面向虛擬拆裝的產(chǎn)品裝配模型及其應(yīng)用

鐘振龍，吳緯緯，趙 悅

ZHONG Zhen-long1, WU Wei-wei2, ZHAO Yue2

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001； 2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

0 引言

虛擬裝配系統(tǒng)是產(chǎn)品實(shí)物模型和裝配過程在虛擬環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)，它主要用于機(jī)械產(chǎn)品可裝配性的驗(yàn)證和機(jī)械類專業(yè)課程的教學(xué)。虛擬裝配建模的主要任務(wù)是在虛擬環(huán)境中建立產(chǎn)品的零件模型和裝配約束關(guān)系。面向教學(xué)課程的虛擬拆裝不像面向機(jī)械設(shè)計的虛擬拆裝那樣需要精確表達(dá)產(chǎn)品零部件之間的裝配約束關(guān)系，它只需要表達(dá)裝配次序之間的層次關(guān)系，因而對裝配模型的要求比較簡單[1～3]。

本文針對機(jī)械產(chǎn)品的拆裝次序及次序表達(dá)進(jìn)行分析討論，設(shè)計了具有拆裝次序意義的裝配樹，保證了產(chǎn)品拆裝實(shí)驗(yàn)合理正確的設(shè)計和執(zhí)行。該模型具有簡單、高效、可靠、適應(yīng)面廣等許多優(yōu)點(diǎn)，可用于各種裝備虛擬拆裝，具有廣闊應(yīng)用前景。

1 虛擬拆裝的次序分析

現(xiàn)實(shí)中的拆裝具有一定的安裝次序，所有零件安裝成產(chǎn)品的次序十分繁瑣，抽象出來是一張復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖，因此建立虛擬產(chǎn)品裝配模型前必須對虛擬拆裝的基本次序進(jìn)行分析[4]。

對于零件A和零件B兩個零件，其安裝的次序有很多種可能，圖1列出了虛擬拆裝中AB兩個零件的幾種基本安裝次序，如圖1所示。

1）A必須安裝到B上，即只有B已安裝完成才能安裝A，A的安裝依賴B的已安裝狀態(tài)。由此也可以知道，一串單向箭頭鏈的頂端零件就是可以先裝的零件。

圖1 虛擬拆裝的次序分析

2）A和B可以逆序安裝，沒有先后次序，AB中任何一個零件的安裝都不依賴另一個零件的安裝狀態(tài)。

3）A和B必須安裝到C上，只有C已安裝完成才能安裝A和B。A和B沒有直接的安裝關(guān)系，他們都依賴C的已安裝狀態(tài)。C 完成安裝后，可以先安裝A，也可以先安裝B。

4）A的安裝依賴B和C的安裝狀態(tài)，只有B和C都已安裝完成才能安裝A。

以上分析的是虛擬拆裝中最基本的四種拆裝次序，實(shí)際安裝的次序有很多種可能，但是大部分是由以上幾種次序衍生出來的，無非是基本次序的復(fù)雜再組合。由于現(xiàn)實(shí)安裝次序千變?nèi)f化，完全符合現(xiàn)實(shí)安裝的序列僅僅靠程序設(shè)計很難實(shí)現(xiàn)。因此，針對模具零件的實(shí)際安裝情況，研究設(shè)計一套符合要求的拆裝結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品裝配模型設(shè)計的關(guān)鍵。

2 拆裝模型的設(shè)計

通過對以上問題的分析，結(jié)合UG提供的環(huán)境和二次開發(fā)技術(shù)的功能，本文從UG NX軟件的裝配導(dǎo)航器入手，對裝配樹進(jìn)行研究設(shè)計，結(jié)合程序設(shè)計解決了上述問題。

2.1 a拆裝模型的表達(dá)

UG NX的裝配建模是采用虛擬裝配的方式進(jìn)行的，通過虛擬裝配形成的裝配樹來管理幾何體，通過指針鏈接部件文件。裝配部件節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是一個指向零件或子裝配的指針集合。

針對面向虛擬拆裝技術(shù)的產(chǎn)品裝配模型的設(shè)計需求，結(jié)合程序?qū)G軟件裝配導(dǎo)航器中的裝配樹的可讀性優(yōu)勢，本文提出“虛節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計思想，形成一棵程序可讀的樹，并在樹中表達(dá)裝配次序?！疤摴?jié)點(diǎn)”具有的特定意義包括：

1）虛節(jié)點(diǎn)可以是一個零部件的組合，也可以是單個零件；

2）虛節(jié)點(diǎn)以下的零件已經(jīng)全部安裝；

3）兄弟零部件都可以無障礙的安裝到同級虛節(jié)點(diǎn)部件上；

4）只有該虛節(jié)點(diǎn)下的所有零件和其子級節(jié)點(diǎn)部件全部安裝完畢，才能進(jìn)入該虛節(jié)點(diǎn)的父級安裝。

根據(jù)“虛節(jié)點(diǎn)”的定義，圖1中虛擬拆裝的四種基本次序可以結(jié)合“虛節(jié)點(diǎn)”表達(dá)成如圖2所示：

圖2中虛線矩形框表示虛節(jié)點(diǎn)，vi, i=1, 2, 3,…表示不同的虛節(jié)點(diǎn)；實(shí)線圓圈表示裝配零部件ABC等。

因此，整棵裝配樹的縱向和橫向?qū)哟喂餐饔檬沟醚b配樹成為了一棵具有裝配次序的拆裝樹。該拆裝樹被賦予了以下意義：

1）樹的縱向深度表達(dá)安裝次序，即樹中的深層零件或節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)先安裝的屬性；

2）利用唯一標(biāo)記設(shè)置第一個優(yōu)先安裝的零件，即每棵樹中有且只有一個葉子（零件）具有優(yōu)先安裝標(biāo)記；

3）樹的兄弟節(jié)點(diǎn)，表示均可安裝，且具有相同的安裝地位，不分先后，具有標(biāo)記的除外。

圖2 虛擬拆裝的表達(dá)

4）具有優(yōu)先標(biāo)記的零件所在的分支橫向上具有優(yōu)先安裝權(quán)；即優(yōu)先標(biāo)記是“上傳”的，當(dāng)具有優(yōu)先標(biāo)記的葉子（零件）及具有同父的兄弟節(jié)點(diǎn)都安裝完成后，其優(yōu)先標(biāo)記，自動“上傳”給其父節(jié)點(diǎn)，使其父節(jié)點(diǎn)在父節(jié)點(diǎn)兄弟中具有優(yōu)先安裝的特性。

圖3(b)是虛擬拆裝次序?qū)嵗龍D3(a)的表達(dá)。虛節(jié)點(diǎn)v1不存在的時候，A和D處于裝配樹的統(tǒng)一層，無法確定誰優(yōu)先安裝。加入v1的目的是讓A下陷一層優(yōu)先安裝。在本實(shí)例中，先安裝A，A安裝完成后經(jīng)v1到達(dá)v2，此時與v2處于同一層的B和C處于可安裝狀態(tài)。B和C的可安裝狀態(tài)依賴于A的已安裝狀態(tài)，并且B和C沒有嚴(yán)格的先后安裝次序。B和C安裝完成后到達(dá)v3，此時v4處于可安裝狀態(tài)，但實(shí)際上v4并不存在，所以程序向下搜索v4的子節(jié)點(diǎn)，最后到達(dá)D。D安裝完成后，E再安裝到D上，得到v4。最后v4安裝到v3上，安裝完成。

以上提出的產(chǎn)品裝配模型實(shí)際上是一個多叉樹，而多叉樹遍歷的時間復(fù)雜和空間復(fù)雜度如下：

其中n是問題的規(guī)模，即實(shí)際解決問題時零件加虛節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，T(n)表示時間復(fù)雜度，S(n)表示空間復(fù)雜度。由此可知，該模型具有線性階時間復(fù)雜度和常數(shù)階空間復(fù)雜度，相對于面向機(jī)械設(shè)計的裝配模型而言，具有簡單、高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 虛擬拆裝次序?qū)嵗?/p>

2.2 b拆裝模型的實(shí)現(xiàn)

拆裝模型的實(shí)現(xiàn)主要包括拆裝次序的實(shí)現(xiàn)和零件拆卸設(shè)計的實(shí)現(xiàn)。拆裝次序依然離不開上節(jié)中賦予了安裝次序的裝配樹，對裝配樹的遍歷過程便是拆裝次序的實(shí)現(xiàn)過程。所謂零件拆卸設(shè)計，就是在拆卸過程中，需要對每個零部件進(jìn)行定位操作，使得零部件能夠按照設(shè)計者的意圖安裝到指定部位。

零件矢量標(biāo)識主要用于對應(yīng)零部件的拆裝矢量，因此裝配樹中的組件名稱是實(shí)現(xiàn)裝配矢量控制的關(guān)鍵。此外，組件名在一定程度上還擔(dān)任著決定裝配方式的功能。整體裝配次序是由裝配樹來控制的，而裝配樹中同一層的多個零件的拆裝方式則是由零件的組件名來控制的。

因此，約定組件名稱的命名規(guī)則如下：

1）組件名優(yōu)先以零件的名稱來命名，但要保證需要不同矢量的零件的組件名不同。

2）同一安裝層次上，即拆裝樹的橫向?qū)哟紊?，需要同時拆裝的多個零件分組命名，以兩位數(shù)字結(jié)尾，第一位數(shù)字代表“組號” ，第二位數(shù)字代表“組件號”，如圖4所示。

圖4 組建命名規(guī)則

其中組號相同的零件代表著統(tǒng)一拆裝；組件號為備用位，用來處理相同零件需要不同矢量的情況。例如有16個螺塞（Screw- Pluge）要平均裝配在正方體目標(biāo)零件的四個側(cè)面，需要四個不同方向的矢量。根據(jù)螺塞的安裝位置，可以將16個螺塞分為四組，每組4個螺塞。此時，設(shè)計者仍然有兩種設(shè)計選擇：

1）四組螺塞組號n相同，組件號m不同。即設(shè)置四組螺塞的組件名分別為ScrewPluge01、ScrewPluge02、ScrewPluge- 03、ScrewPluge04。這種設(shè)計使得螺塞獲得四個不同的矢量（m=1，2，3，4），執(zhí)行一次操作（n=1）。

2）四組螺塞組號n不同。即設(shè)置四組螺塞的組件名分別為ScrewPluge01、ScrewPluge12、ScrewPluge23和ScrewPluge- 34。則可以獲得四個不同的矢量（m=1，2，3，4），16個螺塞的安裝需要操作4次完成（n=0，1，2，3）。

上述兩種選擇均很好的實(shí)現(xiàn)拆裝操作，設(shè)計者可以自行設(shè)計。

圖5 模具虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用實(shí)例

3 應(yīng)用實(shí)例

基于本產(chǎn)品裝配模型，針對模具專業(yè)教學(xué)資源建設(shè)的特點(diǎn)，結(jié)合計算機(jī)三維交互技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知與拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用于模具通識、拆裝實(shí)訓(xùn)等不同類型的課程教學(xué)中[5～7]。實(shí)踐表明，產(chǎn)品裝配模型可有效地應(yīng)用到該系統(tǒng)中。圖5為模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知與拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用實(shí)例圖。

虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅可用于模具拆裝實(shí)訓(xùn)，還可用于各類模具基礎(chǔ)或?qū)I(yè)課程的輔助教學(xué)。同時，該系統(tǒng)還可方便地加載數(shù)控機(jī)床、電機(jī)、發(fā)動機(jī)等各類機(jī)械裝備的虛擬拆裝，因此是一個通用的、多功能教學(xué)平臺，有非常廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

針對模具的拆裝次序及次序表達(dá)進(jìn)行分析討論，設(shè)計了具有拆裝次序意義的裝配樹，保證了模具拆裝實(shí)驗(yàn)合理正確的設(shè)計和執(zhí)行。同時，提供演示裝配和自主裝配實(shí)驗(yàn)，并在自主裝配中采用自動提醒的方式引導(dǎo)學(xué)生正確合理的進(jìn)行拆裝實(shí)驗(yàn)。

本文提出的產(chǎn)品裝配模型還可用于各種裝備虛擬拆裝，如電機(jī)、發(fā)動機(jī)、化工設(shè)備等，具有廣闊應(yīng)用前景。

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