基于Inventor的产品组装生产线参数化CAD系统开发.pdf

4 0 Die a nd M o ul d Te chn ol o g y No 1 2 0 1 1 文章编 号 1 0 0 1 4 9 3 4 2 0 1 1 0 1 0 0 4 0 0 5 基于 I n v e n t o r的产品组装生产线参数化 C A D系统开发 0 张 小兵 周雄辉 柳 伟 牛 强 王桃 元 上海交通大学 模具 C AD国家工程研究 中心 上海 2 0 0 0 3 0 摘 要 以模块化设计为基础 以参数化 设计 基 于约束感知 的模块化 装 配 B OM 表 自动生成等为关键技术 在 I n v e n t o r 平 台上 开发 了产品组装 生产 线的参数化 C AD 系 统 系统能根据 用户设定的参数 自动 生成组装线 的三维模 型 工程 图和 B OM 表 显 著提 高 了产 品组装生产线的设计效率并 降低 了设计 的成本 提 高 了设计文档生成的准 确 性 关键词 参数化设计 模 块化设计 自动装配 I n v e n t o r 二 次开发 中图分类号 T P 3 9 1 7 2 文献标识码 A Abs t r a ct On t h e pl a t f or m of I nv e nt or a p ar a m e t r ic CA D s ys t em f or pr o duct a s s e mbl y l ine wa s de v e l ope d on t he ba s e of m od ul ar de s ig n The ke y t e chnol og ies wer e pa r a m e t r ic de s ign a ut om a t ic a s s e m b l y a nd a ut o g e ne r at ion of BOM 3 一 D mode l dr awing and BOM t a bl e wer e g e ne r a t e d a ut o m a t ica l l y a ccor ding t o t h e par a m e t e r s s e t b y us e r The e f f icie ncy wa s im pr ove d gr e a t l y a nd t he cos t was r e d uce d in de s ig n pr odu ct as s e m b l y l ine Ke y wo r ds pa r ame t r ic d e s ig n m od ul a r d e s ig n au t o m at ic as s e m b l y I nv e nt or s e conda r y d e ve l opme nt 引言 随着 C AD技术 的发展及市 场竞争 的加强 产 品投放市场 的速度 已成 为影响企业发展 的关 键要素 而产 品组装 生产 线 的设计则 直 接影 响 产品的生产和投放市场 的速度 目前产品组装 生产线装备制造企业主要还是 依赖传统 的设计 方式 主要特点有 1 零部件模块化 参数化程 度不高 需要手工绘制 三维模 型及重复建模 设 计 周期长 2 装配建模 过程复 杂 定位参 数或 约束 的修改不 方便 3 工程图 B OM 表等设计 文档 的生成需 要大 量人 工参 与 不 仅工作 效 率 低 而且容易出错 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 6 基金 项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 6 0 9 0 3 1 1 1 作者简 介 张小 兵 1 9 8 6 一 男 硕 士研 究 生 交互界面 用户设定参数 L H组 装 骜模 块 卜 标 准 模 H 工 腆 J 型 库 j 组 装 线 骨 架 模 块l 一 l的生成l l 一 交互选择和自动装配 图 1 产 品组装 生产线参数化 C A D系统框架 模 具 技 术 2 0 1 1 N o 1 4 1 目前 为提高设计效率 已有很 多相关方面 的研究 宋 丽萍等 基于 图模 型和层 次结 构模 型 提 出了 4级多层次关联装 配模 型来 简化产 品的 装配结构u 周开 俊等 则 根据 敏捷 化环 境下 产 品自身的特点提 出了一种 面 向产 品族 的混合装 配模 型l 2 单 泉等 人则 将模 块 化设计 用 于模 型 的装 配设 计 中 在简 化模 型 的装 配复 杂度 方 面取得 了成效 本文将模块化设 计应用于组 装生产线 的设 计 中 并利用 Vis u a l S t u d i o 2 0 0 8在 I n v e n t o r 平 台上为 企业 开 发 了产 品组装 生 产 线 的 参数 化 CAD系统 能快速生成 所需组装 生产线 的三维 模型 工程 图和 B OM 表 提 高了组装 生产线设 计 的速 度 1 系统设计框架 产品组装 生产 线 的参数 化 C AD 系统 的框 架如图 1所 示 基本 思想 是 以参 数 化模 型库 为 基础 以模块化设计 为手段 通 过需求分析划 分 组装生产线 的功 能模 块 再 通 过交互 选择 和 自 动装配 辅助完成组装 生产线 的建模 并 自动生 成 满 足 应 用 所 需 的 三 维 模 型 以 及 工 程 图 B OM 表 等设计文档 系统主要包括 4个部分 1 设 计基本零件 生成参数化 的元模 型库 相 当于标 准件库 2 根据产品结构特点划分功能模 块 进行单元模块化设计 系统根据用户 的参 数设 定 选用合适 的元模 型进行驱 动 自动生成 相应 功能模块 的装 配 零 件模 型及 工程 图 3 产 品 框架 装配骨架 设计 骨架模 块是连接各个 功 能模块 的桥 梁 一般 根据 产 品的总 体结 构或 空 间布局来定义 生成 的骨架模型 可用于和各 个 功能模块进行装配总成 4 各个单元模块与骨 架模型通过交互选 择和 自动装 配得到最终产 品 的三 维 模 型 生 成 工 程 图及 B OM 表 2 系统主要功能的实现 2 1 参 数 化 模 型库 的建 立 参数化设计 过程 中 最重 要 的是参 数 化模 型库 的建立 参 数化 模 型库 相 当 于标 准件 库 是参数化 C AD系统 的基 础 参数化 C AD系 统是根据 用户 设定 的参 数 驱 动模 型库 中相 应 的模 型尺 寸参 数 以生 成用 户所 需模 型 使 用 参数 化 的标 准模 型 库 可缩 短产 品 的 开 发 周 期 参数化模型库 的建立主要有参 数设定 和 组装生产线单元功能模块化 2个方面 1 参数设定 模 型参数 可 以分 为驱动参 数 和联动参数 驱动参数是指 由用户在交互 界 面设定参数 值 用 于驱动联 动参 数变 化从 而驱 动模型 的参数类型 在该 设计系统 中 驱动参数 包括产品模型的形状 装 配尺寸 以及 产品 的相 关设计属性 等 联动参 数指 不需 要用 户直 接设 定参数值 随 驱动参 数变 化 的参数 本文 中参 数表主要存放 于 E x ce l 文件 中 利用 E x ce l 的数 学计算功能来建立 参数之 间的联 动关系 通过 在 C AD软件 中链 接 E x ce l 文件 建模 时即可调 用文件中的参数来 实现参数化建模 参数 设定 的实例如 图 2所示 摹I 3强龋磁磷磷黼摹 日 U帅 妒 o 5 O 5 O O 0 l t l 麟黼舔 撵魏柳 c D I E l j 0L l 5 0 氛 壮 2 6 l 蔫 声 s k L l9 6 l t ide l 2 5 0 0 点 吐d 2 6 l j m a de3 蝴 蕊0 d e l l 1 1 j 堪埔 n l t y l 2 童 j mI I y 2 l l n i y 3 l 盛 亡 j Mt d ca 3 鼍 il 3 纛 嘲 5 图 2参 数 设 定 买 例 2 组装生 产线 的模块 化 根据模 块化设 计 的原理 为组 装 生产线 模型 定义 骨架模 块 和 划分具有 不 同功 能 的子模块 以降低 其设 计 和 装配模 型 的复杂度 参 照文 献 1 中装 配模 型 层次结构 的划分 方法 将构 成 生产线 的模 型分 为产 品级 模块级 零件级模 型 产 品级 即为生 产线的总装 配模 型 模 块级 则是 由模块 化 划分 所得的各模块组成 主要包 括生产线骨架模 块 功能模块等 零件 级是 指组 成生 产线装 配模 型 和各模块的零部件模型 进行模块 化 划分 后 利用 参 数表 中所设 定 的参数 并 根据产 品模块 化 对各 个模块 进 行建 模 生成各个模块的标准模 型 并定 义模块 之 间 4 2 Die a nd M o ul d Te chn ol og y No 1 2 01 1 的装 配接 口 同时生 成各标 准模 型 的工程 图文 件 建立参数化的标准模型库 2 2基于约 束感知 的模块 化装 配 产 品组装生产线包 含数量众多 的零件 或子 装配体 采用手工 装配不仅工作量 大 而且 容易 出错 装 配效 率 低 因此 自动 装 配 是 参 数 化 C AD系统 中不可或缺的关键技术 关 于 自动装 配 已有很多 的研究 并提 出 了一 系列 的装 配方 法 如在装配 中使用 装配 导航技 术 以方便 装配 对象的选择与拾取 以及基 于特征 匹配 的快速装 配方 法 6 等等 本文根据组装 生产线模 块化设 计的特点 利用 基于 约束感 知 的方式 实现 各模 块 的 自动装配 方法实现 的原理 模 块化 设计 中模 块之 间 的装配和位置关 系的确定是 以装 配骨架模 块作 为桥梁的 因此 装配时 只需要 确定各个模块 和 装配骨架的装配关 系 当导 入驱动更新后 的功 能模块时 系统 自动检测到装配 骨架模型 并 进 行约束匹配 从 而为模型添加 约束 定位 尺寸 这样用户 只需通 过 简单拾 取与拖 动操 作 即可 实现模块 间的复杂装 配与定 位 基于约束感知 的智能装配实现的流程如 图 3所示 导入装配骨架模 块 导入并拾取各功能 模块 二二工二二 拖动功 能模块 检 测骨架模块上的装 配接 口 I V 簇 边 矍 堡 l N 图 3模块化 装配实现 的算法流程 S t e p l 导人更新后 的产 品装配骨架模型 S t e p 2 导 入 驱 动 更 新 后 的 功 能模 块 并 拾 取 模块 S t e p 3 拖动所 拾取模 型 感应 事件将 实 时 检测 鼠标所感应 到 的模型 进行装配约束 匹配 包括识别模 型 的属性 特征 描 述或其 他 约定 的 标 记等 若成功匹配 则 高亮显示相应模 块 并 弹出定位尺寸信 息对话框 用户通过 释放 鼠标 按键或输入 相应 尺寸 即可 将模块 安 装在 指定 的位 置 需要 指出 的是 由于系统 已将 模 块之 间 的 装配关 系由通用 CAD平 台 中的提供 的工作 平 面和工作 轴来 承载 故该 算法 实 际是 为承 载该 模块装配关系 的工作平 面或工作轴 匹配 和添加 约束 这种装配方式使得模块 之间 的装 配关 系 表达更加清晰 2 3工程 图及 B OM 表 的生成 工程图是模 型加 工 以及精 度 检验 的 依据 对模型的 制造 起到 决定 性 的作 用 B OM 表是 信息化系统 中最 重要 的基础 数据 7 它包 含 了 组装生产线中外 购零件 的供应 商 型号 数量 和 质量要 求 还包含 了 自制零件 的代号 热处理要 求 材料等需 求信 息 B OM 表 是公 司制定 产 品 生成工艺 采 购零 件 制定 产 品价 格 的重 要 依 据 传统上工程 图和 B OM 均 是采 用手 工生 成的方式 这 种方式 效率 低 而 且还 容 易 出错 因此 在参数化设计 系统 中 必 须 自动生成所 需 工程 图和 B M 表 才能达到缩短设计 周期的 目 的 本文通过对通 用 C AD软件 的二次开发 实 现 了工程图和 B M 表的 自动生成 1 工程 图 的生 成 目前 三维 C AD软件 均提供 了工程图与其三维模 型的链接 根据该 特点 当系统 根 据用户 的选 择 和参数 设定 驱 动 标准模型库 中的三维模 型变 化后 可 同 时在标 准模型库的工程 图库 中查找到该 三维模型对应 的原始工程 图 并 根据 用户 的设 定来 修改 图形 的属性和更新 部分参 数 从 而得 到所需 模 型的 工程 图 在装 配 图 中 由于在 骨架模 块 上交 互 装配 了各 功能模 块 因此 需要 自动标 注 一 系列 的装 配和定位尺寸 自动填写 图形说 明等等 2 B OM 表 的生 成 B OM 表的形式 会根 据客户不 同的需求 而变 化 不 同的用户 需要 的 B OM 表 的格式 也不 尽 相 同 因此 在 自动生 成 模 具 技 术 2 0 1 1 No 1 4 3 B OM 表之前 需要用户定制好 B OM 表 的格式 系统运行后 将 根据 用户 的选 择来 调用所 需 格 式 的 B OM 表填 写模板 并从模 型 中提 取 B OM 信息 并将这些数据填写 到模 板 中 最后快速准 确生成用户所需 的 B 0M 表 3 系统实现及运行 实例 3 1 系统 实现 I n v e n t o r为 用 户 提 供 了 功 能 完 善 的 AP I Ap p l ica t io n P r o g r a m I n t e r f a ce 和集成开发包 I n v e n t o r AP I 的技 术基 础 是 微 软 的 自动化 Au t o ma t io n 技术 这种技 术在 Win d o ws 平 台下具 有通用性 从 而支持 用 户采用 自己喜欢 的编 程 语言来编写程序 在 I n v e n t o r为用户提供 的 集成开 发 包 中 可 编 写 注 册 的 DL L D y n a mic I in k L ib r a r y 文件 在 I n v e n t o r提供 的开发 环 境 中 将 系统所需 的界 面及 功能 编写成 D L L插 件 并在操作系 统 中为插件注册 将 在 I n v e n t o r 界面上显示如 图 4所示 的插件 当 I n v e n t o r 启 动后 将 在 其 界 面上 显 示 相 应 的工 具 条 插 件 用户点击工具条弹出交互界面 完成参数化设计 图 4 I n v e n t o r 上 注 册 插 件 实 例 3 2运行 实例 产 品组 装 生产 线 一 般 由导 轨 框 架 支 撑 脚 装载部分 驱 动 部分 和 限位 装 置 等部 分 组 成 根据模块化设计 的原理 将其分为导轨部分 骨 架模块 驱动部分 装载部分 支撑部分 和尾部 联动部分 等功 能模 块 建立组 装生 产线 的标 准 零部件库 当单击 图 4中的插件按钮时 将 弹出如图 5 所示的系统交 互界 面实 例 包 括单 元模 块设 计 和装配总成 2部分 用户 可通过界面设定 所需 的设计参 数 如项 目名 称 代号 和设 计人 生产 线 的长度和 宽度 以及 希望 系统生 成 的设 计结 果 如 三维模型 工程 图 包括 I n v e n t o r 格式 和 Au t o C AD成块 格 式 和 B OM 表 等 通 过 I n v e n t o r 平 台 设计 系 统将 调 出元模 型 库 中的相 关文件 并对其进行更新 处理 最后全 自动生成 用户所需 的设计结 果 图 6即为产 品组装 生产 线参数化 C AD系统生成 的实例 由于采 用 了模 块化设 计 因 此 图形 中模 型 装 配树 结 构 简单 在设计 系统投 入使 用之前 企 业需 要 花费大 量 的人力 和时间来建模 定 制工程 图和 B OM 表 完成定制 的时间需要 1 2月 而使用该 设计系 统后 企业完 成组装 生产 线模 型 的建立 和生 成 设计 文档 只需 1 2 h 效率得到全面提高 图 5 组装线参数化 C A D系统界面实例 图 6 组装生产线参数化 C A D系统运行结果实例 4 结论 产品组装 生产线 的参数 化 C AD系 统快 速 提高了设 计速 度 使 得设 计人 员有 更多 的时 间 来优 化设 计 节 约 了大量 的设计 成 本 提高 了 企业 的设 计标 准化 程度 有利 于企 业设计 知识 Di e a nd M ou l d Te ch no l o gy No 1 2 01 1 的积 累和重用 随着产 品组装 生产线设计需求 的提升 随 后 的工 作将 注重 于生产 线模 型 的轻 量化技术 的研 究 并 使得 动态 仿真 能够顺 利地 用到产品组装 生产线 的设计 中 从 而使生 产线 的整个设计和安装调试过程 均可在计算机 中完 成 而 无 须 到现 场 进 行 安装 测 试 进 一 步 减 少 设 计的工作量和提高设计准确度 参考文献 1 宋丽萍 武殿 梁 范秀敏 等 面 向虚拟 装配 的复杂 产 品装 配建 模技 术 J 7 上 海 交通 大 学 学 报 2 0 0 7 4 l 1 2 7 3 0 2 周开俊 李 东波 敏捷 化开发 环境下 产 品装配设 计 系 统研究 J 计算机集成制造系统 2 0 0 7 1 3 3 5 0 2 5 0 7 3 单泉 雷毅 闰光荣 基于模块化 产品族 的智 能装配设 计 J 工程 图学学报 2 0 0 9