自动装配的系统设计

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第 2卷第 1期 120 0 7年 3月

上

海

工

程

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报

V0 . 1 21 No. 1M a 2 0 r 0 7

J ouR L OF S NA HAN AI GH UNI R I NGI E NG S I N E VE S TY OF E NE RI C E C

文章编号：1 0 0 9~4 4 2 0 ) 1 0 0—0 4 X( 0 7 O—0 3 4

基于模块化的自动装配方法滕 兵，陆宁，周玉凤(海工程技术大学机械工程学院，上海 2 1 2 )上 0 6 0

摘要：针对如何确定装配环境下待装配特征之间的装配关系，出装配特征模块化的装配方法。提 该方法根据装配特征分类存储为不同功能模块，用继承的方法，用装配数据模块和装配关系采利 模块完成装配动作，为保持设计过程中产品装配特征数据的一致性提供了保障，以标准渐开线并直齿圆柱齿轮为例介绍了该方法的实用性和优越性。

关键词：装配特征；块化；配体素；自动装配模装中图分类号： P 3 1 7 T 9 .2文献标志码： A

Res r h on Au o a i s m bl s n M o u art ea c t m tc As e y Ba ed o d l i yTENG ng,LU n Bi Ni g,ZHOU f n Yu e g

Ab ta t n o d r t s e t i h s e b y r lto h p be we n a s mb y f a ur s i se l o ii n. s r c:I r e o a c ran t e a s m l ea ins i t e s e l e t e n a s mb y c nd to an w y wa e e t d f r a s m bl a e n a s m b y f a u e’ m o u a iy. Thew a s sa i he i a o e wa spr s n e o s e y b s d o s e l e t r s d l rt y u e n rtw y t a c m p l h a s m b y w ih a se b y d t od l n n a s m b y r l to s i o l h c a ns r h co oi se l t n a sm l a am s u ea d a se l ea i n h p m due w ih c n e u et e

da ac he e c f

a s m b y fa u e u i g t e i r c s .Ta n h n o u e sr i ht t e h g a s a t o r n e o s e l e t r s d rn he d sgn p o e s ki g t e i v l t tag e t e r a ne a p e t x an t e p a tc bi t nd s e i rt f t i e h d. x m l o e pli h r c ia l y a up ro iy o h s m t o i

Key wo d r s:a s mb y fa u e;mo lrt se l e t r s du a iy;f a ur lme t e t e ee n s;a t ma i s e b y de i u o tc a s m l sgn

提高装配设计效率的重要途径是实现产品零部件的自动装配。目前的自动装配方法主要有基

提供面特征的装配，只能是用于形状比较简单、规则的零件。 基于适应性的方法在装配时限定了零部件位

于零件参数化的、于关联的 1基于装配特征基 1、的和基于适应性的 J J等几种。 基于关联的方法充分考虑了分属不同参数集变量之间的映射关系，过某个变量的修改来带动通其他相应变量的改变。 目前提出的基于装配特征的方法中，设计者制

置的几何约束和相关属性，在装配过程中通过计算安装位置点 (即参考点位置 )装配基面的距离和与安装轴线与装配基面的角度，到装配对象的主参得数尺寸并参数化驱动，使模型姿态调整到适应装配的形状。相比较来说，这种方法摒弃了前两种方法的许多弊端，能够实现高效率的自动装配，是该但

定参与装配的两个带装配特征上装配区域内的任一

面，自动完成零件装配的整个过程，此方法仅但

方法在装配前限定待装配体位置等几何约束，并在

收稿日期： 0 6—1—0 20 2 2

作者简介：滕

兵 ( 9 1,,东文登人，教，士，究方向为 C D/ AM, AD软件的二次开发 1 8一)男山助硕研 A C C

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后续设计中无法更改，使其只能在一般情况下的装配动作。 本文提出基于装配特征模块

化的思想，吸收以上方法的优点，所有的装配特征根据功能分类，将 并将其存储为不同的功能模块，模块之间按照特征

域信息向装配域的映射和装配特征的易于表达，且

更适合于计算机系统处理。装配特征的分类：

1 )尺寸特征。尺寸特征涵盖了参与装配的所有几何体的尺寸参数、尺寸属性以及在装配环境下的尺寸属性和装配关系尺寸等。 2体素特征。体素特征包括参与装配的点、 ) 线、等特征以及特征属性。面

I D进行信息交互。由于模块涵盖了所有的装配特征，用户可以根据需要选择要进行装配的参数化零

件及其特征，后台程序将自动完成装配动作。在面向装配的零件参数化中需要考虑零件问的尺寸关联、待装配体的装配体素和装配过程中的装配约束关系。这些装配中的关联、素和约束即为体装配特征。所以，装配件的特征分析是装配的关键。 本文中的装配特征模块化方法，是将待装配件之间

3关系特征。关系特征涵盖了所有装配约束 )关系，用户通过为待装配特征选择适当的装配约束关系完成装配约束关系。 装配特征的分析和分类，根据功能区别进行为模块化做好准备。

的装配类型、配合关系、约束类型和装配操作方式等装配特征进行详细的分析，将装配特征按照功能进行分类，生成不同的功能模块，些功能模块在用户这装配界面上通过用户选择特征 I D按照一定的标准

2面向用户的自动装配模块 要完成装配动作，首先要建立满足用户需求的自动装配界面，装配界面需涵盖待装配零件选此

进行信息交互，从而完成自动装配动作。

择、待装配零件参数化、装配零件向装配环境的待

1装配特征的分类由以上装配特征的定义需要对以下因素进行了解和详细分析： 1 )装配特征与零件特征有着密不可分的关系。装配特征是零件特征的延续，是零件在装配环境中的特征，者是继承关系。唯一的区别在于其二特征属性中的特征 I D不同。 2 )装配特征总是成对出现。 3 )基本参数与特征类型对装配特征的影响同等重要。基本参数包括待装配体的基本参数和配

合中的装配参数，比如距离等。基本参数的改变可

调用、配特征选择、配动作完成等组成部分。装装

在以上组成单元中，配特征选择是完成装配动作装的关键，文的自动装配模块的设计主要就是装配本特征选择模块的设计。

所谓装配特征选择模块，即在装配特征分析的基础上，在此模块中选择要进行装配的元素，据根装配类型和装配约束关系进行装配的模块。因此， 模块化装配特征成为本文的关键。2 1模块化设计思想 .

“块” mo ua)是指半自律的子系统，照模 ( d lr按一

定的规则与其他同样的子系统相互联系而构成

的更加复杂的系统或过程。而把一种复杂的组织或工程，一定规则分解成半自律的下层组织，按称模块化 l。 4 J

以完成零件形状和装配位姿的改变，征类型不同特则装配结果不同，者对于装配效果同等重要。二

4 )如何标识构成特征的几何体。在装配过程中，由于用户需要选择不同的装配特征进行装配， 为了标识装配特征的唯一性，要标识构成装配特需

模块是由许多独立的单元组成，单元之间按各

照某一标准规则交互信息。每个模块在功能上是独立的，含着产品的某一特定功能信息，需要包这设计人员在设计初期，产品功能、性，行分对特进析、类，复杂的系统分解为半自律的子系统。分将 这些子系统 (功能 )同一标准平台下，在相互独立地

征的集合体，而在装配过程中避免特征的混乱，从其中最简单的方法就是修改其属性名为用户熟悉的名字。

5 )装配特征要以几何结构为载体，要进行故装配特征分析。即分析参与装配操作的基本几何体(、、点线面等 )装配特征的基本参数、配特征、装的标识、装配操作类型。对装配特征进行分类的目的是便于产品设计

被设计和生产，能够根据市场变化作出适应性的并修改和选择。 要进行模块化，须要考虑两个问题：必

第一，系统怎样根据产品的特性进行模块分解；

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第二，系统模块之间信息是如何

传递的。2 2装配特征的模块化描述 .

约束，者尺寸之间的约束。例如重合、或同轴、离距等。这是一个通用装配模块。配合尺寸的选择，过尺寸 I通 D实现，寸 I 尺 D即尺寸标识。通过数据库的调用，户可以完成相用

对装配特征进行模块化描述，需要进行特征的分析和对特征类型进行分类。根据各装配特征的功能将其划分为不同的功能模块。 1 )尺寸特征模块。该模块建立于尺寸库之

关联尺寸的约束。如“寸 1和“尺”尺寸 2之间有倍”数关系，通过尺寸 I库将尺寸 I输入关系特则 D D征集，通过适当的关系限定，即可完成尺寸关系约

上，模块封装参与装配的零部件尺寸属性的功能该模块，尺寸之间的关联根据尺寸属性例如轴孔配合，尺寸特征模块封装的就是轴孔尺寸相等。其 2 )关系特征模块。即封装装配关系特征的功

束。尺寸 I D库存储着参数化零部件的尺寸属性， 尺寸属性由用户在参数化零件时按需要设定名称， 然后将整个路径和名称存储入库，在装配界面上根据选择和关系特征模块，完成尺寸特征的匹配。

能模块，如封装面面配合中的重合关系，系特例关征模块与其他特征模块之间的信息交互通过特征I D来完成。 3体素特征模块。即封装面、、 )边线等实体配合特征属性的功能模块，了保证装配特征的唯一为

根据以上特征的分析、类，征的模块化与分特交互，户即可完成自动装配的功能基础分析，用在此基础上，现特征模块的功能、息组合，实信即建立自动装配模块。

性和系统模块之间的信息传递，配前须对特征进装行标识。标识是由用户在零件建模中对基本的几

自动装配模块综合了所有特征模块的功能信息，过各个模块的信息交互，成自动装配模块通完的建立，块之间的信息交互通过特征 I的匹配模 D和调用来完成。 面向用户的自动装配模块，即根据用户需求和功能需求，设计完成满足需求的软件界面。软件界面设计中的用户需求即用户进行装配的零件选择界面和参数输入的界面需求，功能需求即在零件其

何对象进行属

性命名，当零部件调入装配体中后， 其标识只是在其后添加特征隶属的装配体名，与参装配的尺寸特征和体素特征必须进行标识从而可

根据该标识将特征调入关系特征模块完成装配。根据特征分析和分类以及装配特征的不同功能， 利用模块化思想，生成模块化特征树，图 1如所示。

参数化之后的自动调入装配环境和根据自动装配模块自动装配。基于以上分析，向用户的自动装面配模块的功能界面流程图如图 2所示。装配界面

L塑堕 r _V

基零部件选择框 l附零部件选择框 I参数化零部件参数化零部件调入装配环境启用参数化零部件

自动装配模块

图 1模块化特征树Fi 1 M o lr t e t e r e g. du a iy f aur st e

尺寸特征库 l关系特征库 l I l 体素特征库

图 1中，素特征集合是一个程序模块，体此模块的生成是由用户根据体素特征分析而来的。例如面体素特征，户需要创建一个面特征集合，用在这个选否L

墨[,装配模型生成

墨<『否

择集里，存储着所有用户在操作时所选择的面。 关系特征集存储着所有装配的装配关系约束， 此程序模块的调用可以完成所选特征的装配关系

图 2功能界面流程图Fi . Fu to li e f c lw ha t g2 nc ina ntr a efo c r

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址来确定进行装配的对象。文中通过 VB对 S l— oi d

3实例应用 以标准渐开线直齿圆柱齿轮 _的配合为例， 5 J介绍如何利用基于装配特征模块化的自动装配方法实现自动装配。3 1齿轮体素特征集合的模块化 .

Wo k的二次开发， S l wokA I函数提供的 rs将 oi d rs P装配关系以程序可识别的方式提供给用户，而实从

现了程序控制的装配自动化。S l Wok提供的 oi r s d主要配合装配关系见参考文献[] 7。本例中，用需到装配关系模块重合、离两个装配关系来完成两距齿轮面的面面配合，中心线的线线配合和两中心两点之间的点点距离配合。调

用 Mo e. d Mae ) d 1A d t(函数来完成配合。

对待装配体进行装配特征分析后，将体素特征存储为集合，人体素模块中。利用三维软件放 S l Wok的 AP函数和程序设计高级语言 VB, oi r s d I

根据选择的待装配体，历待装配体的体素特征，遍建立体素选择集，选择集的接口是体素 I D。在两标准渐开线直齿圆柱齿轮配合中，其体素特征，以下几方面组成：有

4结论 零件自动装配技术对机械装配设计效率的进步提高意义重大，文针对基于对装配特征的分析本分类，出的一种新的零部件自动装配方法，实提在

1 )两齿轮面面之间的对齐配合； 2 )齿轮的中心距等于两齿轮分度圆之和；

际使用中取得较好的效果。这一方法是通过分析装配过程中的装配尺寸参数、素特征和装配约束体关系特征的分类模块化，后调用组件模型库中的然参数化零部件的这些装配特征属性，根据装配特征模块中的关系模块完成零部件的自动装配，后在最 S l Wok平台上以两齿轮的装配设计为例， oi d rs验证了采用该方法能够明确地表达设计意图，高产品提 的装配设计效率。 参考文献[]单泉，思佳，毅， .于关联的自动装配设计 1余雷等基[]机械设计，2 0 ( 2:7 9 J. 0 5 1 )2—2 . []沈梅，小朝，铁昌 .于装配特征的装配建模 2何张基[]中国机械工程， 0 1 1 ( ) 1 2 . J. 2 0,2 9:8 1 []臧明，文和，迎光 .基于适应性装配特征的自动 3廖李装配技术研究[]机械制造及研究， 0 6 2: 0— J. 2 0 ( )553.

3 )为保证齿数变化后齿齿之间不会交叉，齿轮 1槽中心线和齿轮 2齿廓中心线应该重合。齿当体素特征选择为真时，其特征 I传给关将 D系特征模块，根据关系特征模块提供的装配关系进行配合，函数格式为：P bi u Ad cmp— u l sb do o cn ns t ( y l t o lulah e tMae B Va sr mp l t,B vl t— C f P y a~sr

C mp fl ah o 2ul t…B Va s C

mp ulah,过传 P y l t o Nfl t )通 r P址来完成装配关系匹配。本例中选择面、和中点线

进行装配约束。此例中应注意所选体素在调入装配体后其路径名要加上“装配体名”@。具体函数用法见参考文献 E。 6 J3 2尺寸 I库的应用 . D

尺寸库中存放着齿轮零件参数化的所有尺寸 I例如“ a草图 1渐开线直齿圆柱齿轮@标 D, D@@准渐开线直齿圆柱齿轮装配体”过尺寸 I的调通 D用，可以完成尺寸之间约束关系确定。本例中由于

两装配齿轮要模数、宽相等、数互质的尺寸约尺齿束关系，以在尺寸库中调出这三组尺寸，所同样在装配环境中要将其路径加上“@装配体名”将其，路径传址到关系特征模块完成装配关系。 3 3关系特征模块 .关系特征模块涵盖了 S l Wok所提供的所 oi d rs

[]盛世豪，海军 .块化：种新的组织模式[]科研 4杨模一 J.管理， 0 4 2 ( ) 1—1 . 2 0,5 2:3 9

[]胡文刚 .开线齿轮三维参数化设计方法与实现[] 5渐 J.上海工程技术大学学报， 0 4 1 ( ) 4 4 . 2 0, 8 1:4 7

[]江洪，峥，涛威， .oi ok二次开发实例解 6魏王等 S lW rs d析[] M .北京：械工业出版社，0 4机 20 . [] S l Wok 6 od rs公司 .oi ok P i S lW rsA I二次开发[]北 d M .京：械工业出版社， 0 5机 20 .

有主要装配关系。该模块是由各个装配关系小模块组成的，每个小模块代表一种装配关系，过传通