摘 要： 本文在拓撲理論的基礎上提出面向大型復雜的周轉輪系虛擬仿真裝配方法，實現了裝配流程的計算機自動化開發設計，減少了人多參與度。重點探討了利用AUTOMATION GATEWAY軟件實現PRO/E虛擬環境下的輪系裝配數據信息的采集、裝配過程的實現及優化設計等方面，最后給出PRO/E下的大型復雜周轉輪系的虛擬裝配產品的應用實例。

關鍵詞： 拓撲理論 數據采集 自動裝配

復雜周轉輪系是指輪系結構復雜，裝配、生產、調試復雜的產品，如飛機、航天器、船舶、衛星等[1]。此類周轉輪系不同于簡單周轉輪系，產品裝配的周期長、裝配過程難度大、裝配的成本很高[2]。仿真虛擬裝配是近年來比較前沿的研究課題，此技術主要依賴數字化建模的方法在三維仿真軟件環境下，借助仿真人機交互的軟硬件設備在微型機上實現復雜產品的裝配操作并可實現產品性能仿真分析、裝配過程演示，從而完成對裝配工人的工況條件下的裝配工藝指導、探索新型產品、仿真分析產品特性、減低生產開發成本，尤其對飛機、衛星等大型產品，因所需資源類型較多、裝配難度大、裝配精度高等特點，開展基于拓撲理論的復雜周轉輪系的虛擬仿真裝配技術的研究有重要的理論、實踐意義和應用價值。

1.虛擬裝配關鍵技術

不同的虛擬仿真裝配過程，因需求不同對裝配模型包含的信息要求也是不同的，但通常包含以下兩類信息是虛擬仿真裝配過程必需的。

（1）拓撲模型信息：拓撲模型是將輪系的太陽輪、行星輪、嚙合關系等抽象成為實心點、空心圈、粗/細實現、虛線等，具體說明見參考文獻[3]。此拓撲模型是對裝配實體信息的抽象，是點、線、約束面、實體之間關系，以便拓撲演化和反演，對新型輪系機構進行組合、拆分探索。

（2）輪系虛擬裝配信息：應包含預裝配的仿真輪系的元器件、層次結構、和裝配約束關系等信息，以便在Pro/E仿真環境下調用相關零件進行產品組裝以滿足產品的要求。

為了實現復雜輪系的計算機系統的虛擬仿真裝配，本文采用拓撲拆分信息提取的方法，即用Visual Basic面向對象軟件、Pro/E三維仿真裝軟件和兩個軟件的接口軟件Automation Gateway 4.0實現軟件開發，利用開發的軟件界面可以輕松實現繪制需要裝配的復雜輪系對應的拓撲模型，軟件后臺會根據用戶繪制過程提取Pro/E三維仿真裝配所需要的拓撲信息及裝配信息，而后通過提取的信息將其轉換成虛擬現實環境所需要的信息，實現人機裝配信息的數據交流和采集。圖1給出了信息提取轉換的流程。

圖1 信息轉換流程

2.拓撲繪制及信息提取界面的開發

復雜周轉輪系的自動裝配之所以能夠實現，是依據用戶所繪制的拓撲圖形信息及提取的裝配約束關系。因此，如何能在拓撲圖與計算機自動裝配之間構建起溝通的橋梁十分關鍵。為此，開發了簡單的、易于操作的拓撲圖繪制及信息提取平臺。在此平臺上，用戶只需要點擊相應按鈕就可以完成拓撲映射圖的繪制，同時后臺可以根據用戶繪制的不同的拓撲圖，仿真裝配出Pro/E下不同的周轉輪系。

根據軟件的要求及軟件要完成的功能，開發出的平臺應包含如下模塊：

（1）繪制圖形模塊，應同時包括對圖形的修改部分。

（2）圖形信息自動提取模塊。

本模塊可以根據用戶繪制的不同的拓撲圖，提取出不同的圖形信息，這些信息作為形成三維輪系仿真圖的重要依據，進而完成一個拓撲圖對應一個真實輪系圖的一對一映射。

（3）自動裝配模塊。

本模塊要完成兩部分功能：①可以將已經繪制完成的拓撲圖裝配成三維仿真圖。②當用戶繪制的拓撲圖不正確的時候，應該給出相應的提示。開發的初始界面如圖2所示：

圖2 初始繪圖界面

a.圖形繪制模塊

圖形繪制模塊由命令控件（Command）和圖形框控件（PictureBox）兩部分組成。在圖形框控件中，首先給出了已經畫好的行星輪（4個）、太陽輪（4個）和系桿（3個）的圖形符號，這些符號是通過形狀控件（Shape）形成的，通過設置形狀控件的Shape屬性完成不同形狀的設置。在行星輪符號的上邊、太陽輪及系桿的下邊顯示字符”T”的位置，放置的是文本框，用來對各符號起標注作用，所有這些控件在程序進入運行狀態時，是不顯示的。只有用戶繪制了相應的圖形符號，其對應的文本框才呈現可見狀態。

b.信息提取模塊

信息提取模塊可以根據用戶繪制的不同拓撲映圖，提取出相應的重要參數，為其后計算機自動完成輪系的裝配工作打下基礎。此模塊中，提取出了用戶繪制的拓撲的行星輪、太陽輪的個數及直線的條數。另外直線的寬度及類型等信息的提取已在圖形的修改部分給出。

c.自動裝配模塊

自動裝配模塊有兩個命令按鈕組成，分別是“打開模型”命令按鈕和“裝配元件”命令按鈕。其中“打開模型”命令按鈕用來打開當前拓撲圖所對應的裝配文件，不同的拓撲圖對應不同的裝配文件，將其作為裝配周轉輪系的裝配載體；命令按鈕“裝配元件”用來完成周轉輪系的自動裝配工作，裝配流程如圖3所示：

圖3 裝配流程圖

3.應用實例

進行了Pro/E二次開發，并實現了基于拓撲理論的面向大型復雜周轉輪系虛擬仿真裝配過程，并在某教學用輪系演示裝配過程中得到了應用。圖4給出了繪圖平臺的初始運行界面，圖5（a～b）給出了畫圖過程及信息提取情況，圖6（a）給出了自動裝配了一部分的裝配場景，圖6（b）給出了裝配完成后的界面情況。

圖4 初始運行界面

圖5（a） 行星輪繪圖及信息提取1

圖5（b） 行星輪繪圖及信息提取2

圖6（a） 裝配過程1

圖6（b） 裝配過程2

4.結論

（1）考慮拓撲模型的工況裝配環境，目前的虛擬裝配過程并沒有考慮真正工況條件，均以零件模型為主，沒有考慮工廠的實際加工和裝配過程中的零件形狀、尺寸的精確要求，這需要后續繼續研發，實現產品零件的優化設計，可以在線根據實際要求對零件進行設計和再生。

（2）模型庫的建立，目前開發的軟件系統僅能實現6中簡單和復雜周轉輪系的自動裝配工作，這對有拓撲模型反演化出的大量的輪系顯然是不夠的，究其原因在于元器件庫中的元器件類型、種類等不夠多樣，目前暫不能實現多樣化設計。

參考文獻：

[1]Sankar Jayaram，Hugn IConnacher，et al.Virtual assembly using virtual reality techniques[J].Computer A ided Design，1997，29（8）：575-584.

[2]Liu G H，Yao Y X.Development of a new virtual environment system for assembly[J].Key Eng ineer ing Ma ter ia ls，2006，6：556-560.

[3]史曉影，孟祥豐，王慧武.基于拓撲演化理論的周轉輪系綜合構型與自動裝配[J].機械傳動，2014，38（11）：45-48.

渭南師范學院校級自然科學研究項目（14YKP018）。