基于約束的組合夾具裝配建模與設(shè)計(jì)

1、基于約束的組合夾具裝配建模與設(shè)計(jì)        引言 基于約束的建模不僅易于建立產(chǎn)品模型，而且便于對(duì)CAD模型作修改和操作。和以前建模方法比較，基于約束的組合夾具裝配建模方法的優(yōu)點(diǎn)是包含了夾具設(shè)計(jì)中很多問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性；一旦定義了約束，特別在修改設(shè)計(jì)的過(guò)程中，只要改變其他條件就可以保持裝配關(guān)系。 1、夾具的能模型 組合夾具是由一套預(yù)先制定好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格、具有互換性的標(biāo)準(zhǔn)元件或組件，按照一定的裝配約束關(guān)系組合而成的。根據(jù)這個(gè)定義，可以把組合夾具表示為：G = Vi ，ri ri R (Vi ，Vj ) ，

2、Vi 上式中，V 表示組合夾具元件的集合，Vi 表示組合夾具元件或組件； R 表示元件或組件間的約束關(guān)系的集合，ri 表示元件或組件間的一種約束關(guān)系。這樣元件與元件之間形成了一種網(wǎng)狀的關(guān)系，其中網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)為元件(組件) ，節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系依賴(lài)于它們的裝配約束關(guān)系。 裝配結(jié)構(gòu)可以用兩種方式顯示某個(gè)裝配設(shè)計(jì)：一個(gè)是邏輯結(jié)構(gòu)，一個(gè)是圖形結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)表達(dá)了組成裝配模型的零件、子部件之間的層次關(guān)系，就象目錄的樹(shù)型結(jié)構(gòu)。裝配模型的邏輯層次結(jié)構(gòu)通過(guò)圖1的裝配樹(shù)表達(dá)。 圖形結(jié)構(gòu)是某個(gè)裝配模型的幾何表示，直觀地用分解圖表示。根部件：根部件是在生成一個(gè)新的裝配圖時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生的，是裝配的最頂層。子部件：裝配中的一個(gè)邏輯組

3、，由零件構(gòu)成的子裝配，子部件可以嵌套任意深度。零件：層次結(jié)構(gòu)中的最低一級(jí)，是單一實(shí)體，不能拆成更小的實(shí)體。圖1夾具裝配樹(shù)夾具設(shè)計(jì)的最終目的是要實(shí)現(xiàn)夾具的功能。夾具的功能模型是對(duì)夾具的功能定義和功能行為進(jìn)行描述和表達(dá)，是對(duì)夾具本質(zhì)的定義。從夾具的結(jié)構(gòu)出發(fā)可以定義各元件(組件)之間的功能相關(guān)性，使夾具模型中包含關(guān)于夾具功能、工作方式、工作狀態(tài)的信息。功能模型是夾具模型是夾具層次結(jié)構(gòu)的更高一級(jí)的抽象。本系統(tǒng)所謂的功能建模就是對(duì)夾具設(shè)計(jì)要求進(jìn)行描述，將夾具的整體功能進(jìn)行分解細(xì)化，每個(gè)子功能對(duì)應(yīng)一個(gè)功能元件(組件) ，建立起夾具的功能結(jié)構(gòu)樹(shù)。 在本系統(tǒng)中采用的功能元件和功能關(guān)系來(lái)描述夾具的功能結(jié)構(gòu)，其中

4、功能關(guān)系表示功能元件之間的作用關(guān)系。夾具的功能模型是由夾具功能元件和功能關(guān)系構(gòu)成的具有層次結(jié)構(gòu)的功能樹(shù)；樹(shù)根表示夾具的總體功能，葉點(diǎn)表示夾具功能的分解，即子功能。也就是說(shuō)夫子節(jié)點(diǎn)間具有分解、繼承和抽象的關(guān)系，父功能是子功能的目的，子功能是父功能的手段和實(shí)現(xiàn)，是父功能的具體化。同層次節(jié)點(diǎn)間也具有并聯(lián)或串聯(lián)的關(guān)系，其相互作用相互依賴(lài)，作為手段共同完成一定的目的(父功能) ，構(gòu)成功能并聯(lián)關(guān)系；若按某種順序依次作用，則構(gòu)成功能串聯(lián)關(guān)系。 2、三維結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)及原理 裝配關(guān)系是建立夾具零件、部件或者元件、組件之間內(nèi)在約束關(guān)系的關(guān)鍵。夾具的裝配關(guān)系一般是元件間的定位關(guān)系，通過(guò)定義元件間的位置關(guān)系能夠描述出

5、整個(gè)裝配體中元件的空間位置和配合關(guān)系。 UG創(chuàng)建的是參數(shù)化裝配，可以在一個(gè)零件上多次施加約束，對(duì)零件施加約束就是減少零件自由度或運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，限制零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)點(diǎn)、邊、軸或面的關(guān)聯(lián)定位確定裝配模型中零件的位置和配合方式。UG可以概括出如下三類(lèi)基本的裝配：自頂向下裝配、自底向上裝配、混合裝配；八種配對(duì)約束：貼合(Ma2te) 、對(duì)準(zhǔn)(Align) 、角度(Angle) 、平行( Parallel) 、正交( Perpendicular) 、對(duì)中(Center) 、距離(Distance) 、相切(Tangent) 。值得指出的是，上述八類(lèi)基本配合約束中，以“貼合”最為常見(jiàn)。 (1)自底

6、向上裝配的基本概念是：某一個(gè)裝配件的零部件的設(shè)計(jì)獨(dú)立于該裝配件的上一級(jí)裝配之外，即先在該級(jí)中獨(dú)立設(shè)計(jì)，再與上一級(jí)相連接。連接后，特定零件相連的裝配件將自動(dòng)更新，反映所有的在零件階段所做的改變。任何三維繪制的零件都可以有其他部件添加到它上面，因此，任何零部件都可能成為裝配件。可以開(kāi)發(fā)幾個(gè)用于添加到高一級(jí)裝配件的次級(jí)裝配件，這個(gè)高一級(jí)裝配件同樣也可以被用作更高一級(jí)配件的次級(jí)配件，裝配件和次級(jí)裝配件之間關(guān)系如下圖2所示，即一級(jí)裝配件A由三個(gè)基本部件組成，裝配件A完成后又可構(gòu)成二級(jí)裝配件B的次級(jí)裝配件A，也可看做裝配件B的一個(gè)部件。同理，裝配件B又構(gòu)成三級(jí)裝配件C的次級(jí)裝配件B，依此類(lèi)推，自底向上進(jìn)行

7、裝配。其中基本部件可能是零件也可能是裝配件。圖2自底向上分級(jí)裝配自底向上設(shè)計(jì)過(guò)程是傳統(tǒng)的CAD軟件中通常使用的一種設(shè)計(jì)過(guò)程。它的主要思想是先設(shè)計(jì)好各個(gè)零件，然后建立零件之間的幾何約束關(guān)系并進(jìn)行裝配，如果在裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求，諸如：零件與零件之間產(chǎn)生干涉、某一零件根本無(wú)法進(jìn)行安裝等，就要對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，重新裝配，再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再進(jìn)行修改等。設(shè)計(jì)過(guò)程由于事先沒(méi)有一個(gè)很好的規(guī)劃，沒(méi)有一個(gè)全局的考慮，設(shè)計(jì)階段的重復(fù)工作很多，造成了時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)，工作效率低。圖3自頂向下裝配方式一(2)自頂向下裝配有兩種方式，原理如圖3即首先創(chuàng)建唯一的也是最高級(jí)的裝配件，再創(chuàng)建它其中的一個(gè)零部件，

8、然后對(duì)該零部件做約束。值得注意的是在自頂向下裝配法中，約束包括與其它部件的連接約束和對(duì)該零部件特征的簡(jiǎn)單約束。 自頂向下裝配法方式二原理圖如下：圖4自頂向下裝配方式二即先產(chǎn)生裝配件，在其中為其部件做好所需幾何約束體，當(dāng)產(chǎn)生新部件時(shí)再向部件中添加所需約束。 在大多數(shù)時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)和約束需要，兩種方式往往混合使用。對(duì)于約束，當(dāng)使用連接約束時(shí)，意味著使用者可以根植設(shè)計(jì)的零部件到裝配件的不同零部件。 (3)支持自頂向下/自底向上的并行裝配方式。這是由兩方面決定的： 由虛擬裝配系統(tǒng)建模的方法決定的； 要區(qū)別于傳統(tǒng)的組合夾具的裝配。傳統(tǒng)的組合夾具主要是工人憑經(jīng)驗(yàn)和技巧手工裝配起來(lái)的，因此具有很大的隨意性。

9、工人不同、經(jīng)驗(yàn)不同、背景不同、心情不同都會(huì)影響裝配結(jié)果；而且很多知識(shí)都是通過(guò)工人逐漸摸索、積累得到的，而且不易于保存。平面二維圖紙只適于簡(jiǎn)單的裝配，而不適于復(fù)雜裝配。 為了改善夾具的裝配質(zhì)量，提高夾具的裝配效率，我們將并行的思想和自頂向下/自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法引入了組合夾具的裝配建模過(guò)程。自頂向下/自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法是綜合考慮工程人員思維習(xí)慣及裝配模型細(xì)節(jié)構(gòu)建的一種設(shè)計(jì)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，功能復(fù)雜的組合夾具都不可能僅由幾個(gè)元件組成，而必定是個(gè)裝配體。因此正確的、符合思維習(xí)慣的組合夾具裝配體設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該是根據(jù)工件的實(shí)際要求定義組合夾具的粗略裝配模型(自頂而下) ，確定需要選用的組合夾具各個(gè)

10、元件的形狀和它們之間的配合關(guān)系，然后在裝配模型的約束下展開(kāi)各組合夾具元件規(guī)格的詳細(xì)選擇(自底而上) ，同時(shí)對(duì)原先定義比較粗略的組合夾具裝配模型予以細(xì)化或修改，經(jīng)過(guò)幾次自頂而下、自底向上的反復(fù)即可得到符合要求的組合夾具虛擬裝配體設(shè)計(jì)。 3、基于約束的裝配建模 在大多數(shù)組合夾具設(shè)計(jì)中，一套組合夾具往往是多個(gè)夾具元件的組合，即裝配體。所謂裝配體是指由一系列離散的子部件按某個(gè)位置關(guān)系組合而成的具有特定功能的機(jī)械部件。裝配體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是裝配體內(nèi)部各個(gè)子部件之間的位置關(guān)系的確定。我們可以通過(guò)對(duì)子部件進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等幾何變換命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)計(jì)算出變換矩陣，當(dāng)然也可以直接輸入子部件的變換矩陣

11、來(lái)實(shí)現(xiàn)。 裝配建模有兩種方法，即自底向上建模和自頂向下建模。前者是在整體方案確定后，設(shè)計(jì)人員利用CAD工具分別進(jìn)行各個(gè)零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后定義這些零件之間的裝配關(guān)系，形成產(chǎn)品模型。后者首先建立產(chǎn)品的功能表達(dá)，并分析這種表達(dá)是否滿(mǎn)足產(chǎn)品要求，然后當(dāng)設(shè)計(jì)者利用CAD系統(tǒng)不斷細(xì)化零件的幾何結(jié)構(gòu)，以保證零件的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足產(chǎn)品的功能要求，建立產(chǎn)品模型。 組合夾具建模采用這兩種方式的綜合。因?yàn)閷?shí)際的組合夾具設(shè)計(jì)并不是嚴(yán)格的自底向上設(shè)計(jì)，而是在整體上自底向上，在局部上仍存在自頂向下的工作方式。同時(shí)夾具功能要求和方案設(shè)計(jì)制約著夾具元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而夾具元件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反過(guò)來(lái)又影響著夾具的裝配方案，夾具設(shè)計(jì)的

12、過(guò)程實(shí)際上是夾具功能與方案設(shè)計(jì)和夾具元件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的相互反復(fù)的過(guò)程，因此元件建模和夾具裝配建模需結(jié)合進(jìn)行。夾具的裝配模型是建立在高層語(yǔ)義信息基礎(chǔ)上的，因而夾具裝配模型需要采用特征來(lái)建模。 組合夾具由下級(jí)元部件裝配而成，部件又由更下級(jí)的元件和子部件組成。組合夾具CAD 系統(tǒng)利用裝配的約束關(guān)系將這些元件和部件按照一定的層次裝配成組合夾具。組合夾具的整體裝配造型采取自底向上的工作方式，其裝配過(guò)程一般分為兩步：第一步是建立裝配樹(shù)。將要建立裝配約束關(guān)系的元部件加到裝配樹(shù)中。 第二步是在裝配樹(shù)中給元部件添加約束，以逐漸減少元部件的自由度并使之按規(guī)定的約束組裝起來(lái)形成組合夾具。 約束是特定元素間必須滿(mǎn)足的

13、一種關(guān)系，在形式上它可以表示為一原子合成，設(shè)C為N 維謂詞符號(hào)，用于表示約束的種類(lèi)，而為受約束的元素集(如點(diǎn)、線(xiàn)、面等) ，則為符號(hào)表達(dá)式，用于表示某個(gè)約束的屬性，那么一個(gè)約束可描述為： ( c e e2 en - 1 v) 其中cC，ej ，vV 通過(guò)對(duì)實(shí)際裝配體設(shè)計(jì)過(guò)程的考察，可以總結(jié)出以下幾種常見(jiàn)的裝配體約束條件，這些約束主要是從幾何方面考慮的，因而約束作用的對(duì)象是部件的幾何拓?fù)湓?。這些位置約束從工程設(shè)計(jì)角度可分為以下五類(lèi)：(1)面配合(mate)及等距配合(mate offset) ：面配合要求裝配體部件的兩個(gè)表面相互接觸，即兩面的法向量相反，面的等距配合要求兩個(gè)表面相向平行且相距某

14、個(gè)距離。 配合(mate)可處理多種約束位置。所選擇的幾何體取決于所使用的配合約束類(lèi)型?？蛇x擇的物體以及響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)的裝配包括： 平面平面/平面、平面/軸線(xiàn)； 軸線(xiàn)軸線(xiàn)/軸線(xiàn)、平面/軸線(xiàn)、軸線(xiàn)/點(diǎn)； 點(diǎn)點(diǎn)/點(diǎn)、點(diǎn)/軸線(xiàn)； 非平面表面(球面，圓錐，圓柱，或圓環(huán)) 。 不能選擇如定義軸線(xiàn)的輪廓表面：定義實(shí)體截面的相切表面；非定義球面、圓錐面、圓柱體和圓環(huán)的表面。 (2)對(duì)齊( align)及等距對(duì)齊(offset) ：對(duì)齊是指兩個(gè)對(duì)象之間的重合關(guān)系，它又可分為面對(duì)齊，邊對(duì)齊，點(diǎn)對(duì)齊及局部坐標(biāo)系的對(duì)齊。面對(duì)齊是指兩個(gè)表面重合且方向一致。邊的對(duì)齊是指兩條邊重合在同一直線(xiàn)上，點(diǎn)對(duì)齊是指兩個(gè)點(diǎn)重合，局部坐標(biāo)的對(duì)齊是指兩個(gè)局部坐標(biāo)系完全重合，等距對(duì)齊是指兩個(gè)面平行且相距某個(gè)距離。 (3)插入( insert) ：描述孔與軸的配合關(guān)系，即要求孔的軸線(xiàn)與軸的軸線(xiàn)重合。 (4)同軸( coaxis) ：描述軸與軸之間的配合關(guān)系，要求兩軸的軸線(xiàn)重合。 (5)定向(orient) ：要求兩個(gè)平面兩兩平行，與等距對(duì)齊不同的是它不需要指定兩個(gè)面之間的距離。 組合夾具CAD系統(tǒng)的裝配約束分為以下幾