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基于坐标系转换的CATIA自动装配方法

2017/5/11    来源:互联网    作者:景嘉繁      
关键字:自动装配  坐标系转换  零件模板  
简述了CATIA装配中零件位置的坐标系表达以及坐标系转换的计算方法。描述了通过零件模板标识零件装配特征的方法。提出了一种基于坐标系转换的CATIA自动装配方法:将零件的装配特征用坐标系表示,利用零件装配特征坐标系之间的转换关系,计算零件从原始位置移动到装配位置的转换矩阵;通过将零件的原始位置坐标系与转换矩阵相乘,得到零件的装配位置坐标系,从而实现零件的自动装配。该方法可以提高CATIA装配设计效率。

    在用CATIA进行装配设计时,一般的做法是根据零件之间的装配关系,如同轴、共面、同心等,利用移动、对齐等命令手动完成各个零件的空间装配。如果一个装配图中涉及大量的零件,手动将各个零件装配到位是一件既费时又费力的工作。由于在CATIA中,零件的空间位置是通过一个坐标系矩阵描述的。因此,利用坐标系转换,通过CATIA内部的编程接口可以实现零件的快速自动装配。

    1 坐标系

    为了利用坐标系表达零件的位置及装配关系,将坐标系分为两种,一种是描述零件位置的位置坐标系,一种是描述装配关系的装配特征坐标系。

    1.1 位置坐标系

    CATIA用装配结构(CATProduct)来描述装配关系。一个装配结构下可以插入多个零件(CATpart),组成一个装配图。CATIA的零件(CATpart)内部封装了零件本身的坐标系作为零件建模的基准。零件结构树下的三个坐标平面(XY平面、YZ平面、ZX平面)是该基准坐标系的图形表达。装配结构中对应的每个零件记录了一个位置坐标系;通过每个零件的内部基准坐标系与其对应的位置坐标系重合实现零件的定位。

    装配结构利用位置坐标系控制其内部所有零件在这个装配空间的相对位置。通过更改位置坐标系的位置坐标,实现装配下的零件位置的变化。可以利用CATIA的内部接口重新位置坐标系的数值,从而通过程序实现零件在装配空间的自动装配。

    1.2 装配特征坐标系

    在进行装配设计时,零件之间的装配关系是通过零件装配特征体现的。例如,在进行螺栓、螺母与夹层零件之间的装配时,螺栓的装配特征是轴线与螺栓头下表面,螺母的装配特征是螺母的轴线与上下表面,夹层零件的装配特征是螺栓孔轴线与夹层表面。

    进行装配设计,就是要让有装配关系的零件的装配特征相合,如果将零件的装配特征用坐标系表达,则零件的装配过程就可以用坐标系的转换来实现了。

    如图1所示,零件A与零件B的装配特征分别为3个相互垂直的面,由这3个面构成的坐标系分别就是2个零件的装配特征坐标系。将一个装配特征坐标系转换到另一个装配特征坐标系的转移关系即为进行装配设计时需要对零件进行的移动关系。

    零件内部的装配特征表现为几何体。装配特征坐标系的建立可以基于不完全约束的几何体集合。如对于螺栓零件,仅靠螺栓中轴线确定坐标轴的Z轴方向,螺栓头下表面所在的平面确定XY面,可以得到无数个坐标系。由于装配设计时一般不用约束螺栓的绕轴角度,选定其中任意一个坐标系都可以是螺栓零件的装配特征坐标系。

    1

    图1 装配特征坐标系

    1.3 坐标系的表示及运算

    CATIA内部,坐标系由一个4×3的矩阵表示:

    2

    矩阵的前3行分别为坐标系的X、Y、Z轴在全局坐标系下的方向坐标,也就是向量坐标,第4行为坐标系原点在全局坐标系下的位置坐标,也就是点坐标。

    根据在计算机图形学中,为了明确区分向量坐标和点坐标,同时为了方便进行线性变换(平移、旋转、缩放等),需要引入齐次坐标的概念[1-2]。在三维空间的齐次坐标中,向量坐标和点坐标都是用一个四维向量表示,只是向量的最后一位不一样。普通坐标转换为齐次坐标的方法是:

    如果(x,y,z)是个点,则转换成(x,y,z,1),

    如果(x,y,z)是个向量,则转换成(x,y,z,0)。

    为了对坐标系的变换进行量化,基于上述方法对坐标系矩阵A进行扩展形成齐次坐标矩阵C:

    3

    在齐次坐标下,坐标系的平移、旋转等转换可以通过矩阵的乘法运算表达。假设一个坐标系C1通过一系列的平移、旋转等动作,与C2坐标系重合,则C1与C2的关系可以表示为:

    4

    其中,转换矩阵T就表达了所进行的转换。三维空间内坐标系的任意平移、旋转都可以用这个4×4的矩阵T表示。

    2 零件中装配特征的标识

    为了实现零件的自动装配,首先需要做的是零件装配特征的标识与识别。为了方便识别零件的装配特征,最好在零件建模的过程中就预先把零件的装配特征在零件结构树中用几何(点、线、面等)实现,并用统一的名称进行标识。

    但是,在实际的工程设计过程中,进行装配设计的人员不一定是零件的设计人员。因此,为了方便识别零件的装配特征,零件的设计人员必须通过规范化的设计,在零件的建模过程中就按照统一约定的方式将零件的装配特征贯彻到零件结构中,并在零件状态冻结的时候将这些特征进行发布,供装配设计时识别。

    CATIA提供了一种规范机制,允许通过制定“模板”来对拥有共同特征的一类零件进行继承性建模。这种机制就是零件模板。对于具有相似装配特征的一类零件,将装配特征抽象为一定的几何特征,通过建立零件模板,将该特征封装在所建立的零件模板中,并进行发布。零件设计人员在进行零件设计时,通过继承零件模板,并实例化装配特征几何来实现装配特征的标识。

    零件模板的一个典型应用就是标准件的建模。例如螺栓零件的零件模板,除了封装螺栓的一般参数如公称直径、长度等之外,还可以将螺栓的中轴线、螺栓头下表面封装起来作为螺栓零件的装配特征。在螺栓零件建模时,通过继承该模板并实例化这2个装配特征几何,可以实现所有新建立的螺栓零件装配特征的标识。对于其他零件,可以采用同样的方式,通过制定统一的模板进行装配特征的标识,方便下游装配环节的调用。

    3 自动装配方法

    图2所示为一个夹层零件(A)与螺栓零件(B)的装配示例。零件A上有若干装配孔,装配目标是将螺栓零件B装配到零件A的装配孔位置。

    以图2所示装配为例,详细描述将零件A装配到零件B的相应位置的自动装配方法。

    5

    图2 装配示例

    3.1 识别零件装配特征

    如果零件在建模的时候已经通过零件模板的方式建立了装配特征,可以直接访问零件中的装配特征。以螺栓零件B为例,可以直接调用螺栓中轴线和螺栓头下表面;如果零件没有显性地提供装配特征,则可以通过程序遍历零件结构树中的几何特征,根据过滤条件识别装配特征。以零件A为例,以“螺栓孔”为过滤条件识别零件结构树中的特征几何,提取所有几何孔。

责任编辑:张纯子
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