（机械设计及理论专业论文）基于并行设计的装配参数化设计方法的研究与实现.pdf

摘要 浙江大学硕l 论丈 摘要 本文从并行设计角度出发，研究了产品装配设计过程中的装配信息建模技 术，提出了一种新的产品装配设计模型。在装配模型中，利用线性索引表建立丁 装配图中零件信息图和零件图的几何索引规则，采用装配节点表达设计信启。从 罅0 去上保汪零件图和装配图的相关联一致性设计。在此基础上， 丌发了一个面向 多视图的装配系统，实现产品的装配参数化设计。 f 第一章回顾j 产品设计方法和产品装配信启、建模技术的发展历程，分析讨论 丁国内外对这一课题的研究情况。阐述了课题提出的目的和意义和论文的主要研 究内容。 第二誊介绍了产品的并行设计过程，总结并归纳了五种装配约束，描述了利 用装配约束进行零件定位求解的算法，提出了一种基于并行设计的产品装配模 型。该产品装配模型可表示零件之间的多重装配关系，并能通过约束的传递与满 足解决装配图与零件图的一致性设计问题。 第三章介绍了零件参数化技术的建模方法和实现原理。利用提出的基于并行 设计的装配模型，在零件图参数化技术的基础上，对装配参数化设计技术的原理 和实现进行了研究探讨。总结归纳了在装配参数化设计中保持零件图和装配图相 关一致性设计的一些解决办法。 第四章介绍了零件的轮廓信息识别和装配图消隐的原理，采用鉴于转角计算 的方法实现零件内外轮廓信息的识别。 第五章介绍了采用多视图装配的方法解决零部件装配问题的方案和解决路 径。在装配过程中调用装配零部件库中的一组二维存储视图，通过对两零部件不 同视图的定位求解、尺寸标注、消隐等处理，生成装配图。 第六章阐述了原型系统的开发背景、开发环境、系统界面、系统主要功能和 特点。 、 第七章总结了全文的主要研究成果，并展望了未来的研究工作。一、一 ， 关键词：装配建模、装配约束、零件定位求解、并行设计、装配：带点、装配特征、 参数化设计 塑薹 塑垩苎兰耍主笙茎 a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo fc o n c u r r e n td e s i g n ，p r o c e s s - o r i e n t e da s s e m b l ym o d e l i n g t e c h n i q u ei s d i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n an o v e lp r o d u c ta s s e m b l ym o d e li sp u t f o r t hw i t ht h eh e l po fl i n e a r i t yi n d e xc h a r t ，t h eg e o m e t r i c a l l yi n d e x i c a lr u l eo ft h e a c c e s s o r yc h a r ta n di t si n f o r m a t i o n si nt h i sa s s e m b l yc h a r ta l ee s t a b l i s h e db yu s i n g t h ea s s e m b l yn o d e si nt h ea s s e m b l ym o d e lt oc o n v e yt h ed e s i g ni n f o r m a t i o n ，t h e c o n s i s t e n t d e s i g n o fa c c e s s o r yc h a r ta n d a s s e m b l y c h a r tr e l a t e di sr e a l i z e da p r o t o t y p ea s s e m b l ys y s t e m w h i c h c a l ld e a l 、i mm u l t io r t h o g o n a lv i e w sa n dp e r f o r m t h ea s s e m b l yp a r a m e t r i c a ld e s i g n ，i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to f p r o d u c ta s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l i n ga n d t h e d e s i g nm e t h o d a r er e v i e w e d f u r t h e r m o r e ，t h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r k si nt h i sa r e aa r e a l s oa n a l y s e d t h ea i ma n dp u r p o r to ft h i sp r o j e c ta n dt h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i s a r e p r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，t h ec o n c u r r e n td e s i g np r o c e s si sd i s c u s s e d f i v ek i n d so f a s s e m b l y c o n s t r a i n ta r es u m m a r i z e dt h e p o s i t i o n s o l v i n ga l g o r i t h m b a s e do n a s s e m b l y c o n s t r a i n t si s e x p o u n d e d ak i n do fp r o d u c ta s s e m b l ym o d e ls u p p o r t i n gc o n c u r r e n t d e s i g n i ss e tf o r t h ，w h i c hc a n t o n l yf i g u r e o u tt h e m u l t i p l y a s s e m b l er e l a t i o n s b e t w e e nt h e p a r t s ，b u t a l s os o l v et h ec o n s i s t e n t d e s i g np r o b l e mt h r o u g h t h e t r a n s f e r r i n ga n df u l f i l l i n go f t h e c o n s t r a i n t s i nc h a p t e r3 ，t h em o d e l i n gm e t h o da n dt h ep r i n c i p l eo f p a r a m e m c a lt e c h n i q u eo f p a r t sa r ei n t r o d u c e dt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ea s s e m b l ym o d e l ，o nt h eb a s i so ft h e c o n c u r r e n td e s i g n ，u s i n gt h ep a r a m e t r i c n t e c h n i q u eo fp a r tc h a r t ，t h ee l e m e n t sa n dt h e w a y so f r e a l i z a t i o no f a s s e m b l yp a r a m e m c a ld e s i g nt e c h n i q u ea r ep r o b e di n t o s o m e m e t h o d so fk e e p i n gt h e c o n s i s t e n c y a n dr e l e v a n c eb e t w e e nt h e p a r tc h a r ta n d a s s e m b l yc h a r ti nt h ec o u r s eo fa s s e m b l yp a r a m e t r i c a ld e s i g na r eg e n e r a l i z e d i nc h a p t e r4 ，t h ep r i n c i p l eo f p a r t sc o n t o u rr e c o g n i t i o na n da s s e m b l yc l i p p i n g a n d h i d i n g i s p r e s e n t e d t h e a l g o r i t h u m f o r r e c o g n i t i o no fi n n e r a n do u t e r c o n t o u r so f a p a r tb a s e d o nt h et u r n i n g a n g l ec u l c d a t i o m sd i s c u s s e di nd e t a i l i nc h a p t e r5 ，t h eb a s i cr u l e sa n d a p p r o a c h e sf o r p a r ta s s e m b l yp r o b l e ms o l v i n g o nt h eb a s eo fm u l t io r t h o g o n a lv i e w sa r es e tf o r t h d u r i n gt h ea s s e m b l i n g p r o c e s s ， as e to fp l a n a rp a r tv i e w ss t o r e di nad a t a b a s ea r ei n t r o d u c e d b yt h ep a r tp o s i t i o n s o l v i n g ，s i z ed i m e n s i o n i n g ，l i n ec l i p p i n ga n dh i d i n g ，t h ea s s e m b l yc h a r ti st h e n 2 摘要 浙江大学硕士论文 p r o d u c e d i nc h a p t e r6 ，t h ee x p l o i t a t i o nb a c k g r o u n d ，s e t t i n ga n di n t e r f a c e ，m a i nf u n c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so f t h e p r o t o t y p ea r ep r o v i d e d i n c h a p t e r7 ，t h e r e s u l t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef l l i t h e r r e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l yc o n s t r a i n t ，p a r t - p o s i t i o n i n gs o l v i n g ， c o n c u r r e n t d e s i g n ，a s s e m b l yk e y p o i n t ，a s s e m b l yf e a t u r e ，p a r a m e t r i cd e s i g n 3 第一章绪论 浙江大学硕士论文 第一章绪论 本章摘要】本章介绍了计算机图形学( c g ) 和计算机辅助设计( c a d ) 的发展 历程以及计算机辅助设计( c a d ) 在产品设计中应用的现状。回顾了产品设计 方法和产品装配信息建模技术的发展历程，并分析了国内外对这一课题的研究 情况。最后介绍了本课题提出的目的和意义及本文的主要研究内容。 1 1 引言 以计算机为主要标志的新技术革命，对人类社会的发展产生了巨大的影响， 解放了人类的体力和脑力劳动极大地提高了人民的生活水平。计算机辅助设 计( c a d ) 和计算机图形学( c g ) 是计算机技术的重要组成部分，c a d c g 的发 展大大推动了设计领域的革命，有力地增强了产品设计与企业竞争的能力，成 为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志之一。 计算机图形学是一门应用十分广泛的学科，它主要研究计算机处理图形的 原理、方法和技术等。自从1 9 6 3 年美国麻省理工学院的i e s u t h e r t a n d 发表 了第一篇有关计算机图形学方面的论文s k e t c h p a d 种人机对话系统以 来计算机图形学得到了蓬勃的发展，并应用于当代社会生活的各个方面。计 算机辅助设计是计算机图形学在工业界领域的重要应用。c a d 自诞生以来，大 致走过了以下历程：第一代c a d 系统出现于6 0 年代，主要是二维绘图环境。第 二代c a d 系统始于7 0 年代，主要是二维交互绘图及三维几何造型环境。第三代 c a d 系统始于8 0 年代中期，基本支持并行设计，采用了特征篷模、基于约束的 参数化和变量化建模技术，这种系统有内部统一的数据库做到了c a d c a m 的 信息集成，为并行工程打下了坚实基础。新一代c a d 系统是现代c a d 技术的集 中体现，是实现产品异地、协同设计与制造的综合数字式生产环境支持系统。 并行工程作为针对本世纪产品制造业发展战略之一，它的目标是提高设计、 工艺、制造、服务全过程的质量，降低产品开发成本，缩短产品研制开发周期， 使得产品可以尽快上市并在市场竞争中立于不败之地。并行设计考虑到产品生 命周期的各个阶段，采用了多领域多学科的知识集成，是设计概念、内涵的扩 展和延伸。并行系统对产品设计的各个阶段使用统一的数据结构、数据库，从 产品设计一开始就有明确的全局观点，能考虑到产品从概念到消亡的整个生命 周期的所有因素，及早照顾到产品制造和售后服务等部门的要求，把全系统真 正集成起来，使设计到制造的全过程的所有工作并行完成，形成一个全关联的 并行工作系统。 第章绪论 浙江大学硕士论文 1 2 产品的设计方法 一般认为：产品的设计过程是将产品的要求映射到其功能描述，然后再用适 当的几何概念对其功能描述加以实现的过程“。首先将这一系列的产品要求转化 成相应的功能描述，再用设计概念实现其功能描述。这里的实现指如何定义零件 间的装配关系和约束情况，至于单个零件的几何形态等具体信息要到设计的最后 阶段才能确定。因此，整个产品设计周期一般要经过概念设计、装配设计和零件 设计三个基本阶段。产品设计的三个阶段是相互制约的，设计信息的流动总体e 是由概念设计到装配设计、再到零件设计，但零件设计阶段的结果反过来也可以 对装配设计或概念设计进行修改。产品设计从明确产品要求开始，经过初始构思、 分析、决策到完成详细设计是一个逐步细化的循环与迭代的并行过程，主要的设 计方法有两种：分别是自底向上的设计方法和自顶向下的设计方法。 1 2 1 自底向上的设计方法 现在运行的各种产品设计c a d 系统大都属于此类。在设计过程中，设计人 图i - i 自底向上的设计流程 员首先在自己的脑海里建立设计模型，然后利用c a d 系统绘制零件图，最后根据 设计好的零件图定义装配约束关系生成装配图。这类c a d 系统着眼点都是产品几 何形体的描述。这种设计方法与产品的设计过程是不一致的，关键是没有表达出 产品的功能要求，这样在设计过程中零件间功能约束关系的一致性完全由设计者 负责，c a d 仅作为一种最终结果文档工具，仅仅使设计者甩掉了图板，没有对产 品的整个设计过程提供了真正的全方位的支持。自底向上的设计流程图“”如图 第一章绪论 浙江大学硕士论文 1 2 2 自顶向下的设计方法 与自底向上的设计方法相反，自顶向下的设计方法与产品的设计过程相似。 图卜2 自顶向下的设计流程 在自顶向下的设计方法中，设计人员首先定义产品的功能表示，这种功能表示常 常以约束方程的形式出现，然后对其功能表示进行分析，根据功能要素添加几何 要素，最终生成设计产品。自顶向下设计流程“7 1 如图1 - 2 。我们可以看出自顶向 下的设计方法，是在装配的层次上而不仅仅是在零件的层次上考虑问题，因为产 品的功能很少由单个零件实现，常常是由多个零件的功能组合体现出来的。因此， 一个基于装配的c a d 系统在整个设计过程中容易保持零件功能约束关系的一致 性，使设计思维更合理，真正起到对产品设计过程的支持。 自顶向下的设计思想使产品信息建模前进了一大步，它使产品设计的后期阶 段可以继承前期设计阶段的信息，但它仍然存在一些缺点，即无法把后期设计阶 段的信息反馈回前期设计阶段去，信息传递仍具有单向性。所以自顶向下的设计 也难以对设计全过程给予支持。 实现基于装配的c a d 设计系统，光靠自顶向下的设计方法是不够的，必须将 自顶向下的设计方法和自底向上的设计方法相结合，但应以自顶向下的设计方法 为主，采用零件图和装配图设计相结合，实现设计信息双向流动，装配图既要从 零件图中继承信息，又要把设计信息反馈给零件图，即采用并行设计的思想方法。 第一章绪论 浙江大学硕士论文 1 3 装配设计建模技术 装配信息模型和装配信息建模在整个产品信息建模过程中具有重要作用，足 c a d 系统的重要组成部分。这是因为： ( 1 ) 装配设计阶段是用户进行创造设计的最重要阶段，在该阶段最有利于用户 把握产品的整体结构。 ( 2 ) 装配信息模型既要继承概念模型的信息，有效地进行装配设计，又要将设 计信息传递到零件模型中。从某种意义上说，装配信息建模是产品信息建模的核 心内容，它连接概念模型和零件模型，对生成完整的产品信息模型、满足产品生 命周期各环节对信息的需求非常重要。 ( 3 ) 在零件设计之后，要有产品装配效果的反馈，用户才能做必要的修改。而 这一步与装配设计在技术上是基本一样的。 由此可见，装配设计是产品设计的关键步骤。装配设计的研究目前是c a d 技 术的热点问题之一。在基于装配的c a d 设计系统中装配模型是系统的核心，模型 不仅要表达出产品的功能，而且要表达出零件以及零件之间的相互关系。建立装 配模型，主要需要解决装配信息模型表示和零件定位求解等方面问题。下面我们 对这两方面问题进行展开讨论。 1 3 1 装配信息模型表示 自九十年代以来，国内外学术界在产品装配模型方面开展了一系列研究，取 得了一系列成果，比较典型的有： ( 1 ) 关系模型：用关联图描述装配体中零件及其配合关系，称为关系模型( 也称 为图模型) ，如图1 3 所示。在典型的关系模型中，零件以图的节点来表达，图 中的边定义了零件间的关系。每一条边包含了相关零件间的所有关系。在 r o c h e l e a a ”1 采用的关系模型中，一条边仅代表一个关系，每一个接触关系建立： 一个边，几何年r i 4 i s jl , 何信息分别被存储在关系模型的节点和边上。关系模型可壹 接用于装配推理和分析，或者作为生成其它类型装配信息模型的开始点。 r o c h e l e a n 使用关系模型建立约束方程组，求解有关零件的位置。 第一章绪论 浙江大学硕士论文 关系模型在问题规模比较小时，具有模型表示清晰、易于实现等优点。然而 在问题规模较大时，计算开销急剧增大，甚至出现组合爆炸。此外，关系模型不 b r o c k e t 2 n u t i b o s e n u t 2 螺柃副奘配诨棒 图1 3 装配关系模型 能清晰地表达层次关系，由于各零件处于同层次上，给约束求解带来极大的困 难。 ( 2 ) 层次模型：层次模型将组成装配体的零部件按一定规则分成多层次，产品 从上到下构成树结构，如图卜4 所示。 一个层次模型可以按零件装配的顺序施加约束获得。每组己装配的零件形成 一个子装配体，所有零件和子装配体的集合定义了完整的装配体。层次模型可以 将零件间的关系组织在子装配体中实现，所以，层次模型减少了装配分析算法的 计算复杂度。算法通常一次只处理小数量的零件或子装配件( 一般为两个) 的关 系。 层次模型的优点是能清晰地表达产品的组成，便于产生装配规划序列，但它 难以描述零件之间的相互关系，不利于装配公差分析。 图1 - 4 层次模型 ( 3 ) 混合模型：混合模型描述了零件之间的配合关系与功能关系，以层次结构 为主，辅以配合关系。l e e “3 提出的一种混合模型的数据结构如图卜5 所示。在 第一章绪论 浙江大学硕士论文 混合模型中，通过虚链表达装配层次关系，即以一根链表示装配体中同一层中零 件，而在虚链的每个节点中都有明确指明相互配合的一对零件的指针。零件之间 的关系由附加在于装配体和零件上的约束网络表示。混合模型既表示了层次关 系，又表示了配合关系。 混合模型对装配体模型的表达能力强，但主干在同一装配信息模型上有相对 独立的两种结构，混合模型的实现和一致性维护比较困难。 v i r t u a ll i n k 卜刊v i r t u a l l i n k 卜一v i r t u a l l i n k v i r t u a l “n k 卜叫v i r t u a ll i n k 卜叫v ir t u a l 【i n k c o m p o n e n tl i c o m p o n e n ti ic o m p o n e n tilc o m p o n e n l 图1 一j 混合模型 ( 4 ) s o d i h i 和t u r n e r 的方法。9 ： s o d i h i 和t u r n e r 提出了装配体和零件的功能特征的概念，通过特征的功能 需求来定义特征的属性，使用功能装配特征来联系零件特征。设计建模时，这些 特征采用隐含的、待计算的形式来表达，特征参数的确定是一个可以反复修改的 过程，直到满足产品的功能要求为止。而装配特征属性则用来建立装配配合关系 和装配约束。 ( 5 ) 张申生的并行工程方法“ 张申生从并行工程的角度出发，通过对产品及零部件编码的方式对零部件之 间的装配关系进行层次描述。以零部件编码为指针，指向一个配合关系的矩阵， 矩阵的每一行和列都表示该装配体中按零部件编码序号排列的一个零部件。行列 交叉处，是零部件的配合关系。 苎二童笪堡 一塑里茎兰雯主! ! ! l 1 3 2 零件定位求解 装配体中零件的配合关系唯一确定了每个零件的空间位置，零件位置通过装 配定位求解方法确定。各种设计分析需要对零件位置进行求解计算，这些设计分 析包括机构分析、公差分析、装配序列规划和机器人路径规划等。因此，寻求有 效的装配定位求解算法是装配信息建模的关键问题之一“。 零部件之间的装配关系形成一组约束方程组，约束方程组的解确定了相关的 零件位置。在模型空间坐标系中，零件的空间位置由4 4 变换矩阵表达。r o c h e l e a u 。二1 将变换矩阵的1 2 个变量构成了描述零件位置的方程组未知数，约束方程是 由贴合约束和对中约束生成的。通常情况下，由零件间的配合关系形成的约束方 程数多于变量数。l e e 和a n d r e w s ”1 首先去除线性相关的方程，然后任意选择一 组方程，使其方程数等于变量数，这组联立方程可以利用n e w t o n r a p h s o n 迭代 法求解。这种方法运算速度慢，结果依赖于对合适的方程组的选择。 r o c h e l e a u 的研究是根据6 个与零件相关的自由度来表达4 4 矩阵的l2 个系数，相关自由度是未知数，最小二乘技术用于求解方程组。与l e e 的方法相 比，它节省了选择合适方程组的初始开销，大大降低了计算量。然而，对于由几 个零件组成的强连接装配体，可能需要建立大量的联立方程。 a m h i l e r 和p o p p l e s t o n e ”“7 1 对零件定位求解提出了不同的策略。系统为每对 配合特征建立等式表达式，每一个表达式根据有效的运动约束，定义了一个物体 相对于另一物体的位置。求解方程是基于符号法的，通过代数规则与方程组匹配 简化方程组的求解。c o r n e r “进一步介绍了利用快速查表法替代慢速的符号求解 法。 上面描述的每个策略中，都是建立若干约束方程组用以表达装配体中零件间 的关系，方程组是联立求解的。在装配体中，当变量数的增长与零件数目呈线性 关系时，约束的数量可以呈线性或平方地增长，取决于装配的连接度。对于只有 几个零件的装配体，也可能需要建立大量的方程，约束方程组联立求解的计算开 销非常高。此外，数值求解策略对未知数的初始值选择是敏感的，计算中可能会 不收敛，或者计算出不正确的局部解。 一般情况下，在机械产品的装配设计中，一次只有两个零件或子装配件参与 定位和装配，零件按一定顺序装配。因此可以用顺序法来求解零件位置，零件间 的约束关系在每一步中得到满足，即使装配体是由大数量的零件组成，每一步涉 及的约束数量总是保持在小范围内。与求解联立方程组比较，顺序求解法有着明 显的计算上的优势，当零件数量较多，约束方程组较大时，顺序求解法的计算上 第一章绪论 浙江大学硕士论文 的优势更加突出。 p r o e n g i n e e r 系统采用的是顺序求解法，设计者交互地确定两零件的配合 关系，系统根据配合关系确定相关的零件位置，这一过程进行直到装配体设计完 成。 装配信息建模技术的另外两个主要研究领域是装配公差合成与分析和装配 干涉检查1 。公差合成主要研究将功能需求转化为设计尺寸和公差的决策过程， 公差分析以及时发现设计尺寸的变动和尺寸变动的有效性为研究目标，装配干涉 检查主要研究装配设计中零件间是否存在运动干涉和尺寸干涉。 1 4 课题的提出及本文研究的主要内容 1 4 1 课题的提出 正如前面所分析的，目前c a d 系统对产品设计过程支持还不是很全面，装配 信息建模技术还有待完善。主要表现在以下几点： ( 1 ) 装配信息建模对产品设计全过程的支持能力较弱 产品的自顶向下设计使后期设计阶段可以继承前期设计阶段的信息，但它无 法把信息反馈回去。而通常情况下，产品的设计是一个复杂的过程，不是一次完 成的，是一个不断细化、反复修改、反复迭代的过程，设计者有可能在设计的任 意阶段进入设计过程的其它阶段。显然，现有的产品装配信息建模不能支持产品 的并行设计全过程，因此必须建立一个合理的装配数据模型解决上述问题。 ( 2 ) 合理完善的设计模式 现在几乎所有的c a d 系统都以零件图为研究对象，以机械零件的建模为目的 进行的，通过完成零件设计拼装在一起的方法来完成总体设计。在生成装配图的 过程中发现错误，不能从装配图中直接修改，也不能从装配图出发反过头来修改 零件图，而只能重新设计零件，再重新拼装成装配图。这些计算机辅助绘图系统 没有产品，也没有部装的信息，不能满足工程设计的需要。现有的c a d 设计软件 虽说比计算机辅助绘图软件进了一大步，但所支持的设计仍然是串行的。在这种 设计方法指导下的c a d 系统也都是串行工作的。其各个模块、各个部分是相互独 立的，系统内部存在若干种数据结构和不止一个数据库，串行工作模式中的各个 模块之间的数据传递是靠各种数据结构之间的相互传递来实现的，没有做到各模 块信息的共享。这种设计的缺陷必然导致产品数据的可修改性和可重用性差，不 能满足复杂产品的设计要求。 第一章绪论 浙江大学硕士论文 ( 3 ) 完善的参数化设计思想 现有的参数化设计软件已经比较成熟，但是主要都是面向零件的，因此有必 要在零件图参数化的基础上，面向装配图，解决装配图的参数化设计间题，这对 于零件图参数化设计解决方案是一个进步，有利于从更高层次上把握产品的设计 问题，完善产品的设计方法。 ( 4 ) 完善的装配图消隐机制 工程图纸的消隐是装配图自动生成的一个重要内容。二维装配图的消隐就是 要完成个零件的二维视图轮廓信息和封闭图信息的识别，以及利用已获取的轮 廓信息对另一个零件视图进行遮挡运算等工作。在目前的文献中介绍的方法也很 多，基于目前计算机较高运算速度，我们期望归纳出一种程序设计简单合理，运 算速度又较快的图形轮廓信息识别和装配图消隐算法。 1 4 2 课题的基本内容和主要工作 本文根据产品实际设计的过程，建立一个面向装配设计的数据模型，使c a d 系统真正支持产品设计。课题要解决的主要技术问题如下： ( 1 ) 基于装配节点的产品装配信息模型与数据结构 建立基于装配节点的产品装配信息的树环模型，模型的顶层节点是产品或装 配体，它由若干个装配节点连接起来的子装配体或零件组成；模型的终( 叶) 节 点是零件信息图和装配约柬。该装配模型继承了l e e 的混合产品数据模型的优 势，在处理零件图与装配图关联一致性设计问题上又有自己独到的特色。在模型 环状结构中以装配节点取代了虚链，环状结构变得简单，并且一个装配节点只与 两个零部件相关联，模型结构清晰。同时引入了装配特征概念，可以表达两零件 之间的多重复杂装配约束关系。并且以零件信息图代替了零件，大大减少了装配 模型中的冗余设计信息。 根据工程设计的需要，提出表达零件关系的五种装配约束，阐述系统内部对 约束信息的处理机制。提出零件定位求解的一般准则，采用顺序装配法对多视图 进行装配操作。 ( 2 ) 基于装配的参数化设计 建立以装配图为研究对象的装配参数化设计思想。装配参数化设计以零件参 数化设计为基础，主要解决零件图和装配图设计信息双向共享问题，即修改装配 图尺寸，零件图能自动进行参数化设计；反之，任一零件图尺寸的修改能使装配 图和与其关联的其它零件图的形状自动修改，从而达到零件图、装配图的设计信 第一章绪论 浙江大学硕士论文 息一致性。 ( 3 )多视图的装配技术策略 在深入分析各种单一视图装配方法的基础上，用二维视图变换的方法解决多 视图的装配问题，在装配过程中采用合理装配布局，进行视图坐标变换，把零件 视图中的每个视图作为一个整体进行零件定位求解，实现零部件的装配。 c 4 ) 装配图消隐机制 工程图纸的消隐是装配图自动生成的一个重要内容，在目前的文献中介绍的 方法也很多，本文经过大量的文献参考与实践，借鉴各种零件二维视图轮廓信息 和封闭图形信息的识别方法，成功地将基于转角计算的轮廓信息识别的算法应用 于本系统的装配图的消隐中，程序设计简单，速度较快。 ( 5 ) 原型系统的实现与应用 在基于装配节点的产品装配数据模型基础上，本人开发了多视图装配原型系 统。阐述了系统的总体结构、开发背景、开发环境和系统特点。介绍了零部件装 配定位求解模块、装配参数化设计模块、装配图消隐模块、装配尺寸标注模块。 第二章面向并行设计的产品装配模型探讨 浙江大学硕士论文 第二章面向并行设计的产品装配模型探讨 本章摘要 介绍了产品的并行设计过程，总结并归纳了五种装配约束，介绍了 用装配过程图表达零件的顺序装配过程及利用装配约束进行零件定位求解的算 法。提出了一种面向并行设计的产品装配模型数据结构，该产品装配模型可表示 零件之问的多重复杂装配关系，并能通过约束的传递与满足来进行装配参数化设 计。 2 1 引言： 并行工程强调多学科小组成员的协调工作和一体化、并行的进行产品开发及 相关过程的设计，其中尤其注意早期的装配设计阶段的并行与协调，这要求产品 装配设计阶段为后续过程提供丰富的产品装配信息，以便进行可装配性评价和装 配工艺规划，因此产品装配模型是产品设计的过程集成和并行的基础和关键。 在设计上，并行工程的内涵体现在并行设计上，并行设计体现了产品模型的 整体性和设计的同步性。并行系统在产品的生命周期内始终将产品模型当作一个 有机的整体进行处理，不存在数据断层。不管对产品的任何部分做了修改，产品 模型中的其他部分也都自动作相应的修改。因而用户可以及时看到设计和修改的 整体效果及对其他部分产生的影响，并检查其正确性，从而可以使各部分设计同 步协调，也大大缩短了设计周期。 并行设计系统一开始就是面向产品的，以产品为对象系统。而目前c a d 系统 面向以零件的，以零件为处理对象。综合考虑将来的并行系统和目前c a d 系统， 本文主要研究面向并行设计产品装配问题，试图解决零件图和装配图之间的关联 一致性设计问题即装配参数化设计问题。 2 2 装配关系的描述 装配关系是零件与零件之间相对位置的描述，它反映零件与零件之间的相互 约束关系。要使装配体能够自动的与其它装配体进行装配，就必须定义其装配关 系。装配关系包括两种：一种是零件之间的相互约束关系，如轴孔配合、端面贴 合。在二维c a d 系统中，这些定位关系就与图形中的几何元素相对应，变成共线、 共圆等几何约束关系。这些几何约束关系确定了零件之间的相对位置，限制了运 动的自由度。一般情况下，约束关系与装配设计过程无关，而只与产品功能有关。 零件之间的相互约束关系又可以分为两类，一类是装配约束，表现为二维图形定 位求解。另一类是零件间的配合约束关系，在二维c a d 中，由于配合约束与配合 第二章面向并行设计的产品装配模型探讨 浙江大学硕士论丈 尺寸相关联，将在第三章( 3 2 2 节) 介绍。另一种装配关系是零件之间的装配 顺序关系，它描述了装配设计过程。装配关系的归纳和表示是建立产品装配模型 的基础和关键。 2 2 1 装配约束 零件进入装配其实就是零件元素如何定位的过程。在二维装配中，零件的定 位由指定的两个零件的几何元素或零件与子装配件的几何元素的几何约束关系 决定。本文主要归纳了以下几种装配约束关系，如图2 - 1 所示： 瞥- e 型 图2 1 錾 穴 恐 夕弋一 茏忽 e 3 己 基 2 2f i 己 砦 j 匿 勉藩 。 、， 一 。_ 图2 2图2 3 ( 1 ) 对中约束：以零件1 和零件2 上的对称中心线或轴线共线为定位条件； ( 2 ) 贴合约束：以零件l 和零件2 上的线段重合或共线为定位条件； ( 3 ) 定点约束“：以零件1 和零件2 上的两个定位点相重合作为定位条件： ( 4 ) 垂直约束：以零件l 和零件2 上的两条线段垂直为定位条件： ( 5 ) 平行约束：以零件l 和零件2 上的两条线段平行为定位条件： 不管两零件装配前处于何种位置状态，装配约束描述了装配后两零件应该满 第二章面向并行设计的产品装配模型探讨 浙江大学硕士论文 足的条件。上述几种装配约束覆盖范围大且符合工程设计习惯，基本上概括了二 维装配中的所有装配约束关系。 图2 2 是减速器装配图轴端结构的一部分，图2 3 示出了其组成零件及其满 足约束的零件图素情况，如零件l 满足约束的图素是端面e 1 l 和轴线e 1 2 ，零件 2 满足约束的图素是端面e 2 1 ，轴线e 2 2 ，端面e 2 3 等。零件l 的e 1 2 和零件2 的e 2 2 ，e 1l 与e 2 3 之间分别是满足对中约束和贴合约束。 2 2 2 装配顺序 零件的装配是有顺序的，用户一般按照总体装配的原则来进行交互装配，即 和产品的实际装配加工过程一致。装配过程可采用图来描述。 定义：图，二元组( v ( g ) ，e ( g ) ) 称为图，其中v ( g ) 是非空集合，称为节点集。 e ( g ) 是v ( g ) 诸节点之间的边的集合。常用g = ( v ，g ) 表示图。图分为有向图、：e 向图和混合图三种。 在有向图g 中，零件以图中的节点表示，有向边e 。( v 。，v 。) 表示v 。必须在v 。 之后装配，如图2 4 中，零件l 在零件4 之后装配，称g 为装配过程图”。 图2 - 4 装配过程图 图2 4 中，零件4 在零件5 之后装配，零件i 在零件4 之后装配，零件2 、 3 和6 在零件1 之后装配，零件2 、3 和6 的地位是相同的。但零件的装配顺序 是串行的，即零件1 装配到装配体上去后，设计者只能选择零件2 、3 和6 之一 作为下一个装配件。因此，描述装配顺序只有一条道路，由此引出装配序列概念。 基于过程的顺序装配设计，零件是一个一个参与装配的，零件本身不能和自 身装配，装配设计总是从基础装配件开始，有且只有一个出发点。所以，装配体 的每种设计只能生成一条记录装配顺序的有向道路，即装配序列。 装配过程图与装配序列都能描述装配设计过程，但两者是有区别的。根据装 一 口|节 裂 |o万一 ，、， 一矿八j肛一 o ，刚 第二章面向并行设计的产品装配模型探讨 浙江大学硕士论文 配过程图可以生成若干装配序列，系统自动纪录零件装配顺序，零件装配顺序并 不唯一。 2 3 零件定位求解 本系统中，零件的装配是顺序执行的，一次只有两个零件或子装配体参与定 位和装配，因此零件的定位求解采用顺序法。采用顺序法求解零件在装配体中的 位置和方向，不仅符合工程设计的习惯，而且零件间的约束关系在每一次的定位 求解计算中都能得到满足。由于避免求解约束方程组，与整体求解法相比具有明 显计算上的优势。 2 3 1 零件装配的必要条件及装配约束对装配参数的确定 研究二维零件定位求解问题，是根据两零件的装配约束条件，对其进行定位 求解计算。二维装配中必须具备以下条件“2 1 才可能将两个零件装配在一起。 ( 1 ) 被装配件相对于已装配件的旋转角度4e ； ( 2 )已知被装配件相对于已装配件的位移量，一般分解为沿s l 和s 2 方向 的位移量么s 1 和s 2 ( s 1 和s 2 是平面上互不平行的两矢量) ； 所以两个零件装配需要由三个参数决定：相对旋转角度4e ，相对位移量 么s ( 么s = 么s 1 ，刀s 2 ，分解后形成两个参数么s l 和么s 2 ) 。 如果被装配件上一条线段与已装配件上一条线段存在对中约束关系，则装配 后两条对中线共线，在二维空间中限制了两零件在径向上的自由度，因此可以确 定a s 的两个参数之一。同时，两线之间的夹角确定了被装配件相对于已装配件 应该旋转的角度，即么e 参数。依次类推，对于其他装配约束的情况可以推导表 2 一l 的结论“。表中的各列分别代表对中、贴合、定点、垂直和平行约束类型， 彳s 、么e 所在行表示装配定位参数，行与列的交点表示由某约束类型确定的装 配参数( 么s 或0 ) 的数量。0 表示某约柬不能确定s 和么e 参数，1 表示可 以确定一个么s 或口0 参数，2 表示可以确定两个4 s 或( 4e 和彳s ) 参数。例 如，贴合约束可以确定一个s 和一个么e 参数，表2 - 1 贴合约束所在列与4 s 或翻e 所在行相交位置的参数分别是1 和1 。 1 4 第二章面向并行设计的产品装配模型探讨浙江大学硕士论文 j 贴合对中定点垂直平行 【么s l1200 彳。2io21 表2 - 1 装配约束对装配参数的确定 所以，一般情况下两个零件的相对位置，不能由一种装配约束条件确定，正 由装配约束组合确定。实践证明，在大部分情况下，五种装配约束中的某两种装 配约束的组合可以确定二维图形中零件的位置。 2 3 2 零件定位求解的一般原则 零件定位求解的目的是求出, d s 、么e 的具体值。 对于4o 的确定原则“”是：若存在贴合约束，e 为贴合面之间的夹角；若 存在对中约束，么e 为中线之间的夹角：若存在平行约束，翻e 为平行线之间的 夹角：若存在垂直约束，0 为具有垂直关系的两实体之间的夹角9 0 。 对于么s 的确定原则是：分别以x 轴和y 轴正向作为互不平行的矢量s l 、s ! 的方向，求出被装配件上的某点p 1 对应的已装配件上的装配点p 2 ( p l 和p ! 取 所选直线的中点，圆弧的圆心) ，则s fp ：x - - p , d s 。= p 。一p 为被装配件柜 对于己装配件的位移值。 2 3 3 零件定位求解分析 在二维图形中，图形的坐标变换，是通过和相应的变换矩阵相乘实现的，以 下是图形的平移和旋转变换矩阵。零件的定位求解就是要求出t x 、t y 、e 的值。 k c o s 0 一y + s i n 0z 十s i n o + y + c o s 0 1 1 5 rc o s p s i n 目0 7 j s i n 护c o s 臼o l oo l j ，f 乃 + y n+ k = 1，j o 0 l o 矽 ，0 k ，。l 叮少，f = 叮 女 y k j 薹f 阵 阵 矩 矩 换 换 变 变 移 转 平 旋 9 v 第二章面向井行设计的产品装配模型探讨 浙江大学硕士论文 ( 1 ) 贴合约束 已知第一对贴合线在被装配件上的线段为f l ，在已装配件上的线段为f 2 ， fj 经过0 旋转变换后与f 2 之间的距离为d i s l ；第二对贴合线在被装配件上的线 段为l 1 ，( l l 、i 2 为垂直于f 1 、f 2 的直线) 在已装配件上的线段为l 2 ，l l 经旋 转变换后距离l 2 为d i s 2 ：由点p 决定被装配件装配在己装配件等距线f 2 的哪 一侧，见图2 - 5 ： 辅助条件：当f l 不平行于l l ，f 2 不平行于l 2 时，定义f 1 ( f 2 ) 与l l ( l 2 ) 的交点分别为p 1 ( p 3 ) ，过p 作p p 4 f 2 ，p 4 为p p 4 与l 2 的交点；过p 作p p 5 i ，2 ， p 5 为p p 5 与f 2 交点。p 2 为位于已装配件上满足约束条件的装配定位点，见图( a ) 、 ( b ) ，求装配定位参数s 、0 的算法如下： ( a ) 己知条件 破壤配件 ( b ) d i s l 0 ，d i s 2 o( b ) d i s l 0 d i s