基于裝配屬性的夾具快速裝配設(shè)計

房 娜，周來水，衛(wèi) 煒，黃斌達(dá)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

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基于裝配屬性的夾具快速裝配設(shè)計

房 娜，周來水，衛(wèi) 煒，黃斌達(dá)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

為提高工裝夾具裝配設(shè)計的設(shè)計效率，提出一種基于裝配屬性的夾具快速裝配設(shè)計方法。首先結(jié)合各夾具元件的裝配信息及模型幾何參數(shù)定義元件裝配屬性。分析元件3D模型、模型幾何元素與裝配屬性間的關(guān)聯(lián)，定義三者間的映射關(guān)系形成編碼。然后解析編碼得到元件裝配屬性及模型幾何特征，進(jìn)行屬性匹配得到特征配合方式并據(jù)此調(diào)整特征間的位置關(guān)系，根據(jù)約束創(chuàng)建規(guī)則添加約束實(shí)現(xiàn)裝配。開發(fā)了夾具快速設(shè)計系統(tǒng)，以某航空發(fā)動機(jī)精銑機(jī)匣外型面夾具為例，驗(yàn)證了提出的快速裝配法的有效性。

夾具設(shè)計；裝配屬性；幾何特征；屬性匹配

0 引言

夾具在工裝中占有很大比重，并直接影響了產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周期和質(zhì)量，因此，提高夾具的設(shè)計效率是縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期的重要途徑。目前各企業(yè)在設(shè)計過程中通常使用CAD軟件中的裝配建模模塊，整個過程包括指定裝配約束類型、約束子類型和約束參數(shù)，并需交互選擇主動件和被動件中參與裝配的幾何元素。該方法的裝配效率低且操作過程繁瑣；裝配復(fù)雜零件時，裝配工作量會成倍增長。

為提高模型裝配效率，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Gaoliang Peng等[1]與Heidar Hashemi等[2]將基于規(guī)則法與基于實(shí)例法結(jié)合，創(chuàng)建包含夾具元件與其定位方式的數(shù)據(jù)庫，通過檢索數(shù)據(jù)庫中的元件定位方式得到其裝配方案；劉永喜等[3]提出了基于成組技術(shù)的夾具快速裝配的思想，通過零件編碼查詢到具有相似特征的零件組，根據(jù)同類的零件組的夾具結(jié)構(gòu)相似性建立映射關(guān)系，并根據(jù)工件的尺寸和精度等信息，確定裝配方案完成裝配；陸皆炎等[4]通過檢測裝配基體形狀特征來創(chuàng)建裝配基準(zhǔn)，自動建立裝配約束，實(shí)現(xiàn)智能裝配以及同件號零組件批量裝配；萬能等[5]通過研究基于知識工程的柔性夾具設(shè)計方法，將傳統(tǒng)柔性夾具元件轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚶^承與重用設(shè)計知識的智能元件，以此實(shí)現(xiàn)智能柔性夾具元件的自選擇、自驅(qū)動與自裝配。

上述方法雖然能夠有效的提高裝配效率，但針對性強(qiáng)、靈活度低、通用性差。因此，針對幾何元素間配合方式不隨零件外形改變的特點(diǎn)，本文提出了基于裝配屬性的快速裝配法。此方法通過分析零件的裝配過程、幾何模型等信息，將這些信息用裝配屬性進(jìn)行表示[6-7]；在元件加載到裝配體環(huán)境的同時，獲取其裝配定位方式并生成裝配方案，從而簡化裝配操作，降低操作難度，提高夾具模型的裝配設(shè)計效率。

1 夾具元件裝配屬性的創(chuàng)建

1.1 裝配屬性表示

裝配屬性(Assembly Attribute)是由裝配特征、幾何信息、裝配信息組成，用來為幾何特征建立裝配約束關(guān)系的功能屬性[8]。裝配特征是元件之間、元件與工件之間參與裝配連接的幾何特征的集合，由具有裝配約束關(guān)系的幾何元素組成。幾何信息是參與裝配約束的幾何特征的建模信息，包括模型形狀、關(guān)鍵尺寸等。裝配信息是指裝配約束過程中元件的定位信息，包括元件之間及元件與工件之間可能的組合關(guān)系、裝配特征間的約束關(guān)系等。

定義1：被動件，裝配活動中保持位置不變的零件。

定義2：主動件，裝配活動中通過調(diào)節(jié)自身位置和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)與被動件約束的零件。

根據(jù)定義，裝配屬性可以表示為：

AA={ free ,Ri|i=1,…,Nr}。

(1)

式中：AA表示裝配屬性；free表示元件的約束狀態(tài)，free的值表示添加約束后元件剩余自由度的個數(shù)；R表示幾何特征與幾何信息的集合，Nr為集合總數(shù)。

R可以進(jìn)一步表示為：

R={r, type, res, size }。

(2)

式中：r表示幾何特征；type表示幾何特征類型，type= 1表示幾何特征為軸面，type= 2表示幾何特征為孔面，type= -2表示幾何特征為平面；res表示裝配特征的配合方式，如res=concentric表示孔孔配合；size表示r的關(guān)鍵尺寸的值，如孔特征的關(guān)鍵尺寸為孔的直徑，若無關(guān)鍵尺寸則值為0。

圖1為某航空發(fā)動機(jī)精銑機(jī)匣外型面夾具部分元件裝配特征圖示。根據(jù)式(1)、式(2)，圖1所示的各零件裝配屬性如表1所示。

圖1 某航空發(fā)動機(jī)精銑機(jī)匣外型面部分夾具元件裝配屬性

元件裝配屬性freertyperessize調(diào)節(jié)螺釘1軸1面11-2孔軸配合平面貼合,平面對齊80導(dǎo)向塊0孔1孔2面122-2孔孔配合,孔軸配合孔孔配合,孔軸配合平面貼合,平面對齊6.56.50支承0面1面2面3面4-2-2-2-2平面貼合,平面對齊槽系配合槽系配合平面貼合,平面對齊040400

1.2 裝配屬性的存儲

裝配屬性是為幾何特征建立約束的功能屬性，具有標(biāo)識裝配特征的功能，但不能在特征與模型間進(jìn)行快速準(zhǔn)確的匹配。為實(shí)現(xiàn)快速識別元件模型中的裝配特征，建立了元件3D模型、元件幾何特征與裝配屬性間的關(guān)聯(lián)映射關(guān)系[9]。

關(guān)聯(lián)映射中包含了元件名稱、尺寸規(guī)格、裝配特征類型、特征識別碼等信息，具有簡單、易操作、辨識度高的特點(diǎn)，此關(guān)聯(lián)映射可以表示為：

AI={Fi|i=1,…,Nf}，

(3)

F={Name,Partsize,Featype,Id}。

(4)

式中：AI表示裝配屬性中所有映射關(guān)系的集合；F表示某一裝配屬性與元件模型、幾何特征的映射。Name表示元件模型的名稱；Partsize表示元件的尺寸規(guī)格，包含裝配屬性的關(guān)鍵尺寸；Featype表示裝配特征的類型，如孔特征、面特征等，其值與裝配屬性中的type值相同；Id表示幾何裝配特征編號，以區(qū)分同一元件中相同類型的不同幾何特征。

為方便管理，關(guān)聯(lián)映射關(guān)系按照元件系列名稱保存在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)式(4)，映射關(guān)系分為四個部分保存，分別是Name、Partsize、Featype、Id。

某型號內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)年P(guān)聯(lián)映射關(guān)系在數(shù)據(jù)庫中的存儲方式如圖2所示，數(shù)據(jù)庫的左側(cè)部分為元件目錄，右側(cè)部分為此元件的關(guān)聯(lián)映射。

圖2 關(guān)聯(lián)映射在數(shù)據(jù)庫中的存儲

2 基于裝配屬性的快速裝配

2.1 快速裝配流程

快速裝配是以裝配屬性為基礎(chǔ)的裝配方法，其工作流程如圖3所示。首先確定裝配主動件，根據(jù)關(guān)聯(lián)映射獲得該主動件的幾何特征與裝配屬性；然后拾取被動件上的目標(biāo)幾何特征，得到被動裝配屬性，與主動裝配屬性匹配成功后，根據(jù)裝配信息調(diào)整主動、被動特征間的位置關(guān)系，同時生成裝配方案預(yù)覽；最后，根據(jù)約束創(chuàng)建規(guī)則，在主動、被動特征間添加相應(yīng)約束，完成裝配操作。

圖3 快速裝配工作流程

2.2 裝配屬性匹配

快速裝配的一個重要環(huán)節(jié)是裝配屬性的成功匹配，裝配屬性匹配是指對分別屬于兩個不同零件的裝配屬性，進(jìn)行分析，找出能夠進(jìn)行有效裝配的一對屬性。假設(shè)被動件的裝配屬性為AA1，主動件的裝配屬性為AA2，則有：

AA1={ free1,R1i|i=1,…,Nr1}，

(5)

R1={r1,type1,res1,size1}，

(6)

AA2={free2,R2i|i=1,…,Nr2}，

(7)

R2={r2,type2,res2,size2}。

(8)

AA1和AA2匹配的條件為：①free1=free2，即裝配屬性約束的自由度相等；② 集合R1與集合R2的元素數(shù)量相等，即Nr1=Nr2，并且集合R1與R2中的元素類型存在一一對應(yīng)關(guān)系；③res1∩res2≠φ，即裝配特征的配合方式至少有一個相同；④type1×type1﹥1，即裝配特征都為面特征，或都為孔特征，或一個為孔特征一個為軸特征。

2.3 添加裝配約束

由于幾何特征的配合方式不唯一，為保證快速裝配的靈活性，裝配約束并未同特征一起被封裝到裝配屬性中。當(dāng)確定某一裝配定位方式后，依次讀取當(dāng)前主動、被動特征的配合方式，并根據(jù)表3給出的規(guī)則確定相應(yīng)的約束類型，依次在特征間創(chuàng)建約束，完成裝配模型的建立[10]。

表3 特征約束創(chuàng)建規(guī)則

3 應(yīng)用實(shí)例

某航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣及其精銑外型面夾具模型如圖4所示，由于機(jī)匣具有外型復(fù)雜、厚度小、易變形、加工難度大等特點(diǎn)，為保證加工精度，其精銑外型面夾具不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件繁多，且夾具元件重復(fù)使用率高。

圖4 某航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣及其精銑外形面夾具模型

本文以此夾具為例進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)例驗(yàn)證。夾具快速裝配設(shè)計系統(tǒng)的裝配過程如圖5所示，圖中的導(dǎo)向塊、內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)?，在本例中需進(jìn)行多次裝配且裝配方式相同，因此系統(tǒng)提供了批裝配功能，此功能允許同時加載、裝配指定個數(shù)的元件。與原有設(shè)計方法相比，快速裝配設(shè)計系統(tǒng)將此夾具的裝配設(shè)計時間縮短了一半以上，避免了重復(fù)操作，極大的提高了裝配效率。

圖5 某航空發(fā)動機(jī)精銑機(jī)匣外型面夾具快速裝配過程

4 結(jié)束語

針對目前CAD軟件的裝配建模功能在夾具設(shè)計中裝配效率低的問題，本文在分析裝配定位特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于裝配屬性的快速裝配方法。本文結(jié)合夾具元件的裝配信息與幾何信息，定義了元件的裝配屬性，建立了3D模型、幾何特征與裝配屬性間的關(guān)聯(lián)映射關(guān)系；通過裝配屬性匹配，得到主動、被動特征間的配合方式，并提出添加約束的約束創(chuàng)建規(guī)則，以此實(shí)現(xiàn)基于裝配屬性的快速裝配。與現(xiàn)有的模型裝配方法相比，快速裝配的操作對象是幾何元素的集合，因此交互操作次數(shù)可減少約70%，同時，快速裝配將特征配合方式封裝在屬性中，省去了定義約束過程，顯著提高裝配設(shè)計效率。

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(編輯 李秀敏)

Rapid Fixture Assembling Design Based on Assembly Attributes

FANG Na, ZHOU Lai-shui, WEI Wei, HUANG Bin-da

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

To improve the design efficiency of fixture assembly, a new rapid fixture assembly method was proposed based on the assembly attributes. The assembly attributes were firstly defined based on the assemble information and model geometrical parameters. The relationship among 3D models, geometric features and assembly attributes was established and expressed in a certain encoding. These encodings were used to obtain the assembly attributes and identify the geometric features. The positional relationship between features was adjusted base on the fit modes from the matching assembly attributes. The constraints were created between features according to the constraint rules to accomplish the final assembly between parts. A rapid fixture design system was also developed, and a case of an aeroengine casing outer profile finish-milling fixture verified the effectiveness of the approach.

fixture design; assembly attribute; geometric feature; feature matching

1001-2265(2016)10-0134-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.035

2015-10-26；

2015-12-02

房娜(1990—)，女，河北正定人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造，(E-mail)zdfangn@163.com。

TH122;TG65

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