程亞龍，梅啟元

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

基于特征識別的緊固件快速裝配方法研究*

程亞龍，梅啟元

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

為了提高緊固件的裝配效率，文中提出了一種基于特征識別的緊固件快速裝配方法。首先提取零件上所有孔特征，進而在部件中提取所有裝配孔特征；然后通過裝配知識推理自動匹配得到緊固件的組合模式；提出一種更簡便的裝配特征定義方式，實現(xiàn)了緊固件的快速自動裝配。最后，建立了緊固件快速裝配流程，并以某部件為例演示了緊固件的快速裝配，驗證了方法的有效性。

特征識別；緊固件；組合模式；裝配特征；自動裝配

引 言

緊固件是結構連接中應用最廣泛的方式之一，在復雜設備中數(shù)量巨大，導致設計師需要進行大量的簡單重復工作，因此實現(xiàn)緊固件的快速裝配具有重要的現(xiàn)實意義。文獻[1]對電連接器的三維快速裝配技術進行了研究，采用成組技術實現(xiàn)緊固件的快速裝配。文獻[2]基于CATIA平臺開發(fā)了適用于平面、斜面和曲面的裝配連接環(huán)境下的裝配孔快速設計工具。文獻[3]提出了“批裝配”的概念，自動將相同直徑的孔高亮顯示，用戶選擇對應的緊固件型號實現(xiàn)快速裝配。文獻[4]通過手動選擇緊固件組合方式、裝配孔類型等實現(xiàn)裝配模式的匹配，定制開發(fā)了基于Creo的標準緊固件工具。此外，文獻[5-9]都對緊固件的快速裝配進行了研究。上述研究取得了許多成果，但緊固件裝配過程中還需要大量的人工操作，降低了裝配效率。本文基于上述研究基礎，通過特征識別的方法實現(xiàn)裝配孔特征的自動提取，基于特征信息和知識推理實現(xiàn)緊固件組合模式的自動匹配，采用一種新的緊固件裝配特征定義方式實現(xiàn)緊固件的自動裝配。

1 問題描述

目前的緊固件快速裝配方法中，需要手動選擇孔的軸線、配合安裝面才能實現(xiàn)緊固件的裝配，同時需要選擇緊固件的規(guī)格大小，導致每次只能裝配1組緊固件，不適合大批量裝配，效率較低。因此，必須首先解決裝配孔的自動識別問題，然后根據(jù)識別得到的孔信息，結合知識推理，得到緊固件的規(guī)格參數(shù)，才能實現(xiàn)

緊固件的自動裝配。

1.1 裝配孔特征識別問題

基于特征識別技術識別得到所選零件上所有孔特征，然后識別得到與所有孔同軸的孔特征，通過知識推理得到待裝配孔特征的各項信息，包括孔的軸線、孔的上下安裝面、孔徑、孔深、有無螺紋、是否沉頭孔、是否盲孔等信息。將所有零件的孔特征按照是否同軸進行分組，每組中提取出上下安裝面有重合且孔徑相近的孔形成裝配孔特征，得到該裝配孔特征的軸線、上下安裝面、孔徑、孔深、有無螺紋、是否沉頭孔、是否盲孔等信息。

1.2 緊固件組合模式匹配

根據(jù)裝配孔特征的信息自動匹配得到相應的緊固件組合信息。根據(jù)是否沉頭孔可知是否需要用沉頭螺釘，根據(jù)是否通孔、有無螺紋可知是否需要帶螺母或鉚釘連接，根據(jù)孔徑可以得到緊固件的選用規(guī)格，根據(jù)待裝配孔的深度和其他緊固件的厚度可推知螺栓、螺釘、鉚釘?shù)鹊拈L度。將自動推理得到的緊固件組合推薦給用戶參考，用戶可對其進行修改。

1.3 裝配特征的定義

主流CAD軟件中，裝配1個螺栓或墊圈需要建立軸線重合、接觸面重合2個約束特征才能完成1個緊固件的裝配。對于自動裝配，裝配特征越少，可靠性越高，速度也越快。通過受壓分析，在緊固件與零件表面建立相應的施壓坐標系和受壓坐標系作為裝配特征，建立坐標系重合約束即可實現(xiàn)1個緊固件的完全約束，可大大提升裝配的可靠性和速度。

1.4 緊固件的自動裝配

按照部件上與裝配孔特征接觸的先后順序，依次將每個緊固件裝配到部件上。每次裝配時，將當前件的受壓坐標系與裝配件的施壓坐標系重合，即可完成該緊固件的裝配，待一側(cè)的緊固件裝配完成后再裝配另一側(cè)的緊固件，兩側(cè)均完成后即1組緊固件裝配完成。若有裝配孔特征相同的緊固件的組合模式、規(guī)格相同，則可將裝配好的1組緊固件通過陣列的方式裝配到相同的裝配孔特征上，提高自動裝配速度。

2 裝配孔的識別

2.1 零件的孔特征識別

主流格式的三維模型均采用B-Rep結構進行幾何信息管理，以B-Rep為基礎通過特征識別可以快速識別出單個零件上所有孔特征。對孔特征進行比較分析，再提取出部件上的裝配孔特征，建立孔特征的識別流程如圖1所示。

圖1 零件上孔特征識別流程

定義孔特征H的數(shù)據(jù)結構：

H={l,fc,f1,f2,d,h,b,t,c}

式中：l表示孔的軸線；fc表示孔的圓柱面；f1、f2表示孔兩端的安裝面(盲孔時只有一個安裝面)；d為孔徑；h為孔深；b表示是否盲孔；t表示是否螺紋孔；c表示是否沉頭孔，這些信息是裝配孔識別的基礎。

2.2 裝配孔特征識別

在一個部件中得到每個零件上的所有孔特征后，建立裝配孔特征的識別步驟如下：

1)將所有同軸孔的孔特征分為一組，設為S={hi|i=1, 2, …,n}，令i=1，k=0。

2)若i≤n，令j=i+ 1；否則轉(zhuǎn)步驟5；若hi不為空，令k=k+ 1，將hi加入裝配孔特征集合Sh，并在S中將hi置為空；否則令i=i+ 1，重復本步驟。

3)若j>n，則Sh即為一組裝配孔特征，令Sk=Sh，Sh置空，i=i+ 1，轉(zhuǎn)步驟2；否則若hj不為空，則轉(zhuǎn)下一步，若hj為空，令j=j+ 1，重復本步驟。

4)若hj的安裝面與hi的安裝面有任一面重合，且它們不是同一個面，則將hj加入Sh，并在S中將hj置空；令j=j+ 1，轉(zhuǎn)步驟3。

5)若Sh不為空，令Sk=Sh；從S中識別得到k組裝配孔特征{S1,S2, …,Sk}，識別結束。

基于上述過程，取k組中任意一組裝配孔特征Sh為例，將Sh中的孔特征按照鄰接面的上下順序進行排序，排序后為Sh={hi|i=1, 2, …,n}，則裝配孔特征Ha的各項信息可根據(jù)各個孔特征信息綜合得到，具體表示如下：

1)Ha.l=h1.l，裝配孔的軸線即為孔的軸線；

2)Ha.f1=h1.f1，Ha.f2=hn.f2，安裝面即為首尾孔特征的上下安裝面；

3)Ha.d=Min(h1.d,h2.d, …,hn.d)，孔徑為所有孔中的最小孔徑；

5)Ha.b=∨(h1.b, h2.b, …, hn.b)，所有孔中有一個盲孔即為盲孔；

6)Ha.t=∨(h1.t, h2.t, …, hn.t)，所有孔中有一個螺紋孔即為螺紋孔；

7)Ha.c=∨(h1.c, h2.c, …, hn.c)，所有孔中有一個沉頭孔即為沉頭孔。

3 緊固件組合模式自動匹配

根據(jù)裝配孔特征的屬性信息，結合工程實踐中常用緊固件裝配方式，可以推理得到緊固件的連接模式，推理流程如圖2所示。其中，通透光孔既可螺接，也可鉚接，因此需要用戶交互指定；不帶螺紋的盲孔的連接方式不同于常見緊固件，本文不對其進行研究。圖3所示為常見的3種裝配孔與緊固連接方式示例，符合圖2所示的推理規(guī)則。

圖2 緊固件連接模式推理

圖3 緊固件連接方式示例

4 基于受壓分析的裝配特征定義

圖3(a)所示的緊固件裝配過程中，需要建立10個平面或軸線的重合約束才能將5個緊固件完全約束，手動選擇過程繁瑣費時，因此必須實現(xiàn)裝配特征的自動定義，才能實現(xiàn)快速裝配。

以螺栓為例，它的緊固原理是螺紋、螺栓頭受到軸線方向的拉伸而產(chǎn)生反向壓力，實現(xiàn)中間件的壓緊。如圖4所示，將螺栓定為產(chǎn)生壓力的零件，通過受壓分析，可以得到每個零件的施壓面和受壓面，而且施壓面與受壓面重合。零件上的受壓面即為裝配孔特征的安裝面。在施壓面孔軸中心建立施壓坐標系，Z軸與施壓面法向一致；在受壓面孔軸中心建立受壓坐標系，Z軸與受壓面法向相反，同一零件上施壓坐標系與受壓坐標系的X、Y軸方向保持一致。施壓與受壓坐標系即為裝配特征，緊固件上的施壓、受壓坐標系可在模型中提前建立，裝配時直接使用；零件上的施壓、受壓坐標系可基于裝配孔特征實時建立。在裝配過程中，依次將待裝件的施壓坐標系與已裝件的受壓坐標系重合即可實現(xiàn)待裝件的完全約束。

圖4 緊固件受壓分析與裝配特征定義

5 緊固件快速裝配流程

基于上述分析，通過孔特征識別，緊固件裝配模式匹配，裝配特征的動態(tài)建立，緊固件裝配等過程，其間通過人機交互調(diào)整確認，即可實現(xiàn)緊固件的快速裝配，其流程如圖5所示。

圖5 緊固件快速裝配流程

6 實例驗證

基于上述研究基礎，在Creo2.0平臺上開發(fā)了緊固件快速裝配的驗證系統(tǒng)。如圖6所示，在裝配孔特征提取后，系統(tǒng)會根據(jù)裝配孔信息自動匹配最佳裝配模式，用戶對匹配結果不滿意可手動修改選擇。以圖7裝配件為例，利用文中方法可首先提取得到3組裝配孔特征，進而通過自動匹配得到緊固件的裝配模式，確認后自動將緊固件安裝到位。該過程自動化程度高，人機交互簡單，可顯著提升裝配效率。

圖6 緊固件裝配模式自動匹配

圖7 緊固件快速裝配示例

7 結束語

提高緊固件快速裝配的自動化程度對提高產(chǎn)品設計效率具有重要意義。文中對緊固件的快速裝配技術進行了研究，首先基于特征識別技術提取了零件的所有孔特征，進而提取得到部件的裝配孔特征。其次通過緊固件裝配知識推理實現(xiàn)緊固件裝配模式的自動匹配，并提出了一種基于受壓原理的緊固件裝配特征定義方法，簡化了緊固件的裝配約束過程。再次建立了緊固件的快速裝配流程。最后以某部件為例演示了緊固件的快速裝配效果，驗證了方法的有效性。

[1] 趙希芳. 電連接器三維快速裝配研究[J]. 電子機械工程, 2013, 29(5): 41-43.

[2] 龐勝軍. 機械裝配連接快速設計技術研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2012.

[3] 陳功, 周來水, 安魯陵, 等. 基于CATIA V5的零組件快速裝配設計技術研究[J]. 機械科學與技術, 2007, 26(10): 1345-1349, 1353.

[4] 于一春, 李興榮. 基于Creo2.0的三維標準緊固件工具的開發(fā)與應用[J]. 計算機應用, 2015(2): 39-41.

[5] 馬文斌. 基于Pro/E的緊固件及線纜裝配系統(tǒng)研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2014.

[6] 王恒升, 孫彥, 廖友軍. 基于Pro/E的緊固件快速裝配[J]. 計算機應用, 2009(1): 27-29.

[7] 邵曉東, 殷磊, 陸源, 等. 一種基于特征的快速裝配方法[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2007, 13(11): 2217-2223.

[8] 潘康華, 陸江峰. 緊固件工具的研究與應用[J]. 機械工業(yè)標準化與質(zhì)量, 2014(2): 22-25.

[9] 王冰, 呂軍, 王雪剛, 等. 基于全三維設計的緊固件輔助系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J]. 航空制造技術, 2013(3): 65-66.

程亞龍(1986-)，男，博士，工程師，主要從事雷達結構總體設計、數(shù)字化設計與制造技術研究工作。

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Research of Rapid Assembly Approach forFasteners Based on Feature Recognition

CHENG Ya-long，MEI Qi-yuan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to improve the assembly efficiency of fasteners, a method of rapid assembling for fasteners based on feature recognition is proposed in this paper. At first, all the hole-features of parts are abstracted and all the assembly-hole-features are abstracted from the component. Then, on the basis of assembly knowledge reasoning, the group model of fasteners is matched automatically. After that, a more convenient definition of assembly feature is presented, and the automatic assembling of fasteners is implemented. Finally, the rapid assembling process of fasteners is built, and a component is taken as an example to demonstrate the rapid assembling of fasteners. The effectiveness of the method is verified.

feature recognition; fastener; group model; assembly feature; automatic assembly

2016-04-25

TH131

A

1008-5300(2016)03-0042-04