在proe中自動生成零件拆卸優(yōu)先約束矩陣

2013-05-25  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

拆卸優(yōu)先約束矩陣為建立產(chǎn)品的拆卸層次信息圖模型提供了基礎(chǔ)信息,保證了拆卸序列規(guī)劃結(jié)果的正確性和有效性。在proe中用C語言完成了零件拆卸優(yōu)先約束矩陣自動生成的二次開發(fā),包括模型調(diào)入和預(yù)處理、簡單拆卸路徑生成和包容盒逐級分解的干涉檢驗等3個模塊。解決了自動判別節(jié)點可拆卸性的關(guān)鍵問題,為機電產(chǎn)品基于拆卸層次信息圖建模的自動化提供了有力的支持。
薛俊芳 邱長華 向東 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:計算機應(yīng)用 拆卸優(yōu)先約束矩陣 干涉檢驗 拆卸層次信息

隨著環(huán)境意識與資源意識的逐步提高,機電產(chǎn)品的綠色設(shè)計越來越受到人們的重視,其核心思想是在產(chǎn)品設(shè)計階段就考慮產(chǎn)品使用后的回收處理問題,把生命周期末端可能遇到的問題在設(shè)計中予以解決,將傳統(tǒng)的產(chǎn)品生命周期的開環(huán)模式轉(zhuǎn)化為閉環(huán)模式。拆卸是實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期封閉性和完整性的必要環(huán)節(jié),產(chǎn)品的拆卸序列是從產(chǎn)品中拆卸各零部件的先后順序。目前,對產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃的研究普遍采用基于圖的建模方法,并輔以方案的尋優(yōu)算法。對拆卸操作進行可行性判斷是保證拆卸序列規(guī)劃結(jié)果正確、切實可行的唯一途徑。產(chǎn)品中零部件的拆卸優(yōu)先約束矩陣為拆卸層次信息圖模型中節(jié)點的構(gòu)建提供基礎(chǔ)信息,從產(chǎn)品CAD模型中自動提取這一信息是實現(xiàn)自動建模的條件。

1 拆卸優(yōu)先約束關(guān)系

1.1拆卸優(yōu)先約束矩陣

約束是零部件之間的空間制約關(guān)系及其相關(guān)性的反應(yīng),零件的拆卸優(yōu)先約束關(guān)系指的是,若產(chǎn)品中零件i對零件j的拆卸形成空間制約關(guān)系,則零件i的拆卸優(yōu)先于零件j。如機電產(chǎn)品中常見的各種螺紋連接就是在其相關(guān)零部件之間產(chǎn)生的一種優(yōu)先約束關(guān)系。約束關(guān)系包括直接接觸約束和非接觸約束。
產(chǎn)品中零件的拆卸優(yōu)先約束關(guān)系可用優(yōu)先約束矩陣RN*N =[rij]來表示,N為產(chǎn)品中零件的數(shù)量,rij表示第j個零件對第i個零件的約束情況,其取值為0或1,如果rij =1表示第j個零件需要在第i個零件之前拆卸,rij =0表示第i個零件的拆卸不受第j個零件是否拆卸的制約。當i=j時,規(guī)定rij =0。圖1所示某空調(diào)室外機風機部件的拆卸優(yōu)先約束矩陣為

1.2拆卸層次信息圖

拆卸層次信息圖模型是機電產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃過程中采用的一種建模方法,為一個非負值的簡單加權(quán)有向圖(見圖2)。圖中的節(jié)點代表產(chǎn)品中的零部件,有向邊代表所聯(lián)系的節(jié)點零件的拆卸先后意圖,加在邊上的權(quán)值ω由相應(yīng)拆卸操作的綜合指標值確定。如果拆卸意圖在實際拆卸過程中可以得到實現(xiàn),那么這樣的邊就稱為可拆卸邊,所聯(lián)系的節(jié)點的可拆卸性標識為"True";否則,稱為不可拆卸邊,下層節(jié)點的可拆卸性標識為"False".所有可拆卸性標識為"True"的節(jié)點和邊構(gòu)成產(chǎn)品的拆卸層次信息圖。
以圖1所示的產(chǎn)品為例,其拆卸層次信息圖(圖中所有節(jié)點和邊都是可拆卸的,因此省略"True"標識)如圖2所示。拆卸層次信息圖模型表達了產(chǎn)品所有可行的拆卸序列(方案),從圖2可以看出,該產(chǎn)品有3條可行的拆卸序列。

需要說明的是,如果產(chǎn)品中元件比較多時,拆卸層次信息圖會比較復(fù)雜,此時可作如下的簡化處理:
(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品采用多層迭代處理方式。對于較為復(fù)雜的產(chǎn)品,可將產(chǎn)品劃分為幾個子拆卸體,子拆卸體被視為一個元件來處理,以此構(gòu)建產(chǎn)品的拆卸層次信息圖進行拆卸序列規(guī)劃。產(chǎn)品級的拆卸序列規(guī)劃完成后,再導(dǎo)入子拆卸體進行規(guī)劃,從而通過一個層進的迭代方式來實現(xiàn)對復(fù)雜產(chǎn)品的完整拆卸序列規(guī)劃過程。
(2)消除復(fù)雜產(chǎn)品中的連接件。對于較為復(fù)雜的產(chǎn)品,為了簡化產(chǎn)品的模型,可以從產(chǎn)品模型中移除一些基本的連接件,如螺釘、螺母等。通過這樣的處理方式,對簡化產(chǎn)品模型后得到的拆卸方案,同樣適用于原產(chǎn)品的拆卸序列規(guī)劃,產(chǎn)品中元件的拆卸操作就代表了"移除連接件十拆卸元件"。這種方法比較符合實際應(yīng)用中的情況,同時也有助于簡化拆卸序列規(guī)劃平臺的計算復(fù)雜性。

2節(jié)點可拆卸性判定

設(shè)待拆卸的零件節(jié)點為i,己拆卸的零件集合為Dis={Disassembly},在拆卸優(yōu)先約束矩陣R中,與Dis集合中元素相對應(yīng)的行和列自然消失,形成節(jié)點1當前的拆卸優(yōu)先約束矩陣R',根據(jù)拆卸優(yōu)先約束矩陣所表示的具體的物理意義,可以得到以下兩條判別準則:
準則1節(jié)點的拆卸可行性判定準則若{Hi}=0,則表示拆卸當前零件i不受其它零件的空間制約,拆卸操作在實際拆卸過程中可以實現(xiàn),故節(jié)點i在當前狀態(tài)下的拆卸可行,可拆卸性標識為True;否則,標識為False .
準則2下層組成節(jié)點判別準則若節(jié)點1的拆卸可行性標識為True,則Dis=Dis∪{ i } ,集合Next={j|j不屬于Dis}中的元素組成節(jié)點i的下層目標點集合。任取as  ∈Next;,節(jié)點a、的拆卸可行性標識根據(jù)準則1來判定。
所有標識為True的節(jié)點組成節(jié)點i的下層節(jié)點集合Ti,顯然Ti 不屬于 Next;,再下一層節(jié)點將從Ti中產(chǎn)生。由此,逐層構(gòu)建產(chǎn)品的拆卸層次信息圖。

3自動生成拆卸優(yōu)先約束矩陣

構(gòu)建拆卸層次信息圖的基礎(chǔ)信息即是拆卸優(yōu)先約束矩陣。因此,自動生成拆卸優(yōu)先約束矩陣是實現(xiàn)可拆卸性自動判定、進而實現(xiàn)拆卸規(guī)劃過程自動建模的關(guān)鍵因素。以proe實體模型為研究對象,利用Prorfoolkit API自動生成產(chǎn)品中零件的拆卸優(yōu)先約束矩陣。Pro/Toolkit API是proe與外部應(yīng)用程序之間的接口,它提供了一系列的函數(shù)和過程,通過用C語言編程來調(diào)用這些函數(shù)或過程,能夠?qū)roe模型文件及相應(yīng)模型進行操作。
所開發(fā)的系統(tǒng)包括預(yù)處理模塊、拆卸路徑生成模塊和干涉檢查模塊,其工作流程如圖3所示。

3.1預(yù)處理模塊

預(yù)處理模塊的工作有:調(diào)入產(chǎn)品的proe模型,提取相關(guān)零部件信息(包括ID號、配合關(guān)系、位姿矩陣等),同時獲得零件列表等。
    產(chǎn)品中往往包含數(shù)個相同的零件,如圖1所示風機部件中,包含4個相同的自攻螺釘用于連接軸流電機和支架。在產(chǎn)品CAD模型中,相同的零件體現(xiàn)為同一零件的多個實例。建立產(chǎn)品的拆卸層次信息圖時,相同的零件僅用一個節(jié)點表示,其拆卸操作的次數(shù)等于零件的個數(shù)。因此,在預(yù)處理模塊刪除同一零件的多個實例,僅保留其中一個進行拆卸優(yōu)先約束矩陣的自動生成。同時,對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,為了簡化產(chǎn)品的模型,應(yīng)刪除產(chǎn)品中零件之間的連接件,將連接件的類型和數(shù)量作為零件之間的連接方式信息。如將圖1中連接軸流電機和支架的4個自攻螺釘刪除,拆卸層次信息圖中的節(jié)點數(shù)將由18個降為12個,拆卸軸流電機的操作就代表了"松開4個自攻螺釘+拆卸軸流電機"。該文通過零件的文件名來識別和判定連接件。
最后保存預(yù)處理后的Fro/E裝配體文件。

3.2拆卸路徑生成模塊

拆卸路徑生成模塊通過分析零件在裝配體中的幾何配合約束,求取零部件的可行拆卸運動方向集,并以其中與產(chǎn)品坐標系或零件坐標系的的軸向重合的方向作為零件的優(yōu)先拆卸方向。
在proe中,幾何配合約束是在建立裝配體模型的過程中交互定義的,每一約束包括3個方面的信息:約束類型、元件參照元素和基體參照元素。參照元素指元件或基體中直接參與配合的幾何構(gòu)造元素,包括點、實體邊線、面等,構(gòu)成這些幾何構(gòu)造元素的幾何特征參數(shù)均可以從Pro1E系統(tǒng)中通過接口函數(shù)來提取。裝配元件在目標裝配體內(nèi)的最終位姿一般由兩個或兩個以上的兒何配合約束確定,對這些約束進行分析組合可以求取元件拆卸運動的參考方向。如對于軸孔插裝的配合約束組合來講,元件的拆卸運動方向必定與基體貼合平面的外法矢一致,因而可唯一確定。
因此,零件拆卸優(yōu)先約束矩陣反映零件各自沿優(yōu)先拆卸方向拆卸時受其它零部件的空間制約情況。生成拆卸路徑的主要步驟如下:
    第1步從零件列表中選取一個零件;
    第2步分析該零件的幾何配合約束,求取零件優(yōu)先拆卸方向d及基體坐標系(局部坐標系)的方向矢量D':
    第3步d←d*D'(將d從局部坐標系轉(zhuǎn)化為全局坐標系);
    第4步確定該零件的移動距離S和步長疾
此外,將最先裝入產(chǎn)品裝配體模型中的零件稱為基礎(chǔ)件,由于基礎(chǔ)件沒有幾何配合約束,因此其拆卸路徑不能通過以上方法生成。由工程實踐經(jīng)驗可知,對產(chǎn)品進行拆卸序列規(guī)劃時,基礎(chǔ)件通常是最后拆卸的,也就是說,其它零件的拆卸都優(yōu)先于基礎(chǔ)件。所以,拆卸優(yōu)先約束矩陣內(nèi)基礎(chǔ)件i所對應(yīng)的行中,除Rii=0外,其余元素的值為Rij=1, j≠i.

3.3干涉檢驗?zāi)K

干涉檢驗?zāi)K包括基于包容盒的定性檢驗和精確實體求交的定量檢驗。包容盒是用體積略大而形狀簡單的包圍盒代替復(fù)雜的幾何對象進行干涉檢測,通過包容盒間的干涉測試快速排除不干涉的基本幾何形狀對,減少干涉檢查的次數(shù)。首先根據(jù)包容盒進行相交測試,如果包容盒不相交,則零部件不發(fā)生干涉;如果包容盒相交,則進一步根據(jù)待檢零部件的精確相交運算來決定兩零件在拆卸過程中是否發(fā)生干涉,并以此確定兩零件間是否構(gòu)成拆卸優(yōu)先約束關(guān)系。干涉檢驗?zāi)K的程序流程圖如圖4所示。

在自動生成拆卸優(yōu)先約束矩陣的過程中,還需要對從proe中提取的信息進行存儲和處理,用基于Access的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲拆卸過程中的相關(guān)信息。

4實例驗證

以某空調(diào)室外機為例,對自動生成零件拆卸優(yōu)先約束矩陣的過程進行有效性驗證?？照{(diào)室外機共包含115個零部件,其中5個部件(散熱器、電機、電路板、壓縮機和隔板),犯個連接件(螺釘、螺母、墊片等)。
在Visual C++6.0中對C語言編寫的程序進行編譯和鏈接,應(yīng)用.mak文件生成可執(zhí)行文件(.exe或d11),并利用.dat文件將其注冊,已生成的可執(zhí)行文件隨系統(tǒng)啟動,在proe中增加新的菜單"拆卸規(guī)劃"。通過菜單〔見圖5)"拆卸規(guī)劃"*"模型調(diào)入",打開待拆卸產(chǎn)品的裝配模型文件;"預(yù)處理"按鈕提取產(chǎn)品中零部件的ID,幾何配合約束及位姿矩陣等信息,消除同一零件多個實例的現(xiàn)象(如通過線性陣列產(chǎn)生的4個FOOT零件),刪除產(chǎn)品中的連接件(拆卸分析時將其作為解除被連接零件的拆卸操作來處理),同時為進一步降低拆卸層次信息圖的復(fù)雜性,部件作為整體(充分應(yīng)用proe中模型存儲的層次結(jié)構(gòu),逐層細化分解模型)參與優(yōu)先約束關(guān)系的判定,預(yù)處理后得到的零部件數(shù)量為16個;"可行路徑"按鈕分析零部件的幾何配合約束關(guān)系,得出零部件的優(yōu)先拆卸運動方向;"約束矩陣"按鈕即可采用步進靜態(tài)包容盒干涉檢驗的方法生成產(chǎn)品中零部件之間的拆卸優(yōu)先約束關(guān)系,并存儲在數(shù)據(jù)文件中,同時在消息窗口中顯示(見圖6)。

5結(jié)論

該文在proe的基礎(chǔ)上,利用c語言實現(xiàn)了待拆卸產(chǎn)品中零件拆卸優(yōu)先約束矩陣的自動提取。這一過程的實現(xiàn),解決了自動構(gòu)建拆卸層次信息圖模型的關(guān)鍵問題。
此后,研究工作還將對其他常用的CAD軟件進行類似的二次開發(fā),拓寬拆卸層次信息圖模型建模方法的適用范圍。

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