一種基于多視圖的模具裝配模型

高進寶

（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）

為了較完整地構建裝配信息，提高裝配可擴性，提出了基于多視圖的裝配模型。該模型從裝配元、裝配功構和裝配關系上出發，分別構建了基于XML的裝配元信息視圖、基于裝配樹的功構視圖和裝配關系視圖。三種視圖信息交互，促進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了裝配信息的可擴性。最后以模架導向沖裁模為例驗證了該模型在產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

虛擬裝配以產品及其零部件的三維實體模型為基礎，借助虛擬現實技術在計算機上仿真裝配操作的全過程，進行裝配操作及其相關特性的分析，實現產品的裝配規劃和評價，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]。目前在裝配模型領域主要有三種類型的模型構建：圖模型、層次結構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，然而隨著產品復雜性的不斷增大，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性要求。例如基于圖結構所建立的裝配模型主要是同一層次內的裝配關系，而忽略了不同層次間的關系；而層次結構模型的構建則彌補了這一缺陷，然而不足的是層次內的裝配關系不夠直觀?；谔摂M鏈的混合裝配模型在一定程度上結合了前兩種模型的優點，然而在信息表示及模型構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，而且在信息維護和可擴性方面有所不足。

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

1 多視圖產品裝配模型

視圖是指從特定的角度對產品進行抽象，包含了產品在該角度內的全部屬性與數據。多視圖產品裝配模型就是從產品的多個方面出發，實現單個視圖的可擴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系，從而將多個視圖連成一個龐大的信息網，實現信息的完整性與全面性；單個視圖的可擴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、基于裝配樹的功構視圖和裝配關系視圖，創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視圖和裝配關系視圖的基礎，功構視圖實現了裝配元結構與功能之間的映射關系，而裝配關系視圖則建立了裝配元間的裝配約束關系。它們之間的關系是：功構視圖架構了裝配的層次，裝配關系視圖定義了層次內裝配元間約束關系，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性，為徹底的實現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。這些信息的建立應當是獨立于裝配過程同時具有可擴性的，而信息的全面性與可擴性則為后續的裝配關系建立以及裝配順序規劃提供了基礎數據支持。

2.1 裝配元信息

定義1裝配元（Element）是模具產品結構中無法再分解的最小單位。

E={Name，ID，Function Style，Geometry Info，Assembly Features，Extending Info}

其中，Name為模具產品的裝配元名稱；ID為裝配元所在模具產品中的代號；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、基準面等；Extending Info為裝配元的擴展信息。

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

定義3裝配元特征標識M={P，Vec，Vxy}

其中P（Point）表示裝配特征的中心節點，該節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據、裝配特征和其它一些需要的信息，同時它實現了信息數據在計算機中的的易存儲、易傳遞等特點。在CAD到虛擬系統的信息轉化傳遞過程中，容易造成重要信息的丟失，這對順利實現虛擬環境下的裝配不利。因此在裝配元信息的建立中應包含以下幾點：（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）可擴展信息，該信息通過裝配需要的不同，可建立新的信息依據。

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

3 基于裝配樹的功構視圖

功能和結構是緊密相連的。功能的實現是建立在單結構或者多結構的功能映射上。功能到結構的映射主要體現在兩個方面。第一，功能的映射與結構的層次有關。即功能層次與結構層次應該是一一對應的關系。第二，功能之間的約束關系以與之相應的結構之間的約束關系為基礎。

功構視圖的建立是以功能與結構間的映射關系為基礎的，裝配樹表征了裝配結構，因此要解決的是將裝配樹與對應功能之間建立起對應關系。單個零件或者多個零件可共同映射出相應功能包括單結構功能映射和多結構功能映射。單結構功能映射是指一個裝配元對應一種功能；多結構功能映射則指多個裝配元對應一種功能。據此，可建立基于裝配樹的沖壓模具功構視圖如圖2所示。其中S-F表示單結構功能映射；SS-F表示多結構功能映射。

圖2 裝配功構視圖

4 裝配關系視圖

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

4.1 裝配關系特征表示

在裝配元信息所提供的裝配信息基礎上，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變化。以Vec為例，如Vec改變20°那么整個裝配元就會相應旋轉20°，其他類似。在裝配過程中主要產生距離上和方向上的偏差，如圖3所示。

圖3 同軸裝配關系特征

其中p1p2表示裝配元E1的中心節點P1與裝配元E2的中心節點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 裝配關系視圖建立

裝配關系視圖的建立主要在于全面的構建一個裝配約束關系視圖。該視圖包括同軸關系、貼和關系、固定關系和相距關系。模具裝配中，所有裝配元間的裝配關系都可相對應地歸入某一種關系，同時又根據每一種裝配關系本身的特點建立了裝配關系特征信息。以裝配元間滿足同軸裝配關系為例，根據裝配元的特征標識可生成、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。

裝配關系視圖不僅提供了模具產品各裝配元和裝配體之間的裝配關系，同時在裝配特征的基礎上融入了裝配中心點以及裝配方向角等的標識信息，從幾何數據出發為后續的虛擬裝配提供基礎支持。

5 實例分析

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

圖4 模架導向沖裁模

圖5 基于XML的產品裝配元信息視圖——螺釘

圖6 基于裝配樹的產品裝配功構視圖

圖7 裝配關系視圖

6 結束語

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

（1）多視圖產品裝配模型的建立實現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語言的自由定義優點，滿足可擴性要求，為產品功構視圖和裝配關系視圖的建立提供基礎支持。

（3）基于裝配樹的功構視圖則直觀地描述了模具產品功能結構間的映射關系，同時樹的結構能較完整地描述裝配信息，避免信息缺失，同時又能加強層次之間的裝配關系。

（4）裝配關系視圖的建立主要實現了層次內裝配元間的裝配關系，同時在裝配特征的基礎上融入了裝配中心點以及裝配方向角等的標識信息，從幾何數據出發為后續的虛擬裝配提供基礎支持。

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

[1]李建廣，夏平均．虛擬裝配技術研究現狀及發展[J]．航空制造技術，2010（3）：34-38．

[2]Li Chen，Zhijie Song，Lei Feng.Internet-enabled real-time collaborative assembly modeling via an e-Assembly system：status and promise[J]．Computer-Aided Design，2004，36（1）：835-847．

[3]Winfried van Holland，Willem F.Bronsvoort.Assembly fea tures in modeling and planning[J]．Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2000，16（4）：277-294．

[4]Wang Hui，Xiang Dong，Duan Guanghong，Zhang Linxuan. Assembly planning based on semantic modeling approach[J]．Computers in Industry，2007，58（3）：227-239．

[5]王波，唐曉青，耿如軍．機械產品裝配關系建模[J]．北京航空航天大學學報，2010，36（1）：71-76．

[6]W.F.Bronsvoort，A.Noort.Multiple-view feature modeling for integral product development[J]．Computer-Aided Design，2004，36（1）：929-946．

[7]侯文彬，胡平，張紅哲，等．模具裝配中裝配約束的設計與求解[J]．模具工業，2003（6）：14-18.

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

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