基于CATIA裝配件位置信息提取與重構(gòu)技術(shù)研究

韓志仁 ，梁文馨，劉春峰，汪建東

（1. 沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽 110136；3. 中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024）

航空數(shù)字化制造依據(jù)的全三維信息模型包括三維實(shí)體模型以及三維公差標(biāo)注、工藝信息、屬性信息、管理信息等內(nèi)容[1]。全三維信息模型已成為產(chǎn)品制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實(shí)體模型為輔的制造方法[2]。

在飛機(jī)數(shù)字化制造過程中，工藝分析及裝配AO的編制等工作經(jīng)常需要對信息模型進(jìn)行瀏覽和信息提取。在具體的工作中需要瀏覽零件及裝配關(guān)系涉及某一部分內(nèi)容，這些零件和裝配關(guān)系包括在一個(gè)大型的部件中。由于部件的裝配模型中包括的零件數(shù)量多，類型比較復(fù)雜[3]，給工藝人員的瀏覽和閱讀帶來了困難，需要將有用的零件和裝配關(guān)系信息提取并重構(gòu)成簡單的數(shù)模[4]，以便減小工藝人員的閱讀難度和工作量，減少人為差錯(cuò)[5-6]。

1 CATIA裝配環(huán)境下零件位置信息

在CATIA裝配環(huán)境下零件的位置信息通過其位姿矩陣描述。位姿矩陣是指包含零部件在裝配環(huán)境中的位置信息和姿態(tài)信息的矩陣。其中，位置信息是指零部件在裝配環(huán)境中相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置坐標(biāo)矩陣信息；而姿態(tài)信息是指零部件相對于坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度信息，它反映了零部件相對于坐標(biāo)系原點(diǎn)沿各個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度信息。位姿矩陣是虛擬裝配中對零部件進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部信息依據(jù)[7]。

需要注意的是CATIA/CAA平臺(tái)中的位姿矩陣和一般的三維圖形的幾何變換矩陣不同。三維圖形的幾何變換矩陣為

其中，T1代表產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)等的幾何變換；T2代表產(chǎn)生平移變換；T3代表產(chǎn)生投影變換；T4代表產(chǎn)生的是比例變換。

而CAITA/CAA平臺(tái)的位姿矩陣用3×4列矩陣表達(dá)。

CAITA/CAA平臺(tái)的位姿矩陣是用一維數(shù)組，并且是根據(jù)先列后行的順序來存儲(chǔ)的，所以其存儲(chǔ)順序是a11，a12，a13，a21，a22，a23，a31，a32，a33，Tx，Ty，Tz。但是實(shí)質(zhì)上，位姿矩陣并沒有改變幾何圖形變換矩陣的形式，如果將位姿矩陣轉(zhuǎn)置得到：

上式與公式（1）對比可知，位姿矩陣的轉(zhuǎn)置和三維幾何圖形變換矩陣相比，缺少了表示投影變換和比例變換的T3，T4，但保留了裝配過程中用到的旋轉(zhuǎn)和平移變換。

每個(gè)零件的位置不同，則會(huì)有不同的位姿矩陣，這是一一對應(yīng)的關(guān)系，所以零件的位姿矩陣包括了零件的位置信息。在CAA中，位姿矩陣的獲取主要通過CATMath Transformation類實(shí)現(xiàn)。此類主要用于裝配環(huán)境下零件的三維空間變換，包括獲得零件的空間位置矩陣，設(shè)置空間位置矩陣等。

2 零件位置信息和結(jié)構(gòu)樹信息的快速提取

為了保證提取的零件信息的有效性，要求必須準(zhǔn)確提取以下內(nèi)容：零件名稱信息和零件的存儲(chǔ)路徑；當(dāng)前這些零件的裝配位置關(guān)系。只有零件本身名稱正確，零件之間的位置關(guān)系正確，才能使用這些零件信息進(jìn)行裝配重構(gòu)。如果提取的零件信息無法體現(xiàn)原有的裝配位置關(guān)系，那么重構(gòu)的零件很可能無法在CATIA環(huán)境中清晰、正確地打開，也就無法準(zhǔn)確地描述裝配關(guān)系。

本文開發(fā)的零件位置信息提取與裝配重構(gòu)功能，是通過CAA進(jìn)行CATIA二次開發(fā)，通過簡單的操作，提取零件的名字路徑信息和零件的位置信息，并且能夠利用這些信息重構(gòu)零件裝配體，保證重構(gòu)裝配體的零件擁有原有零件的名稱路徑和位置。工藝人員直接在CATIA中拾取需要的零件，可以得到結(jié)構(gòu)樹中顯示的零件名稱，然后提取到零件的存儲(chǔ)路徑和位姿矩陣?yán)锏?2個(gè)數(shù)值，這12個(gè)數(shù)值稱為坐標(biāo)值，是按照位姿矩陣先列后行的順序排列，代表零件的位置信息，然后將以上信息分別保存到名稱數(shù)組，路徑數(shù)組和一個(gè)包含12個(gè)數(shù)的一維數(shù)組里。最后將數(shù)組里的信息輸出到用戶自定義路徑和名稱的文檔中，文檔保存有3項(xiàng)內(nèi)容：零件名稱、零件路徑和12個(gè)坐標(biāo)值。工作流程圖如圖1所示。

圖1 信息提取流程圖Fig.1 Information extraction flowchart

3 零件的載入與重構(gòu)技術(shù)

零件載入與裝配體重構(gòu)有兩種方法實(shí)現(xiàn)。第一種方法是直接在現(xiàn)有裝配件中拾取零件，查找到結(jié)構(gòu)樹中的零件名稱，得到路徑和位置信息，將這些信息保存到數(shù)組中，然后將數(shù)組信息載入到新的裝配環(huán)境中，完成裝配體的重構(gòu)。第二種方法是選取含有零件號、路徑和位姿矩陣坐標(biāo)的文檔，將文檔信息載入，完成文檔內(nèi)零件的裝配重構(gòu)過程。裝配重構(gòu)的零件的名稱和路徑會(huì)與文檔信息一致，則裝配體重構(gòu)后顯示出原本零件的結(jié)構(gòu)樹信息。文檔存儲(chǔ)的12個(gè)坐標(biāo)信息會(huì)重新組合成一個(gè)位姿矩陣，當(dāng)載入多個(gè)零件時(shí)，這些零件保持其各自位姿矩陣代表的原零件位置，這意味著原零件的裝配關(guān)系正確表示出來。具體流程如圖2所示。

圖2 裝配重構(gòu)流程圖Fig.2 Assembly reconstruction flowchart

4 位置信息提取與重構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)

開發(fā)了零件信息和位置信息提取功能模塊，以基于全三維信息模型的某型號飛機(jī)的機(jī)身數(shù)模為例，介紹零件位置信息提取與重構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)，通過拾取組件實(shí)體，將組件名稱信息（零件號）顯示在拾取零部件的白色框圖中，如圖3所示。點(diǎn)擊選擇保存路徑，用戶自定義用來保存零件信息的文檔名稱和路徑，將組件名稱、存儲(chǔ)路徑和位姿矩陣的12個(gè)坐標(biāo)值存放到工藝人員經(jīng)常使用的Excel表格中，如圖4所示。打開輸出的Excel文件查看零件名稱、路徑和位姿矩陣的12個(gè)坐標(biāo)信息。如圖5所示。

開發(fā)部分裝配件導(dǎo)入平臺(tái)，通過選取保存有零件信息的Excel文件來重構(gòu)裝配體。點(diǎn)擊Excel文件，進(jìn)入Excel文件導(dǎo)入功能，點(diǎn)擊選取文件路徑，搜索Excel文件保存的路徑,將圖5保存的Excel表格導(dǎo)入，點(diǎn)擊新窗口打開，表格里3個(gè)零件的零件號、路徑和位置坐標(biāo)的信息就導(dǎo)入裝配件中?？梢园l(fā)現(xiàn)重構(gòu)零件的結(jié)構(gòu)樹信息和圖3中拾取到零件的結(jié)構(gòu)樹信息一樣，即零件名稱和存儲(chǔ)路徑一致，而且重構(gòu)裝配體中零件和原來拾取零件的位置一樣，表示它們的位置信息沒有變化，如圖6所示。

圖3 拾取零部件Fig.3 Picking up parts

圖4 保存Excel文件Fig.4 Saving the excel file

圖5 零件信息Excel表格Fig.5 Excel table of part information

圖6 裝配重構(gòu)圖Fig.6 Assembly reconstruction graph

5 結(jié)論

本文在發(fā)展數(shù)字化背景下，通過研究三維數(shù)模裝配信息系統(tǒng)，提出裝配件零件位置信息的提取和裝配體重構(gòu)技術(shù)。它可以提取裝配件中零件信息，確保零件位置信息的有效正確，減少工藝人員不必要的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高數(shù)字化制造水平，同時(shí)為靈活使用大型零部件提供了更加便利的條件。該技術(shù)為公司工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化奠定一定的基礎(chǔ)，縮短了工藝設(shè)計(jì)和工藝準(zhǔn)備周期，完全滿足企業(yè)的實(shí)際需求。

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