雷達高功率鉸鏈裝配工藝規劃系統的開發

張紅旗， 陳興玉， 周 卿， 束峰濤

（1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012）

雷達高功率鉸鏈裝配工藝規劃系統的開發

張紅旗1， 陳興玉1， 周 卿2， 束峰濤1

（1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012）

面向并行工程的需求，提出并設計了雷達高功率鉸鏈三維裝配工藝規劃系統（HPH-CAAP）。系統利用微軟的Microsoft Visual C++ 6.0作為開發語言，UG/OPEN API作為開發工具，用來驗證和改進產品可裝配性的仿真系統。闡述了HPH-CAAP的體系結構以及虛擬裝配模型的定義、交互式裝配工藝規劃、裝配仿真、干涉檢驗和模型的參數化重構關鍵技術模塊。研究了HPH-CAAP各模塊的實現全流程。最后給出了系統的應用實例。

計算機應用；高功率鉸鏈；裝配工藝規劃；可裝配性；參數化設計

在一個產品的壽命周期中，裝配是個很重要的環節。隨著新技術、新工藝、新材料的發展，高速加工和強力切削技術廣泛應用于加工過程中，使得加工時間（包括輔助時間）不斷縮短，裝配時間就成了影響制造周期的主要因素。隨著數控機床的廣泛應用，零件的加工精度已不再依賴于工人的技術水平，但裝配工作卻仍是以人為主，主要依賴于工作人員的技藝水平。因此，裝配質量又成了提高產品精度的瓶頸環節。然而傳統的機械零件及系統設計方法存在著較大的局限性，且由于大多數設計不是面向裝配的，在沒有物理原型時很難對產品的裝配性能和裝配質量進行分析和驗證，導致開發過程的反復和費用增高。

鑒于此，眾多學者基于計算機技術，通過交互式裝配工藝規劃，以可視化方式對產品的可裝配性進行了驗證和改進。張林煊[1]等人提出了一種裝配仿真系統，可在設計階段驗證和改進產品的裝配工藝，并對裝配路徑的遞進式檢查和裝/拆運動的 11元組表示及變換進行了研究。侯文君[2]等人設計了基于UG的三維裝配工藝規劃系統 3D-CAAP，對可視化裝配規劃、實時記錄裝配順序、裝配知識查找、裝配順序與路徑的編輯修改等進行了研究。李仲興[3]等人采用二次開發工具 UG/Open API開發出車輛電磁制動器虛擬裝配系統，討論了其模型的重構、交互式裝配工藝規劃與干涉檢驗等關鍵技術模塊。以上學者都采用交互式裝配工藝規劃方法對產品的可裝配性進行了缺陷預見和改進。

雷達高功率鉸鏈在雷達產品中起著傳輸高頻、高功率微波信號的作用，為了實現其并行化開發，開發其專用的裝配工藝輔助規劃系統HPH-CAAP (High Power Hinge-Computer Aided Assembly Planning)是很有價值的。本系統能夠在產品設計階段對零部件模型實施預裝配，規劃產品的裝配工藝，驗證可裝配性并可對有設計缺陷的組件模型進行參數化重構。

1 HPH-CAAP系統構造

由于裝配模型和裝配工藝過程的復雜性，開發獨立的虛擬裝配工藝規劃系統是比較困難的，同時其可用性、易用性難以保證。UG軟件目前在企業中應用非常的廣泛，開發基于UG平臺的虛擬裝配工藝規劃系統具有很高的實用價值。鑒于此，作者在商用CAD軟件UG的基礎上，以UG/Open API和C/C++語言為開發工具，實現了一種寄生式的裝配工藝規劃仿真系統HPH-CAAP。圖1所示為系統體系結構。

圖1 系統體系結構

1.1 數據層

數據層提供共享的數據資源，是系統的支撐和基礎。設計數據庫主要存儲了通過UG軟件構造的三維數字化模型。其中三維標準件庫存儲了系統開發過程中所需的標準件模型，如螺栓和螺釘等；用戶自定義模型庫存儲了雷達高功率鉸鏈構成中的一些典型結構單元件；行業組件庫存儲了雷達高功率鉸鏈構成的組件模型。裝配工藝信息庫存儲了雷達高功率鉸鏈的裝配層次信息、裝配約束信息、組件位姿信息以及其裝配工藝規劃過程中的裝配順序與路徑信息、裝配工步信息和裝配過程干涉信息等，以便于工藝規劃的信息重用。

1.2 功能層

系統基于UG軟件生成的三維裝配模型，首先進行各裝配組件的名稱、ID號等裝配信息的提取。然后檢索數據庫，獲得相應的虛擬裝配模型信息。若有，則動畫仿真并分析其過程的動態干涉情況；若沒有，則首先進行交互式裝配工藝規劃，獲得相應的裝配順序與規劃路徑信息，然后進行動畫仿真和干涉檢驗。若發生干涉，則轉入裝配模型重構環節，對UG裝配模型進行參數化重構，獲得符合要求的三維裝配模型。

1.3 界面層

該層是由UG軟件提供的基本功能支持，為各個功能模塊運行提供平臺。其中包括功能模塊運行所需的實現函數、資源和動態鏈接庫的接口等。設計師通過觸發內嵌于UG的定制菜單，進而在UG環境中運行HPH-CAAP系統。

2 關鍵技術

2.1 虛擬裝配模型的定義

虛擬裝配模型(VA_assembly)包含了裝配層次結構樹信息和裝配規劃信息。對于裝配層次結構樹，建立了一個VA_component數據結構來表示裝配中的每一個組件，該數據結構包括組件的實例標識(instance_tag)、事例標識(occurrence_tag)、類別和位姿矩陣等信息，同時還包括指向其上級、同級和下級組件的指針。對于裝配規劃信息，設定每個組件的裝/拆到位用一個工步表示，一個工步又包含若干個裝配運動（裝配運動可為移動或轉動）。圖 2所示為虛擬裝配模型的結構。

圖2 虛擬裝配模型結構

2.2 交互式裝配工藝規劃

將靜止的零件或子裝配體稱為固定零件，裝配/拆卸的零件稱為自由零件。零件與裝配體分離的條件是：零件沿某個方向做無限平移而不與裝配體發生干涉。為了有效地分離，必須確定分離的平移量，將當前的變換矩陣應用于自由零件，即單步分解。然后進行干涉檢查，以確定零件是否可以由當前位置直接變換到目標位置（實際裝配中的初始位置）。當檢測到有干涉時，必須將分離過程進一步細化，重新計算拆分方向，得到新的變換矩陣[1]，再計算平移距離，重復上述過程，直到自由零件可以無干涉地變換到裝配初始位置。此時表明該零件可以按照分解序列依次由裝配體拆下至初始位置。最后，將拆分序列逆轉，即為各組件的裝配序列。圖3所示為裝配路徑規劃流程圖（采用UF_UI_select_with_single_dialog()用于組件的選取，UF_UI_specify_vector()用于打開“矢量構成”對話框，UF_DISP_display_temporary_line()用于顯示移動/旋轉的軌跡線）。

圖3 裝配路徑規劃流程圖

2.3 裝配過程的仿真與分析

2.3.1 裝配動畫

動畫的產生實際上是在組件的初始位姿與移動/旋轉后的位姿之間插入了若干關鍵點，對于各關鍵點，首先抑制組件原來的裝配關系，然后從 11元組中獲得組件的移動和轉動變換矩陣，并在關鍵點處調用函數 UF_ASSEM_reposition_instance()設置組件的位置，以產生視覺上的動畫效果。圖4所示為“顯示動畫”實現流程圖。

圖4 “顯示動畫”流程圖

2.3.2 干涉檢查

干涉分析作為虛擬裝配中的一項重要的應用，在早期產品開發過程中可方便快捷地修正錯誤，將錯誤消除在設計階段。干涉分析包括靜態干涉分析（可裝配性分析）和動態干涉分析（可達性分析）。

（1） 靜態干涉分析 采用了UG/Open API中的間隙分析(Clearance Analyse)模塊來進行組件間的干涉分析。圖5所示為進行干涉分析的具體流程。

圖5 靜態干涉分析具體流程

（2） 動態干涉分析 組件的動態干涉檢查實際上是在產生動畫的各個關鍵點上進行靜態干涉分析。它是在一連串離散的時間點上來分析零件是否與其它零部件發生干涉。這種方法檢測了零件在離散點上的干涉情況，當時間步長過大時，某個零件有可能已經完全“穿過”了另一個零件，因此這種方法有可能遺漏掉某些干涉。為了解決這個問題就必須控制零件運動時間的時間步長。系統中采用的是移動增量干涉檢查法。該方法是將掃描空間進行分解，得到多段掃描區間，并對每一步進行判斷，如果在整個過程中所有掃描段都無干涉，則認為裝配路徑上無干涉。

2.4 裝配模型的重構

參數化建模主要有兩種途徑：① 首先確定實體模型的參數變量以及各變量之間的關系，然后采用底層接口函數和已確定的變量、變量關系創建具體特征。變量值發生變化，特征結構也隨之發生變化；② 先在 UG的交互界面下創建好實體模型，之后尋找實體中的特征表達式（對于裝配模型，為實現各構成組件的聯動，可事先設置好組件間的尺寸約束關系），找到后通過對表達式的值（UG中表達式是區分大小寫的，常用的表達式有數值表達式、條件表達式或幾何表達式）進行修改，再通過函數UF_MODL_edit_exp()和UF_MODL_update()對模型進行參數化驅動。

高功率鉸鏈的構成組件分為標準件和非標準件兩部分。對于標準件部分，由于某一類零件外形相似，僅僅是尺寸參數值不同，因此采用第一種參數化方法；而對于非標準件部分，由于外形和尺寸參數都不同，因此采用第二種參數化方法。需要注意的是：所創建的作為模板的三維模型的組成特征應盡量簡單，對二維截面輪廓應該盡量使用系統提供的約束與尺寸標注方法實現全約束；對于表達式應盡量采用易于理解，不易混淆的名稱，以增強可讀性。

3 應用實例

基于上文所述的虛擬裝配工藝規劃原理與方法，采用VC++語言，通過調用UG底層開發接口函數，定制開發了HPH-CAAP系統。系統的部分操作界面如圖6所示。系統具有初始化模型、裝配序列規劃、裝配路徑規劃與參數化建模等功能。圖6(a)所示為對雷達高功率鉸鏈進行移動規劃的界面；圖6(b)顯示了波導法蘭盤的旋轉規劃軌跡曲線。整個系統能有效地支持設計師進行雷達高功率鉸鏈的裝配工藝規劃，及時地發現實物裝配過程中存在的問題。

4 結 論

HPH-CAAP系統在 UG二次開發的基礎上完成了從初始裝配模型獲取、交互式裝配工藝規劃和裝配工藝分析等一系列功能，實現了對高功率鉸鏈的三維參數化模型的數字化預裝配。通過對構成組件進行靜動態干涉檢驗和裝配可行性分析，對系統裝配工藝的改進提出了合理意見，排除了很多隱患。該系統的設計思路和方法可拓展應用于其他同類產品的裝配工藝規劃中。

圖6 HPH-CAAP系統部分界面

[1]張林煊, 童秉樞. 并行工程中的裝配仿真系統及其關鍵技術研究[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報,1999, 11(2)：163-166.

[2]侯文君, 李重慶, 伍華劍, 等. 基于 UG OPEN 的3D-CAAP裝配模塊的設計與實現[J]. 工程圖學學報, 2006, 27(5)：160-164.

[3]李仲興, 丁家翔, 周孔亢, 等. 基于 UG的車輛電磁制動器虛擬裝配系統開發[J]. 農業機械學報, 2005,36(12)：126-129.

[4]曾 理, 張林煊, 童秉樞. 一個虛擬裝配支持系統的實現[J]. 系統仿真學報, 2002, 14(9)：1149-1153.

[5]董正衛, 田立中, 付宜利. UG/OPEN API編程基礎[M].北京：清華大學出版社, 2002. 2-150.

Research on Assembly Process Planning System for Radar High Power Hinge

ZHANG Hong-qi1, CHEN Xing-yu1, ZHOU Qing2, SHU Feng-tao1
( 1. NO.38 Research Institute, CETC, Hefei Anhui 230088, China; 2. ZTE Corporation, Nanjing Jiangsu 210012, China )

Three-dimensional assembly process planning system of radar high power hinge(HPH-CAAP) is put forward and designed facing the requirement of concurrent engineering. Product assemblability is verified and improved by the emulational system using Microsoft Visual C++ 6.0 as developing language and UG/OPEN API as developing tool. The main structure of HPH-CAAP and the key technical modules such as virtual assembly model obtaining, assembly process planning, assembly simulation, interference check and model reconstruction are expounded. The total realization processes of HPH-CAAP’s modules are researched. Finally, an application example of this system is implemented.

computer application; high power hinge; assembly process planning;assemblability; parametric design

TP 391

A

1003-0158(2010)06-0111-06

2009-08-19

國防基礎科研資助項目（B1120060500）；上海市網絡化制造與企業信息化重點實驗室開放基金資助項目（KF200909）

張紅旗（1975-），男，安徽合肥人，高級工程師，碩士，主要研究方向為智能CAD、數字樣機技術以及數字化設計標準。