陳玉花,盛步云

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院湖北省數(shù)字制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

裝配信息建模技術(shù)是虛擬裝配中至關(guān)重要的技術(shù)，虛擬裝配技術(shù)對(duì)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少產(chǎn)品物理建模、縮短裝配周期、提高裝配質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)模型資源共享重用有著重要意義[1-2]。在虛擬環(huán)境下，這個(gè)信息模型不僅要表達(dá)清楚零件的各類特征信息，還要表達(dá)零件與零件之間的裝配關(guān)系。目前，在三維CAD中的虛擬裝配，主要依靠用戶手動(dòng)添加繁瑣的約束關(guān)系，并且在裝配時(shí)一旦出現(xiàn)零件特征形狀誤差，無法實(shí)時(shí)地進(jìn)行改正。因此，建立產(chǎn)品數(shù)字化裝配信息模型，可以為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品智能裝配提供有效解決方案。

國內(nèi)外學(xué)者在面向虛擬裝配進(jìn)行裝配信息建模和信息提取方面進(jìn)行了大量的研究。Sanderson等[3]建立了一個(gè)由五元組組成的關(guān)系模型。Sah等[4]提出了基于產(chǎn)品特征的產(chǎn)品裝配信息模型，按照特征分級(jí)表示，方便裝配信息的提取。張聞雷等[5]建立了中小企業(yè)裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)，定義了多層次與多維度的裝配集成模型。戴國洪等[6]提出一種基于多視圖的裝配信息模型，利用不同的向視圖表達(dá)各種裝配信息。

這些研究以不同的方法對(duì)產(chǎn)品的裝配信息進(jìn)行了建模，但大致都是傳統(tǒng)意義上的層次模型和關(guān)系模型。電氣柜型號(hào)多樣，結(jié)構(gòu)多樣，這些傳統(tǒng)方法不能適應(yīng)電氣柜的多種變換。本文引入的物元-關(guān)系模型具有發(fā)散性、可拓性、相關(guān)性、蘊(yùn)含性等特性，能夠?qū)Ξa(chǎn)品信息進(jìn)行更好的管理和集成。其中可拓性有置換、增加、刪減等多種基本變換形式，能夠適應(yīng)不同需求的電氣柜結(jié)構(gòu)。本文分析從電氣柜中各個(gè)零部件的物元-關(guān)系入手，對(duì)電氣柜的各種信息進(jìn)行了有序的組織和表達(dá)，建立了電氣柜物元-關(guān)系模型，對(duì)虛擬裝配提供支持，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

1 電氣柜的物元-關(guān)系模型

1.1 物元和關(guān)系元定義

給定事物的名稱N，它關(guān)于特征c的量值為v,以有序三元組r=(N,c,v)作為描述事物的基本元，稱為物元[7],把事物的名稱、特征、量值作為物元三要素。v由N和c確定，記作

v=c(N)

(1)

因此物元也可以表示為

r=(N,c,c(N))

(2)

一個(gè)事物有多個(gè)特征，如果事物N以n個(gè)特征c1,c2,…,cn和相應(yīng)的量值v1,v2,…,vn描述，則n維物元R可表示為

(3)

式中：R=(N,C,V)，C表示各個(gè)特征的集合，V表示特征對(duì)應(yīng)量值的集合。

物元與物元之間可能有不同的關(guān)系,這些關(guān)系之間又相互作用、相互影響，關(guān)系元就是描述這類現(xiàn)象的形式化工具。以關(guān)系詞或關(guān)系名S和n個(gè)特征ci(Q)以及相應(yīng)的量值vi構(gòu)成n維關(guān)系元Q：

(4)

當(dāng)n為1時(shí)，稱Q為單維關(guān)系元。

1.2 電氣柜物元-關(guān)系模型構(gòu)建

電氣柜的生產(chǎn)特點(diǎn)是多品種、小批量、面向訂單型生產(chǎn)制造。根據(jù)用戶的需求不同，不同型號(hào)的電氣柜結(jié)構(gòu)形式多種多樣。

以電氣柜的零件為對(duì)象，構(gòu)建物元模型和關(guān)系元模型。物元模型是虛擬裝配中該零件的唯一索引，通過該索引可以識(shí)別該零件的名稱以及該零件在裝配體中的基本結(jié)構(gòu)層次信息等。關(guān)系元模型則是完整描述零件與零件之間的各種約束關(guān)系。根據(jù)物元-關(guān)系元的概念定義電氣柜中零件的物元模型R和關(guān)系元模型Q：

(5)

(6)

關(guān)系元模型中的前項(xiàng)和后項(xiàng)分別為約束關(guān)系中的兩個(gè)零部件，裝配參考元素可以是零件上的點(diǎn)、線、面等。約束類型根據(jù)SolidEdge軟件的裝配約束功能，分為貼合和面對(duì)齊關(guān)系、軸對(duì)齊關(guān)系、固定關(guān)系、點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系、角度約束、齒輪關(guān)系、凸輪關(guān)系7種類型。

電氣柜的物元-關(guān)系模型的整體表示如圖1所示。

圖1 電氣柜物元-關(guān)系模型

物元-關(guān)系模型具有可拓性。如圖2所示，各個(gè)零件的物元-關(guān)系模型通過可拓線聯(lián)系在一起。

圖2 物元-關(guān)系模型可拓線

同物同征線或同征同值線相鄰兩個(gè)面上的設(shè)計(jì)物元具有可替換性。

1.3 物元-關(guān)系模型信息提取

在SolidEdge軟件中，產(chǎn)品包含的零部件及其層次關(guān)系、裝配約束關(guān)系通過產(chǎn)品特征樹來表達(dá)[8]。因此，可以采用遞歸算法對(duì)產(chǎn)品特征樹進(jìn)行遍歷來獲取裝配體的各類信息。具體步驟如下：

第一步，遍歷產(chǎn)品特征樹每一層的根節(jié)點(diǎn)，判斷此部件是否還有下一層級(jí)，如有則根據(jù)根節(jié)點(diǎn)遍歷根節(jié)點(diǎn)子級(jí)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)；

第二步，通過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得零件模型文檔對(duì)象，訪問該零部件的屬性表和變量，獲取它的設(shè)計(jì)參數(shù)等信息；

第三步，根據(jù)每個(gè)零部件文檔對(duì)象訪問特征樹中各自的“約束節(jié)點(diǎn)”，提取約束的詳細(xì)信息，包括約束名稱、約束類型等；

第四步，將以上提取到的信息保存在數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)進(jìn)行信息的抽象表達(dá)。

2 基于物元-關(guān)系模型的虛擬裝配

基于物元-關(guān)系模型的信息模型能夠有效保證電氣柜產(chǎn)品信息的完整性和一致性，支持信息的共享與集成。通過對(duì)模型中的信息進(jìn)行相應(yīng)的抽象表達(dá)，計(jì)算機(jī)對(duì)抽象信息進(jìn)行識(shí)別，為虛擬裝配提供支持，實(shí)現(xiàn)模型的調(diào)用、組裝、替換。

2.1 物元-關(guān)系模型信息的抽象表達(dá)

抽象表達(dá)模型信息是為了使計(jì)算機(jī)程序能夠準(zhǔn)確辨識(shí)模型中各類信息，捕捉零件在裝配體中的位置和裝配關(guān)系，因此規(guī)范化的抽象表達(dá)是信息共享的重要前提和基礎(chǔ)。信息抽象表達(dá)的流程如圖3所示。

圖3 物元-關(guān)系模型的信息抽象表達(dá)流程

物元-關(guān)系模型中信息采用字母進(jìn)行抽象表達(dá)。以抽屜單元中的塑殼斷路器為例，它的零件名稱抽象表達(dá)為MCCB(塑殼斷路器)，它的所屬裝配體的拓?fù)鋵哟挝恢贸橄蟊磉_(dá)為DU(抽屜單元)，它在裝配結(jié)構(gòu)樹中層次位置抽象表達(dá)為TAX(總裝配)。塑殼斷路器的關(guān)系模型的部分抽象表達(dá)見表1。

表1 塑殼斷路器的關(guān)系模型的抽象表達(dá)

將這些抽象表達(dá)信息標(biāo)識(shí)在數(shù)字模型的裝配結(jié)構(gòu)樹和數(shù)據(jù)庫中，完成物元-關(guān)系模型的抽象表達(dá)。圖4是塑殼斷路器的裝配參考元素的抽象表達(dá)在模型中的具體位置。

圖4 塑殼斷路器的標(biāo)識(shí)

2.2 模型的調(diào)用與組裝

基于建立的物元-關(guān)系模型以及模型中各類信息的抽象表達(dá)，借助人機(jī)交互，獲取虛擬裝配所需要的各類信息。通過獲取信息完成模型的調(diào)用與組裝的具體步驟如下：

第一步，提取零件的物元-關(guān)系模型中所有信息的抽象表達(dá)；

第二步，對(duì)獲取的信息進(jìn)行分析，提取各裝配層次的相關(guān)裝配信息，根據(jù)零件物元模型中的元素M、O、P確定各零件的裝配層次以及從屬關(guān)系；

第三步，根據(jù)物元模型中的元素X、關(guān)系元模型中的元素B和E確定零件之間的約束關(guān)系，從低層級(jí)的子裝配層次開始裝配，依據(jù)相應(yīng)的D、E、F完成該裝配層次的裝配；

第四步，判斷目前裝配模型是否為總裝配，若不是，則返回第三步，若是則結(jié)束。

根據(jù)以上步驟，獲取模型信息進(jìn)行模型調(diào)用組裝的流程如圖5所示。

圖5 模型的調(diào)用組裝流程

2.3 模型的替換

數(shù)字模型的替換是生產(chǎn)裝配中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率和縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期有著重要的作用[9]。利用物元-關(guān)系模型可以同時(shí)對(duì)電氣柜中多個(gè)零部件進(jìn)行替換，能夠大大提高裝配替換效率。

通過人機(jī)交互界面選擇替換零部件，通過分析被替換零部件的拓?fù)鋵哟我约把b配關(guān)系，從模型庫和數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的零部件替換原模型的零部件，添加相應(yīng)的裝配約束。數(shù)字模型的替換流程如圖6所示。

圖6 數(shù)字模型的替換流程

3 實(shí)例驗(yàn)證

選取某電氣公司的產(chǎn)品低壓抽屜柜為應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)其中一層抽屜中的塑殼斷路器建立面向虛擬裝配的物元-關(guān)系模型，提取抽屜的物元信息和關(guān)系元信息，完成信息的抽象表達(dá)。利用建立的物元-關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)抽屜的調(diào)用、組裝、替換。

3.1 抽屜的模型結(jié)構(gòu)

如圖7所示，圖7(a)是8E抽屜-125A-手搖裝配的總成裝配圖，圖7(b)是該抽屜的分解示意圖，從圖中可以清楚地看到每一個(gè)零部件在整個(gè)抽屜裝配體中的位置和姿態(tài)。

1—手柄;2—儀表框;3—抽屜底板;4—抽屜右側(cè)板;5—出線母排;6—三級(jí)動(dòng)插件;7—抽屜后板;8—抽屜開關(guān)板;9—進(jìn)線母排;10—電流互感器;11—抽屜左側(cè)板;12—塑殼斷路器;13—前上支架;14—手搖機(jī)構(gòu)

3.2 抽屜的物元-關(guān)系模型

以抽屜中的塑殼斷路器為例，建立物元-關(guān)系模型。從圖7可以看出，塑殼斷路器只隸屬于總裝配體，即屬于總裝配層次。它與抽屜開關(guān)板、出線母排、進(jìn)線母排之間分別存在裝配約束關(guān)系。

塑殼斷路器的物元模型：

塑殼斷路器的部分關(guān)系元模型：

……

3.3 電氣柜的信息提取

利用VB.NET對(duì)SolidEdge進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)SolidEdge當(dāng)前的活動(dòng)模型進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并對(duì)特征樹進(jìn)行遍歷，將抽屜中的各個(gè)零件，以及零件所屬的各個(gè)層次都按照SolidEdge中的結(jié)構(gòu)樹特征展現(xiàn)出來。

在特征樹中選擇零件塑殼斷路器，提取的裝配信息如圖8所示。

圖8 塑殼斷路器的裝配信息提取

三維模型中各個(gè)零件信息的成功提取為建立完整的裝配信息模型打下了基礎(chǔ)[10]。

3.4 電氣柜的調(diào)用組裝與替換

以8E抽屜-125A-手搖為例，在圖9所示的人機(jī)交互界面上選擇組成該抽屜單元所需要的各類零部件的型號(hào)以及部分尺寸參數(shù)，利用圖10所示關(guān)系模型的映射，自動(dòng)生成圖11(a)所示對(duì)應(yīng)的抽屜單元的三維模型，將塑殼斷路器型號(hào)從TGM1-125M/H替換為TGM1-250M/H后模型如圖11(b)所示。

圖9 人機(jī)交互界面

圖10 抽屜關(guān)系模型部分抽象表達(dá)

圖11 抽屜單元模型

實(shí)例表明，電氣柜的物元-關(guān)系模型對(duì)于零件替換、組裝具有一定的適用性。相比于屬性集而言，物元-關(guān)系模型具有以下特性：

1)發(fā)散性。電氣柜的零部件具有多個(gè)特征，一個(gè)特征為多種零部件所擁有，從物元的要素中選擇一個(gè)或者多個(gè)特征進(jìn)行發(fā)散可以為后續(xù)的裝配及拆卸序列問題求解提供多種路徑。

2)可擴(kuò)性。零件物元可以與其他零件物元組成新的裝配體，從而為解決組裝問題提供更多可能性。

3)相關(guān)性。零件物元-關(guān)系模型中的某些特征值具有函數(shù)依賴關(guān)系，為后續(xù)可拓推理提供依據(jù)。

4)蘊(yùn)含性。零件關(guān)系元模型中元素B的存在必然有元素C/D/E/F的存在，為后續(xù)可拓推理提供支持。

4 結(jié)束語

物元-關(guān)系模型表達(dá)了復(fù)雜多樣的產(chǎn)品信息，其中物元模型表達(dá)了電氣柜的基本信息和層次信息，關(guān)系元模型全面、準(zhǔn)確地表達(dá)了電氣柜的裝配信息。通過對(duì)SolidEdge軟件采用二次開發(fā)技術(shù)，對(duì)抽屜的裝配樹進(jìn)行遍歷算法的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有模型各類信息的提取,并通過8E抽屜-125A-手搖實(shí)例驗(yàn)證了該物元-關(guān)系模型對(duì)模型的組裝、替換的適用性，同時(shí)物元-關(guān)系模型的可拓推理特性也能夠?yàn)楹罄m(xù)智能設(shè)計(jì)和裝配拆卸序列求解提供技術(shù)支持。