基于基準平面的虛擬自動裝配技術研究

楊龍允++孔偉進++梅林強++袁鳳如++曹高華

摘 要：以PTC公司的三維設計軟件為基礎，結合自定向下設計技術，提出了一種基于平面的產品虛擬自動裝配技術，并通過對裝配特征的分析，解決了基于平面裝配技術中裝配關系和零件偏距的問題。結合Creo2.0給出的API函數，以VS2010為開發環境，實現了對軸承座的虛擬自動裝配，驗證了該技術實的可行性。

關鍵詞：平面；虛擬；自動裝配；Creo2.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.105

0 引言

裝配技術不但在產品設計研發中占有重要地位，也是眾多高校和科研單位重要的研究方向。能否準確、高效的實現產品裝配成為制約產品更新換代的重要影響因素。但目前的三維設計軟件在進行產品虛擬裝配時，繁瑣復雜的手工裝配嚴重降低了產品設計效率[1]。所以如何簡化裝配過程、提高裝配速度，進而提高產品設計效率成為了當今急需要解決的問題。

1 虛擬裝配技術

1.1 裝配的定義

裝配的過程就是將若干個零件組合成部件或將若干個零件和部件組合成產品的過程；虛擬裝配是指通過軟件完成對產品的結構設計和修改；自動裝配是指對產品各零部件之間的約束和定位關系的自動識別、自動提取和自動控制的過程[2]。虛擬自動裝配是虛擬裝配和自動化的結合[3]。

1.2 虛擬裝配的分類

按照裝配體和零件的設計次序，可以將裝配設計技術分為兩種，分別為：自底向上設計和自定向下設計。自底向上設計是指即先設計出零件，然后將設計好的零件導入到裝配體中，檢測裝配體是否滿足設計要求。這種裝配設計時需要頻繁的給出零件和裝配體之間的配合約束，操作困難，且容易出現欠約束或過約束的情況。自定向下是指：在產品設計的最初階段，按照該產品的最基本功能和要求，在設計頂層構筑一個基本骨架，稱之為“頂層基本骨架”，隨后的設計過程基本上都是在該“頂層基本骨架”的基礎上進行復制、修改、細化、完善并最終完成整個設計的過程[4]。

1.3 裝配特征的分類

雖然現如今還沒有給裝配特征一個準確的定義，但是可以根據功能將裝配特征分為：主體特征和輔助特征[1]。主體特征可以認為是在設計零件時產生的面、邊、點等；輔助特征可以認為是在設計零件（組件）時人為添加的基準面、基準軸、基準點和基準坐標系等。

1.4 零件定位原理

在裝配過程中，需要指定裝配體和零件（組件）的裝配特征及其裝配關系。根據裝配特征及其裝配關系將零件（組件）經過移動、旋轉到裝配位置，完成裝配過程[5]。其在裝配體中的位置可以用公式[p]=[T][p]來表示，其中[p]、[T]和[p]都是一個4×4階的矩陣。[p]表示零件在裝配體中的位置；[p]表示零件在裝配體中的初始位置，一般定義成一個單位矩陣；[T]是指變換矩陣，控制零件的移動和旋轉。通過改變每個零件的變換矩陣，就可以確定零件在裝配體中的位置，完成裝配。

2 基于基準平面裝配實現原理

2.1 裝配基準面

裝配基準面是指在裝配過程中作為基準的平面。零件或組件都有一個基準坐標系O_XYZ。考慮到裝配體中零件需要約束的自由度不同，所以需要參加配合的平面也不同，但零件（組件）中最多三個兩兩相互垂直的平面就可以使零件（組件）達到完全定位。基于基準平面的自動裝配將零件上的基準平面與裝配體上的基準平面進行匹配，自動生成變換矩陣，根據生成的變換矩陣，軟件自動將零件變換到需要裝配的地方，最終實現自動裝配功能。

2.2 裝配元件路徑對象的獲取

裝配體路徑對象的獲取是實現裝配的重要步驟，現階段Croe2.0采用的是多叉樹結構。這種結構的特點是采用遞歸調用，從最底層開始向上查詢，每向上查詢一步就會產生一個唯一標識號，通過一系列標識號就可以表示出零件（子組件）的路徑。

2.3 裝配元件之間偏距問題的處理

在進行零件設計時，由于零件在裝配體中的位置不同，不能保證零件默認產生的平面和裝配體中默認的平面能夠完全符合要求，一般利用兩種方法解決這種問題。一種利用骨架模型，在裝配體中添加N組平面，N為零件（組件）的個數，將零件中默認的平面分別與這N組平面進行約束；另一種是在產品設計初就確定零件的位置，通過在零件中設計三個兩兩相互垂直的平面，將這三個平面與組件中默認的平面進行約束。

3 虛擬自動裝配在Creo2.0中的實現

在進行產品設計前，應該建立外部應用程序與Creo2.0的連接。建立的步驟一般為：新建工程，環境設置，代碼編寫，信息文件編寫，注冊、運行[6]。

現在以分離式軸承座為例，驗證該技術實現的可行性。軸承座采用自底向上和自定向下相結合的設計方法。軸承座主要有軸承座上蓋、軸承座下蓋和連接件組成。在分析軸承座的具體功能后，根據軸和軸承的尺寸，確定其裝配零件的尺寸、形狀和位置。在零件設計環境中設計出需要的零件，并根據裝配體中零件的位置，確定約束基準平面的位置。然后進入裝配環境，啟動開發好的自動裝配模塊，完成裝配。

4 結論

本文介紹了一種基于基準平面的虛擬裝配思想。并結合虛擬裝配技術和二次開發技術，以Creo2.0為載體，實現了軸承座的虛擬自動裝配。大大縮短了產品的研發周期，降低了產品成本，提高了產品的競爭力。

參考文獻：

[1]李雪梅，閆凡章，張斌，許坤.定制產品中自動裝配關鍵技術的研究[J].機械設計與制造，2012（08）：164-166.

[2]楊玲玲，胡樹根，王耘，林小哲，來明.基準定位的自動裝配技術[J].輕工機械，2008，26（01）：59-62.

[3]邊欣，楊光，陳書軍.自頂向下的虛擬裝配設計[J].機械管理開發，2007，98（05）：72-73.

[4]張萍，廖文和，劉長毅.基于裝配特征的零件自動裝配[J].電氣技術與自動化，2004，33（05）：93-95，99.

[5]劉佶.基于Pro_E的DSG建模與自動裝配技術研究[D].西安理工大學碩士學位論文，2008.

[6]李文亮.自頂向下虛擬裝配系統的研究與設計[D].大連交通大學碩士學位論文，2013.

作者簡介：楊龍允（1991-），男，山東鄆城人，碩士，學生。endprint