基于广义CAD模型的汽车产品拆卸规划.pdf

笺瑟 麓铲J r 浙n a l f 江Z h e j i 盎u 羔两t 学y E g 报i n e e r 工i n g 学S 版c i e I 警z 淼z 基于广义C A D 模型的汽车产品拆卸规划 易建军1 2 3孙英策1 季白杨2 李成刚4 董金祥3 1 华东理工大学机械工程系 上海2 0 0 2 3 7 2 杭州信雅达系统工程股份有限公司 浙江杭州3 1 0 0 5 3 3 浙江大学计算机科学与技术学院 浙江杭州3 1 0 0 2 7 4 华中科技大学机械科学与工程学院 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 提出了从汽车产品的广义C A D 装配模型中抽取产品拆卸信息的方法 以支持产品生命周期的全过程 首 先给出了关于产品装配体可拆卸性及拆卸过程的假设条件和零件合并定理 建立了适用于商用C A D 软件P r o E n g i n e e r 环境下的产品拆卸规划算法和产品路径规划算法 然后提出了一种改进的干涉检查方法 通过投影方法将 三维干涉检查问题转换为二维干涉检查问题 利用多段直线的组合来近似实际的拆卸路径 以汽车的主减速器及 重型越野车的驱动桥为例 在P T C 公司的三维实体造型软件P r o E n g i n e e r 的开发平台下对产品的C A D 模型进行 定义与约束 建立了产品的广义装配模型 经过二次开发构建了广义C A D 模型的装配 拆卸分析系统 可以对产品 的装配 拆卸进行动态仿真分析 关键词 汽车产品 广义C A D 模型 拆卸规划 中图分类号 T P 2 9 1 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 9 7 3 X 2 0 0 8 0 2 0 3 2 7 一0 5 D i s a s s e m b l es e q u e n c ea n dr o u t ep l a n n i n go fa u t o m o b i l e p r o d u c tb a s e do ng e n e r a l i z e dC A Dm o d e l i n g Y IJ i a n j u n l 2 S U NY i n g c e l j iB a i y a n 9 2 L IC h e n g g a n 9 4 D O N GJ i n x i a n 9 3 1 D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g E a s tC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y S h a n g h a i2 0 0 2 3 7 C h i n a 2 H a n g z h o uS u n y a r dS y s t e mE n g i n e e r i n gC o L t d H a n g z h o u3 1 0 0 5 3 C h i n a 3 C o l l e g eo fC o m p u t e rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y Z h e j i a n gU n i v e r s i t y H a n g z h o u3 1 0 0 2 7 C h i n a 4 S c h o o lo fM e c h a n i c a lS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y W u h a n4 3 0 0 7 4 C h i n a A b s t r a c t Am e t h o do fa b s t r a c t i n gd i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o nf r o mg e n e r a l i z e dC A Da s s e m b l ym o d e lo fa u t o m o b i l ep r o d u c tw a sp r e s e n t e d w h i c hc a ns u p p o r ta l lt h ep r o c e s s e si nt h ep r o d u c tl i f ec y c l e S o m ea s s u m e d c o n d i t i o n sa b o u tt h ed i s a s s e m b l a b i l i t yo fp r o d u c ta s s e m b l yb o d ya n dt h ed i s a s s e m b l i n gp r o c e s s a n dt h e p a r t sm e r g e n c et h e o r e mw e r ep r o p o s e d T h ep r o d u c td i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n ga l g o r i t h ma n dt h e p r o d u c tp a t hp l a n n i n ga l g o r i t h mw e r ed e s i g n e da p p l i c a b l et ot h ep r o d u c tm o d e lb u i l tb yu s i n gt h ec o m m e r c i a lC A Ds o f t w a r e P r o E n g i n e e r T h e na ni m p r o v e dm e t h o df o rg e o m e t r i c a li n t e r v e n ei n s p e c t i n g G I I w a sp u tf o r w a r dt ot r a n s f o r mt h r e e d i m e n s i o n a li n t e r v e n ei n s p e c t i n gi n t ot w o d i m e n s i o n a lo n eu s i n gt h e p r o j e c t i o np r i n c i p l e C o n s e q u e n t l yt h ep r a c t i c a ld i s a s s e m b l yp a t hc o u l db ea p p r o x i m a t e db yt h ec o m b i n a t i o no fm u l t i p l el i n e s T h ef i n a ld r i v ea n dd r i v ea x l eo fah e a v y l o a d e do f f r o a dv e h i c l ew e r et a k e na se x a m p i e s t h r o u g ha t t a c h i n gc o n s t r a i n t sa n dd e f i n i t i o nt ot h e i rt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sb u i l tu s i n gt h eP r o E n g i n e e rp l a t f o r m ag e n e r a l i z e dC A Dm o d e lw a se s t a b l i s h e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so fp r o d u c ta s s e m b l y d i s a s s e m b l yc a nb er e a l i z e di nt h ea n a l y s i ss y s t e mo ft h eg e n e r a l i z e d 收稿日期 2 0 0 6 一0 9 一0 7 浙江大学学报 工学版 网址 W W W j o u r n a l s z j u e d u c n e n g 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 9 7 5 0 4 2 上海市自然科学基金资助项目 0 2 Z F l 4 0 2 4 作者简介 易建军 1 9 6 9 一 男 湖南常德人 博士后 从事人工智能 机电控制 汽车电子技术 机电产品设计方法学等研究 E m a i l j j y i e e u s t e d u c n 通讯联系人 董金祥 男 教授 博导 E m a i l d j x c s z i u e d u c n 万方数据 婚车的挑选 既要尊重传统 又想紧跟潮流 究竟该选择什么样的车型做婚 车才最合时宜呢 杭州婚车租赁杭州婚车租赁 婚车 好彩头 结婚是喜事 处处讲究讨个口彩 婚车自然也不例外 相对而言 婚车的头车用白色或红色更好 因为白色有 白头 偕老 的语意 红色则象征夫妻生活红红火火 另外 婚车尽量不选择两厢车 避免 有始无终 有头无尾 用奔驰做头车的话 尾车则不宜用桑塔纳 因为会有 奔丧 的谐音 车标如果有吉祥的含义更好 比如荣威的双狮车标 就有 成 双成对 的美意 而标致的单狮难免有 孤寡 的意思 婚车一开到路上 就必定要引来路人的评头论足 所以 现在的新人越来越在意婚车的 舆 论效应 不求最贵 但求最新 于是 我们就看到了层出不穷的 新 奇 婚车 新 用新上市的车型来做婚车 可以有效地避免亲友和路 人的 视觉疲劳 最近有新人用荣威 750 开道 吸引来不少路人的抓拍 可见 英伦味十足的荣威的确相当唬人 即新鲜又气派 奇 敞篷 加长 越野 mini 这些车已经不够 奇怪 了 如今的新人怪招多多 军用车队 公交车队 自行车队 人力车队 即便车型过于平民 也可以用数量来造势 由车友慷慨相助而成的奇瑞 POLO 婚车队开在马路上亦十分风光 车祸再所难免 但是如果婚车在途中出事故 甚至喜事变丧事 那简直是不可承受的痛 为了保证婚礼顺顺利利 新人不管选什么车 安全都不能忽略 像这样有过 前科 的车型 恐怕准备办喜事的新人们还是选择 性的 失明 为好 杭州汽车出租杭州汽车出租 最近网上惊爆的 加长车 事件 就值得警醒 为了长面子 很 多人喜欢租借加长版的凯迪拉克或林肯 孰不知很多婚庆公司提供的加 长车都是自己拼接而成的 安全成极大隐患 另外 本田雅阁也不是婚车的理想选择 曾经轰动一时的 婚 礼门 事件 恐怕还是能让很多人记忆犹新 因为在碰撞中完全没能对 驾驶和乘坐人员起到保护作用 车身尽毁 一场本不致命的交通事故却 让两位新人撒手人间 3 2 8 浙 江大学学报 工学版 第4 2 卷 C A Dm o d e lc o n s t r u c t e dw i t ht h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e do nP r o E n g i n e e rC A Dp l a t f o r m K e yw o r d s a u t o m o b i l ep r o d u c t g e n e r a l i z e dC A Dm o d e l i n g d i s a s s e m b l es e q u e n c ea n dr o u t ep l a n n i n g 汽车产品的装配与拆卸是汽车产品生产制造 维修 回收利用和报废处理的前提 装配 拆卸规划 是产品装配 拆卸过程及所需装配 拆卸资源的指 令 装配 拆卸序列是装配 拆卸规划最基本的信息 产品中零件之间的几何关系 物理结构及功能决定 了产品的装配 拆卸顺序 1 装配 拆卸建模的实质 在于如何在计算机内有效地表达装配体的外在和内 在关系口 主要集中在如下2 方面 1 装配 拆卸模 型必须囊括的相关信息 2 将所有这些信息恰当地 组织起来 以支持整个C A D 系统在其生命周期的 全过程 从需求分析 设计 加工 装配直到销售维 护 回收拆卸 以往各种C A D 系统的装配建模的焦 点主要是零部件的几何表达和空间位置描述 这对 于产品生命周期设计全过程来说是远远不够的 4 5 本文在产品C A D 模型的基础上 建立支持产品全 生命周期相关的广义模型 并以此为基础 对产品装 配 拆卸规划进行分析 拆卸规划包含的信息比装配 规划多 执行起来也更加困难 因此更具有代表性 本文仅对拆卸规划方法进行说明 1 假设与推论 假设1 进行拆卸规划的装配体是可拆卸的 如果装配体不可拆卸 用户必须采取适当的措施使 之成为可拆卸的装配体 由假设1 根据广义装配模型的定义 可以得到 以下2 条推论 推论1整个装配体中至少有一个零件存在可 行的拆卸方向 证明 如果装配体中所有的零件都没有可行的 拆卸方向 由于具有可行的拆卸方向是零件能够被 拆卸的必要条件 装配体中所有的零件都不能拆卸 即装配体是不可拆卸的 这与假设1 相矛盾 定义1 装配体中具有可行拆卸方向的零件称 为候选零件 推论2 至少一个候选零件具有至少一条无干 涉的拆卸路径 证明 如果候选零件都没有至少一条无干涉的 拆卸路径 则装配体中所有的零件都不可拆卸 这与 假设1 相矛盾 假设2 当进行拆卸规划时 子装配体作为一 个零件对待 假设3当进行拆卸规划时 每次仅从装配体 中拆除一个零件 假设4 在整个拆卸规划过程中 装配体都是 稳定的 即装配体中拆除一个零件后 不会造成装配 体中剩余零件成为不稳定的零件 假设5 当进行拆卸规划时 认为装配体是理 想的 即装配体及装配体中的零件不存在形状和位 置偏差 假设6 零件进行拆卸只能进行空间的移动 不作空间的转动 即拆卸时仅改变零件的位置 而不 改变零件的姿态 根据假设2 由于拆卸时子装配体作为一个零 件对待 必须保证该子装配体是可拆卸的 此时的子 装配体与由功能确定的子装配体不完全相同 它是 由满足条件的零件合并而成的 零件合并定理如果装配体中的2 个零件满足 以下2 个条件 则这2 个零件可以合并为一个新的 零件 子装配体 1 这2 个零件之间有装配约束 2 如果存在第三个零件与这2 个零件之间都有 装配约束关系 那么其中一个零件由第三个零件确 定的可行拆卸方向集必须包含于由第三个零件确定 的另一个零件的可行拆卸方向集中 证明 V 装配体 3A B 两个零件 它们之间具 有装配约束 则存在以下2 种情况 1 A B 不与其他零件同时有装配约束关系 则 A 与B 可以合并为一个零件 2 设了零件C 它与A 和B 都有装配约束关 系 A 由C 确定的可行拆卸方向集为D c A B 由C 确 定的可行拆卸方向集为D 且D c A D c n 见图1 因为图1 a 可以转换为图1 b 而图1 c 符合 情况1 所以A 与B 可以合并为一个零件 见图1 c 和 d 2 拆卸序列规划 拆卸规划算法在商用C A D 软件平台P r o E n g n e e r 上开发 具体算法如下 图2 为拆卸序列规 划算法程序框图 1 从装配体中找到所有的候选零件 2 如果候选零件不止一个 必须先确定最佳的 候选零件 万方数据 第2 期易建军 等 基于广义C A D 模型的汽车产品拆卸规划 3 2 9 图1 零件合并简例 F i g 1S i m p l ee x a m p l eo fp a r t sm e r g i n g 装配模型 可拆卸性检查 二二二 二二 生成候选零件集 二二 二二 最佳候选零件 二二二 二 拆卸路径规划 从候选零件集 中去除该零件 黼 委任亚 登竺夕广世幽 I 是 拆卸序列l 图2 拆卸序列规划鼻法 F i g 2A l g o r i t h mo fd i s a s s e m b l es e q u e n c ep l a n n i n g 3 最佳候选零件确定后 对该零件进行拆卸路 径规划 4 如果找到拆卸路径 从装配体中拆除该零件 对装配体进行调整 重复步骤1 直至装配体中所有 的零件都拆卸完毕 否则转步骤5 5 从候选零件集中去除该零件 重复步骤2 6 如果候选零件集为空 则算法失败 在算法进行过程中需要确定最佳的候选零件 判断最佳候选零件最重要的标准是比较各候选零件 的拆卸性 通常拆卸性好的零件优先拆除 其他的判 断准则包括 最外面的零件 装配约束关系最少的零 件和较小的零件优先拆卸等 一般情况下 装配体中 的基础零件最后拆卸 因为基础零件是其他零件的 装配基准 根据设计人员的经验 基础零件最先装 配 所以通常最后拆卸 3 拆卸路径规划 在拆卸规划算法中非常重要的一步是进行零件 拆卸路径规划 路径规划算法能够自动或交互地找 到零件拆卸可行的拆卸路径 并进行全局干涉检查 图3 为拆卸路径规划算法程序框图 下面通过一个 简单的二维实例说明具体算法 零件特征矩阵 可行拆卸方向集 选择一个可行拆卸方向 沿该方向进行全局干涉检查 火盘D 乏磊磊淤一 1 选择一个拆卸方向l I 塞 茎堂堑王鲨丝奎I 砂 N 絮芝罗 找到拆卸路径 百 图3 拆卸路径规划算法 F i g 3A l g o r i t h mo fd i s a s s e m b l er o u t ep l a n n i n g 装配体如图4 所示 在算法开始时 装配体中 的零件P 只有一个沿一X 轴的可行拆卸方向 见图 4 a 因此可行拆卸方向集中只有一个方向一X 选择可行拆卸方向 将零件P 沿该方向移动距离D 移动距离D 等于装配体包容盒对角线长度加上零 件P 包容盒对角线长度 该距离能够保证零件P 移 动后完全处于装配体的外部 由于在移动过程中零 件P 与零件c 发生干涉 零件P 不可能移动距离D 因此只将零件P 移动距离L L 值由零件P 与零件a 的装配约束关系确定 零件P 移动后 见图4 b 它不再与装配体中 螽爹 一娜卜乏 啡鬻 琴 乏 万方数据 3 3 0 浙 江 大学学报 工学版 第4 2 卷 的其他零件有装配关系 因此它具有 X 和土y 全 部的可行拆卸方向 由于在上次移动中 零件P 是沿 一X 方向移动 不考虑 X 方向 将一X 和 y 放入 可行拆卸方向集 从可行拆卸方向集中选择一X 方 向 将零件P 移至干涉零件c 见图4 c 此时 可行拆卸方向集将由零件P 的可行拆卸 方向与干涉零件e 共同确定 按照零件c 的要求 零 件P 可沿士y 方向进行拆卸 由于零件P 本身具有 士y 可行拆卸方向 将士y 放入可行拆卸方向集 选 择 y 拆卸方向 沿着该方向 干涉零件b 将零件P 带回原来的位置 形成环路 因此 y 方向不可行 放弃 y 方向 选择一y 方向 零件P 移动至零件f 见图4 d 重复执行上述步骤 并计算零件P 每步移动后 至初始位置的距离 如果该距离大于D 则算法结 束 零件P 每步的移动量构成了该零件的可行拆卸 路径 见图4 e 由图4 可知 得到的拆卸路径不 是最佳路径 如果在算法执行过程中 程序无法找到拆卸路 径 这时就需要用户介入提供适当的路径信息 y y 帮 双妒 e 图4 拆卸路径规划简例 F i g 4E x a m p l eo fd i s a s s e m b l er o u t ep l a n n i n g 4 全局干涉检查 当零件沿特征矩阵提供的可行拆卸方向移动时 有时会与装配体中的其他零件发生干涉 因此拆卸规 划算法需要提供有效的全局干涉检查 在三维空间进 行干涉检查是非常困难的 而在二维平面进行干涉检 查则相对容易得多 本文提出了一种改进的干涉检查 方法 将三维干涉检查问题转换到二维平面上进行 大大地简化了三维干涉检查的复杂程度 算法首先构造2 个辅助平面 这2 个平面都与 零件的移动方向垂直 平面之间的距离为估计的移 动距离 辅助平面生成后 将这2 个平面之间所夹的 几何实体沿拆卸方向投影到其中一个平面上 在此 平面上利用投影信息进行二维干涉检查 当进行二 维干涉检查时 首先采用包容盒方法进行筛选 包容 盒之间存在3 种情况 不重合 部分重合 完全重合 不重合表明包容盒代表的零件在整个移动过程中不 会发生干涉 对于后2 种情况则需要进行精确的二 维干涉检查 由于零件通常由多个几何特征复合而成 利用 特征识别技术进行精确干涉检查会使算法的效率更 高 实体体积边界划分 a l t e r n a t i n gs u mo fv o l u m e s w i t hp a r t i t i o n i n g A S V P 是一种利用边界信息来表 示几何实体的分解方法 1 方法根据测定体积来表 达抽象边界面信息 对所给实体的边界面进行层次 分解 通过添加适当的信息和操作 A S V P 分解可以 转换为形体特征分解 f o r mf e a t u r ed e c o m p o s i t i o n F F D F F D 中的几何形体代表更加紧凑 更高层次 和更有意义的产品形状构成部分 F F D 固有的特性 使之能够成为重要的特征表达方法 从而可以通过 特征推理方法进行精确的干涉检查 当2 个零件的包容盒部分或完全重合时 以下 2 种情况可以保证这2 个零件不存在干涉 1 拆卸 零件的所有特征都在固定零件的负特征投影区内 2 拆卸零件的所有特征都在固定零件的负特征投影 区外 其他情况说明这2 个零件发生干涉 如果有必 要可以进行进一步的检查 由于二维干涉检查技术 比较成熟 这里不作深入介绍 怎样将各种三维几何 特征向平面进行投影在本算法中是非常重要的 它 直接决定干涉检查的结果是否有效 当拆卸零件时 可能会与多个零件发生干涉 当 存在不止一个干涉零件时 需要确定哪个零件最先 发生干涉 二维干涉检查算法不可能提供这种信息 解决方法是计算干涉特征之间的空间距离 距离最 短的特征所属的零件是第一个发生干涉的零件 这 个距离也是拆卸零件的实际移动量 本拆卸规划算法的实质是利用投影方法将三维 干涉检查问题转换为二维干涉检查 用多段直线的 组合来近似实际的拆卸路径 5 应用实例 基于以上理论与算法 以P T C 公司的三维实体 万方数据 第2 期 易建军 等 基于广义C A D 模型的汽车产品拆卸规划 3 3 1 造型软件P r o E n g i n e e r 为开发平台 在产品C A D 模 型的基础上进行定义与约束 建立了产品的广义装配 模型 通过二次开发 建立了广义C A D 模型的装配 拆卸分析系统 可对产品的装配 拆卸进行动态仿真 分析 仿真结果可以生成a v i 文件 以便回放分析 图5 所示是某重型越野车传动系主减速器的拆 卸规划实例 部件由1 3 个零件构成 拆卸规划可以 可视化进行 如图6 所示 规划结果见表1 其中t 为拆卸时间 r 为拆卸工序占整个拆卸时间的比例 图5 重型越野车主减速器 F i g 5 F i n a ld r i v eo fh e a v y l o a d e do f f r o a dv e h i c l e 表1 主减速器拆卸规划结果 T a b 1 R e s u l to ff i n a ld r i v ed i s a s s e m b l ep l a n n i n g 图6 主减速器拆卸过程仿真 F i g 6 S i m u l a t i o no ff i n a ld r i v ed i s a s s e m b l i n g 图7 所示是某重型越野车整个驱动桥的拆卸规 划实例 可以看出 图5 所示主减速器的绝大部分在 此作为一个零件进行拆卸 图7 重型越野车驱动桥拆卸规划 F i g 7 D i s a s s e m b l ep l a n n i n go fd r i v ea x l eo fh e a v y l o a d e do f f r o a dv e h i c l e 6 结语 本文建立的汽车产品广义C A D 模型可以对汽 车产品的拆卸序列规划 拆卸路径规划及全局干涉 检查的模型与算法进行研究 并支持产品全生命周 期其他阶段的设计与分析 本文提出的方法为利用 广义C A D 模型研究机械产品的装配 拆卸及几何干 涉等提供了理论基础 由于汽车产品的装配 拆卸分 析涉及多种信息 利用本体论建立产品的统一信息模 型是产品全生命周期工程设计今后研究的重点 参考文献 R e f e r e n c e s 1 1W A N GE K I MYS F e a t u r e b a s e da s s e m b l ym a t i n g r e a s o n i n g C D e s i g nE n g i n e e r i n gT e c h n i c a lC o n f e r e n c e sa n dC o m p u t e r si nE n g i n e e r i n gC o n f e r e n c e I r v i n e A S M E 1 9 9 6 2 胡迪青 特种越野车传动系的计算机辅助设计 D 武 汉 华中科技大学 2 0 0 1 H UD i q i n g C o m p u t e ra i d e dd e s i g no fp o w e rt r a i no f s p e c i a lo f f r o a dv e h i c l e D W u h a n H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 2 0 0 1 3 易建军 重型越野车多级分动技术及动力控制策略的研 究 R 武汉 华中科技大学 2 0 0 1 Y IJ i a n j u n R e s e a r c ho nm u l t i g r o u pp o w e r t r a i nt e c h n o l o g yo fh e a v y l o a d e do f f r o a dv e h i c l ea n di t sc o n t r o l s t r a t e g i e s R W u h a n H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y 2 0 0 1 4 高峰 并行工程环境下的面向装配设计系统的研究与实 践 D 武汉 华中理工大学 1 9 9 7 G A O F e n g R e s e a r c ha n dp r a c t i c eo nd e s i g nf o ra s s e m b l yu n d e rt h ec o n c u r r e