（机械制造及其自动化专业论文）产品的虚拟装配过程——在proengineer下的实现.pdf

产品的虚拟装配过程y 弓2 s 7 2 裔摘要本文从装配的概念及发展现状、装配模型的建立、装配的评价体系等系统地阐述了产品虚拟装配的过程和重要性，并对虚拟装配的操作平台p r o e n g i n e e r 作了一个简单的介绍，针对p r o e n g i n e e rc a d c a m 软件a s s e m b l y 模块中不能体现装配路径及过程干涉的问题，提出了在组合件的s k e l e t o n 下规划装配路径和动态仿真、在p r o p r o g r a m 的r e l a t i o nf 设定干涉条件和仿真程度、以及通过人机交互解决干涉的方法。并以专利产品低速电机的减速器为例验证了该方法。恢方法具有可以直接利用p r o e n g i n e e r 固有功能的优点，但是目前还无法做到装配路径的自动规划。若与零件库( f a m i l y t a b l e ) 相结合，还可实现零件组装的过程仿真、蒈换、干溺。3一关键词：p r o e n g i n e e r ，装配仿真，路径规划；干涉检查= = = = = = =- 69 ，、?a b s t r a c ta s s e m b l ym o d e lo ft h ep r o e n g i n e e rc a d c a md o e sn o ts u p p o r tt h ei n t e r f e r e n c ec h e c ko fa s s e m b l yp a t ha n dp r o c e s s t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dam e t h o dw h i c hd i r e c t l yt a k e sa d v a n t a g eo ft h ee i g e nf u n c t i o n so fp r o e n g i n e e r t h a ti s ：p l a n n i n gp a t ha n ds i m u l a t i n gd y n a m i c a l l yu n d e rs k e l e t o n s e t t i n gi n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n sa n ds i m u l a t i o nd e g r e eu n d e rr e l a t i o no fp r o p r o g r a m ，r e a l i z i n gt h ei n t e r f e r e n c ec h e c kw i t ht h em a n m a c h i n ei n t e r c h a n g e s a m p l e si sa l s og i v e nt op r o v ei t c o m b i n e du 7 i t hf a m i l yt a b l e ，t h i sm e t h o da l s oc a nr e a l i z et h ep r o c e s s s i m u l a t i o n ，r e p l a c e m e n t ，i n t e r f e r e n c ec h e c k h o w e v e r ，t h ea u t o m a t i c a l l yp l a n n i n ga s s e m b l yp a t hc a nn o tb e e nr e a c h e du pt on o w k e yw o r d s ：p r o e n g i n e e r ；a s s e m b l ys i m u l a t i o n ；p a t hp l a n n i n gi n t e r f e r e n c ec h e c k 1 概论1 1 装配的基本概念任何一台机械，都是由许多零件和部件组成的。由零件组装成整台机械的全过程称为装配。由于机械的复杂程度不同，零件的组合情况不同，在机械装配中，根据零件组合的特点，把机械的组成单元作如下区分：1 零件是机械组装的基本单元。它是由一块材料制成的，不能再进行结构上的分解。在装配中，有的零件是装配的基础，它具有配合基准面，可以保证装配存它上面的零件具有萨确的相对位置，这种零件称为基础零件。对于一台机床来醴，机座或机架就是它的基础零件。2 纽件由若干个零件组成，但不具有独立功能。如活塞连杆组成一个组件，它由连杆、活塞、活塞销等零件组成，但它不能独立发生作用，必须与缸体、缸篇和曲轴等到协调起来才能进行工作。3 挪件和总成由若l 。组件或零件组成，具有结构上和作用上的独立性，这样的组件称为部件或总成。例如一个滤清器，只要让流体从它的内部流过，它就能对流体起滤清作用，这就可以称为部件或总成。但习惯上是把直接组成机械的单元称作总成。组成总成的单元称作部件。例如发动机是一个总成，而燃油泵、滤清器在性质上也可称作总成，但它们是安装在发动机这个总成上的，因此仍称作部件。机械装配的过程，就是由零件组装成组件、由组件组装成部件、由部件组装成总成和最后组装成机械的过程。图1 1 1 为这种过程的示意图。l l le 三，厂t _ 广4 = 二= _ j l 】jj iiii ii | 1图l11机械装配路线示意圈e 三三苫船件e 三e |总成1 2 传统的装配传统制造业注重规模效益，以手工装配为主的传统的装配的方法还是能够适应对新产品开发的需要的。特别是在大规模生产下，新产品的开发也大都局限于对已有产品进行局部的改进设计，这时，由于设计人员及工人已对产品本身及装配工艺比较熟悉，还是可以较顺利的完成设计、试生产、装配验证、最终成批生产的整个开发过程的。但是，随着全球市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。近2 0 年来，制造业市场环境发生了巨大变化：一方面表现为消费者兴趣的短时效性和消费者需求日益主体化、个性化及多元化；另一方面则是区域性、国际性市场壁垒的淡化或打破，使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。制造业要满足日益变化的用户需求，其制造技术必须有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产迎合市场。面对这样的市场现状，传统装配的缺点就逐渐暴露了出来：1 必须等零件全部加工完成之后才可进行装配。2不能体现并行设计的思想。2 军3一般要反复修改，进行多次试装配，周期长，成本高，不能适应当前敏捷制造的需要。1 3 产品装配的发展现状由于加工技术超前于装配技术许多年，两者已经形成了明显的反差，装配工艺已经成为现代化生产的薄弱坏节。当前，国内外对于装配研究的理论和实际操作方面出现了一些新的理论和方法1 3 1 ：比如文献 4 】、 5 1 、 6 、 7 等在有关些小的零件和装配中出现的特殊情况提出了诸如非抓式操作( n o n g r a s p i n gm a n i p u l a t i o n ) 、变化流理论( s t r e a m o f - v a r i a t i o nt h e o r y ) 以及灵巧装配( d e x t e r o u sa s s e m b l y ) 等新的观点。文献【8 提出了人与机器人在装配过程中的协惆合作。而文献【9 】则在装配操作的具体过程中使操作员工一丝不苟地工作。总之，为装配过程保证了质量采取各种措施i | 。近来，自动装配和柔性装配也得到了一定的发展1 1 ”1 13 1 】。但是，这些发展方向都不能很好地满足缩* i t 新产品7 r 发刷期和并行j 二稃的要求。面对传统装配中出现的问题，许多产品设计丌发人员致力于产品的预装配虚拟装配。这是因为：1 在虚拟装配中， 于没有制造真实的产品，大大减少了产品开发的成本。2在虚拟装配时呵以尽可能地解决大部分装配问题，这就使新产品开发的周期大为缩短，使企业尽早占领市场。目前，虚拟装配的研究取得了一些进展：在装配的路径规划、运动仿真、产品的可装配性评价等方面都有一定的突破。但是这些又往往不能支持并行工程。而一些面向产品开发的软件虽能支持并行工程。但又是不是面向装配过程的。如何把二者结合起来是当前的一个研究方向。本文在这方面做了一定的工作，使产品的开发软件能够更好地支持虚拟装配过程。3 2 虚拟装配体系的建立2 1 虚拟装配体系的要求建立虚拟装配体系是一个很重要的工作，它应能体现装配过程中的各个方面，应能实现以下功能：1体现产品的功能要求，这是十分重要的，因为一个产品，如果功能不能实现，其它将无从谈起。2应能对装配进行评价，指出装配方法的优劣。3能够满足并行工程的需要。4能够使装配的产品系列化，以适应市场。2 2 虚拟装配体系的建立过程嘘拟装配体系需要以下步骤：1建立产品的装配模型。2 规划产品的装配顺序。3 规划每个产品装配的路径。4 对产品的可装配性进行评价。2 3 虚拟装配体系软件平台的选定在这里，选择p t c 公司的p r o e n g i n e e r 做为虚拟装配体系的软件平台，选择该软件是因为：1 它具有强大的功能，能适应并行工程的要求。2 它本身具有装配模块，可在其基础上直接进行二次开发。因为软件平台的选择十分重要，为了以后章节的方便，这里先将该软件( 尤其是装配模块) 作一个详尽的介绍：2 3 1p r o e n g i n e e r 简介p r o e n g i n e e r 自1 9 8 8 年问世以来，十年间已成为全世界及中国地区最普及的3 dc a d c a m 系统。p r o e n g i n e e r 在今天俨然成为世界3 dc a d c a m系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽机车、自行一4 一产晶的虚拟装配过撑4 ：、航天、家电、玩具等各行业。p r o e n g i n e e r 可滑是个全方位的3 d 产品外发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、n c 加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数引僻理 ：一体，其模块众多。 15 j陶2 3 1 是p r o e n g i n e e r 的介面，以后我们的主要介面就是以此为根基丁。2 32p r o e n g i n e e r 的特性p r o e n g i n e e r 是基于特征的参数化实体造型系统。这里涉及到c a d c amr ”常川的3 个基本概念，我们首先介绍一下：实体造型参数化特征1 实体造型实体造型就是在计算机中用一些基本元素( p r i m i t i v e s ) 来构造机械零件的完槎几何模型。传统的工程设计方法是设计人员在图纸上利用几个不同的投影视图来表示一个三维产品设计模型，图纸上还有很多人为的规定、标准、符号、和文字描5 产品的虚拟装配过程述。对于一个较为复杂的部件，要用若干张图纸来描述。尽管这样，图纸上还是密布着各种线条、符号和标记等。工艺、生产和管理等部门的人再去认真阅读这些图纸，理解设计意图，通过不同视图的描述想象出设计模型的每一个细节。这项工作非常艰苦，由于一个人的能力有限，设计人员不可能保证图纸的每一个细节都正确。尽管经过层层设计主管检查和审批，图纸上错误总是在所难免。对于过于复杂的零件，设计人员有时只能采用毛坯，边加工边设计，经过长时间的艰苦工件后才能给出产品的最终设计图纸。所以，传统的设计方法严重影响着产品的设计制造周期和产品质量。利用实体造型软件进行产品设计时，设计人员可在计算机上直接进行三维( 3 d ) 设计，在屏幕上能够见到产品的真实三维模型，所以这是工程设计方法的一个突破。在产品设计中的一个总趋势就是：产品的形状和结构越复杂，更改越频繁，则采用三维实体软件进行设计的优越性越突出。当零件在计算机中建立模型后，工程师就可以在计算机上很方便地进行后续环节的设计工作，如部件的模拟装配、总体布置、管路铺设、运动模拟、干涉检查以及数控加工程编及模拟等。所以，它为在计算机集成制造和并行工程思想指导下实现整个生产环节采用统一的产品信息模型奠定了基础。大体上有六类完整的表示实体的方法：单元分解法。宅间枚举法。射线表示法。半空问表示法。构造实体几何( c s g ，c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 。边界表示法。( b r e p ，b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 。仅后两种方法能正确地表示机械零件的实体模型，而且未经过近似处理。构造实体几何c s g 表示复杂形状的实体模型是通过二叉树的形式，内部结点是并、交和差的布尔操作，而且结点是用半空间的拓朴结构表示的基本规则体。边界表示法b r e p 是由一组构成实体边界的面来描述实体模型。尽管这两种立法能正确地描述实体模型，但仍有不足之处：产品的虚拟装目b 过程其体模型仅提供产品的几何形状信息，但不能显式地标注尺寸，不提供容差、表面卡h 糙度、材料性能和加工要求等重要的产品制造信息。所以，它不提供完整的产品信息。r 卜秣古占歼u f 可在稿圭而 于f和占蒲1 几佰r 信自碚右婪的 石补信自而产品的虚拟装配过程实体模型仅提供产品的几何形状信息，但不能显式地标注尺寸，不提供容差、表面粗糙度、材料性能和加工要求等重要的产品制造信息。所以，它不提供完整的产品信息。b r e p 实体模型仅存储面、边、和点和几何信息及有关的拓朴信息。而c s g 模型存储基本几何体布尔运算的二叉树。这些存储的信息不具备高级的工程意义，不便工程设计应用和推广。利用实体造型软件构造好产品几何模型后，要对它进行设计修改很不方便。而产品的设计是一个反复修改、逐步求精的过程。所以，它不能提供一个灵活而富有创造性的设计环境。很明显，实体模型与产品模型还在很大的差距，为了克服上述不足，就出现了基于特征的设计思想。设计个机械产品的目的是为了能制造出一个能够执行一些功能的部件。各种功能就体现在部件的构造特征上( 女u ：f l 、槽、凸台、内腔、筋等) ，这些特征决定了部件的最终形状、尺寸和材料。所以，特征包含着机械产品的设计、分析和加工等工程信息，这些特征信息是工程技术人员所熟悉的，他们可以赢接利用这些信息进行产品的设计、分析和加工，而无需再去关心组成物体的繁琐的细节点、线、面的信息。所以，基于特征的设计为整个设计制造中的各个环节提供了统一的产品模型，是c a d c a m c a e 的真正集成化，使组织实施并行工程成为可能。2参数化传统的c a d 绘图技术都用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置，要想修改图面内容，只有删除原有的线条后重画，而新产品的歼发设计需要多次反复修改，进行零件形状和尺寸的综合协调和优化，对于定型产品的设计，需要形成系列，以便针对用户的生产特点提供不同吨位、功率、规格的产品型号，参数化设计可使产品的设计随着某些结构尺寸修改和使用环境的变化而自动修改图形。参数化设计一般是指设计对象的结构比较定型，可以用一组参数来约束尺寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的空间尺寸存在着显式的对应，设计结果的修改受到尺寸的驱动。生产中最常用的系列化标准件就属于这一类犁。一7 产品的虚拟装目e 过程参数化的实现大致如下：利用草图技术生成二维轮廓( p r o f i l e ) 这个轮廓的准确位置和尺寸都不必在草图输入时给出，可以在以后的参数设计过程中得到。再i l j 用系统的拉伸和旋转等甚手段来生成三维特征。有了这个基础，再加上一个址录造型过程的c s g 树，就可以完成对而后模型的“参数设计”。需要强调的是，这里的参数并不是最后模型的设计参数，而是完成造型过程的造型参数。特征特征( f e a t u r e ) 是一个专业术语，它兼有形状和功能两种属性，包括特定几何形状、拓朴关系、典型功能、绘图表示法、制造技术和公差要求。特征是产品设计与制造者最关注的对象，是产品局部信息的集合。特征模型利用高一层次的具有过程意义的实体( e n t i t i e s ) 如孔、槽、内腔等来描述零件。基于特征的设计是把特征作为产品设计的基本单元，并将机械产品描述成特征的有机集合。在特f f i 设计系统中应存储两种模型，一种是实体模型( s o l i d m o d e l ) ，常见的是边界表示法( b r e p ) ，用于图形的显示、物理计算和有限元剖分等，另一种是特征模型( f e a t u r em o d e l ) ，它记录了特征参数、基准、父特征、子特征等。1 1 6 1特征设计有很突出的优点，在设计阶段就可以把很多后续环节要使用的有关信息放到数据库中。这样便于实现并行工程，使设计绘图、计算分析、工艺性审查、c a p p 到n c 加工等后续工作都顺利完成。p r o e n g i n e e r 系统开发环境最突出的特点就在于它能够支持并行工程，通过一系列足以表现外形、装配性能的全相关性解决方案，可以让用户同时在几个技术领域处理品一个产品模型。这些能力包括造型设计、机械设计、功能设计、加工以及产品信息管理等。介绍了有关c a d ，c a m 的三个概念，下面介绍一下p m e n 咖e r 的特性：( 1 ) 相关性( f u l la s s o c i a t i v i t y )相关性是指所有的p r o e n g i n e e r 的功能都相互关联。也就是说，在开发过程中，用户任何时候所做的变更，都会扩展到整个设计中，自动更新所有工程文件如部件、加工以及产品信息管理等。8 产品的虚拟装配过程( 2 ) 基于特征的参数化建模( f e a t u r e b a s e dp a r a m e t r i cm i d e l i n g )这一特征比较重要，后面洋细介绍。( 3 ) 数据管理( d a t ad a n a g e m e n t )为了在最短的时间内完成最多的开发工作，必须允许多位工程师同时处理一件产品。p r o e n g i n e e r 数据管理功能可以管理并行工程所要求的并行作业程序，并通过全相关性达到并行工程的目的。( 4 ) 装配管理( a s s e m b l ym a n a g e m e n t )p r o e n g i n e e r 能够让用户使用贴合( m a t e ) 、插入( i n s e r t ) 、对齐( a l i g n ) 等直觉式指令，轻松装配零部件，达到设计目的。而高级的功能则支持大型复杂部件的创建与管理，并且零件数目不受限制( 具体见以后) 。( 5 ) 工程数据库再利用( e n g i n e e r i n g d a t a r e u s e )工程数据再利用就是为了达到大幅度提高生产力、降低成本的目的，而以标准、公认的设计作为新产品设计的基础，它能够让用户快速开发整个产品系列。( 6 ) 易用性( e a s eo f u s e )p r o e n g i n e e r 独有的自动导引菜单为用户提供使用方便的选项，也可以预先选定最常用的功能。此外，系统还提供简短的功能菜单说明，以及完整的存线帮助。这些都使得p r o e n g i n e e r 具有非常好的易用性。( 7 ) 硬件独立性( h a r d w a r ei n d e p e n d e n c e )p r o e n g e e r 可以在u n i x 和w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 0 n t 平台下运行，并在每个系统中都维持相同的界面。用户可以根据自己的需求，选购最经济和硬件设备，再混用或搭配任何- , o o 平台组合。由于p r o e n g i n e e r 可以运行在不同的环境之中，因此可以方便地让信息在不同平台的机器之间相互转换。m 12 3 3p r o ，e n g i n e e r 的功能简介p m e n g i n e e 软件的基本功能体现在以下几个方面。1 零件设计生成草图特征，包括凸台、凹槽以及冲压的、旋转的、沿二维草图扫掠过的槽，或两个平行截面间拼合的槽。t 成标准特祉，包括孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱等。草图装饰特征。9 一产品的虚拟装配过程生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标、以及非实体参考基准的图。修改、删除、压缩、重定义和重排列特征以及只读特征。通过向系列表中增加尺寸生成表驱动零件。r 过生成零件尺寸和参数的关系获得设计草图。产生工程信息，包括零件的质量特性、相交截面模型、参考尺寸。在模型上生成几何拓朴关系的曲面及粗糙度。任模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性。可以通过p r o f e a t u r e 定义高级特征以增强系统功能。装配设计使川贴合( m a t e ) 、插入( i n s e r t ) 、对齐( a l i g n ) 等命令生成装配和子装配，最终，t 成糕个产品的装配。从一个装配中拆开装配的组件。修改装配时设置的偏移。生成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图。修改装配模型中的零件尺寸。产中i 一程信息、材料清单、参考尺寸和装配质量等特性参数。可通过p r o ，a s s e m b l y 进行复杂、大型的装配设计以增强系统功能。设计文档生成多种类型的工程图，包括总图、投影图、附属图、细节图、分解图、局部图和透视图。完成对扩大视图的修改，包括视图比例和局部边界或细节图的修改，增加投影吲、削面图的箭头和生成快照图。川多模掣生成绘图。从绘图中删除一个模型，对当前绘图模型进行设置和增加亮度。川草图作为参数绘图格式。操作方式包括显示、擦除、开关视图、触发箭头、移动尺寸、文本或附加点。修改尺寸值和数字数据。生成显示、移动、擦除、和用于标准注释和开关视图。包括在绘图注释中已有的几何关系。更新几何模型的组成设计。专f j 绘图的i g e s 文件。对标志绘图指示作更改。通过p r o d e t a i l 进行细节设计以增加系统绘图功能。4 通用功能= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = 10 一23产品的虚拟装配过程数据库管理命令。矗：层和显示层上放置零件的层控制。j jr 距离的测量，几何角度、间隙和在零件间以硬装配时的干涉检查。对t 。扫视、变焦距、旋转、阴影、重新定位模型邗绘图的观察能力。1 1 8 |234p r o e n g i n e e r 中的参数式设计参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。参数式设计的思想在工业界传播了许多年，1 9 8 8 年，p r o e n g i n e e r 以参数式设计的思想问世以后，业内人士即对参数式设汁c a d c a m 的思想翘首以待。p r o e n g i n e e r 对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因为p r o e n g i n e e r 中参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并且具有实质上的物理意义。例如我们可以运用系统参数( s y s t e mp a r a m e t e r s ，如体积、表面积、重心、三维坐标等) ，或用户依设计流程需求所定义的用户定义参数( u s e rd e f i n i e dp a r a m e t e r s ，如密度、厚度等奠仃设计意义的物理量或字符串) 加入设计构思中，来表达设计思想。这项参数式设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。如前所述，p r o e n g i n e e r 以参数化设计的观念问世，为传统机械设计与制造工作带来了巨大的便利。p r o e n g i n e e r 提供的参数化设计具有实体造型( s o l i dm o d e l ) 、单一资料库( s i n g l ed a t a b a s e ) 以及特征作为设计单元( f e a t u r e b a s ed e s i g n ) 等特点，因此它可使设计者随时计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯性距等，并且不论在3 d 或2 d 图形上作修改，其相关的2 d 或3 d 实体模型及装配、制造等也自动修改。由于p r o e n g i n e e r 在设计中导入制造的概念，可随时对特征作合理、不违反几何的顺序调整fr e o r d e r ) 、插入( i n s e r t ) 、删除( d e l e t e ) 、重新定义( r e d e f i n e ) 等修正动作。p r o e n g i n e e r 所提供的上述功能满足了现代工业中并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的需要。( 1 ) 3 d 实体模型( s o l i d m o d e l )3 d 实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出束之外，借助于系统参数( s y s t e mp a r a m e t e r s ) ，用户还可随时计算产品的体积、面积、重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，并补足传统面结构、广l 品的虚拟装目a 过程线结构( w i r f r a m e ) 的不足。用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为计算时间。( 2 ) 单数据库( s i n g l ed a t a b a s e )p r o e n g i n e e r 可随时由3 d 实体模型产生2 d 工程图，而且自动标示工程刚尺寸，不论在3 d 还是2 d 图形上作尺寸修改，其相关的2 d 或3 d 实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，并避免反复修改的耗时性，由于采用单一数据库，提供了所谓双向关连性的功能，这种功能也f 符合了现代产业中所谓的并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 思想。( 3 ) 以特征作为设计的单位( f e a t u r e b a s ed e s i g n )p r o e n g i n e e r 以最自然的思考方式从事设计工作，如孔( h o l e ) 、丌槽( s l o t ) 、做成圆角( r o u n d ) 等均被视为零件的基本特征，除了充分掌握设汁思想之外，还在设计过程中导入实际的制造思想；也正因为以特征作为设计的单元，因此可随时对特征做合理、不违反几何的顺序调整( r e o r d e r ) 、插入( i n s e r t ) 、删除( d e l e t e ) 、重新定义( r e d f i n e ) 等修正动作。( 4 ) 参数式设计( p a r a m e t r i cd e s i g n )配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺j i - ( 参数) 都存在数据库中，修改c a d 模型及工程图不在是一件难事，设计者只需更改3 d 零件( p a r t ) 的尺寸，则2 d 工程图就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且减少许多人为改刚的u , 寸f h l , u 精力的消耗。也正因为有参数式的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式( r e l a t i o n ) 使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁锁费时，并减少错误发生。p s i2 35p r o e n g i n e e r 中的装配模块进行产品设计时，若所有的3 dp a r tm o d e l 都已建立完成，则可以进一步通过指定相关零件之间的配合关系来进行零件的组合，并可将零件分解开来，以查看组合产品的零件分解情况。配合关系的种类有以下几种：( 1 ) m a t e 用于两平面密合，且两平面反向( 亦即两平面之垂直方向为一12 反向) ，如图2 3 2 和图2 3 3 所示。图232( 2 ) m a t eo f f s e t ：使两平面面对面及图2 35 所示p a r t l_ _ 0 f f s e ip a r t 2图233中间i n 隔一段距离( o f f s e t ) 女 1 图2 3 4幽2 & 5l 划234( 3 ) a l i g n ：两平面互相对齐或使两圆弧或圆的中心线成一直线。当两平面互相对齐时，两平面为同向( 即两平面之垂直方向为同向) ，如图2 3 6 及吲23 7 所示图236图237( 4 ) a l i g no f f s e t ：两平面对齐后隔开一段距离，如图2 3 8 及图2 - 3 9 所示互所示向上圈231 0( 6 ) o r i e n t ：两平面互相平行，且两平面的正法线方向同向，如图2 3 1 1图231 l( 7 ) c o o r ds y s ：利用坐标系组合，如图2 3 1 2 所示，须注意x , y ，z 轴的方图2 & 1 2( 8 ) t a n g e n t ：两曲面以相切方式组合，如图2 3 1 3 所示。( 9 ) p n to ns r f ：两曲面上某一点相接。( 1 0 ) e d g eo ns r f ：两曲面是某一边相接。f 1 9一l4 一饕2 3 6p r o e n g i n e e r 中a s s e m b l y 模块的不足在p r o e n g i n e e r 的a s s e m b l y 模块下，只能表现零件组合之前和之后的状态，但有些情况下是不可能的。举一个简单的例子。如图2 3 1 4 中零件1 和零件2 是不可能组合成为组合件3 的。但是在p r o e n g i n e e r 的a s s e m b l v 模块下，只需给定一个a l i g n ( a x la l i g n 至a x 2 ) 和一个m a t e ( 面a m a t e 至面b ) 便会出现图组合件3 的结果。而且p a r t1 通过何种路径装配到p a r t 2 上无法得到体现。零件2图231 42 3 7 问题的解决设想( 1 ) 首先在组合件的结构图( s k e l e t o n ) 中规划装配的路径，实现装配过程的仿真。( 2 ) 在p r o p r o g r a m 的r e l a t i o n 下设定干涉条件和仿真程度。具体详见第六章2 4 小结在本章中，简要介绍了虚拟装配体系的要求和建立过程。并且详尽的介绍了虚拟装配过程的操作平台_ p r o e n g i n e e r ，指出采用这种软件的优点。着重介绍了其装配模块，提出了其不足，并提出了解决方案。15 义“jj。毒7、今、3 装配模型的建立3 1 概述传统的c a d 系统往往注重于产品的表示，不能很好地支持产品的设计。近十l 年柬，参数化、变量化技术和特征造型技术得到了迅猛发展。基于约束的参数化、变量化设计技术将约束关系引入到c a d 系统中来，把设计对象看作是一个约束系统，把设计对象看作是一个约束满足问题，通过约束系统的求解来获得理想的设计方案。在新产品的设计过程中涉及到大量的、不同性质的j 力能要求和性能指 ，j ：，如果将整个产品的设汁简单地归结为一个约束满足问题是不现实的。特征技术将工程概念与几何形状有机地结合起来，大大提高了c a d 系统表达没计对象的能力，使得c a d c a p p c a m 一体化成为可能。但是特征往往用来描述零件的某些局部功能特性( 如倒角、退刀槽、轴等) ，不能很能好地支持零部件级乃至产品级的设计过程。 9 1传统的观点认为，装配建模是基于特征的零件几何建模的一种延伸，有关这方面的工作几乎都是在零件特征模型的基础上提供一个装配建模环境，一种描述零件之间连接关系的方法，装配建模者的目标的在保持零件空间适应性的自d 提下，在分层式装配模型中确定单个零件的位置。在这些系统中，产品装配建模包括如下步骤：1 建立基于特征的零件模型；2 描述零件之阳j 的位置配合关系：3 通过坐标变换将已经设计好的零件模型拼装到一起生成装配模型。这种基于特征从零件到装配的方法称为自底向上的产品建模方法。但是，实际的设计过程通常开始于概念设计这一较高的层次，整个过程应该从产品的概念设计、装配结构设计到零件的详细设计。丽这种自底向上的设计方法颠倒了人们设计思维的顺序，是与人们正常的实际的设计顺序和设计方法相反、相矛盾的。它存在的问题是：1 于特征的零件模型，不能表达产品的功能要求，无法支持产品设计的全过程，尤其是产品的概念设计。16 产品的虚拟装配过程2 由于每个零件是用特征单独定义的，缺乏相互联系。当某些设计条件改变时，该方法建立的产品模型不能实现相关零部件的联动修改。3 过早进行 ：= 件的定义与描述容易造零件之间关系的不一致性，过分约束和零件冗余。由此引起返工及造成产品装配出现问题。1 2 0 】近年来，为适应激烈的市场竞争，要求产品设计从传统的串行开发模式转向并行工程( c e ) 丌发模式。自底向上的产品装配建模系统所存在的以上缺陷给并行工程实施带来不少困难。并行工程面向整个产品生命周期，要求系统能支持产品设计伞过程。所以，产品设计应该表现为从总体到详细设计的自项向下的设计过程，装配设计是自顶向下设计的主要形式。在装配设计的过程。i ，设计人员将没计对象分解为一些相互联系的零部件单元，以实现给定的设计要求。m i t t a ls 和f r a y m a nf 研究了装配设计的一般过程，提出了功能结构( f u n c t i n a ls t r u c t u r e ) 和关键功能单元( k e yc o m p o n e n tp e rf u n c t i o n ) 的概念，j o h m s o nal 提出了面向功能设计和思想，指出新一代c a d 系统是面向功能的造型系统。z d l a h a lz 和v a l a s e k 建立了产品设汁的层次化任务模型，并且讨论了基于层次化任务模型的装配设计和参数设计。自预向下的产品装配建模方法具有如下特点：1 够保证产品功能的实现。2 配模型支持产品生命周期中多种设计活动的集成。3 统存储了整个设计过程，因而所建立的产品模型具有智能性。当用户要求改变时，系统的模型内部包含的设计约束关系，快速生成一个新的产品装配模型，有利于缩短产品开发周期。4 自顶向下的产品装配建模系统是针对设计领域产品开发的，它比较适合系列化产品的建模。3 2c e 对装配建模系统的要求为适应并行工程的需要，实现计算机对设计全过程的支持自顶向下的产品装配建模系统应该满足如下功能要求：1 持产品的功能表达系统应提供和人类专家设计思维过程相一致的建模工具，能将产品的功能要求映射成相应的设计概念。17 产品的虚拟装配过程2 支持产品多层次抽象表达自项向下的产品装配建模过程是一种逐步求精的求解过程。在概念设计阶段，零部件的详细几何结构是不确定的，无法对其进行表达。详细几何结陶是在设计过程中逐步细化和具体化的。系统应提供产品设计不同抽象层次表达方法，以简化和方便设计过程。3 支持产品生命周期中多种设计活动的集成面向并行工程的产品装配建模环境应能支持与装配有关的多种设计活动的集成。与装配模型有关的设计活动如图3 2 1 所示。不同的设计活动存在不同的信息模型，系统应能在装配模型的基础上推导出各种设计活动的信息模型。4 在设计过程中能维护产品的功能要求在自顶向下设计过程中将对设计方案进行多次评估，在评估分析之后，所做修改应不违反产品的功能要求，自动保持产品功能不变。为此，要求系统将产品建成模过程中所用到的设计知识和设计约束全部保存在知识库中，从而使产品模型具有联动修改效应，在修改中自动维护产品数据的一致性。图32i与装配模型有关的设计活动3 3 产品装配模型的特点装配模型所包含的基本装配信息主要有两类，一是装配体的分组和层次信息，如产品的部件、组件的划分；二是装配体之间的装配关系信息如轴孔配合、螺纹联接、面接触等典型的装配联接信息。这两类信息的获取方法，一种是由人根据图纸判断并输入到模型中；另种则是利用特征c a d 系统在设计堕丝壅堑丝墼丝堡塞丝：堡堡堡堕里塾丝丝丝呈竺墼丝坐圭茎堡鎏兰堡星：1r 产品的虚拟装配过程在以往的装配建模中，除了这两类基本信息外，还需如装配方向、节点间的主从属性等信息，它们与装配体的内在结构特性密切相关。如果完全依靠人工判断装配方、节点间的主从性等f 者息，并将其描述在装配模型中，则等于靠人在每个局部进行装配序列规划，在一定程度上失去了计算机辅助规划的意义，而且会加大工作量、增大建模难度延长建模时间；而且会加大工作量、增大建模难度、延长建模时间；而对使用特征定义的方法来说，由于在特征设计阶段，零件之间具体的装配方向、主从属性等关系尚无法完全确定，同样会增大建模的难度。而且，在面向装配的设计和评估系统中，作为装载产品装配信息的装配模型，首先要求它表达的装配信息必需丰富全面，也就是说，在面向装配的设计和评估系统中作为信息载体的装配模型，应该是基于装配的而不是基于零件的。这种建模方法包括装配关系、装配约束和零件的装配信息。这样就为对产品进行零件级和装配级的装配工艺性分析打下了基础。其次，应该能对装配模，弘中的任何一个数据进行插入、查询、删除、修改等操作。例如，更改某一个零件的装配信息只是局部的数据更改，它不会影响到整个产品结构的数据变化。3 4 装配模型的建立目前文献中主要存在3 种装配模型：【9 】树结构模型f 2 6 】、图结构模型【2 7 l 、v i r t u a l l i n k 模型 2 8 】等。其中以二叉树模型最为典型：3 4 1 基于设计过程和装配过程的二叉树模型影响可装配性的因素可分为零件因素、系统因素和工艺因素。建模应全面考虑这些方面。前面提到过，设计过程是一个自顶向下、从功能设计逐步映射到详细结构设计和装配关系确立的过程；d f a 分析也应体现动态设计过程的各个阶段，例如功能分析( 在保持功能不变的情况下减少零件数量) 、配合分析( 通过分析零件在装配过程中的装配方向、装配力的大小以及是否需要特殊工具等因素来确定起零件的装配是否合理) 。图3 4 1 即是基于设计过程和装配过程的二叉树及其映射的d f a 装配模型。19 然澍装配模型在p r o e n g i n e e r 系统中，零件装配件和工程图都属于对象( o b j e c t )图3 4 2 显示了用自顶向下的设计方法创建对象的过程。图3 42p r o e n g i n e e r 自顶向下的 殳计方法20 产品的虚拟装配过程i i i从图中可以看出，“装配件1 ”由3 个子装配件组成。每个子装配件由不同的零件组成。以“予装配件2 ”为例，它由3 个零件装配而成。取出“零件2 ”进行详细分析，可以看出它由3 类特征组成：基准特征基准特征主要是指一些基准面基准轴，常用作草图平面、尺寸基准、参考面等。基特征基特征是毛坯的基体，属于草图特征，所以需要绘制草图。从图中可知，该基特征是由“拉伸”方式产生的。结构特征“零f l ：一2 ”的结构特征有3 个。“结构特征1 ”和“结构特征一2 ”属于草图特征，所以它们有各自的截面草图，分别通过旋转和拉伸的方式生成。“结构特征一3 ”是孔特征，属于标准特征，因此没有截面草图，只需指定相关参数就可完成打孔。图3 4 2 中所表示的层次关系也充分说明，在p r o e n g i n e e r 系统中：零件设计是核心?特征设计是关键：草图设计是基础： 1 6 18 3 4 2 基于基础件的产品装配模型建模的关键在于确定建模的起点，以及建模的关系基础，即从装配体的哪一部分出发，以何种关系连接各个节点以构成一个完整的装配模型图，并能够较好地反映装配体的结构特性和内在关系。经过对一般大、中型装配体进行研究，如机床、减速器等，发现它们都是属于基础件的结构体。所谓基础件结构是指，装配体在装配或使用过程中，依靠自身的某个或某几个零件作为基础件支撑整个装配体，如机床的两个床腿。基础件是装配体中非常重要的一个部分，在此将它作为装配建模的起点，在建模时由人指定。基础件的确定也是产品设计阶段的重要任务之一，由于基础件的数量很少，因此不会额外增加装配建模的难度。建模的关系基础则定为两类基本装配信息。建模过程如下：( 1 ) 指定装配体的基础件，将其作为装配模型图的起点；21 产品的虚拟装配过程( 2 )根据两类基本装配信息。搜索所有与起点有任何直接关系的零件或部件，包括螺纹连接、轴孔配合和面接触等。将这些零、部件作为基础件的下一层节点；( 3 ) 将每一个新节点作为起始点，按照宽度优先搜索算法，重复第二步。可是，该方法也有一定的局限性，那就是：它只适用于具有基础件结构的大、中型装配体，也包括能满足基础件结构条件的小型装配体，而不适用于如钢笔、手电钻等工具型装配体。1 2 1 l在下面的装配实例分折中，由于选取减速器作为实例，因此将采用这种装配模型。3 5 产品数据表达与交换标准( 以s t e p 为例1s t e p 足产品数据表达与交换标准。它提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个，e 命周期各个阶段的产品数据。s t e p 有三层次结构、参考模型和形式语言等组成。三层次模型主要目的是将产品模型的应用、集成和表示分开，以实现数据的应用与存储方法( 或交换格式) 无关。在s t e p 中，产品模型分为应用层、逻辑层、和物理层。装配建模是并行工程对产品可装配性进行设计评价的基础，是并行工程领域的重要研究课题，同时，并行设计和产品周期各个阶段的集成( c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 等) 要求各种应用共享一个统一的产品模型。s t e p 即是这种环境下的产品模型和产品数据交换标准求解来获得理想的设计方案。在产品的设计过程中涉及到大量的、不同性质的功能要求和性能指标，如果将整个产品的设计简单地归结为一个约束满足问题是不现实的。特征技术将工程概念与几何形状有机地结合起来，大大提高了c a d 系统表达设计对象的能力，使得c a d c a p p c a m 一体化成为可能。但是特征往往用来描述零件的某些局部功能特性( 如倒角、退刀槽、键、孔、轴等) ，不能很好地支持零部件乃至产品级的设计过程。在现在的三维设计软件中，s t e p 已经成为一种各种软件之问交互的