（机械工程专业论文）基于caxa实体设计的常用电力设备数字化装配系统研究.pdf

摘要 利用信息技术手段把产品装配的过程 技术要求 注意事项等融为一体成为数字化装 配系统 将会为企业的新产品营销 生产设备装配 技术工人培训等提供重要技术支持 并推动我国机械产品数字化装配系统研究的进 步发展 本文对已有的数字化装配系统和虚拟装配系统进行深入研究 以常用电力设备齿轮泵 为例开发了数字化装配系统 该系统主要包括装配建模信息的获取模块 装配工艺显示 模块 装配序列规划模块 装配路径规划模块和装配结果浏览模块 在开发过程中 利 用c 吼气实体设计平台及内嵌的 3 a 编辑器和v b 6 o 适合当自订我国机械领域的使用需 求 有一定的推广和应用价值 关键词 数字化装配 实体造型 装配仿真 v b a a b s t r a c t i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n tt 0d e v e l o pas e to fd i g i t a la s s e m b l ys y s t e m sw i t ht h e s e 如n c t i o n s w h i c ht l l e r ea r et l l ep r o d u c ta s s e m b l yp r o c e s s t e c h l l i c a jr e q u i r e m e n t s m a t t e r s 龇l da t t e n t i o nb y m a l i n gf h l lu s eo fi n f o n n a t i o nt e c l l i l o l o g ym e a n s i i l0 r d e rt 0p r o v i d et e c h i l i c a ls u p p o r to f m a r k e t i n gn e wp r o d u c t s p r o d u c i n ge q u i p m e n ta s s e m b l ya r l dt h e 仃a i n i n go fs k i l l e dw o r k e r s b yd e p t l ls t u d yf o rd i g i t a l 勰s e m b l ys y s t e m 锄dv i r t l l a la s s e m b l ys y s t e m l ep 印e rd e s i g n s g e a rp 啪pa s s e m b l ys y s t e m so v e r a l ls 佃j c t u r e t h es y s t e mc o m p o s e do fs i xm a i nm o d u l e s a l s s e m b l yi n o d e l i n gi 0 姗a t i o na c c e s sm o d u l e s 笛s e m b l yp r o c e s sm o d u l e s 鹄s e m b l ys e q u e n c e p l 锄i n gm o d u l e s 硒s e m b l yp a mp l 砌n gm o d u l e s 肌da s s e m b l ys k i mr e s u l t sm o d u l e s i i lt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s t h es o f h a r ep l a t f i o n nc a x a e m b e d d e dv b a e d i t o ra j l dv i s u a jb 笛i c6 o a r eu s e d s ot h es y s t e mi ss u i t a b l ef o rc h i n a l sc u r r e n td e m a j l df o rt 1 1 eu s eo fm e c h a n i c a lf i e l d sa n d h a sp a r t i c u l a re x t e n d i n gp r i c e l if u y o u m a c h i n e 哕e n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f w a n gz h a n g q i a b s t r a c t d i g i t a ia s s e m b i y s o l i dm o d e l i n 岛a s s e m b l ys i m u l a t i o n v b a 摘要 利用信息技术手段把产品装配的过程 技术要求 注意事项等融为一体成为数字化装 配系统 将会为企业的新产品营销 生产设备装配 技术工人培训等提供重要技术支持 并推动我国机械产品数字化装配系统研究的进 步发展 本文对已有的数字化装配系统和虚拟装配系统进行深入研究 以常用电力设备齿轮泵 为例开发了数字化装配系统 该系统主要包括装配建模信息的获取模块 装配工艺显示 模块 装配序列规划模块 装配路径规划模块和装配结果浏览模块 在开发过程中 利 用c 吼气实体设计平台及内嵌的 a 编辑器和v b 6 o 适合当自订我国机械领域的使用需 求 有一定的推广和应用价值 关键词 数字化装配 实体造型 装配仿真 v b a a b s t r a c t i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n tt 0d e v e l o pas e to fd i g i t a la s s e m b l ys y s t e m sw i t ht h e s e 如n c t i o n s w h i c ht l l e r ea r et l l ep r o d u c ta s s e m b l yp r o c e s s t e c h l l i c a jr e q u i r e m e n t s m a t t e r sa n da t t e n t i o nb y m a l i n gf h l l u s eo fi n f o n n a t i o nt e c l l i l o l o g ym e a n s i i l0 r d e rt 0p r o v i d et e c h i l i c a ls u p p o r to f m a r k e t i n gn e wp r o d u c t s p r o d u c i n ge q u i p m e n ta s s e m b l ya r l dt h e 仃a i n i n go fs k i l l e dw o r k e r s b yd e p t l ls t u d yf o rd i g i t a l 勰s e m b l ys y s t e m 锄dv i r t l l a la s s e m b l ys y s t e m l ep 印e rd e s i g n s g e a rp 啪pa s s e m b l ys y s t e m so v e r a l ls 仃u c t u r e t h es y s t e mc o m p o s e do fs i xm a i nm o d u l e s a l s s e m b l yi n o d e l i n gi 0 姗a t i o na c c e s sm o d u l e s 笛s e m b l yp r o c e s sm o d u l e s 鹄s e m b l ys e q u e n c e p l 锄i n gm o d u l e s 硒s e m b l yp a mp l 砌n gm o d u l e s 肌da s s e m b l ys k i mr e s u l t sm o d u l e s i i lt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s t h es o f h a r ep l a t f o n nc a x a e m b e d d e dv b a e d i t o ra j l dv i s u a jb 笛i c6 o a r eu s e d s ot h es y s t e mi ss u i t a b l ef o rc h i n a l sc u r r e n td e m a j l df o rt 1 1 eu s eo fm e c h a n i c a lf i e l d sa n d h a sp a r t i c u l a re x t e n d i n gp r i c e l if u y o u m a c h i n e 哕e n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f w a n gz h a n g q i a b s t r a c t d i g i t a ia s s e m b i y s o l i dm o d e l i n 岛a s s e m b l ys i m u l a t i o n v b a 声明尸明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 基于c a x a 实体设计的常用电力设备数字 化装配系统研究 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 日期 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手段 复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表 传播学位论文 的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 日期 导师签 华北电力人学1 程硕 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 从事工业和农业生产离不开各种各样的设备产品 而每一件成型产品都是由单 个零件经过最终的装配而成 包括检修后设备的重新组装都属于装配范畴 可以说 装配 a s s e m b l y 是产品设计和制造的最终环节 产品的可装配性直接影响开发成 本和开发周期 因此装配设计是产品开发的重要步骤之一 装配工艺规划是产品 装配设计的主要内容 它解决产品的零部件装配顺序 装配路径 装配工艺方法和 所用工具 夹具等问题 数字化装配技术 d i g i t a la s s e m b l yt e c h n o l o g y 也叫虚 拟装配技术 v i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y 是在产品零部件三维数字化实体模型 的基础上 利用现代计算机技术 信息技术和人工智能技术 借助于虚拟现实等人 机交互手段 来规划与仿真产品的实际装配过程 它可以克j j 技传统的装配工艺设计 中主要依赖于人的装配经验和知识 以及设计难度大 设计效率低 优化程度低等 问题 通过建立一个高逼真度的多模式 包括视觉 听觉 触觉等 交互装配操作 仿真环境 装配规划人员根据经验 知识和实际条件在计算机虚拟环境中交互地建 立产品零部件的装配序列空间和装配路径 选择工 卡具和装配操作方法 可视化 地和可感知地分析各种工艺方法的优劣和实用性 最终得到一个合理 经济 实用 符合人及工程要求的产品装配方案 从而达到优化产品设计 避免或减少物理模型 制作 缩短丌发周期 降低开发风险 降低成本 提高装配操作人员的培训速度 提高装配质量和效率的目的 2 j 然而 长期以来在实际生产过程中 机械产品的装配一直是人们所忽视的一个 重要问题 一个主要的原因就是技术传播方式的落后 在我国对于机械产品的装配 技术一直都是处于师傅带徒弟的原始状态 经常是一个师傅带几个徒弟 言传身教 这样做的结果是不但传帮带的效率极低 而且形象直观性差 效果不理想 难以大 范围推广 不能适应现代化大生产的要求 3 1 历史发展至今天 信息技术的成果为制造工业提供了强有力的支撑 智能化 数字化的字眼渗透在各行各业 利用现有的信息技术 研究高水平装配技术的数字 化装配系统 d i g i t a la s s e m b l ys y s t e 巾 蓬勃发展 数字化装配系统的实现不但有 利于生产效率的提高 生产过程直观化 而且可以满足企业对技术人员操作培训的 要求 实现效 利双赢 华北电力火学 程硕 学位论文 1 2 数字化装配系统的研究现状 1 2 1 国内概况 目f j 在国内 对机械产品的数字化装配系统的研究 还处于初级阶段 所丌发 的系统由于各自的局限性至今未得到广泛推广使用 现有的研究成果要不就是对单 一产品生产过程的研究 要不就是过程复杂不实用或信息量小 推广应用受到限制 至今 比较典型的研究成果有以下几个 如徐江美等在2 0 0 4 年1 2 月的 矿业安全 与环保 杂志中对 主排水泵检修质量及注意事项 提出研究 谭影航等在 单缸 柴油机喷油泵的装配 一文中对喷油泵的装配提出了自己的见解 利用三维实体设 计平台进行二次开发数字化装配系统是目前研究的热点 如江苏技术师范学院的董 晓英同志对如何建立齿轮泵的虚拟装配系统进行了研究阐述 4 南京理工大学 东 北大学和上海交通大学c m 研究所对可视化虚拟装配系统及关键技术都做了深入研 究 5 7 南京林业大学机械电子工程学院利用s 0 1 i dw o r k s 二次丌发了虚拟装配系 统 8 所有这些系统的研究开发推动了数字化装配系统的研究进展 尽管其各自研 究的侧重点不同 也存在着或多或少的不足 但无论如何 这些成果为研究一套实 用可行 方便易懂 智能交互的数字化装配系统提供了非常好的研究思路和经验 1 2 2 国外概况 在国外 目前对装配系统的研究主要集中在虚拟装配技术上 虚拟现实技术为 产品开发提供了更高级的人机交互手段 虚拟装配规划将虚拟现实技术提供的沉浸 感 交互性等能力用于装配工艺规划 较好地解决了 组合爆炸 问题 并可以更 充分地利用人的装配经验 发挥人的创造性 9 j 1 1 2 j 而且 国外提出了很多值得借鉴 的装配建模技术 如基于装配体零部件间的配合关系自动生成装配顺序 基于知识 提高装配建模系统的自动化程度等装配模型 l 列 j 为本课题的丌发同样提供了很 多值得借鉴的经验 但是 因为大部分机械产品都是我们国内自己设计的 与国外 的机械结构 工艺设计等有一定的差别 所以一般国外的装配系统对于我们国内都 不完全适用 我们有必要开发出适合国内产品装配的应用系统来 1 3 本文的选题意义及研究内容 1 3 1 课题的选题意义 本课题旨在以电力生产企业常用的设备 如齿轮泵 为代表 探索研究如何建立 机械产品的数字化装配系统 通过常用设备的数字化装配系统 利用信息技术手段 把装配的过程 技术要求 注意事项等融为一体 从而对企业的新产品营销 生产 2 华北电力人学 程硕十学位论文 设备装配 技术工人培训等提供技术支持 另外 电力生产企业常用设备 如齿轮 泵 等的稳定高效工作对电力企业的正常生产具有重要作用 同时出于电力企业中 设备的作业环境比较恶劣 生产过程中易受到振动 腐蚀 磨损等因素的影响 对 检修和装配的技术要求较高 以电力企业常用设备为研究对象探索生产设备的数字 化装配系统建立途径 可以做到以点代面 具有较强的代表性和说服力 1 3 2 本文的主要工作 根据目前国内外虚拟数字化装配系统的研究现状 以及国内各生产企业的生产 需求 本文以c a x a 实体设计为图形输出平台 采用v i s u a lb a s i c 语言作为玎发工 具 研究开发了一个界面友好 操作方便 易于维护 并且及应用和培训于 体的 数字化装配系统 作者主要做了以下工作 1 通过实际调研 了解国内外数字化装配系统的现状和研究方法 确立本课 题的研究方案 确定二次开发平台和编程开发环境 并解决应用程序的接口问题 搜集大量常用电力设备数字化装配知识资料 以便丌发出具有实用价值的应用程 序 2 对数字化装配系统的主要功能进行分析 确定本系统的总体结构模块及各 自作用 研究了装配体中零件的信息描述方法 研究了装配序列规划和装配零件的 位资信息实现方法等主要技术 3 以人性化设计为主题 开发出既有美感又方便易用的图形化用户界面 所 开发的系统软件易学易用 并集成于c a x a 实体设计绘图软件中 增强了软件的使 用功能 实现了c a x a 的二次开发 4 以电力企业常用设备 一齿轮泵 为研究对象 开发数字化装配系统 实 现了装配树和装配过程界面化 系统可以控制装配体的运动和停止 可以控制子装 配体和父装配体的先后顺序 同时为方便培训 装配过程中对装配体可进行参数 装配注意事项和技术要求等的编辑操作 实现了入机交互的工作方式 华北电力大学j 1 程硕士学位论文 第二章数字装配系统总体设计 2 1c a x a 实体设计装配系统的功能 c a x a 实体设计是北京航空航天大学设计的三维造型软件 无论装配图还是零件 图设计 都从三维实体造型开始 数字化程度很高 c a x a 实体设计装配过程是在装 配时建立部件之间的链接关系的过程 它是通过关联条件在部件间建立约束关系以 确定部件在产品中的位置 c a x a 实体设计可以生成装配件 在装配件中添加或删除 图素或零件 或同时对装配件中的全部构件进行尺寸重设或移动 在装配过程中可 使用约束定位 三维球定位 背景栅格定位等多种方法 爆炸图是在装配模型中拆 分指定组件的图形 在该图形中组件按装配关系偏离原来的位置 c a x a 实体设计所提供的装配功能 都是完全依赖操作者来完成装配 也就是说 进行何种类型的装配 装配面是哪一个 装配的顺序如何等完全由操作者选定 计 算机不能代替操作者自动进行装配 这个过程非常耗费时间和精力 而另一方面 人们在编排装配顺序的过程中 各个零件的装配关系以及最终的各零部件的位姿都 是确定的 我们可以将这部分的知识传递到下游的装配过程中 使计算机能够利用 这部分知识进行自行装配 进而能实现装配的自动化 所以可以进行二次开发 2 2 基于c a x a 实体设计的数字化装配系统功能分析 基于c a x a 实体设计的数字化装配系统 其实现是基于现有的c a d 环境 尽量 利用现有的c a d 环境提供的功能 加上新的功能开发实现系统要求 系统在获取产 品信息和产品装配工艺信息后进行产品装配过程的仿真演示 提高工序的可装配 性 给新产品营销 生产设备装配 技术工人培训等提供重要技术支持 基于如上的数字化装配中的功能需求 本文所开发的数字化装配系统的主要功 能是 在完成了三维零件造型的前提下 对于给定的任意装配序列 为用户提供直 观的装配过程图形仿真 同时还应融合装配过程中的技术要求和注意事项等 此外 本系统还应提供装配工艺路线浏览以及编辑功能 在一定程度上起到对实际装配工 艺的指导作用 具体来讲 本系统应具有以下一些功能 1 设置零部件开始装配的初始位置 获取装配部件的初始位姿信息 2 设置零部件装配序列 根据某种规则确定零部件的装配先后顺序 3 交互设置零部件在装配过程中位置姿态 即零部件在装配过程中以何种方式 运动至目标位置 如转动 平动或平动加转动等 4 华北电力人学1 群硕十学位论文 4 交互设置装配路径以及路径关键点 设置零部件到达装配目标位置时经过的 路径 5 实现装配过程在c a x a 实体设计环境中的动画演示 能够以动画的形式显示 装配时各个零部件的运动过程 6 提供装配过程中的技术要求和注意事项等功能 方便操作者在装配过程中的 工艺选择 2 3 装配系统的总体结构 本文所开发的数字化装配仿真系统 基于c a x a 实体设计提供的二次开发工具 在装配工艺的引导下 实现了装配路径设置 建立了数字化装配仿真系统 本系统主要有五大组成模块 装配建模信息的获取模块 装配工艺显示模块 装配序列规划模块 装配路径规划模块和装配结果浏览模块 其中 第一个模块主 要负责装配零件数据信息的获取 第二个模块负责装配工艺信息的获耿 前两个模 块为装配预处理模块 装配序列规划模块主要对装配过程中各个零件的先后顺序进 行排列 装配路径规划模块主要负责装配过程中零件的运动路径规划 最后一个模 块显示装配结果 综上所述 可以归纳得出系统的总体结构如图2 1 所示 装配建模信息的获取模块 装配工艺显示模块 装 用 配 户 装配序列规划模块 信 界c c 息 面 数 据 库 装配路径规划模块 装配结果浏览模块 图2 1装配系统总体结构图 华北电力人学 f 程硕十学位论文 2 4 系统的工作流程 在进行产品零部件装配仿真演示时的操作与建立装配仿真过程相似 在演示过 程中 系统按照装配工艺文件和装配序列规划的优先级别 将对应的零部件设置为 显示状态 从数据库中提取事先规划好的装配序列信息以及装配路径信息 按照设 定的装配步长和装配延迟时间进行装配过程的演示 整个系统的工作流程图如图 2 2 所示 图2 2装配系统工作流程图 6 华北电力火学 l 程硕十学位论文 2 5 本章小结 本文提出的基于c a x 实体设计的数字化装配系统能在产品设计阶段和检修阶段 实现数字化产品的装配仿真 验证和改进产品的装配工艺过程 生动直观地展示产 品的可装配性 本章分析了数字化装配系统的功能需求 并给出了本系统应具有的 一些具体功能 本论文遵循基于面向对象的设计思想 采用层次化 模块化的设计 方法 详细论述了系统的总体结构 并逐一介绍其中所包含的基本模块 此外 还 对系统的工作流程进行了规划 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章数字装配系统的主要技术 3 1 引言 装配仿真作为数字化装配系统的核心技术之一 其实现离不丌其他相关技术的 支持 其信息提取技术是其他所有技术的底层支持 对于装配仿真系统来说 其所 需的基本装配信息都通过它获得 装配序列规划 路径规划技术则是装配仿真系统 实现的必要条件 通俗的讲 即一组零散的部件必须按照一定的次序以及特定的路 径进行装配 自动装配的实现技术则是结合具体的装配环境 本系统基于c a x a 实体 设计下运行 解决如何实现装配动画演示 通过装配仿真 可以制订并完善产品的 装配工艺路线 进而能够起到指导实际装配 提高装配效率的作用 3 2 装配体中的信息描述 装配体由各种零件以及它们之间的装配关系组成 装配作为产品制造过程的最 后一道工序 并不需要产品的全部设计数据 它所需要的是 零部件的配合约束关 系 零部件的从属关系 装配基准 零部件的重要尺寸和配合尺寸 配合公差和几 何信息 以及零部件在装配体中的空间位置姿态信息等 装配体中的信息描述的主 要目的在于通过完整的装配信息 按照数字化装配仿真系统中的所有功能模块的要 求进行信息提取和管理 形成适用于进一步分析与使用的产品装配模型 其主要研 究内容除了几何信息以外 还有许多非几何信息 如零件的材料 精度 形状 位 置 零件名 零件类型等 它们一方面使系统对产品设计和装配仿真能进行全面支 持 另一方面为装配工艺规划和装配仿真提供信息源 装配体中的信息描述主要包 括各零部件之间的层次关系和装配关系 3 2 1 装配体中的层次关系 层次关系指一个产品可以分解为不同层次的子装配体和零件 子装配体可以分 解为若干个子装配体和零件 这些零件和子装配体之间又存在着一定的装配关系 而零件本身又可以分解为一组特征 从而表现出一定的层次性 通常把装配体 子 装配体 零件之间的这种层次关系直观地表示成一棵装配树结构 如图3 1 所示1 16 1 用装配树的层次关系表达装配体 子装配体及零件之间的父子从属关系 华北电力人学1 稗硕 学位论文 3 2 2 装配体中的装配关系 图3 1 装配树结构图 装配体中的装配关系指机械产品零 部件直接的定位 连接和运动关系以及由 此导出的各种约束关系 不仅直接体现产品的功能 而且约束下层零部件的结构设 计 根据机械知识 产品的装配关系分为四种 位置关系 连接关系 配合关系和 运动关系 位置关系描述产品零 部件几何元素之间的相对位置关系 如贴合 对 准 插入等 定义产品中相关零部件间的精确几何位置关系 连接关系描述两个零 部件通过其他零件约束若干个自由度的关系 如螺纹 键 销 联轴器连接等 由 设计者直接选取子装配体上有连接关系的几何元素来确定它们的相对位置和方向 配合关系描述产品零 部件之间配合关系的类型 代码和精度 运动关系描述产品 零 部件之间的相对运动和传动关系 相对运动关系包括旋转运动 平面运动和柱 面运动 传动关系包括齿轮传动等 3 2 3 装配体中的层次和装配关系的信息描述 如上所述 在装配体中用装配树来表示装配层次关系 在装配体树中每一个结 点都代表一个零件和一个子装配体 每一个子装配体又可以分为若干个装配元素 9 华北电力大学j r 程硕十学位论文 这些装配元素之间又存在着若干个装配关系 把这些装配关系存储在一个 虚链 罩 虚链里有一个指向存储装配关系的广义矩阵r 0 如式3 1 所示 r2 月x 打 l 2 乃 乙 3 1 其中r 为三角阵 它是表示零件间装配关系的广义矩阵 n 表示构成该子装配 体的装配元素总的数目 三角阵中的元素r i i 是一个指向装配关系的指针 它表示某 一对装配对象中装配元素i 和j 之间的装配关系 r j j 是一个链表指针 链表中存储 的是装配体树的某一结点即编号为i 的装配元素的装配信息 同时 在装配体树中 装配关系的存储是一个递规的过程 3 3 装配序列规划方法 3 3 1 常见装配序列的规划方法 由于产品特征模型包含几何 公差 尺寸 配合关系 层次关系和设计约束等 信息 装配序列规划实质上就是在各种几何约束条件及工艺约束条件的制约下 求 解出满足各种约束条件 性能优良的装配序列 装配序列的规划方法主要有以下几 种 1 7 1 基于装配优先约束关系的装配序列生成方法 获取优先约束关系并将其显 式表达 是最直观的装配顺序生成方法 这种方法的关键是装配优先约束关系的获 取 但这种方法通常采用人机交互式 工作量大 对操作人员要求高 而且容易出错 2 基于组件识别的装配序列求解方法 根据零件的组件分类 确定组件 分层 次生成组件的装配顺序 综合组件的装配顺序 求得产品的装配序列 该方法可有 效减小装配顺序生成的组合复杂性 删除装配操作工艺性差但理论上可行的装配序 列 3 基于知识的求解方法 该方法采用一阶谓词逻辑来表达产品结构 序列优先 约束和装配资源约束等知识 系统以产品c a d 模型为输入 通过人机交互获取零部 件的装配优先约束 通过图搜索算法求解产品配合特征图的最小割集来产生装配序 列 该方法对于特定产品的装配序列求解比较有效 但适用面窄 且需要较深的专 业知识 4 拆卸法求解装配序列的方法 若零件装配和拆卸互为可逆过程 则可通过求 1 0 华北电力大学 程硕十学位论文 解零件的拆卸顺序来得到零件的装配顺序 拆卸法求解装配顺序的优点是 若判定 某零件满足拆卸条件 则该零件一定满足序列约束 反之 装配过程中某一阶段满 足装配条件的零件并不一定满足装配序列约束条件 因为该零件有可能影响到后续 零件的装配 另外 通过几何计算和推理可从零部件的装配状念演绎出零部件拆卸 的初始方向 而从自由状态的零部件却无法推导出零部件的装配方向 本文在对前人规划方法的研究基础上 确定以拆卸求解法为主要思路 借助干 涉矩阵 对某机械产品的装配序列进行求解 在己获取的一系列装配序列的基础上 综合装配约束关系及子装配本的识别对装配序列的获取进行优化 生成合理的接近 实际的装配序列并减少序列生成的步骤及时问 3 3 2 干涉矩阵 从易于装配的观点来看 无论是对于手工装配还是自动化装配 装配操作都是 越简单越好 基于这一原则 将构成装配体的零件之间的约束关系用3 个矩阵 a x a y a z 来表示 若一个装配体由n 个零件构成 则该矩阵为维数为n 的方阵 a p p 2 x y z 规定 当零件j 固定时 如果零件i 在p 轴正方向上有一条无干涉拆卸路径 可使零件i 完全拆开 则a p o 否则a p i j l l 且对所有的i j ap i j o i j l 2 n 该n 阶方阵彻称为该装配体的干涉矩阵 显然对于同一方向上 如 x 的两个零件i 和j 若零件j 阻碍了零件i 的完全拆 卸 则必然有在其相反方向上零件i 会阻碍零件j 的完全拆卸 所以某一坐标轴上 的干涉矩阵具有如下性质 1 在干涉矩阵a p p x y z 中 如果第i 行所有元素均为o 则零件i 可从 装配体中沿 p 方向拆卸 2 如果第 i 列所有元素为0 则零件i 可从装配体中沿一p 方向拆卸 3 如果不存在某行或某列元素全为0 则该装配体不能沿p 轴方向拆卸 利用干涉矩阵的性质 可以很容易地得到装配序列的算法 1 从干涉矩阵a x a y a 中随机取一个矩阵a p p x y z 2 检测a p 是否为0 矩阵 若是 则转4 否则继续下一步 3 检测a p 中第i 行 列 中所有元素是否均为0 若是 则零件i 可沿p 轴拆卸 将i 推入堆栈s 并将a x a y a z 中的i 行i 列都去掉 继续3 若否 则转1 4 由于堆栈具有先进后出的特点 所以将零件依次出栈即得该装配体的一个 华北电力大学工程硕士学位论文 装配序列 3 4 装配路径规划方法 3 4 1 常见的装配路径规划方法 一般来说 零部件的装配路径可以描述为三维空间的一条曲线 记为向量t 其表示如下 t v 矽 r 其中 r 代表零部件在三维空间具有六个自由度 当 零部件沿着装配路径进行装配时 该零部件可以沿着v 方向平移 同时绕必矽旋转 但是在实际的装配过程中 装配路径多是沿着直线运动 因此 通常情况下都有 o 而且装配路径的数目也是有限的 l 引 在装配工艺规划中 元件的装配路径是关键信息 装配路径规划的依据是零件 的运动包络体在不和周围物体发生干涉的情况下尽量最短 具体来讲国内外对装配路径规划的研究可以归纳为以下几种方法 1 9 1 位姿空间法 它是s u j p a a 和t l o n a z o p e e r z 等人提出并发展的一种无碰撞 路径规划方法 即把运动物体位姿的描述简化为c 空间 c n 0 1 f i u g a r t i n o s p a c e 中的一 个点 因为障碍物的存在 运动物体在c 空间中就有一个相应的禁区 此禁区被称 为c 空间障碍 c o b s t a c l e 据此构造一个数字化的数据结构 将运动物体 障碍物 及其几何关系作等效变化 从而可以简化问题的求解 2 方向多面锥法 方向多面锥法是由装配关系及产品结构确定的表示装配f 或 拆卸 零部件运动方向区域的一个方向多面锥 可映射为一个单位球的球面多边形 这是推导简单结构产品装配路径的一种简化方法 3 v a 法 虚拟装配 v i u r t a la s s m e b l y 它是基于虚拟现实技术 v i u r t a l 硒e s m b l y 的装配规划技术 他可通过参数化c a d 系统与数字化装配环境进行信息交换和共 享 在数字化现实环境中模拟装配过程 并记录下零件经过的空问路径 该方法目 前还只局限与科研院所的内部科研活动中 3 4 2 本系统的装配路径规划方法 由于前文所介绍的路径规划算法在实际应用时都很难高效率地自动生成装配 路径 而且考虑到实际装配过程中容易出现的种种特殊情况 因此我们在操作中 主要采用人机交互与自动推理相结合的方式 按照既定的装配序列 基于 可拆即 可装 的原理 首先将装配序列倒序 得到拆卸序列 然后记录其拆卸路径 最后 华北电力大学 丁程硕 学位论文 将拆卸路径予以 反演 即得其装配路径 首先依据零部件配合面的单位法向矢 量将零部件从装配体中分离出来 根据装配体假设 零件在初始位置处任意旋转而 不与已装配体发生干涉 可得出零件与装配体分离的条件是 零部件沿某个方向做 无限平移而不与装配体发生干涉 确定分离的平移量 将当i 订的空问位姿变换矩阵 应用于自由零件 即单步分解 然后进行干涉检验 以确定零件是否可以由当前位 置直接变换到目标位置 即实际装配中的初始位置 当检测到有干涉 必须将分离 步长进一步细化 并重新确定拆分方向 得到新的变换矩阵 再计算平移距离 重 复上述过程 直到自由零件可以无干涉的变换到装配初始位置 此时表明该零件可 以按照当前的分离过程由装配体上拆下至装配初始位置 最后 将拆分过程逆转 即得到该零件的装配路径 具体的装配路径规划流程如图3 2 所示 如图3 2 装配路径规划流程图 华北电力大学 l 程硕士学位论文 3 5 零部件的位姿信息描述及装 拆运动变换技术 在装配仿真中 主要考虑的是零部件出初始位置经空问矩阵变换移动到装配终了位 置的过程 三维空间中 物体从一个关键点到另一个关键点之i 日j 的任何一种运动 均可 简化为两种运动的合成 沿某一方向矢量的平动和沿着某一轴线的转动的合成 基于这 种假设 在装配空间中 可用1 1 元组 2 0 嶙矗y d tz mm t x d ry 口rz 钾x 由 y d z 静m j 定义元件的装 拆运动 其中 邑圪z 二 平均方向矢量 m 平动位移量 z 转轴上一点的坐标 如匕 z 转轴方向矢量 m 转轴位移量 这种表示一方面能够体现三维空间所有的运动形式 如简单的平动 转动 复合运 动 既有平动 又有转动 以及斜线运动 非坐标轴方向的运动 另一方面 又能方 便地实现运动的变换和逆变换 在装配实体模型的三维空间中 装配元件的位置和姿态是通过一个4 4 的位姿矩 阵 p 来决定的 2 1 1 这里 p x nx 2 k k 2 乙 乙 x y s k 3 0 k 3 0 z 3 0 互 1 f k k k l 乏乏j 轴的方向矢量 tr乙 则为装配元件原点在装配坐标系中的位置坐标 装配元件从一点移动到另一点 实际上等价于原位姿矩阵 p 发生了一个变换 丁 华北电力入学工稗硕士学位论文 到达了一个新的位姿 p 7 也就是说 尸l 尸 p 其中 丁 也是一个4 4 矩阵 吲 x x 2x 3 q i 艺 墨 0 z iz lz 3 0 m m 口m 睢茎 丁 肿州 丁 蝴 loo0 o10o 0o10 m m 哆m 旺 对于装配运动 其关系式为 蚝 虬 d z z 对于拆卸运动 其关系式为 om 吵 亿 一d 置 z z 上式中墨 r z f 为平动方向矢量 d 为平动位移量 是 个标量 转动变换 一般公式为 3 2 3 3 rr 批 柙 t丁 m 享 华北电力大学 程硕 学位论文 3 4 最简单的转动变换是围绕坐标轴的旋转变换 若旋转角度为9 则对x 轴旋转时变换 矩阵为 丁 对y 轴轴旋转时变换矩阵为 丁 耐 一s i i l 矽 0 c o s 口 o 对z 轴轴旋转时变换矩阵为 r 叫 s i n 9 c o s 口 o 0 由以上变换矩阵 可计算装配运动的旋转变换矩阵 r 一 具体公式如下 丁 用州 丁 姗 删 丁 删 丁 删 丁 删一2 丁 耐一 丁 胁一 3 5 在这里 吼脚 l o 0 一xp 0 c o s 口 一s m 口 0 o0 s i n 口o c o s 口 o 0l 吲删 一s i n 0 c o s o 1 6 一 j 0 o o 1墨匕乙0t 砭乙0 0 m 吣0 秒旧 洲 口o 唱 l i i 0 o o 1 0 l o 0 秒 9 0 试o c s f l 0 0 0 1 o o 1 o p 坩 血0 o c 一 一 0 o 0 1 o o 乙 一 o o 1 i i 0 0 0 1 0 l 0 0 口 口 宝0 口0 c s 一 1 0 o 0 j 华北电力大学j r 程硕十学位论文 m r 一 c o s 秒 一s i n 9 o o c o s o s i n o s i n 秒 c o s 秒 0 o 00 00 l0 01 r 1 m 心 l o 0 c o s z s l n z 0 o s l n 口 c o sc r o 000 1 00 010 乙1 上式中 c o s 口 z 霉 s i n 口 r s 母 r 2 z 2 c o s z u s i n x u u 叉了i j i 一 乙为转轴上的一点 t r z 为转轴方向矢量 按右手定则 一个单位向量 目为转动角位移 即旋转角 是一个标量 对于拆卸运动 计算前应先将其中的方向矢 量墨 r z 取反 复合运动变换 复合运动是指同一运动中既有平动又有转动的情况 这种情况下 1 l 元组的所有元 素都参与运算 由于平动和转动的顺序对于变换矩阵 丁 的正确计算有决定性作用 为此 定义如下规则 对于拆卸运动 应先转动后平动 即 p 一 p 删 p 姗 3 6 对于装配运动 应先平动后转动 即 p 脚伽 p 蝴 p m 3 7 o 0 0 1 口 矗 证0 吣0 s c o 1 0 0 华北电力大学工程硕十学位论文 本章系统介绍了装配仿真系统实现的关键技术 其中重点研究了如下内容 1 分装配关系和装配层次两个方法研究了装配体中零件的信息描述方法 2 研究了装配序列规划和装配路径规划技术 基于 可拆即可装 的假定 在既定的装配序列的基础上采用人机交互与自动推理相结合的方式 记录装配体的 拆卸路径 并在每次拆卸单步完成后进行装配体的静态干涉检验 应用c a x a 自身 携带的静态干涉检验功能 依次类推 最后将拆卸路径予以 反演 即得其可行 的装配路径 3 基于装配零件的位姿信息实现方法 通过数学推导确定了零件位姿信息的 计算方法 1 8 华北电力大学 科硕士学位论文 4 1 引言 第四章数字装配系统的实现 齿轮泵是一种常用电力设备 其主要功能有两个 一是为其它设备提供润滑油 二是向燃料煤喷油助燃 其装配工艺是否合理将直接影响电力企业生产的正常开展 和经济效益 因此 在产品设计阶段通过可视化装配仿真实现齿轮泵的预装配 可 以有效地验证装配工艺 及时发现设计中的问题 最终保证装配质量和装配效率 本论文装配系统是以齿轮泵为研究对象 在c a x a 实体设计环境下 以v b 为开发 工具对其进行二次开发 通过将被装配零件从初始位置运动到最终装配位置来实现 的 初始位置可由设计者给定 最终装配位置 即零部件在装配体中的终了位置姿态 矩阵 从装配模型数据库中读取 装配顺序从序列规划模块中自动读取 装配路径则 是装配体拆卸路径的反演 零件在三维空间一边作平移运动 一边作缓慢旋转变换 以便设计者从各个方向观察零件的空间位置和几何形状 4 2 开发平台基本要素及技术组成 4 2 1 二次开发的含义 目前在c a d 图形图像处理 数据库 科学计算领域都有自己的二次开发技术 向更广义的方向再拓展一步 事实上所有w i n d o w s 程序员一直在w i n d o w s 平台上给 微软做二次开发 w i n d o w s 只是一个通用的平台 它所提供的s d k s o f c w a r e d e v e l o p m e n tk i t 或者说a p l a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 给程序员提供了开 发的手段 程序员在此基础之上开发出具有特定功能的应用程序 可以这样讲 这 些二次开发的应用程序是w i n d o w s 平台生命力的强大支撑 没有这些应用程序 w i n d o w s 平台也就没有存在的意义 因此可定义 二次开发是增值开发商或最终用户在软件开发商所提供的开发环境与编程接 口基础之上 根据自身的技术需要进行新功能开发的过程 2 2 1 如图4 1 所示 1 9 华北电力大学上科硕十学位论文 4 2 2 开发平台 图4 1 二次开发框图 1 开发平台的选择 系统开发平台的选择非常重要 对于一个软件产品来说是否拥有一个开放的体 系结构 是衡量软件的优劣性 适用性及生命力的重要标志 而是否拥有一个开发简 便 运行效率高的二次开发平台又是开放式体系结构中的核心和关键 本文所要开发的数字化装配系统 经综合比较 选择北京北航海尔软件有限公司 推出的c a x a 实体设计绘图软件作为开发平台 c a x a 实体设计是通过国际合作开 发 具有我国自主版权的一款c a d 软件 该软件将可视化的自由设计与精确化设 计结合一起 使产品的设计跨越了传统参数化c a d 软件的复杂性限制 该软件具 有强大的全功能三维设计环境 它能够在同一设计环境下全面解决产品的概念设 计 零件设计 装配设计 钣金设计 外观渲染 动画仿真等 整个设计过程自然 流畅 一气呵成 排除了因为使用多个软件而降低效率问题 而且 该软件采用快 速便捷的拖放式操作 结合智能捕捉与三维球定位技术 彻底改变了三维设计难以 操做 难以修改的状况 大大提高了设计效率 2 引 c a x a 实体设计软件提供了很好的零件装配功能 主要包括实体的造型设计 实体模型的可视化装配 可以输出装配的动画过程 等 但是 它现在还不支持指 定的电力设备装配过程零件属性的编辑 装配顺序的检查以及装配过程错误提示等 功能 这样就限制了装配过程的虚拟实现 因此 对c a x a 实体设计的二次丌发 就非常必要了 这些功能的实现都要依赖于c a x a 实体设计软件提供的功能强大 二次丌发接口 丌放式的体系结构为二次开发提供了方便 c a x a 实体设计二次开 发接口 简称i c a p i 的设计思路主要遵守以下几项原则 健壮性 易用性 功能 性 自顶向下的设计方法 t o p d o w n 是c a x a 二次丌发接口 i c a p i 建立 过程中普遍使用模型1 2 4 1 华北电力大学l 程硕士学位论文 关于c a x a 实体设计的二次开发的研究虽然目前还处于初级阶段 到2 0 0 4 年 c a x a 共举办了三期二次丌发培训 但是 c a x a 广泛合作建立丌发联盟 并积极 支持合作伙伴丌发基于c a x a 实体设计平台的商品化应用软件 目自订成果应用的有 大连理工大学利用c a x a 实体设计对柴油机零部件建模 江苏省数字化设计制造工 程技术研究中心在c a x a 实体设计系统上二次开发生成 c a d c a m c a p p 集成 系统 和 型号工程知识驱动的夹具c a d 系统 北京航空航天大学华j 下软件研究 所的研究成果等 本文在已有参考资料基础上 针对自身需要进行研