|
摘要：本文分析了三维软件UG中的虚拟装配技术，并对其两种虚拟装配技术的优缺点进行了比较，以胶印机的虚拟设计为例介绍了UG虚拟装配技术在实际工程中的应用，最后还提出了一种改善Top-down虚拟装配技术的算法，指明其对虚拟装配技术的发展有一定的意义。
关键词：UG 虚拟装配 Top-down设计 数学模型
一、引言
虚拟装配是指通过计算机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评价和预测产品模型，做出与装配相关的工程决策，而不需要实际产品作支持。随着社会的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一也越来越引人注目。虚拟装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产所出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本以及优化产品性能等目的。
在许多世界级大企业中被广泛应用的计算机辅助三维设计（CAD）的高端主流软件UG（Unigraphics）的装配模块就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可以放入虚拟环境进行实验，可以在虚拟环境中创建产品模型。使产品的外表、形状、和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，使产品的缺陷和问题在当时的设计阶段就能被及时发现并加以解决。
二、UG虚拟装配设计的分类及应用
UG虚拟装配设计有自底向上（Bottom-up）设计和自顶向下（Top-down）设计两种。其中前者是指在设计过程中，先设计单个零部件，在此基础上进行装配生成总体设计。这种装配建模需要设计人员交互的给定配合构件之间的配合约束关系（如图a所示），然后由UG系统自动计算构件的转移矩阵，并实现虚拟装配。然而，交互给定构件之间的配合约束关系不仅费事，并且当构件之间的配合较多时，容易出现约束不当或约束出错等的情况。也只有在进行装配时才能发现零件设计是否合理，一旦发现问题，就要对零件重新设计，重新装配，再发现问题再进行修改⋯⋯而Top-down的设计方式正避免了以上缺点，可以方便、直接的进行设计。 （图片）
图a Bottom-up装配技术中的配合约束 Top-down的设计方法是指在装配环境中创建与其它部件相关的部件模型，是在装配部件的顶级向下产生子装配和零件的装配设计方法。即先由产品的大致形状特征对整体进行设计，然后根据装配情况对零件进行详细的设计。这种设计方法是一个由粗入精的过程，多用于全新的开发过程，可以保证设计出的产品相互间有一个合理的位置。基于Top-down的装配设计技术也与工程实际相符合，而UG的装配建模技术完全支持Top-down的设计方法。
在实际应用中，利用UG的虚拟装配技术已基本完成上海光华公司的整个胶印机的设计。在设计过程中，以Top-down设计方法为主线，适当的结合Bottom-up设计方法，从整体到局部来完成整个设计过程。整个装配设计过程如下：（1）通过对胶印机的功能及性能的分析，将胶印机的设计分为输纸部设计、印刷单元设计、水墨系统设计、收纸部分设计、总发动设计、踏脚板设计及罩壳设计；（2）利用Top-down设计方法分别对各个部分进行设计；（3）继续对各个部分的零部件进行详细的设计；（4）利用匹配关系对上述的七个部分进行组合，完成整个设计过程。下面以印刷单元为例来论述Top-down虚拟设计过程：（1）单击菜单“File”里的“New”，新建一个文件；（2）单击菜单“Application”里的“Modeling”,进入实体造型环境；（3）建模环境下根据印刷单元的大体尺寸设计出印刷单元的大概模型；（4）打开“Assembly”里的Components下的Creat new,出现一个对话筐，选择印刷单元的一个子部件，单击“OK”，再键入子部件的名字，就完成了子部件的创建。如此重复以上过程直至完成所有子部件的创建；（5）在装配环境下对子部件逐个进行设计，如果该子部件还需要下一级子部件，就循环以上过程直至零件；如果没有，就对其在该装配环境下进行详细的设计。图b所示即为印刷单元下的传送辊的设计过程图及最终的效果图：（图片） （图片）
图b 第一传送辊设计图 在设计应用的过程中，发现基于Top-down生成的装配体由于构件之间不是以配合约束关系联系在一起的，因而不支持设计后的约束驱动修改，对于后期的设计验证造成一定的困难。为了让基于Top-down虚拟装配技术设计的产品方便支持后期的开发和研究，本文在此基础上提出在产品设计的同时让UG系统完成配合约束的识别，动态维护该约束，从而改善在虚拟环境下基于Top-down的产品虚拟装配设计。
三、对Top-down虚拟装配设计的改进算法
在UG装配中有如下几类装配约束：面贴合（Mate）、对齐（Align）、角度（Angle）、平行（Parallel）、垂直（Perpendicular）、居中（Center）、距离（Distance）、相切（Tangent）。但在实际工程应用中，在上述配合约束关系中以面贴合和对齐最为常见。零件之间的配合约束关系从数学的角度来看可以归结为点、线、面之间的关系。点用X、Y、Z三个坐标表达；线则用直线上的一点和方向矢量表达（方向矢量代表的方向为线的正方向）；平面用平面上的已知点和法矢量表达；圆柱面用基点、直径、轴矢量及高度表达。将配合约束关系转化为数学模型来进行识别。
常见的配合约束关系面贴合比较容易进行识别，下面以面贴合的关系为例探讨配合约束的识别算法。面贴合关系的识别过程可以分为两个阶段：（1）面的类型判断（即判断面是平面还是圆柱面）；（2）平面贴合判断或圆柱面贴合判断。在UG中零件的信息中已包括面的类型信息，于是面的类型判断即判断面的属性是否匹配。因而面的类型判断UG已可自动完成，重点在如何实现第二阶段。如图c所示，连杆1的上表面和连杆2的下表面通过面贴合关系来配合，设其两个平面的法失量分别为N1、N2，P1、P2分别为两个平面的点（p1和p2为不同的两点），则平面的贴合判断可以由如下的数学模型来实现：
N1=-K.N2 (K为常量)
N2· P2P1=0（图片）
图c 平面的贴合关系判断 对于圆柱面的贴合关系可以类似的进行识别。而对于其它的装配约束关系的识别算法较为复杂，还有待寻求更简单有效的算法。
该配合约束关系的识别算法也有可能出现过约束或约束错误不符合设计者意图的情况，在胶印机的设计过程中，采用动态的识别、维护策略可以有效的判别约束的有用性。即若用户没有在规定时间或在某一阶段性设计过程中移动构件而引起约束的改变，则系统保持这些约束识别结果不动；相反，则说明识别结果并非设计意图或设计意图发生改变，需将识别结果剔除而重新进行识别。如果一个约束识别结果对构件的剩余自由度没有影响，则该识别结果毫无意义而不予记录。总的来说，通过人机交互和约束、自由度分析相结合的方法可以彻底解决约束有用性判别的问题。
利用UG的二次开发接口UG/Open已基本实现上述约束识别功能。在实际应用中已将该算法应用于胶印机的虚拟设计，目前胶印机的整个虚拟设计过程已基本完成，进入后期的干涉检查、运动分析等阶段，该算法在后期的运动分析等阶段起到了不可忽视的作用，在一定的程度上解决了胶印机部件之间的匹配关系问题。
四、总结
通过UG提供的计算机三维模拟空间可以迅速地构造出机械系统的三维模型，通过UG提供的虚拟设计方法及环境可以方便地对产品进行设计。本文在分析应用UG虚拟装配设计的基础上提出一种改善Top-down虚拟装配技术的算法，虽然有其局限性，但随着虚拟技术的逐步成熟，充分利用UG二次开发接口，UG虚拟装配技术将会更加完善。
参考文献
[1] 卢小平， 面向虚拟装配的装配顺序规划研究， 系统仿真学报，Jan. 2003。
[2] 张兰英，虚拟装配设计系统的研究，机械设计与制造，Aug.2002。
[3] 庄晓，周雄辉，阮雪榆，虚拟环境下的产品快速装配建模 ，http://www.pcvr.com.cn/vrweb/disquisition。
[4] 崔风奎主编，UG V18操作实例，机械工业出版社，2003年2月第一版。
1/26/2005
|
