面向虛擬拆裝的產品裝配模型及其應用

鐘振龍，吳緯緯，趙 悅

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

（1.湖南鐵道職業技術學院，株洲 412001； 2.浙江大學，杭州 310027）

0 引言

虛擬裝配系統是產品實物模型和裝配過程在虛擬環境中的實現，它主要用于機械產品可裝配性的驗證和機械類專業課程的教學。虛擬裝配建模的主要任務是在虛擬環境中建立產品的零件模型和裝配約束關系。面向教學課程的虛擬拆裝不像面向機械設計的虛擬拆裝那樣需要精確表達產品零部件之間的裝配約束關系，它只需要表達裝配次序之間的層次關系，因而對裝配模型的要求比較簡單[1～3]。

本文針對機械產品的拆裝次序及次序表達進行分析討論，設計了具有拆裝次序意義的裝配樹，保證了產品拆裝實驗合理正確的設計和執行。該模型具有簡單、高效、可靠、適應面廣等許多優點，可用于各種裝備虛擬拆裝，具有廣闊應用前景。

1 虛擬拆裝的次序分析

現實中的拆裝具有一定的安裝次序，所有零件安裝成產品的次序十分繁瑣，抽象出來是一張復雜的數據結構的圖，因此建立虛擬產品裝配模型前必須對虛擬拆裝的基本次序進行分析[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。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。

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沒有直接的安裝關系，他們都依賴C的已安裝狀態。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，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雜再組合。由于現實安裝次序千變萬化，完全符合現實安裝的序列僅僅靠程序設計很難實現。因此，針對模具零件的實際安裝情況，研究設計一套符合要求的拆裝結構是實現虛擬產品裝配模型設計的關鍵。

2 拆裝模型的設計

通過對以上問題的分析，結合UG提供的環境和二次開發技術的功能，本文從UG NX軟件的裝配導航器入手，對裝配樹進行研究設計，結合程序設計解決了上述問題。

2.1 a拆裝模型的表達

UG NX的裝配建模是采用虛擬裝配的方式進行的，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。裝配部件節點實質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的產品裝配模型的設計需求，結合程序對UG軟件裝配導航器中的裝配樹的可讀性優勢，本文提出“虛節點”的設計思想，形成一棵程序可讀的樹，并在樹中表達裝配次序。“虛節點”具有的特定意義包括：

1）虛節點可以是一個零部件的組合，也可以是單個零件；

2）虛節點以下的零件已經全部安裝；

3）兄弟零部件都可以無障礙的安裝到同級虛節點部件上；

4）只有該虛節點下的所有零件和其子級節點部件全部安裝完畢，才能進入該虛節點的父級安裝。

根據“虛節點”的定義，圖1中虛擬拆裝的四種基本次序可以結合“虛節點”表達成如圖2所示：

圖2中虛線矩形框表示虛節點，vi, i=1, 2, 3,…表示不同的虛節點；實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層次共同作用使得裝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）樹的縱向深度表達安裝次序，即樹中的深層零件或節點具有優先安裝的屬性；

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

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

圖2 虛擬拆裝的表達

4）具有優先標記的零件所在的分支橫向上具有優先安裝權；即優先標記是“上傳”的，當具有優先標記的葉子（零件）及具有同父的兄弟節點都安裝完成后，其優先標記，自動“上傳”給其父節點，使其父節點在父節點兄弟中具有優先安裝的特性。

圖3(b)是虛擬拆裝次序實例圖3(a)的表達。虛節點v1不存在的時候，A和D處于裝配樹的統一層，無法確定誰優先安裝。加入v1的目的是讓A下陷一層優先安裝。在本實例中，先安裝A，A安裝完成后經v1到達v2，此時與v2處于同一層的B和C處于可安裝狀態。B和C的可安裝狀態依賴于A的已安裝狀態，并且B和C沒有嚴格的先后安裝次序。B和C安裝完成后到達v3，此時v4處于可安裝狀態，但實際上v4并不存在，所以程序向下搜索v4的子節點，最后到達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。

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

其中n是問題的規模，即實際解決問題時零件加虛節點的總數，T(n)表示時間復雜度，S(n)表示空間復雜度。由此可知，該模型具有線性階時間復雜度和常數階空間復雜度，相對于面向機械設計的裝配模型而言，具有簡單、高效、可靠等優點。

圖3 虛擬拆裝次序實例

2.2 b拆裝模型的實現

拆裝模型的實現主要包括拆裝次序的實現和零件拆卸設計的實現。拆裝次序依然離不開上節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現過程。所謂零件拆卸設計，就是在拆卸過程中，需要對每個零部件進行定位操作，使得零部件能夠按照設計者的意圖安裝到指定部位。

零件矢量標識主要用于對應零部件的拆裝矢量，因此裝配樹中的組件名稱是實現裝配矢量控制的關鍵。此外，組件名在一定程度上還擔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則如下：

1）組件名優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，即拆裝樹的橫向層次上，需要同時拆裝的多個零件分組命名，以兩位數字結尾，第一位數字代表“組號” ，第二位數字代表“組件號”，如圖4所示。

圖4 組建命名規則

其中組號相同的零件代表著統一拆裝；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零件的四個側面，需要四個不同方向的矢量。根據螺塞的安裝位置，可以將16個螺塞分為四組，每組4個螺塞。此時，設計者仍然有兩種設計選擇：

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

2）四組螺塞組號n不同。即設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現拆裝操作，設計者可以自行設計。

圖5 模具虛擬實驗室應用實例

3 應用實例

基于本產品裝配模型，針對模具專業教學資源建設的特點，結合計算機三維交互技術，設計開發出模具結構認知與拆裝虛擬實驗室，并應用于模具通識、拆裝實訓等不同類型的課程教學中[5～7]。實踐表明，產品裝配模型可有效地應用到該系統中。圖5為模具結構認知與拆裝虛擬實驗室的應用實例圖。

虛擬實驗室不僅可用于模具拆裝實訓，還可用于各類模具基礎或專業課程的輔助教學。同時，該系統還可方便地加載數控機床、電機、發動機等各類機械裝備的虛擬拆裝，因此是一個通用的、多功能教學平臺，有非常廣泛的應用前景。

4 結論

針對模具的拆裝次序及次序表達進行分析討論，設計了具有拆裝次序意義的裝配樹，保證了模具拆裝實驗合理正確的設計和執行。同時，提供演示裝配和自主裝配實驗，并在自主裝配中采用自動提醒的方式引導學生正確合理的進行拆裝實驗。

本文提出的產品裝配模型還可用于各種裝備虛擬拆裝，如電機、發動機、化工設備等，具有廣闊應用前景。

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