基于标准件信息定义的快速装配技术研究

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在飞机及其产品在研制生产过程中，需要采用大量的标准件，如螺栓、铆钉、开口销等。标准件的采用，给产品的设计、制造、装配带来了极大的方便，同时减少了大量的重复性劳动，降低了研发成本，缩短了研发周期，提高设计的标准化程度，提高了产品零部件的互换性。

标准件的快速装配是飞机快速设计技术中的关键技术之-。 目前的三维CAD软件所提供的装配功能都是完全依赖设计人员指定零件间的装配几何约束用手工完成装配，计算机不能代替操作者自动进行装配，也不能实现相同类型装配的批处理，装配效率低下，不能符合产品快速设计的要求。每个标准件的约束类型 、装配过程类似，而在飞机设计气动外形复杂、内部结构复杂、空间结构紧凑 ，标准件体积小，数量众多，给装配设计的准确性带来了-定的困难。因此，如何简化装配过程，提取零件问的装配信息，完成准确 、智能、自动、快速的装配功能已成为提高产品装配设计效率的-个亟待解决的问题。

文献I 对快速自动装配技术进行了-些研究，通过对装配特征定义、装配约束编码等工作，来实现陕速自动装配技术，具有-定的指导意义。

文献噬 于 UG二次开发工具，采用拈化设计方法，研究了基于自动获取约束对象的自动装配设计方法，开发了快速夹具自动装配拈。

许多专家和学者对装配特征进行了详尽的基于特定功能需求的定义和表达，并未形成装配特征的完整统-的定义。其中，文献 对装配特征的定义，没有涉及在装配中起重要作用的几何基本元素(如线、面)等。文献14]队装配特征的理解，缺乏装配特征操作方法的概念和-个定义应有的总体的抽象的本质共性描述。

结合飞机产品设计过程需求，针对具体的设计环境要求，通过面向快速装配的标准件信息定义方法，研究标准件快速装配技术，实现飞机产品装配设计中，标准件的批量、自动、快速装配，简化了装配过程，提高了设计效率。

2面向快速装配的标准件信息定义方法2.1装配特征定义如何利用产品的设计信息、功能信息，实现自动装配等任务来稿日期：2012-09-29基金项目：国家部级项目(5l3180102)作者简介：张 静，(1986-)，男，湖jE人，在读硕士研究生，主要研究方向：标准件快速装配技术；张发平，(1970-)，男，河南人，博士，硕士生导师，主要研究方向：CAPP、制造系统数字化102 张 静等：基于标准件信息定义的快速装配技术研究 第7期是计算机辅助装配技术(CAAT)要解决的核心问题之-日。因此，装配特征是实现功能信息向装配操作映射的桥梁。

面向快速装配的装配特征具备以下几个要素：(1)装配特征主要为装配关系服务，且需要以-定的几何结构为载体；(2)装配特征不仅包含零件模型本身的装配信息，还包括装配特征对外开放的装配接口。

(3)装配特征总是成对出现，每个装配特征至少有-个可与之相耦合的装配特征同时存在，即，-个在配合零件(子装配)上，- 个在被配合零件(子装配)上；特征间的装配关系通过特征中参与装配的几何要素来实现。不同特征在装配时，特征问的装配关系不同，限定的自由度数也不相等。零件的装配关系主要分为三种：凸凹特征间的匹配关系(fit)；平面特征间的贴合关系(Mate)；平面特征间的对齐关系(Align)。

22装配建模技术装配建模是基于特征几何建模的-种延伸，是建立在表达产品功能要求的基础上的建模技术，能够在面向产品装配特征的建模中获得良好的效果[61。

参数化技术是实现面向装配的标准件模型定义的必经途径之-，参数化设计的本质是基于约束的产品描述方法，用-组参数约束几何图形的-组结构尺寸，参数与尺寸之间相互对应，可通过编辑尺寸值驱动几何图形以达到更改设计的目的。参数约束可转化为-系列非线性方程组 )0表示，其中 ， ，‰为表征各几何元素形状和位置的几何特征参数集合，，-。

产品的参数化装配建模，常采用的解决方法是把产品需要参数化的主参数设置为全局变量，主参数是-种具有工程含义的广义参数，封装了下层几何参数信息和上层非几何屙眭信息，体现了零件、组合件或产品的变形序列，其它参数与主参数进行关联。主参数可以是几何参数或特征抑制参数，也可以是功能参数。

通过修改主参数，以主变量值直接或间接驱动各组合件、零件的模型，实现产品的参数化建模，完成产品的参数化装配设计c7l。装配模型是描述装配体中组成产品的零件 、零件问的装配关系的模型，包括对象的几何、拓扑和功能数据。该模型可通过由零件形状和装配操作的装配关系得到。装配模型不仅表达产品的功能，也表达零件的几何结构和零件之间的空间关系。

变量关联是在分属不同参数集的变量间建立映射关系，以便对某个变量修改后，与之对应的变量能自动修改罔。它适用于装配环境下零件间尺寸约束的关联。

对于面向快速装配的特征模型可以表示为：M ，li， 式中：肘-系统所构造的特征模型；斤-构成特征模型的组成特征；五-装配特征的开放接口；- 与特征相对应的参数集。

2.3面向快速装配的标准件信息在标准件的快速装配过程中，标准件信息包含实体几何模型信息、装配特征信息、装配辅助信息等方面的内容。

实体几何模型，依据构造标准件实体几何模型的所需要的信息，按照面向对象的思想，将标准件模型进行特征分解，并分别封装、隐藏，如图1所示。标准件模型本身的形状规则和特征典型有利于进行特征分解和参数化建模。参数不仅包含每个特征包含的几何形状参数，还包含每个特征的相对位置关系，以确保最终能生成-个完整的正确模型。例如，图 1中的六角头螺栓几何模型可以分解成螺栓头拉伸特征、光杆拉伸特征和螺纹特征。这些特征可以分别封装起来，构造几何模型时，通过参数的传递和特征的重组，构造出符合用户实际需要的具体规格的标准件模型。

图 1装配特征信息的特征模型Fig.1 The Feather Model Information of Assembly装配特征信息，为了方便快速装配的实现以及程序的高效性，面向快速装配的标准件装配特征需要满足定义完整通用和获取.陕速便捷的要求。构造用于装配几何体素封装，并指定特定的装配元素的开放接口(如图 1中的发布装配元素)，以及对应的装配类型和装配数据。封装标准件几何体中施加约束的几何对象如配合面，重合轴，使其不受具体模型变化的影响，同时又能方便地取出，分别添加约束。

装配辅助信息，为了满足装配特征的成对出现的要求 ，装配特征信息的定义中，与开放接口进行配合的元素设置为空，这些元素主要包含安装位置，安装方向，标准件具体规格等信息。系统工作时，从用户定义的这些装配辅助信息中提取到的信息，处理后，将辅助程序在特定的位置按特定的方向装配正确型号的标准件。从而保证系统最终完成标准件快速装配工作。

No.7July.201 3 机械 设 计 与制 造 1033面向全三维模型的标准件 速装配系统3.1总体流程基于三维模型的标准件快速装配的基本流程，如图2所示。

首先打开-个 Product文档，首先定义装配辅助信息，在特定的位置创建点线，其中点代表装配位置；线代表装配的方向，线的初始长度统-为 10ram。给每-组点线-个初始的牌号 ，包含标准件类型和公称尺寸等信息。系统读取这些信息，保存为标准件装配辅助信息，读取装配类型，依据标准件规格，分析组成特征，进行几何模型及装配特征的参数化构造，生成具体的标准件模型，读取装配特征信息，对标准件模型的装配特征进行自动定义。读取辅助信息中的装配位置和方向，最终完成标准件三维模型的快速装配。

图2标准件快速装配系统总体流程Fig.2 The Rapid Assembly Total FIOW for Standard Parts用户给定的标准件的初始规格并不完整、唯-，需要程序根据夹层的厚度最终确定需要的标准件实际长度，返回更新修改牌号和点线模型的线的长度。根据新牌号在标准件库中检索标准件，就可以批量实例化标准件。因此标准件规格自动确定是面向全三维模型的标准件快速装配系统的关键-环。

规格 自动确定的过程如下，选择参与快速装配的点线，求解点线与空间所有零件模型的相交结果，提取点特征，按照先前定义的线的方向来对相交点进行排序，并依据流程确定最终的夹持终止点，如图3所示。辅助装配信息中的点即为夹持的起始点，两点间的距离即为穿过的被夹持件的厚度，通过初始牌号和夹持厚度来检索标准件信息，即可得到标准件的长度和完整规格。

在 自动确定长度的过程中，由于标准件长度确定表里的厚度值是-系列的断点值，夹持持厚度值不是刚好与长度确定表里的值相等 ，不能--匹配，因此，需要调整夹持厚度的值 ，夹持厚度调整规则如下：例如，在的螺栓标准示例中，依据不同的公称直径和夹持厚度，确定其基本尺寸。实际的夹持厚度调整规则，取临近的较大值，截取其中-部分，如表 1所示。

l开始 I存在交获取所有交点沿矢量线交点方向排序获然点2NY交点 2 为夹持厚度终止点图3夹持厚度终止点确定流程Fig.3 The Flowchart of Clamp Point Acquisition表 1螺栓长度确定表Tab.1 The Chart for Length Determinationd4 5 6 832标准件快速智能装配技术研究标准件快速智能装配技术作为标准件快速装配系统中的面向用户的环节，完整地体现系统核心功能。

CATIA软件本身能够实现标准件的参数化建模以及参数设计表驱动，但是不能满足模型实例化的要求。标准件批量实例化就是以参数设计表驱动生成的模型文件为对象，通过二次开发，删除这些模型中的关联设计表，脱离与标准件库的关联 ，以保证标准件库的安全和稳定。

104 机械 设 计 与制造NO.7July.2013作为标准件快速装配的关键技术之-，标准件批量实例化流程，如图4所示。读取更新后的标准件规格，分析标准件装配类型，若标准件只是-个单独的Part文件，则可以直接批量实例化，而如果是组合件的形式则需要进-步的判断其组合是否合理。以螺栓为例，如果选择了长螺栓，而搭配了薄垫片，短螺母，则提示选择的组合形式不合理，返回修改。依据标准件信息参数化构造标准件模型实例件后，重命名标准件，读取装配特征及辅助信息，自动批量建立装配约束。

图4标准件陕速装配流程图Fig.4 The Rapid Assembly Flowchart of Standard Parts4实验验证和系统实现通过带有斜面的两个几何体来验证相关功能拈的实现。

图5实例化拈实例验证Fig.5 The Instantiation for Testing为了自动装配标准件，利用 CATIA二次开发工具 CAA V5开发了标准件的批量实例化拈，如图 5所示。从参数集中提取标准件初始牌号，自动计算夹持厚度，检索匹配标准件长度，确定特定安装位置的标准件的规格参数，规格参数包括标准件类型、公称直径、长度等信息。根据上述自动确定的标准件规格参数，唯- 确定待装配的标准件，参数化构造标准件模型，插入到当前装配环境，重命名并添加到特征树特定位置后，自动获取装配特征，通过装配辅助信息和装配特征信息，自动添加装配约束，完成了同种规格的标准件的批量、智能、自动、快速地装配。

5结束语基于标准件信息定义方法，通过CATIA CAA二次开发，完整定义了面向快速装配的全三维模型的标准件信息，开发了自动确定标准件规格方法，以及标准件快速装配实现方法，实现了标准件快速、智能、自动、准确的装配过程，简化了设计流程，减少了设计人员的大量重复劳动，提高了设计效率。