程亞龍,梅啟元
(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)
基于特征識(shí)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(shù)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(shí)別的緊固件快速裝配方法。首先提取零件上所有孔特征,進(jìn)而在部件中提取所有裝配孔特征;然后通過(guò)裝配知識(shí)推理自動(dòng)匹配得到緊固件的組合模式;提出一種更簡(jiǎn)便的裝配特征定義方式,實(shí)現(xiàn)了緊固件的快速自動(dòng)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(yàn)證了方法的有效性。
特征識(shí)別;緊固件;組合模式;裝配特征;自動(dòng)裝配
緊固件是結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用最廣泛的方式之一,在復(fù)雜設(shè)備中數(shù)量巨大,導(dǎo)致設(shè)計(jì)師需要進(jìn)行大量的簡(jiǎn)單重復(fù)工作,因此實(shí)現(xiàn)緊固件的快速裝配具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[1]對(duì)電連接器的三維快速裝配技術(shù)進(jìn)行了研究,采用成組技術(shù)實(shí)現(xiàn)緊固件的快速裝配。文獻(xiàn)[2]基于CATIA平臺(tái)開(kāi)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(shè)計(jì)工具。文獻(xiàn)[3]提出了“批裝配”的概念,自動(dòng)將相同直徑的孔高亮顯示,用戶選擇對(duì)應(yīng)的緊固件型號(hào)實(shí)現(xiàn)快速裝配。文獻(xiàn)[4]通過(guò)手動(dòng)選擇緊固件組合方式、裝配孔類型等實(shí)現(xiàn)裝配模式的匹配,定制開(kāi)發(fā)了基于Creo的標(biāo)準(zhǔn)緊固件工具。此外,文獻(xiàn)[5-9]都對(duì)緊固件的快速裝配進(jìn)行了研究。上述研究取得了許多成果,但緊固件裝配過(guò)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(chǔ),通過(guò)特征識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)裝配孔特征的自動(dòng)提取,基于特征信息和知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)緊固件組合模式的自動(dòng)匹配,采用一種新的緊固件裝配特征定義方式實(shí)現(xiàn)緊固件的自動(dòng)裝配。
目前的緊固件快速裝配方法中,需要手動(dòng)選擇孔的軸線、配合安裝面才能實(shí)現(xiàn)緊固件的裝配,同時(shí)需要選擇緊固件的規(guī)格大小,導(dǎo)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(dòng)識(shí)別問(wèn)題,然后根據(jù)識(shí)別得到的孔信息,結(jié)合知識(shí)推理,得到緊固件的規(guī)格參數(shù),才能實(shí)現(xiàn)
緊固件的自動(dòng)裝配。
1.1 裝配孔特征識(shí)別問(wèn)題
基于特征識(shí)別技術(shù)識(shí)別得到所選零件上所有孔特征,然后識(shí)別得到與所有孔同軸的孔特征,通過(guò)知識(shí)推理得到待裝配孔特征的各項(xiàng)信息,包括孔的軸線、孔的上下安裝面、孔徑、孔深、有無(wú)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(jìn)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(wú)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(dòng)匹配得到相應(yīng)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(wú)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(zhǎng)度。將自動(dòng)推理得到的緊固件組合推薦給用戶參考,用戶可對(duì)其進(jìn)行修改。
1.3 裝配特征的定義
主流CAD軟件中,裝配1個(gè)螺栓或墊圈需要建立軸線重合、接觸面重合2個(gè)約束特征才能完成1個(gè)緊固件的裝配。對(duì)于自動(dòng)裝配,裝配特征越少,可靠性越高,速度也越快。通過(guò)受壓分析,在緊固件與零件表面建立相應(yīng)的施壓坐標(biāo)系和受壓坐標(biāo)系作為裝配特征,建立坐標(biāo)系重合約束即可實(shí)現(xiàn)1個(gè)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(dòng)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(gè)緊固件裝配到部件上。每次裝配時(shí),將當(dāng)前件的受壓坐標(biāo)系與裝配件的施壓坐標(biāo)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(guò)陣列的方式裝配到相同的裝配孔特征上,提高自動(dòng)裝配速度。
2.1 零件的孔特征識(shí)別
主流格式的三維模型均采用B-Rep結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何信息管理,以B-Rep為基礎(chǔ)通過(guò)特征識(shí)別可以快速識(shí)別出單個(gè)零件上所有孔特征。對(duì)孔特征進(jìn)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(shí)別流程如圖1所示。
圖1 零件上孔特征識(shí)別流程
定義孔特征H的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
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(shí)只有一個(gè)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(shí)別的基礎(chǔ)。
2.2 裝配孔特征識(shí)別
在一個(gè)部件中得到每個(gè)零件上的所有孔特征后,建立裝配孔特征的識(shí)別步驟如下:
1)將所有同軸孔的孔特征分為一組,設(shè)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(fù)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(fù)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(gè)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(shí)別得到k組裝配孔特征{S1,S2, …,Sk},識(shí)別結(jié)束。
基于上述過(guò)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(jìn)行排序,排序后為Sh={hi|i=1, 2, …,n},則裝配孔特征Ha的各項(xiàng)信息可根據(jù)各個(gè)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(gè)盲孔即為盲孔;
6)Ha.t=∨(h1.t, h2.t, …, hn.t),所有孔中有一個(gè)螺紋孔即為螺紋孔;
7)Ha.c=∨(h1.c, h2.c, …, hn.c),所有孔中有一個(gè)沉頭孔即為沉頭孔。
根據(jù)裝配孔特征的屬性信息,結(jié)合工程實(shí)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(jiàn)緊固件,本文不對(duì)其進(jìn)行研究。圖3所示為常見(jiàn)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
圖3(a)所示的緊固件裝配過(guò)程中,需要建立10個(gè)平面或軸線的重合約束才能將5個(gè)緊固件完全約束,手動(dòng)選擇過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí),因此必須實(shí)現(xiàn)裝配特征的自動(dòng)定義,才能實(shí)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(shí)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(guò)受壓分析,可以得到每個(gè)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(biāo)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(biāo)系,Z軸與受壓面法向相反,同一零件上施壓坐標(biāo)系與受壓坐標(biāo)系的X、Y軸方向保持一致。施壓與受壓坐標(biāo)系即為裝配特征,緊固件上的施壓、受壓坐標(biāo)系可在模型中提前建立,裝配時(shí)直接使用;零件上的施壓、受壓坐標(biāo)系可基于裝配孔特征實(shí)時(shí)建立。在裝配過(guò)程中,依次將待裝件的施壓坐標(biāo)系與已裝件的受壓坐標(biāo)系重合即可實(shí)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
基于上述分析,通過(guò)孔特征識(shí)別,緊固件裝配模式匹配,裝配特征的動(dòng)態(tài)建立,緊固件裝配等過(guò)程,其間通過(guò)人機(jī)交互調(diào)整確認(rèn),即可實(shí)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
基于上述研究基礎(chǔ),在Creo2.0平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了緊固件快速裝配的驗(yàn)證系統(tǒng)。如圖6所示,在裝配孔特征提取后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)裝配孔信息自動(dòng)匹配最佳裝配模式,用戶對(duì)匹配結(jié)果不滿意可手動(dòng)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(jìn)而通過(guò)自動(dòng)匹配得到緊固件的裝配模式,確認(rèn)后自動(dòng)將緊固件安裝到位。該過(guò)程自動(dòng)化程度高,人機(jī)交互簡(jiǎn)單,可顯著提升裝配效率。
圖6 緊固件裝配模式自動(dòng)匹配
圖7 緊固件快速裝配示例
提高緊固件快速裝配的自動(dòng)化程度對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率具有重要意義。文中對(duì)緊固件的快速裝配技術(shù)進(jìn)行了研究,首先基于特征識(shí)別技術(shù)提取了零件的所有孔特征,進(jìn)而提取得到部件的裝配孔特征。其次通過(guò)緊固件裝配知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)緊固件裝配模式的自動(dòng)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(jiǎn)化了緊固件的裝配約束過(guò)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(yàn)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(jī)械工程, 2013, 29(5): 41-43.
[2] 龐勝軍. 機(jī)械裝配連接快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2012.
[3] 陳功, 周來(lái)水, 安魯陵, 等. 基于CATIA V5的零組件快速裝配設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2007, 26(10): 1345-1349, 1353.
[4] 于一春, 李興榮. 基于Creo2.0的三維標(biāo)準(zhǔn)緊固件工具的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)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(xué), 2014.
[6] 王恒升, 孫彥, 廖友軍. 基于Pro/E的緊固件快速裝配[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)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(jì)算機(jī)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(yīng)用[J]. 機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2014(2): 22-25.
[9] 王冰, 呂軍, 王雪剛, 等. 基于全三維設(shè)計(jì)的緊固件輔助系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 航空制造技術(shù), 2013(3): 65-66.
程亞龍(1986-),男,博士,工程師,主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)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