支持操作的装配仿真技术研究

1、引言

　　面向装配的设计——DFA是为了使产品设计适应现代自动化、集成制造技术而提出的一种新的产品设计方法。一方面它强调从易于装配的角度出发，对产品设计进行改进，以提高产品装配效率，减少装配时间和费用^［1］；另一方面强调通过在计算机上以可视化方式展示产品的实际装配过程，适时检查产品的可装配性。因此，DFA研究中的一个基础关键技术，就是装配仿真技术。目前，装配仿真技术的研究主要是应用计算机图形学和仿真技术，直观展示装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并进行运动过程中的干涉检验^［2］。现有的研究成果，包括商品化CAD软件如Pro/Engineer、CATIA、UG等，仅仅通过运动模拟、动画显示等来实现零散的装配过程仿真，并没有真正地、系统地再现产品装配环境和装配过程，缺乏对装配仿真的整体支持和封装。
　　针对上述问题，本文提出基于操作模型的装配仿真技术，以装配操作模型作为产品装配工艺信息集成的载，将装配操作、装配工具、装配夹具等信息集成在一个统一的模型中，将产品装配环境和装配过程有机地结合在一起，实现高层次装配仿真。

2、基于操作模型的装配仿真系统结构

　　为满足产品可装配性分析需要，我们开发了基于操作模型的装配仿真系统。系统首先从装配建模、装配序列规划和装配路径规划等DFA功能模块提取相应装配工艺信息，构建装配操作模型。再查询装配工、夹具库，获取装配工艺环境信息。然后模拟产品可装配性。其总体结构如图1所示。

图1　装配仿真系统结构

<FONT face=` size=2>3、装配操作模型

　　在产品装配过程中，定位操作和联结操作是两类最主要的装配操作。定位操作描述零/部件间的装配定位过程。它通过平移和旋转装配件实现装配件和基准件装配特征的匹配，确立装配元件在产品中的准确定位。描述定位操作的属性主要有操作类型、操作对象、操作介质、操作终态等。复杂的定位操作可能需多次平移和旋转装配体，可将其简化为多个平移操作和旋转操作。
　　联结操作描述联结两个装配件的装配过程。根据是否使用联结件，联结操作可分为直接联结和间接联结两类，并可根据联结件不同进一步细分。在联结操作的描述中应包括联结类型、联结件等信息。图2为装配操作的继承关系图。

图2　装配操作类继承关系

　　装配工、夹具是产品装配过程仿真中的重要组成部分。装配夹具对装配元件定位，限制装配元件的空间自由度，是装配工艺环境的主要组成部分。在装配 操作模型中，装配夹具可看作普通基准件，即将零件在夹具上的定位操作统一为普通的定位操作，从而实现描述方法上的一致。装配工具则是检验装配操作可行性的必要元素，可预先建立常用工具库。

4、面向对象的装配操作模型实现

　　装配操作模型的描述是装配操作建模的研究核心。采用面向对象的方法描述装配操作，即各装配操作建立相应的类或子类。子类继承父类的信息，且生成自己的局部信息。通过这种方法，可有效支持抽象、封装、多态性等面向对象编程的特性。下面将举例说明装配操作模型的数据结构。
　　装配操作类是装配操作模型的顶层类，它定义了装配操作的公共信息，如操作类型、操作对象、操作介质和相邻操作等。联结操作类继承装配操作属性并附加有联结件等信息。联结操作的数据结构如表1所示。螺纹联结类继承联结操作类属性外，还附加有其特有属性，表2显示了描述这些属性的数据结构。

表1　联结操作数据结构

表2　螺纹联结数据结构

5、基于操作模型的装配仿真关键技术

　　三维装配空间中装配元件位姿和运动的描述是正确模拟产品零部件装/拆过程的关键，通过采用一个4×4的位姿矩阵和运动矩阵，可有效描述装配空间中的任意运动。并且定位操作和联结操作均可方便地映射为装配件和装配工具运动，从而实现完整的产品装配过程仿真。
5.1　装配元件位姿和运动描述
　　在装配实体模型的三维空间中，装配元件的位姿采用一个4×4的位姿矩阵［P］决定

　　　(1)

式中，X_v，Y_v，Z_v分别为装配元件控制坐标系(即其生成坐标系)3个坐标轴的方向矢量，(X_s，Y_s，Z_s)则为坐标原点。它们均是相对于装配坐标系的。
　　装配元件从当前关键位姿点KP运动到另一关键位姿点KP^′实质上等价于原位姿［P］发生了一个矩阵变换，到达新的位姿［P］^′，即

［P］^′=［P］^.［T］_m(2)

其中［T］_m描述了装配元件运动，它也是一个4×4的矩阵，

　　(1)

式中，(M_vx，M_vy，Z_vz)分别为装配元件沿3个坐标轴的平移分量；矢量X，Y，Z反映转动因素。
5.2　定位操作向装配运动映射
　　产品装配过程中，装配元件定位操作可分为两种基本类型：平移操作和绕中心轴旋转操作。在定位操作模型中，平移操作定义为：(X_d， Y_d， Z_d， M_t)，(X_d，Y_d，Z_d)装配元件的平动方向矢量，M_t为平动位移量。绕中心轴旋转操作定义为： (X_p， Y_p， Z_p，X_d，Y_d，Z_d，M_r)，这里(X_p，Y_p，Z_p)为转轴上一点，(X_d，Y_d，Z_d)为转轴方向矢量(按右手定则)，M_r为转动平移量。
　　根据公式(2)和(3)，装配元件的运动变换［T］_m即可求出。以平移操作为例：

　　　(4)

式中，

(M_vx，M_vy，M_vz)=M_t*(X_d，Y_d，Z_d)　　(5)

5.3　联结操作向装配运动映射
　　对联结操作的装配仿真研究，主要集中在对装配工具的运动描述。以螺纹联结为例，其联结操作表现为扳手绕中心轴旋转运动和沿中心轴的平移运动的合成。在螺纹联结类中已定义螺纹孔数目、位置、螺距、主轴方向等操作信息，可将其映射为扳手的多个运动描述的合成。以图3所示钻子装配中的螺纹联结为例，表3为螺纹联结操作信息，表4为所映射的扳手运动描述。

图3　钻子装配图

表3　螺纹联结操作信息

表4　手的运动描述

6、结论

　　本文提出的基于操作模型的装配仿真技术，能将装配操作、装配工夹具等装配工艺信息有效集成在统一的装配操作模型下，实现装配环境和装配过程的有机结合和高层次的装配仿真。上述所有算法均已应用于我们基于SolidWorks平台开发的DMAS系统中，取得了良好的应用效果。

参考文献：

［1］　Geoffery Boothyod.Product Design For Manufactrue and Assembly［J］.Computer Aided Design,1994,(7)
［2］　张林楦等.并行工程中的装配仿真系统及其关键技术研究［J］.计算机辅助设计和图形学报,1999,11(2)