達基礎上，建立了面向精度的產品層次裝配模型，實現了裝配環境中產品裝配尺寸鏈的自動尋找[1]。楊洪君等基于裝配語義等裝配特征，提出了topdown設計的產品裝配模型，并開發了原型設計系統[2]。張應中等基于產品裝配對象的分析，提出了面向對象的產品裝配模型，并將該模型應用與實際的軟件系統中[3]。王俊等在層次結構模型的基礎上，提出了一種表達式二叉樹裝配模型，通過中序遍歷該樹可得到裝配表達式，運用自動裝配技術結合裝配表達式蘊含的裝配信息，可快速、高效的完成裝配[4]。在機械產品裝配工藝過程中，存在大量的具有相對固定裝配特征的產品，如標準件等，對于這類產品的裝配過程，裝配形式單一、步驟煩瑣?；诖?，本文將利用現有的三維建模系統，例如CATIA，UG等，設計一種基于產品裝配特征的裝配模型，針對具有相對固定裝配特征的裝配產品，開發專用的自動裝配系統。

1 基于特征的裝配模型

對于每一個裝配模型應包含若干個零組件以及各零組件之間的裝配關系，為方便模型的管理，將裝配模型分為COMPONENT級和PART級兩個層級，COMPONENT級的功能主要管理模型的裝配信息，PART級的功能主要管理用于裝配的產品的信息且可以包含下一級的子裝配模型。裝配模型中的裝配關系用于解決零組件之間的相互裝配關系和相對位置的求解機制。在本文建立的裝配模型中，通過裝配關系處理機和裝配特征處理機來解析，并通過預先設計的裝配特征匹配原則和相互關系求解規則求解組件之間的相互裝配關系和相對位置關系，所有的裝配關系和處理機通過裝配關系知識庫進行管理，如圖1為所描述的裝配模型的層狀結構。對于該裝配模型的結構中，對裝配特征的表達、裝配空間位置的確定以及裝配特征之間關系的描述和管理如下：

1.1 裝配特征的表達

圖1 裝配模型的層狀結構

針對每一個裝配模型，首先要解決組件之間的裝配關系以及單個組件在模型中表達方法，基于以上提出的裝配模型的結構，本文基于現有的商用軟件開發裝配模型，所以模型中的PART級的產品模型表達是基于現有的商用軟件，可以通過商用軟件表達PART級產品的幾何數據、制造特征數據、尺寸以及公差等。

圖2 裝配模型的數據結構

對于COMPONENT級產品信息的表達，采用面向對象的編程方法，編寫了虛擬的基礎類結構Component，該類中包括了PART級產品的公共數據以及PART產品和裝配件之間的裝配信息，裝配模型的數據結構如圖2所示。其中Assembly和Part是Component的集成類，他們同樣包括公共數據和各零組件的特殊數據。如圖2所示的數據結構中不僅記錄了與下一級幾何實體相關聯的裝配關系，這些裝配關系可用于裝配規劃以及裝配的動態分析，而且通過MateFeature對象記錄了產品和子裝配產品之間的裝配關系，對象VirtualBind包含了相關的裝配特征數據，并能表達任意兩個組件之間的關系，所有的VirtualBind對象通過其所在的裝配模型來管理。

1.2 裝配位置的確定

本模型提供了兩種裝配位置的確定方式，一種方式跟通用的裝配模型中裝配位置的確定方式一樣，采用計算裝配后各產品的空間坐標的方式確定其空間位置關系，其中，各產品的空間位置關系可通過商用軟件的二次開發接口獲得。另一種通過裝配模型中零組件的相對位置關系確定，通過對零組件的裝配特征進行約束來確定其空間位置，對于零組件的裝配特征可以通過用戶交互的方式確定，對于一般的裝配模型，其裝配特征都是簡單的幾何特征，如點、直線、平面、球面、圓柱面、圓錐面、圓環面，對于這些裝配特征的裝配關系包括相對、貼合、相離、對齊等。所有的約束方程可以通過裝配條件獲取。另外，為求解這些裝配約束關系，分別構造了一個旋轉矩陣和平移矩陣分別表示裝配零件的旋轉和平移運動[5]，采用這種方式來確定裝配件的空間位置關系比利用計算空間坐標的方式更方便，效率更高。

1.3 裝配特征之間的關系

如上所述，在機械裝配工藝過程中，裝配關系可表達為各裝配特征之間的配合，如，軸和孔之間的裝配，可以表達為圓柱孔特征和圓柱面特征之間的配合，通過這種特征之間的配合方式可以完全表達各組件之間的裝配關系。如上提出的各裝配特征，與之相對應的裝配特征相對固定，在構建裝配系統的過程中，通過建立裝配特征專家庫的方式，預先對各裝配特征進行定義來確定各裝配特征之間的裝配關系，各裝配特征之間是否具有裝配關系的判斷標識如表1所示，其中數字“1”表示兩特征可裝配，數字“0”表示兩特征不可以裝配。本文通過對比的方式，在類結構ASMRelation中，存儲各特征之間的裝配關系判斷標識，并通過ASMRelation Expert方法來完成對各裝配特征的搜索和比較。通過專家庫的方式來首先完成判斷兩裝配特征是否可以進行裝配，可大大降低裝配約束矩陣的維數，提高求解效率。為了便于計算機識別與計算，將對具有固定特征的裝配產品的特征進行標識，方便在隨后的裝配特征檢索與匹配。

表1 各裝配特征之間的裝配判斷標識

2 基于特征的裝配過程分析及其軟件系統開發

通過如上所建立的裝配模型，本文將通過基于特征的標準件自動裝配過程分析裝配模型的應用。螺釘、螺母、銷這類標準件，在產品的三維設計過程中，經常用于裝配中，其交互約束過于頻繁，設計效率低，且容易出錯。為了提高裝配效率，利用本文的裝配模型開發了標準件自動裝配系統。

圖3 標準件自動裝配系統主界面圖

對其裝配過程分析如下：標準件的裝配相對比較固定，對各標準件上預先定義裝配特征，并對其進行標識，存入數據庫中。在進行裝配前，用戶需首先提取主裝配體，將主裝配體中對的各種信息存入裝配模型的數據結構中，主裝配體可對應數據結構中的COMPONENT級產品和PART級產品，通過對象VirtualBind提取主裝配體中的裝配特征，用戶通過交互的方式選取需要裝配的標準件種類，提取預先定義的標準件的裝配特征，通過ASMRelationExpert方法將主裝配體中的裝配特征與標準件中的裝配特征進行匹配，將不可匹配的裝配特征以及與之對應的標準件進行剔除，在匹配結束后，用戶需要輸入更多的約束，如裝配裝配特征的幾何尺寸以及公差要求等精確選擇以及定位標準件，并將裝配好的標準件實例化在主裝配模型中，這樣整個標準件的裝配過程結束。

本文結合企業的實際需求，針對常用的標準件、組合件，通過對其裝配過程進行分析后，基于UG/OPEN API開發了標準件的自動裝配系統，如圖3所示。

3 結論

產品的裝配設計是一項復雜的設計活動，針對特定的產品，研究其裝配設計模型，對于提高產品的設計效率有較大的幫助。本文針對裝配特征相對固定的產品的裝配過程進行了分析，提出了基于特征的裝配模型，分析了該模型的裝配過程，最后開發了標準件的自動裝配系統。此外，該裝配模型同樣適用于裝配特征相對固定的產品，如企業常用的組合件等，對于特定的產品，能較大的提高產品的裝配效率，為實現產品的數字化裝配提供一種新的思路。

[1] 南風強,張友良,汪惠芬,王孝義.面向精度的數字化產品裝配模型研究及應用[J].中國機械工程,2007,18(9):1071-1075.

[2] 楊洪君,寧汝新.支持自頂向下設計的產品裝配模型研究.組合機床與自動化加工技術,2006,7:99-102.

[3] 張應中,羅曉芳.面向對象產品裝配模型的研究[J].計算機工程,2005,31(20):194-196.

[4] 王俊,黃翔,李迎光.基于裝配模型的快速設計方法研究.中國制造業信息化,2006,35(1):28-35.

[5] Chun-Fong You,Chui Chien Chiu.An automated assembly environment in feature-based design.The international journal of advanced manufacturing technology.1996(12):280-287.

TP241

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1009-0134(2010)11(下)-0018-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).07

2010-09-13

石海波（1977 -），男，江蘇南京人，工程師，學士，主要從事計算機應用方面的研究工作。