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基于轻量化三维产品模型的装配建模技术研究

2018/1/12    来源:互联网    作者:曹德君  田锡天  耿俊浩  李洲洋      
关键字:轻量化  装配信息模型  有序树  
将装配工艺信息模型包含的数据分为对象信息、约束信息和过程信息三类,对于不同的信息采用不同的模型方式表达。提出了将产品的三维模型先转化成轻量化模型,以轻量化模型为基础进行装配工艺信息建模的方法,并给出了轻量化装配信息模型的整体框架。轻量化的特点和模型信息的完善性,使得该模型完全可以作为装配工艺规划通用装配信息模型来使用。最后通过实例验证了该方法的有效性。

0 引言

    装配工艺信息模型(简称装配信息模型)是装配工艺规划的基础。它是装配工艺序列规划、装配工艺路径规划以及装配工艺规划后处理数据的主要来源。良好的装配模型不仅能够表达零件的几何信息,零部件可见的层次关系信息,还应该表达装配关系信息,以及不同层次的装配体中的装配设计参数的约束和传递关系信息,而且更重要的能够为装配工艺序列规划、路径规划等装配过程信息的表达提供良好的框架基础。

    装配信息模型的建立主要有两个需要解决的问题,即数据的获取和数据的表示。

    目前装配信息模型主要有图模型、层次模型和混合模型3种经典表示。无论是图模型、层次模型还是混合模型都是对装配工艺规划结果的表示,仅表示零件的几何信息,几何约束形式表达的装配关系或配合关系,不能反映零件之间的装配顺序以及完成零件装配所需的装配动作。它不能完整的反映装配过程,丢失了虚拟装配环境中装配序列、装配路径以及装配约束等过程信息。

    装配信息模型的数据来源目前主要的方法是通过CAD接口直接获取三维CAD模型的数据。由于在三维CAD系统中,产品模型中包含的信息量很大,而且不同的三维系统产品模型的表达方法也不尽相同,这种数据获取的局限性也在一定程度上给通用装配信息模型的建立带来了一定的困难。

    随着轻量化技术的发展,轻量化三维产品模型成为一种趋势。轻量化技术能够支持企业间不同CAD数据传输与交换,在没有数据损失的情况下将产品模型轻量化,大大提高了企业之间的协同与网络传输效率。作者基于轻量化三维产品模型建立装配工艺信息模型,将各种不同的三维产品模型转换成统一的轻量化产品模型,由于轻量化模型过滤了非几何信息,保留了产品的结构和几何拓扑关系,在轻量化产品模型的基础上通过集成接口或后置处理实现制造工艺信息的添加,建立面向三维的轻量化装配工艺信息模型。

1 轻量化装配工艺信息模型整体框架

    装配信息怎样完整的合理的表示出来是装配信息建模的关键所在,也是装配工艺规划需要解决的关键问题之一。由于模型需要表达的数据信息多,模型结构复杂,很难找到一个合适的单一的模型表达其所有的数据,考虑用混合模型或者多个模型的集合这种形式表达装配工艺信息。作者通过分析装配模型信息的类型,分类用不同的模型表达不同的装配信息。基于轻量化三维产品模型的装配工艺信息模型中表达的信息包括下列3个部分:

    (1)对象信息。表达装配对象的基本信息,如几何特征信息、对象的位置、材质、管理信息以及装配资源信息等。

    (2)约束信息。描述了装配体之间以及内部的约束,包括产品层次结构、零部件之间的配合关系等。

    (3)过程信息。描述了装配过程中产生的信息,如零部件的装配顺序,操作路径等虚拟装配过程和结果信息。

    如图l所示。首先将产品的三维CAD模型转化为三维轻量化模型,由于模型的轻量化过滤了非几何信息,所以要通过交互式或接口方式输入装配工艺规划所需要的条件信息,在虚拟环境下进行装配工艺规划,装配工艺规划的过程信息包括装配序列、装配路径等信息,这些也是装配建模要考虑的主要内容。

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    图1 轻量化装配信息模型结构图

2 信息分类与表示

    装配工艺信息模型数据的具体分类如图2所示。

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    图2 装配工艺信息模型数据

2.1 对象信息表示

    对象信息模型是虚拟装配信息模型表示的基础。目前大多数虚拟装配模型都是通过获取三维CAD模型中的数据作为模型零件信息的。轻量化装配信息模型首先通过支持轻量化产品模型的浏览器导入商用三维产品模型,将商用三维模型转换成轻量化模型。轻量化模型中只包含产品的几何信息、几何约束信息,所以需要在轻量化模型的基础上通过后置处理添加装配工艺规划需要的相关对象信息。例如装配资源信息可以通过导人产品三维模型的形式添加到轻量化模型中去,通过这种方式得到轻量化装配模型中对象模型的信息数据。

    轻量化虚拟装配模型的对象可以分为两种:(1)轻量化虚拟装配资源对象。它是不包含任何产品信息的实体,包括虚拟场景、虚拟装配工装夹具、虚拟手(鼠标)等。(2)装配对象。携带产品信息的轻量化三维模型。这些对象都是通过对象信息模型表示的。

    对象信息模型以零件为基本节点,采用层次模型表示。层次模型中每个节点主要包括了零件的名称、几何特征、状态、位置以及运动信息。采用面向对象的方法设计对象包含的属性。如图3所示。

    3

    图3 零部件对象的物理属性结构图

2.2 约束信息表示

    装配体零部件之间关系通过表示成约束信息才能使系统所理解和采用。零部件之间的约束信息主要包括几何约束、装配层次约束、装配与资源之间的约束、以及其它的软约束和物理约束。其中几何约束在商用三维模型转化成轻量化模型时就保留了几何约束信息,所以直接可以从轻量化模型得到。装配层次关系是在装配工艺规划过程中形成的,如产品分为子装配,子装配又分为零部件等。软约束和物理约束是指装配体外部对装配体的约束,如企业的装配设备条件,生产技术要求等等,往往这些约束对装配过程影响很大。这些约束只有通过规则和公式等表示出来才能被计算机系统所理解。

责任编辑:张纯子
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