基于适应性装配特征的自动装配技术研究

基于适应性装配特征的自动装配技术研究

臧　明,廖文和,李迎光

(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)

摘　要:装配设计是现代CAD技术中的一个重要组成部分,但其中对零部件自动装配的研究

还相对薄弱。笔者在研究参数化设计和装配建模的基础上,提出了基于适应性装配特征的零部件自动装配方法,根据适应性装配特征来确定零部件间装配关系和装配对象的主参数,以便适应调整装配对象姿态、完成自动装配、提高装配设计的速度和效率。根据以上研究开发的基于CATIA平台的导管焊接夹具自动装配模块,验证了该方法的有效性和实用性。关键词:适应性装配特征;自动装配;焊接夹具中图分类号:TP39　　文献标识码:A　　文章编号:167125276(2006)0220050204

ResearchonAutomaticAssemblyTechnologyBasedonAdaptiveAssemblyFeature

ZANGMing,LIAOWen2he,LIYing2guang

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversity

ofAeronauticsandAstronautics,JSNanjing210016,China)

Abstract:AssemblydesignisamostimportantpartofmodernCADtechnology,butlittlehasbeendoneintheresearchonpartautomaticassembly.Basedontheresearchofparametricdesignandassemblymodeling,anewapproachforpartautomaticassemblybasedonadaptiveassemblyfeatureisproposed.Adaptiveassemblyfeatureisusedtodetermineassemblyrelationandassembly2object’smainparameter,adjustassembly2object’spositionandfigureadaptability.Thisapproachmakesassemblydesignmoreefficient.Anautomaticassem2blymoduleofpipeweldingfixtureunderCATIAplatformhasbeendevelopedtoverifythepracticabilityandvalidity.

Keywords:adaptiveassemblyfeature;automaticassembly;weldingfixture

0　引言

装配设计是当今CAD领域研究的重要技术之一,但是目前的三维CAD软件所提供的装配功能都是完全依赖设计人员指定零件间的装配几何约束用手工完成装配,计算机不能代替操作者自动进行装配,装配效率低下,不能符合快速设计的要求。因此,如何简化装配过程,提取零件间的装配规律,完成自动装配功能已成为提高产品装配设计效率的一个亟待解决的问题。

在装配过程中,各个零件间的装配关系和几何约束是确定的,可以将这些知识总结归纳,通过二次开发使CAD软件能够利用这些知识进行自动装配,实现装配的自动化。现今自动装配技术的研究主要有“后台预置”装配和基于特征的装配两种方法。前者是根据零件间存在的约束确定零件在空

基金项目:国家863高技术研究发展计划项目(2002AA411030)

间所处的位置,通过调用三维平台提供的构件空间

位移与转动的4×4矩阵,将零件放置到给定空间位置的一种方法。后者是捕捉零件的特征面、配合面和约束位置等具体特征属性,根据属性建立相关的装配约束关系,用函数调用的方法解决不同零件的装配。文献1在二维CAD平台上提出了基于参数化零部件的自动装配设计,在参数化零部件的基础上,当设计者对装配图中的零部件参数作出修改后,自动进行装配调整,但是这一方法只是针对二维CAD设计,没有使用到三维设计中。文献2提出了基于装配特征的零件装配方法,设计者指定参与装配的两个零件上装配区域内的任一面,自动完成零件装配的整个过程,此方法仅仅提供面特征的装配,只能适用于形状比较简单、规则的零件。

笔者在研究参数化设计和装配建模的基础上,提出了基于适应性装配特征的零部件自动装配方

・　50・

http://ZZHD.chinajournal.net.cn　E2mail:ZZHD@chinajournal.net.cn　《机械制造与自动化》

・机械制造与研究・　　　　　臧　明,等・基于适应性装配特征的自动装配技术研究法,通过适应性装配特征确定装配对象的移动方向和最终位置,实现零部件的自动装配。

与装配对象间的装配关系有贴合(contact)、重合(coincidence)、偏移(offset)和平行(parallelism),具体描述见表1,表中给出每种装配关系的装配表达、装配特征和装配关系的描述。机械设计中常用零部件的空间装配一般可以使用这几种装配关系的无冲突组合来实现。

1　适应性装配特征

在导管焊接夹具设计中,夹具的主要类型有:夹管器、定位器、托管器、定位支座和接头,其形式比较固定:由一件或多件标准件组成,定位关系具有规律性,零件间相应的特征参数关系也比较固定,因此采用基于特征的装配技术来实现导管焊接夹具的自动装配研究。图1是表示夹具装配关系的有向图,箭头方向表示末端零件可以装配到箭头指向的零件。零件间的装配关系是通过零件中参与装配的几何元素来实现的,正确描述零件间的装配关系是进行装配的关键。本文定义的装配基体图1　夹具装配关系有向图

表1　装配关系的描述

装配特征F

装配关系贴合

装配表达

装配对象O:F1点P1

M(S1,S2)C(P1,P2)C(L1,L2)

装配基体B:F2点P2

线L2

平面S2

√

√

装配关系描述

线L1平面S1

√

装配表面接触,法向量方向相反

参考点共点

√

√

√

√

√√

√√√

√

√

√

√√√√√

轴线共线

装配表面共面,法向量方向相同

参考点在轴线上轴线在装配表面上

轴线与装配表面平行,并保持一定距离装配表面平行,并保持一定距离

轴线与装配表面平行装配表面平行

重合C(S1,S2)C(P1,L2)C(L1,S2)

偏移

O(L1,S2)O(S1,S2)P(L1,S2)P(S1,S2)

平行

　　适应性装配特征是指零部件中在装配时限定

其位置的几何约束和相关属性,包括特征属性定义、几何元素和特征参数等。在自动装配的过程中,通过适应性装配特征完成零部件的参数化驱动,从而使零部件的位置形状符合装配要求。本文中的自动装配是指由操作者确定装配对象在装配基体上的安装位置,根据装配对象和装配基体的类型和相互位置关系,将装配对象的主参数赋值并参数化驱动装配对象,使得其位置姿态适应装配要求,最后创建两者之间的装配约束关系。在本文中采用的适应性装配特征有以下三种:

a)参考点:为了简化装配过程,在装配对象中将参考点设置在装配基体上安装位置处相对应的点。当装配对象插入到装配基体时,根据重合的装

MachineBuilding&Automation,Apr2006,35(2):50～53,56

配关系C(P1,P2)即可将装配对象初步定位于安装位置处;

b)安装轴线:在零件进行装配之前需要操作者指定装配对象在装配基体上的安装位置,可通过在安装轴线上定义一点来确定零件的安装位置。如果安装轴线是曲线,模块自动做出在安装位置点处的切线,根据此切线来构造轴线重合的装配关系。对于回转体类的零件,通过C(L1,L2)可将装配对象初步定位于安装位置处;

c)装配基面:由于装配对象插入到装配基体中,其三维模型的姿态可能不符合装配要求,需要根据相关位置关系尺寸来参数化驱动模型,使模型的姿态得到调整,符合装配要求。装配基面就是用来确定装配对象与装配基体间的位置关系尺寸的

・　51・

・机械制造与研究・　　　　　臧　明,等・基于适应性装配特征的自动装配技术研究适应性装配特征。通过计算安装位置点(即参考点位置)与装配基面的距离和安装轴线与装配基面的角度,得到装配对象的主参数尺寸并参数化驱动,使模型姿态调整到适应装配的形状。

化驱动和构造装配关系等三个主要环节组成,图2所示为自动装配的流程图。

2　参数化设计和装配建模

(bottom2up)的装配笔者采用的是“自底向上”

设计思路,先参数化设计好各个零部件,再调用这些零部件进行装配,建立零部件之间的装配约束关系。如果在装配过程中发现某些零部件不符合要求,就要对零部件的三维模型进行适应性调整并重新装配。

参数化设计的本质是基于约束的产品描述方法,用一组参数约束几何图形的一组结构尺寸,参数与尺寸之间相互对应,可通过编辑尺寸值驱动几何图形以达到更改设计的目的。参数约束可转化为一系列非线性方程组F(X)=0表示,其中X={x1,x2,…,xn}为表征各几何元素形状和位置的几何特征参数集合,F={f1,f2,…,fn}为约束方

图2　自动装配流程图

程构成的集合[3]。

装配建模是基于特征几何建模的一种延伸,是建立在表达产品功能要求的基础上的建模技术,能够在面向产品装配特征的建模中获得良好的效果[4]。产品的参数化装配建模,常采用的解决方法是把产品需要参数化的主参数设置为全局变量,主参数是一种具有工程含义的广义参数,封装了下层几何参数信息和上层非几何属性信息,体现了零件、组合件或产品的变形序列,其它参数与主参数进行关联。主参数可以是几何参数或特征抑制参数,也可以是功能参数。通过修改主参数,以主变量值直接或间接驱动各组合件、零件的模型,实现产品的参数化建模,完成产品的参数化装配设计[5]。装配模型是描述装配体中组成产品的零件、零件间的装配关系的模型,包括对象的几何、拓扑和功能数据。该模型可通过由零件形状和装配操作的装配关系得到。装配模型不仅表达产品的功能,也表达零件的几何结构和零件之间的空间关系。

在零部件建模过程中,零件采用参数化建模,部件采用参数化装配建模。由距离D、角度A和装配基体的控制尺寸R,这三个关键尺寸来参数化驱动零部件模型。

3.1　装配特征识别

不同零部件的装配特征可能不同,从而零部件间建立的装配关系就不同。在零部件建模过程中,进行适应性装配特征属性定义,适应性装配特征应能够提供零部件的参数化驱动所需要的相关参数信息,不同的零部件具有不同的装配特征属性。装配特征的识别因素主要包括特征的几何信息、特征间的关联信息和零部件间的相互关系。模块在调入装配对象时,根据对象类型来识别并提取适应性装配特征,根据特征属性判别可能需要建立的装配关系,在装配基体模型树中搜索与之建立约束所对应的装配特征。如果装配对象中没有定义装配特征属性,则需要先将组件库中的装配对象定义适应性装配特征属性。根据装配特征类型确定装配自由度的数目,保证装配基体和装配对象的完全约束。

3.2　参数化驱动

在创建装配约束关系之前,需要将装配对象模型的姿态调整到符合装配条件的形状,否则可能产生模型姿态与装配约束的冲突,导致装配时模型出现错误,不能进行装配,需要重新修改模型后再装配。

由装配基体的装配基面S2和装配对象的参考点P1确定其距离,用D(P1,S2)表示P1与S2之间距离。由装配基体的装配基面S2和装配对象的参

3　自动装配过程

零部件的自动装配主要由装配特征识别、参数

・　52・

http://ZZHD.chinajournal.net.cn　E2mail:ZZHD@chinajournal.net.cn　《机械制造与自动化》

・机械制造与研究・　　　　　臧　明,等・基于适应性装配特征的自动装配技术研究考轴线L1确定其角度,用A(L1,S2)表示L1与S2之间的角度。在调入装配对象后,模块将D(P1,S2),A(L1,S2)以及装配基体的控制尺寸R这三

P2),C(L1,L2),C(S1,S2)}并在前台显示出来。

夹管器自动装配的对话框如图3所示,操作者只需在导管安装轴线上指定安装点的位置,模块自动在指定位置安装夹管器。图4所示为夹管器在夹具组件库中的原始模型和装配时经过参数化驱动后的模型主参数的对比示意图。图5所示为导管自动装配夹管器、定位器、托管器、定位支座和接头后的实例图。

个关键尺寸赋值给装配对象的主参数,实现参数化驱动装配对象,使模型位姿调整到装配时的形状。

3.3　构造装配关系

装配对象与装配基体的所有装配关系的集合以ROB来表示,ROB是表1定义的装配关系的任意无冲突组合。

一般零部件间的空间装配通过ROB={C(P1,

P2),C(L1,L2),C(S1,S2)}即可保证装配对象和装配基体的完全约束,ROB表示装配对象上的参考点、轴线、装配基面分别和装配基体上的安装位置点、安装轴线、装配基面建立重合的装配约束关系。类似的组合还有ROB={C(P1,P2),C(L1,L2),M(S1,S2)}或ROB={C(P1,P2),C(L1,L2),O(S1,S2)}等等。

对于两个回转体类零件的装配来说,通过两条轴线同轴C(L1,L2)再加上一个其它约束即可完全约束,例如ROB={C(L1,L2),C(S1,S2)}或ROB={C(L1,L2),P(S1,S2)}等等。

装配对象与装配基体间的所有装配关系成功创建后,装配对象的位置形状符合装配的要求,完成了零部件的自动装配过程。

图3　夹管器自动装配对话框

4　实例

基于上述方法,在三维CAD软件CATIA平台上,以CAA为开发工具,在VC++6.0开发环境下,进行了航空导管焊接夹具自动装配模块的开发,此模块的主要功能是在导管上的指定位置处自动装配焊接夹具,并成功应用于某大型航空企业的国家重点型号工程中,取得了满意的效果。

以夹管器自动装配为例:模块调用夹具组件库中的夹管器,在后台插入到装配体中。操作者指定

安装位置后,模块分别读取装配对象O(夹管器)和装配基体B(导管)的装配特征:装配基面S、安装轴线L和参考点P,根据这些特征计算出夹管器的控制尺寸:高度D(P1,S2)和角度A(L1,S2),从导管模型树中读取导管的控制尺寸即导管外径R,模块在后台将这三个尺寸赋值到夹管器的主参数并参数化驱动夹管器模型,使其符合装配时的位置尺寸要求。最后,模块根据适应性装配特征,创建夹管器与导管的装配关系组合ROB,ROB={C(P1,

MachineBuilding&Automation,Apr2006,35(2):50～53,56

图4　夹管器在夹具组件库中原始模型与

参数化后模型主参数的对比图

图5　导管自动装配的实例图

5　结束语

零件自动装配技术对机械装配设计效率的进

一步提高意义重大,本文针对基于适应性装配特征的装配系统,提出了一种新的零部件自动装配方

(下转第56页)

・　53・

・机械制造与研究・　　　　　严　帅・基于CAXAME的数控加工

　　G代码生成后,根据需要可自动生成加工工序单,还可通过直观的加工仿真和代码反读来检验加工工艺和代码的品质。

215　加工代码输出

生成数控指令之后,通过计算机的标准接口与机床直接通讯。CAXAME可以提供给我们自己

图4　轨迹仿真

开发的通信软件,完成通过计算机的串口或并口与机床连接,将数控加工代码传输到数控机床,控制机床各坐标的伺服系统即可驱动机床。

代码的正确性。

214　后置代码生成

通过后置处理,将在屏幕上用图形形式显示的刀具轨迹变成可以控制机床的代码。CAXAME提供的后置处理功能是非常灵活的,它可以通过用户自己修改某些设置而适用各自机床的要求。用户按机床规定的格式进行定制,即可方便地生成与特定机床相匹配的加工代码(图5)。

3　结束语随着我国加工制造业的迅猛发展,数控加工技术得到空前广泛的应用,CAXAME软件得到了日益广泛的普及和应用。CAXAME易学易用,编程结果直观,通过仿真切削和刀具干涉检查,确保所编程序一次成功,大幅度地减少了机床调整时间和机床试切时间,并且CAXAME能满足高精度、复杂零件的数控加工。

参考文献:

[1]　杨伟群,等1数控工艺培训教程[M].北京:清华大学出版社,

20021

[2]　赵　杰1机械CAD/CAM[M]1大连:大连理工大学出版社,

20041

图5　G代码记事本

收稿日期:2005209216

(上接第53页)

计[J].计算机辅助设计与图形学学报,2001,13(11):10082

10111

[2]沈　梅,何小朝,张铁昌.基于装配特征的装配建模[J].中国机

法,并在实际使用中取得很好的效果。这一方法是通过调用组件模型库中的参数化零部件,根据装配关系和适应性装配特征的参考点、装配基准面等确定装配对象的主参数,动态调整零部件三维模型,将零部件装配到指定安装位置处,完成零部件的自动装配。最后在CATIA平台上以导管焊接夹具设计为例,验证了采用该方法能够明确地表达设计意图,提高导管焊接夹具的装配设计效率。

参考文献:

械工程,2001,12(9):1025210291

[3]孟祥旭,徐延宁.参数化设计研究[J].计算机辅助设计与图形

学学报,2002,14(11):1086210901

[4]NoortA,HockGFM,BronsvoortWF.Integratingpartandas2

semblymodeling[J].Computer2aidedDedign,2002.34:89929121[5]HoffmannCM,KimK-J.TowardvalidparamertricCADmod2

els[J].Computer2aidedDesign.2001,33:812901

收稿日期:2005209207

[1]何援军,曹金勇,李　强,等.基于参数化零部件的自动装配设

・　56・

http://ZZHD.chinajournal.net.cn　E2mail:ZZHD@chinajournal.net.cn　《机械制造与自动化》