高進(jìn)寶

（廣東省中山市中順大圍工程管理處，廣東中山528400）

一種基于多視圖的模具裝配模型

高進(jìn)寶

（廣東省中山市中順大圍工程管理處，廣東中山528400）

為了較完整地構(gòu)建裝配信息，提高裝配可擴(kuò)性，提出了基于多視圖的裝配模型。該模型從裝配元、裝配功構(gòu)和裝配關(guān)系上出發(fā)，分別構(gòu)建了基于XML的裝配元信息視圖、基于裝配樹的功構(gòu)視圖和裝配關(guān)系視圖。三種視圖信息交互，促進(jìn)了信息的全面性與完整性；XML語言及裝配樹理論的引入實現(xiàn)了裝配信息的可擴(kuò)性。最后以模架導(dǎo)向沖裁模為例驗證了該模型在產(chǎn)品裝配上具有一定的實用價值。

多視圖；裝配模型；XML語言；裝配樹

虛擬裝配以產(chǎn)品及其零部件的三維實體模型為基礎(chǔ)，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機(jī)上仿真裝配操作的全過程，進(jìn)行裝配操作及其相關(guān)特性的分析，實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配規(guī)劃和評價，制定合理的裝配方案[1]。

在虛擬裝配過程中，裝配模型的建立對裝配的成功有著重要意義[2-4]。目前在裝配模型領(lǐng)域主要有三種類型的模型構(gòu)建：圖模型、層次結(jié)構(gòu)模型和基于虛擬鏈的混合裝配模型[5]。這些模型在一定程度上能較好地解決虛擬裝配問題，然而隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的不斷增大，單一視圖的信息堆砌已無法滿足裝配信息的完整性以及裝配的可擴(kuò)性要求。例如基于圖結(jié)構(gòu)所建立的裝配模型主要是同一層次內(nèi)的裝配關(guān)系，而忽略了不同層次間的關(guān)系；而層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建則彌補(bǔ)了這一缺陷，然而不足的是層次內(nèi)的裝配關(guān)系不夠直觀?；谔摂M鏈的混合裝配模型在一定程度上結(jié)合了前兩種模型的優(yōu)點，然而在信息表示及模型構(gòu)建上由于其龐大的裝配信息集中于由單一模型表述，難免會造成信息缺失的問題，而且在信息維護(hù)和可擴(kuò)性方面有所不足。

為了較完整地構(gòu)建裝配信息，提高裝配可擴(kuò)性，本文提出了基于多視圖的裝配模型。通過整合產(chǎn)品中各個信息的視圖，多視圖模型完全能實現(xiàn)理想化的信息支持[6]。

1 多視圖產(chǎn)品裝配模型

視圖是指從特定的角度對產(chǎn)品進(jìn)行抽象，包含了產(chǎn)品在該角度內(nèi)的全部屬性與數(shù)據(jù)。多視圖產(chǎn)品裝配模型就是從產(chǎn)品的多個方面出發(fā)，實現(xiàn)單個視圖的可擴(kuò)性以及多視圖間裝配信息交互的模型。該模型綜合了所有視圖的信息，同時視圖間存在著一定的交互關(guān)系，從而將多個視圖連成一個龐大的信息網(wǎng)，實現(xiàn)信息的完整性與全面性；單個視圖的可擴(kuò)性又在一定程度上滿足了信息全面這一要求。

本文通過建立基于XML的裝配元信息視圖、基于裝配樹的功構(gòu)視圖和裝配關(guān)系視圖，創(chuàng)建了一個全面的裝配信息模型。裝配元信息視圖的建立是功構(gòu)視圖和裝配關(guān)系視圖的基礎(chǔ)，功構(gòu)視圖實現(xiàn)了裝配元結(jié)構(gòu)與功能之間的映射關(guān)系，而裝配關(guān)系視圖則建立了裝配元間的裝配約束關(guān)系。它們之間的關(guān)系是：功構(gòu)視圖架構(gòu)了裝配的層次，裝配關(guān)系視圖定義了層次內(nèi)裝配元間約束關(guān)系，而裝配元信息視圖則承載了每一個裝配元的所有信息，三者的關(guān)系密不可分。此外，XML語言及裝配樹理論的引入解決了裝配信息的可擴(kuò)性，為徹底的實現(xiàn)信息全面性提供支持。

2 基于XML的裝配元信息視圖

裝配元信息視圖建立的目的在于全面的表示裝配元的信息，例如幾何信息和物理信息。這些信息的建立應(yīng)當(dāng)是獨立于裝配過程同時具有可擴(kuò)性的，而信息的全面性與可擴(kuò)性則為后續(xù)的裝配關(guān)系建立以及裝配順序規(guī)劃提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2.1 裝配元信息

定義1裝配元（Element）是模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中無法再分解的最小單位。

E={Name，ID，F(xiàn)unction Style，Geometry Info，Assembly Features，Extending Info}

其中，Name為模具產(chǎn)品的裝配元名稱；ID為裝配元所在模具產(chǎn)品中的代號；Function Style為裝配元的功能類型，如定位、支撐、工件等；Geometry Info為裝配元所含有的幾何信息；Assembly Features為裝配元的裝配特征，如定位孔、基準(zhǔn)面等；Extending Info為裝配元的擴(kuò)展信息。

定義2裝配特征（Assembly Features）是指裝配元所具有的裝配信息。通過對模具產(chǎn)品零部件特點的總結(jié)，其裝配特征主要有以下7種：定位孔、輔助面、基準(zhǔn)面、固定槽、支撐面、外螺紋和內(nèi)螺紋。

定義3裝配元特征標(biāo)識M={P，Vec，Vxy}

其中P（Point）表示裝配特征的中心節(jié)點，該節(jié)點在定位面或者支撐面上。Vec對于裝配特征為平面來說，表示通過中心節(jié)點P且垂直所在平面朝向裝配方向的方向向量；而對于特征為線來說，則表示沿中心軸線指向待裝配方向的方向向量。Vxy表示在xy平面上，通過中心節(jié)點且垂直輔助面向外的方向向量，若裝配元或裝配體中沒有輔助面這一特征，則不存在Vxy這一方向向量。如圖1所示。

圖1 裝配元特征標(biāo)識

2.2 裝配元信息視圖的建立

裝配元信息的建立不僅僅是包含裝配元的幾何數(shù)據(jù)、裝配特征和其它一些需要的信息，同時它實現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的的易存儲、易傳遞等特點。在CAD到虛擬系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)化傳遞過程中，容易造成重要信息的丟失，這對順利實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的裝配不利。因此在裝配元信息的建立中應(yīng)包含以下幾點：（1）物理信息例如重量、材料等；（2）幾何信息例如尺寸、角度等；（3）功能信息例如裝配元的類型、ID等；（4）裝配特征信息例如定位面、定位孔、中心點和方向向量等；（5）可擴(kuò)展信息，該信息通過裝配需要的不同，可建立新的信息依據(jù)。

采用XML語言對裝配元信息實現(xiàn)存儲與傳遞，首先需要定義一個文件類型（DTD）。DTD定義XML文檔的基本結(jié)構(gòu)，定義在文檔中出現(xiàn)的元素、元素出現(xiàn)的次序、元素間的關(guān)系、元素的屬性以及其他詳細(xì)信息。隨后可通過XML解析器分析檢驗文檔的有效性，應(yīng)用程序來識別和處理文檔中的數(shù)據(jù)。

3 基于裝配樹的功構(gòu)視圖

功能和結(jié)構(gòu)是緊密相連的。功能的實現(xiàn)是建立在單結(jié)構(gòu)或者多結(jié)構(gòu)的功能映射上。功能到結(jié)構(gòu)的映射主要體現(xiàn)在兩個方面。第一，功能的映射與結(jié)構(gòu)的層次有關(guān)。即功能層次與結(jié)構(gòu)層次應(yīng)該是一一對應(yīng)的關(guān)系。第二，功能之間的約束關(guān)系以與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)之間的約束關(guān)系為基礎(chǔ)。

功構(gòu)視圖的建立是以功能與結(jié)構(gòu)間的映射關(guān)系為基礎(chǔ)的，裝配樹表征了裝配結(jié)構(gòu)，因此要解決的是將裝配樹與對應(yīng)功能之間建立起對應(yīng)關(guān)系。單個零件或者多個零件可共同映射出相應(yīng)功能包括單結(jié)構(gòu)功能映射和多結(jié)構(gòu)功能映射。單結(jié)構(gòu)功能映射是指一個裝配元對應(yīng)一種功能；多結(jié)構(gòu)功能映射則指多個裝配元對應(yīng)一種功能。據(jù)此，可建立基于裝配樹的沖壓模具功構(gòu)視圖如圖2所示。其中S-F表示單結(jié)構(gòu)功能映射；SS-F表示多結(jié)構(gòu)功能映射。

圖2 裝配功構(gòu)視圖

4 裝配關(guān)系視圖

裝配關(guān)系在裝配過程中起到了至關(guān)重要的作用，通過歸納模具裝配中的裝配特點，其約束關(guān)系主要有以下4種：同軸關(guān)系，貼和關(guān)系，固定關(guān)系和相距關(guān)系[7]。同軸關(guān)系主要包括內(nèi)螺紋與外螺紋，軸與軸套之間的連接等，包括同軸內(nèi)向和同軸外向關(guān)系；貼和關(guān)系是指模具產(chǎn)品裝配元間的共面反向關(guān)系；固定關(guān)系指通過焊接等方式將兩裝配元連接的關(guān)系；相距關(guān)系則表示面與面之間有一定平行距離。

4.1 裝配關(guān)系特征表示

在裝配元信息所提供的裝配信息基礎(chǔ)上，本文又提供了裝配元間的裝配特征信息。

定義4裝配過程中，不管是節(jié)點P位置的改變還是方向向量Vec、Vxy的變化都會引起整個裝配元或者裝配體的相應(yīng)變化。以Vec為例，如Vec改變20°那么整個裝配元就會相應(yīng)旋轉(zhuǎn)20°，其他類似。在裝配過程中主要產(chǎn)生距離上和方向上的偏差，如圖3所示。

圖3 同軸裝配關(guān)系特征

其中p1p2表示裝配元E1的中心節(jié)點P1與裝配元E2的中心節(jié)點P2之間的距離；表示方向向量Vec1與Vec2之間的夾角；表示方向向量Vxy1與Vxy2之間的夾角。

4.2 裝配關(guān)系視圖建立

裝配關(guān)系視圖的建立主要在于全面的構(gòu)建一個裝配約束關(guān)系視圖。該視圖包括同軸關(guān)系、貼和關(guān)系、固定關(guān)系和相距關(guān)系。模具裝配中，所有裝配元間的裝配關(guān)系都可相對應(yīng)地歸入某一種關(guān)系，同時又根據(jù)每一種裝配關(guān)系本身的特點建立了裝配關(guān)系特征信息。以裝配元間滿足同軸裝配關(guān)系為例，根據(jù)裝配元的特征標(biāo)識可生成、以及p1p2，裝配過程中令R=（ri，αi，β）i

再讓ε＝（rs，αs，βs）為用戶自定義的模具產(chǎn)品裝配誤差。其中rs為裝配的最大允許距離誤差；αs為裝配的最大允許軸線方向角度誤差；R≤ε為裝配的最大允許輔助方向角度誤差；裝配中滿足R≤ε，那么裝配符合要求。

裝配關(guān)系視圖不僅提供了模具產(chǎn)品各裝配元和裝配體之間的裝配關(guān)系，同時在裝配特征的基礎(chǔ)上融入了裝配中心點以及裝配方向角等的標(biāo)識信息，從幾何數(shù)據(jù)出發(fā)為后續(xù)的虛擬裝配提供基礎(chǔ)支持。

5 實例分析

以圖4所示的模架導(dǎo)向沖裁模為例，分別構(gòu)建基于XML的裝配元信息視圖（詳見圖5）、基于裝配樹的功構(gòu)視圖（詳見圖6）和裝配關(guān)系視圖（詳見圖7）。根據(jù)這三個視圖，構(gòu)建一種基于多視圖的裝配模型，建立一個完整的可擴(kuò)的裝配信息庫。

圖4 模架導(dǎo)向沖裁模

圖5 基于XML的產(chǎn)品裝配元信息視圖——螺釘

圖6 基于裝配樹的產(chǎn)品裝配功構(gòu)視圖

圖7 裝配關(guān)系視圖

6 結(jié)束語

基于多視圖的模具裝配模型從裝配元構(gòu)建、裝配功構(gòu)和裝配關(guān)系上出發(fā)，分別構(gòu)建了基于XML的裝配元信息視圖、基于裝配樹的功構(gòu)視圖和裝配關(guān)系視圖。

（1）多視圖產(chǎn)品裝配模型的建立實現(xiàn)了三個視圖間的信息交互，避免了單視圖模型的信息缺失，建立了一個完整的可擴(kuò)的裝配模型。

（2）基于XML的裝配元信息視圖，在裝配元信息表示上吸收了XML語言的自由定義優(yōu)點，滿足可擴(kuò)性要求，為產(chǎn)品功構(gòu)視圖和裝配關(guān)系視圖的建立提供基礎(chǔ)支持。

（3）基于裝配樹的功構(gòu)視圖則直觀地描述了模具產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)間的映射關(guān)系，同時樹的結(jié)構(gòu)能較完整地描述裝配信息，避免信息缺失，同時又能加強(qiáng)層次之間的裝配關(guān)系。

（4）裝配關(guān)系視圖的建立主要實現(xiàn)了層次內(nèi)裝配元間的裝配關(guān)系，同時在裝配特征的基礎(chǔ)上融入了裝配中心點以及裝配方向角等的標(biāo)識信息，從幾何數(shù)據(jù)出發(fā)為后續(xù)的虛擬裝配提供基礎(chǔ)支持。

（5）以模架導(dǎo)向沖裁模為例構(gòu)建的多視圖模型，給出了該模型的構(gòu)建應(yīng)用。結(jié)果表明，該模型能最大程度地實現(xiàn)裝配信息的完整性，避免單視圖模型中的信息缺失。

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An Assembly Model Based On Multi-view for Mould

GAO Jin-bao
（Zhongshan City of Guangdong Province Zhongshun Dawei Engineering Management Department，Zhongshan Guangdong 528400，China）

In order to build a complete assembly information，improve assembly scalability，this paper presents an assembly model based on multi-view.According to assembly elements，assembly structure&function and assembly relations，this model builds the assembly information view based on XML，structure&function view based on assembly tree，and assembly relation view，namely.With interaction between three views，the model is more comprehensive.Both XML and assembly tree make assembly information extendable.Finally，an example of Die-oriented mold has been given to demonstrate the practical value of this model.

multi-view；assembly model；XML language；assembly tree

TP391.72

A

1672-545X（2017）06-0034-04

2017-03-01

高進(jìn)寶（1985-），男，江西吉安人，碩士，助理工程師，研究方向：機(jī)電一體化。