基于UG的三維裝配尺寸面鏈表組自動(dòng)生成方法研究*

勾波，吳玉光，王光磊

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)（Computer Aided Tolerancing，CAT）在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的廣泛應(yīng)用，對(duì)CAT技術(shù)的各個(gè)方面的要求也不斷提高，CAT技術(shù)沿著功能、效率、集成等方面發(fā)展。運(yùn)用CAT技術(shù)進(jìn)行裝配公差建模，從CAD模型中獲取零件裝配基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和公差信息是實(shí)現(xiàn)裝配尺寸鏈自動(dòng)生成的第一步，保證建模質(zhì)量、提高建模效率十分關(guān)鍵。

公差信息建模分為兩部分，首先要對(duì)公差信息進(jìn)數(shù)學(xué)建模，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)公差表示模型［1］。目前對(duì)公差建模的信息要求以及公差的表示已有許多公認(rèn)的技術(shù)。Davidson和Mujezinovi等人［2-3］提出了用T-MAP公差模型。T-MAP用點(diǎn)集的形式來(lái)描述公差域邊界及模擬的特征要素可能出現(xiàn)的位置，該模型符合ASME標(biāo)準(zhǔn)，滿足兼容性和可計(jì)算性準(zhǔn)則，考慮了漂浮公差帶、冗余公差、基準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)等概念，但存在與主流CAT軟件參數(shù)指標(biāo)不符、可視化困難等問(wèn)題。Clement等［4-5］提出了基于TTRS（與工藝和拓?fù)湎嚓P(guān)表面）公差表示模型，該模型以樹(shù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式存儲(chǔ)，TTRS中的樹(shù)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)TTRS的最小幾何基準(zhǔn)要素，模型樹(shù)各節(jié)點(diǎn)通過(guò)公差等信息相互連接。在此基礎(chǔ)上劉玉生［6］提出了基于特征的TTRS，即FTTRS（Feature-based TTRS，F(xiàn)TTRS），與TTRS相比較，F(xiàn)TTRS不但考慮了拓?fù)渖媳砻骊P(guān)聯(lián)關(guān)系，而且還考慮了技術(shù)上表面的關(guān)聯(lián)，但該公差表示模型只能處理7種的特征類(lèi)型。張博等人［7］在FTTRS中特征自動(dòng)識(shí)別的基礎(chǔ)上，采用多色集合理論，給出了一種基于特征的層次式公差信息表示模型，將能處理的特征表面數(shù)從7種擴(kuò)增至11種。鐘艷如等［8］在多色集合理論的基礎(chǔ)上，增加從空間關(guān)系到裝配公差類(lèi)型的映射，構(gòu)建出基于特征表面和空間關(guān)系的公差表示模型，使該模型能處理的特征面類(lèi)型擴(kuò)充至13種，使該模型實(shí)現(xiàn)可直接用于公差分析與綜合，但由于該公差模型在構(gòu)建時(shí)建立了裝配約束矩陣、裝配特征面之間的約束關(guān)系矩陣、幾何要素之間的空間關(guān)系矩陣，裝配公差信息分多層存儲(chǔ)，對(duì)公差模型的搜索高效性產(chǎn)生影響，不易于實(shí)現(xiàn)裝配尺寸鏈的自動(dòng)生成。吳玉光等［9］提出了基于幾何要素控制點(diǎn)的公差表示數(shù)學(xué)模型，該模型簡(jiǎn)單、易于理解，并做到與ASME很好地兼容。

在裝配尺寸鏈的自動(dòng)生成方面，研究者也做了大量的研究。郭長(zhǎng)虹等［10］通過(guò)建立特征結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索尺寸鏈，徐本勝等［11］通過(guò)建立包含尺寸公差及幾何公差的裝配公差信息圖。但這些方法只是實(shí)現(xiàn)一維裝配尺寸的自動(dòng)生成，且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的裝配尺寸鏈自動(dòng)生成，搜索算法也不具通用性。王恒等［12］通過(guò)構(gòu)建特征—尺寸鄰接矩陣、特征—裝配約束關(guān)系鄰接矩陣、裝配關(guān)系傳遞圖等，進(jìn)行搜索裝配尺寸鏈，實(shí)現(xiàn)了三維方向裝配尺寸鏈的自動(dòng)生成。但該方法并沒(méi)有考慮幾何公差，且建立了多個(gè)圖結(jié)構(gòu)，給編寫(xiě)具有通用性的自動(dòng)生成裝配尺寸鏈算法帶來(lái)困難。

針對(duì)以上公差建模及裝配尺寸鏈自動(dòng)生成所存在的問(wèn)題，本研究基于幾何要素控制點(diǎn)原理公差數(shù)學(xué)模型建立對(duì)應(yīng)的裝配公差信息圖結(jié)構(gòu)，以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，按裝配尺寸鏈建立的最短路徑原則對(duì)裝配公差信息模型圖進(jìn)行搜索，自動(dòng)生成裝配尺寸面鏈表組，并以軸座和孔板兩個(gè)零件平面定位裝配為例，說(shuō)明該方法的具體實(shí)施過(guò)程。

1 裝配建模所需信息及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在CAT系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)公差信息表示模型是為后續(xù)尺寸鏈自動(dòng)生成及公差分析與綜合做準(zhǔn)備，故在對(duì)裝配公差建模時(shí)公差模型應(yīng)包含特征要素的幾何特征類(lèi)型、基準(zhǔn)信息、公差信息、位置信息、裝配信息等。其中基準(zhǔn)信息包含基準(zhǔn)要素的代號(hào)和其所有的幾何信息；公差信息中包含尺寸公差、幾何公差信息及幾何公差中參考基準(zhǔn)的基準(zhǔn)信息；裝配信息包括裝配順序及裝配方向等。

裝配公差信息采用圖結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，裝配公差信息圖的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)特征面的相關(guān)信息。裝配公差信息模型圖面節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)特征面節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的編號(hào)，特征面的編號(hào)是隨機(jī)生成的，面節(jié)點(diǎn)信息如圖1所示。存儲(chǔ)的信息包括面的標(biāo)識(shí)、面所屬零件的標(biāo)識(shí)、面的類(lèi)型、面的法線、面中心點(diǎn)的坐標(biāo)、面控制點(diǎn)模型參數(shù)、裝配面信息、基準(zhǔn)信息等。裝配公差信息模型圖中具有3種邊，分別為尺寸邊、幾何公差邊和裝配邊。尺寸邊和裝配邊都為無(wú)向邊，對(duì)于尺寸關(guān)聯(lián)的特征要素為單一要素時(shí)（例如圓柱面的直徑），建立的尺寸邊指向其自身。幾何公差邊為有向邊，方向由目標(biāo)要素指向基準(zhǔn)要素。3種邊都采用鄰接鏈表形式存儲(chǔ)。尺寸邊的信息包括尺寸邊指向關(guān)聯(lián)尺寸面節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、尺寸的標(biāo)識(shí)、尺寸信息及尺寸的方向。幾何公差邊包括指向基準(zhǔn)平面節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、幾何公差的標(biāo)識(shí)、幾何公差信息及幾何公差的變動(dòng)方向。裝配邊包括指向配合面節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、裝配邊的方向。

圖1 面節(jié)點(diǎn)信息

2 基于UG的裝配公差信息提取及裝配公差信息模型圖的建立

在根據(jù)公差數(shù)學(xué)表示模型建立計(jì)算機(jī)裝配信息模型時(shí)，研究者首先要自動(dòng)獲取裝配體中各零件內(nèi)標(biāo)注的尺寸公差信息、幾何公差信息、基準(zhǔn)信息及裝配體內(nèi)的裝配信息。通過(guò)UG中提供的PMI三維公差標(biāo)注模塊對(duì)三維零件標(biāo)注尺寸公差、幾何公差。通過(guò)制圖模塊的標(biāo)識(shí)符標(biāo)注基準(zhǔn)信息，對(duì)裝配面添加裝配屬性（注：以上信息都標(biāo)注在特征面上），并在裝配環(huán)境下對(duì)零件添加裝配順序?qū)傩浴＠肬G提供的API二次開(kāi)發(fā)模塊函數(shù)［13-16］對(duì)上述信息進(jìn)行提取，將獲取的信息分別存儲(chǔ)到相應(yīng)的鏈表中。

2.1 裝配公差信息的提取

本研究利用函數(shù)UF_ASSEM_ask_work_part()獲取裝配體的標(biāo)識(shí)，根據(jù)裝配體標(biāo)識(shí)利用函數(shù)UF_ASSEM_ask_root_part_occ()獲取裝配體根節(jié)點(diǎn)事件標(biāo)識(shí)，再根據(jù)裝配體根節(jié)點(diǎn)事件標(biāo)識(shí)利用函數(shù)UF_ASSEM_ask_part_occ_children()獲取裝配節(jié)點(diǎn)下一級(jí)所有部件事件的標(biāo)識(shí)，遞歸利用該函數(shù)，直到訪問(wèn)到部件是零件并獲取零件的事件標(biāo)識(shí)。根據(jù)零件的事件標(biāo)識(shí)，利用函數(shù)UF_ATTR_read_value()獲取在零件上添加的裝配順序?qū)傩浴＿€可根據(jù)零件的事件標(biāo)識(shí)，利用函數(shù)UF_ASSEM_ask_prototype_of_occ()獲取零件的原型標(biāo)識(shí)。最后根據(jù)零件原型標(biāo)識(shí)，利用函數(shù)UF_OBJ_cycle_objs_in_part()遍歷零件PMI模塊標(biāo)注的指定公差類(lèi)型信息的標(biāo)識(shí)，分別提取尺寸信息、幾何公差信息和基準(zhǔn)信息。并根據(jù)以上信息中存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)特征面的標(biāo)識(shí)訪問(wèn)關(guān)聯(lián)特征面的信息。此外，根據(jù)特征面的標(biāo)識(shí)讀取特征面的裝配屬性，也存入到特征面信息中。在獲取以上信息時(shí)用到的函數(shù)如表1所示。

表1 獲取UG PMI標(biāo)注的公差信息所用的UG Open API函數(shù)及功能

本研究將以上提取出的尺寸公差信息、幾何公差信息和基準(zhǔn)信息及這些信息關(guān)聯(lián)的特征面信息分別存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的尺寸鏈表、幾何公差鏈表和基準(zhǔn)鏈表中。

2.2 裝配公差信息模型圖的建立

筆者對(duì)提取的裝配公差信息進(jìn)行整理，將提取出的尺寸關(guān)聯(lián)特征面信息無(wú)重復(fù)地存入到特征面鏈表中，并遍歷基準(zhǔn)鏈表，若特征面為基準(zhǔn)面則添加基準(zhǔn)面信息，然后將面鏈表中的特征面信息轉(zhuǎn)存到裝配公差模型圖的節(jié)點(diǎn)中；遍歷尺寸鏈表，將存在尺寸關(guān)聯(lián)的特征面之間建立尺寸無(wú)向邊，如果尺寸關(guān)聯(lián)的兩特征面為同一特征面，則尺寸邊指向其自身；將尺寸信息存入到尺寸邊信息中，并根據(jù)特征面控制點(diǎn)在尺寸公差帶變動(dòng)的方向判斷尺寸邊方向并存入尺寸邊信息中；遍歷幾何公差鏈表，將存在幾何公差的特征面與其基準(zhǔn)之間建立有向的幾何公差邊，由目標(biāo)要素指向基準(zhǔn)要素，將幾何公差信息存入幾何公差邊中，并同樣根據(jù)特征面控制點(diǎn)在幾何公差帶變動(dòng)的方向判斷幾何公差邊方向存入幾何公差邊中；遍歷圖節(jié)點(diǎn)，在具有相同裝配屬性的兩特征面節(jié)點(diǎn)之間建立裝配無(wú)向邊，并根據(jù)兩特征面的法向方向確定裝配邊的方向，存入裝配邊中，最終完成裝配信息模型圖的建立。

3 裝配尺寸面鏈表的自動(dòng)生成及鏈表面節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)排序

在建立裝配尺寸鏈時(shí)，首先需要明確裝配公差分析的目標(biāo)，即相當(dāng)于尺寸鏈分析中的封閉環(huán)。在裝配環(huán)境下通過(guò)人際交互指定裝配模型中的目標(biāo)尺寸，程序根據(jù)尺寸標(biāo)識(shí)并利用函數(shù)UF_DRF_ask_dim_info（）獲取與封閉環(huán)尺寸關(guān)聯(lián)的兩個(gè)特征面。

在根據(jù)封閉環(huán)關(guān)聯(lián)特征面搜索裝配尺寸面鏈表時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①使搜索出特征面節(jié)點(diǎn)數(shù)為最少的原則；②單一方向上只能搜索出唯一的裝配尺寸面鏈表。通過(guò)以上兩個(gè)原則可保證裝配尺寸面鏈表中的關(guān)聯(lián)零件不遺留和不重復(fù)。在搜索自動(dòng)生成裝配尺寸面鏈表時(shí)，裝配尺寸面鏈表節(jié)點(diǎn)中包含的信息包含有特征面的編號(hào)、特征面的標(biāo)識(shí)、特征面所屬零件裝配順序的編號(hào)、特征面的控制點(diǎn)理想位置時(shí)的坐標(biāo)、特征面的法向方向（特征面為圓柱面是存儲(chǔ)圓柱面軸線的方向）、特征面幾何公差帶。搜索到每個(gè)符合要求的特征面節(jié)點(diǎn)時(shí)要判斷該特征面是否存在幾何公差，若存在將幾何公差帶轉(zhuǎn)化為特征面控制點(diǎn)坐標(biāo)的幾何變動(dòng)范圍存儲(chǔ)起來(lái)。裝配尺寸面鏈表的具體搜索算法流程圖如圖2所示。

圖2 裝配尺寸面鏈表搜索方法流程圖

裝配尺寸面鏈表自動(dòng)生成后，為了給下一步的公差分析做準(zhǔn)備，需按零件的裝配順序及零件內(nèi)部基準(zhǔn)順序?qū)ρb配尺寸面鏈表進(jìn)行拆分。本研究在對(duì)裝配尺寸面連表進(jìn)行拆分時(shí)，判斷相鄰的兩面鏈表節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的特征面間的尺寸基準(zhǔn)關(guān)系，將兩特征面間的尺寸公差帶轉(zhuǎn)化為目標(biāo)尺寸特征面控制點(diǎn)坐標(biāo)的尺寸變動(dòng)范圍存儲(chǔ)起來(lái)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

筆者以圖3中兩個(gè)零件的軸孔裝配為例，說(shuō)明裝配信息的獲取方法。軸座零件如圖3（a）所示，孔板零件如圖3（b）所示，兩個(gè)零件的尺寸公差、幾何公差及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)如圖3中所示。兩零件裝配時(shí)孔板的A、B、C基準(zhǔn)面按次序分別與軸座的A、B、C基準(zhǔn)面對(duì)齊，然后進(jìn)行軸孔裝配。本研究在UG NX7.5中對(duì)軸座及孔板進(jìn)行三維建模并用PMI模塊對(duì)軸座及孔板進(jìn)行三維公差信息標(biāo)注。兩個(gè)零件的裝配公差分析的目標(biāo)是分析軸孔裝配的間隙。

為敘述方便，本研究對(duì)軸座和孔板的特征面進(jìn)行編號(hào)，分別如圖4、圖5所示。軸座和孔板的裝配公差信息模型圖如圖6所示。圖6是一個(gè)由有向邊和無(wú)向邊組成的混合圖，由兩個(gè)零件公差信息的子圖組成，兩個(gè)子圖通過(guò)裝配關(guān)系連接，如圖6中的虛線所示；圖6中，帶有編號(hào)的節(jié)點(diǎn)代表裝配公差信息模型圖的面，實(shí)線無(wú)向邊代表尺寸公差，虛線無(wú)向邊代表兩個(gè)零件的裝配面有裝配接觸關(guān)系。有向邊代表幾何公差，方向由目標(biāo)平面指向基準(zhǔn)平面。

圖3 零件圖

圖4 軸座特征面編號(hào)

圖5 孔板特征面編號(hào)

筆者在軸座與孔板裝配體中標(biāo)注封閉環(huán)，封閉環(huán)的兩個(gè)尺寸關(guān)聯(lián)面分別為圖5及圖4中的孔板圓孔面7及軸座上圓柱面11。本研究利用圖2所示的搜索方法，對(duì)如圖6所示的裝配公差信息模型圖進(jìn)行搜索，可以找到軸座和孔板兩零件B基準(zhǔn)法線方向的裝配面節(jié)點(diǎn)編號(hào)為11-9-4-7，C基準(zhǔn)面法線方向的裝配公差面節(jié)點(diǎn)編號(hào)為11-8-6-7。然后按照零件的裝配順序和基準(zhǔn)變動(dòng)順序?qū)ρb配尺寸面鏈表進(jìn)行拆分排序，拆分為三維裝配尺寸面鏈表組。如軸座和孔板兩零件在裝配時(shí)以軸座為基礎(chǔ)裝配零件，即軸座裝配次序?yàn)?，孔板裝配次序?yàn)?，以此將B基準(zhǔn)面方向的裝配公差面節(jié)點(diǎn)按裝配零件次序拆分為：11-9，4-7兩組裝配公差鏈表。再根據(jù)軸座與孔板圓柱面在B基準(zhǔn)方向的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面為B則根據(jù)基準(zhǔn)排序的結(jié)果為9-11，4-7；同理軸座和孔板的C基準(zhǔn)面法線的裝配尺寸面鏈表的拆分結(jié)果為8-11，6-7。在進(jìn)行裝配尺寸面鏈表拆分為裝配尺寸面鏈表組并按基準(zhǔn)排序時(shí)，本研究將面的尺寸變動(dòng)范圍轉(zhuǎn)換為特征面控制點(diǎn)坐標(biāo)尺寸變動(dòng)范圍添加到三維裝配尺寸面鏈表組中的面節(jié)點(diǎn)中。

圖6 軸座和孔板的裝配公差信息模型圖

在分析軸座和孔板裝配體軸孔裝配間隙時(shí)，需轉(zhuǎn)化為以軸座和孔板軸線的位置為研究對(duì)象。容易分析軸座和孔板軸線位置受軸座和孔板B、C基準(zhǔn)面垂直度誤差的影響，故在以軸座和孔板圓柱面軸線間的距離為封閉環(huán)時(shí)會(huì)建立B和C兩個(gè)基準(zhǔn)面方向上的裝配尺寸鏈。以C基準(zhǔn)面方向?yàn)槔⒌难b配尺寸鏈如圖7所示，圖7中A0為封閉環(huán)，其尺寸關(guān)聯(lián)特征為軸座和孔板的軸線，裝配尺寸鏈中軸座貢獻(xiàn)的組成環(huán)關(guān)聯(lián)的特征為軸座圓柱面軸線和軸座C基準(zhǔn)面，孔板貢獻(xiàn)的組成環(huán)關(guān)聯(lián)特征為孔板圓柱面軸線和孔板C基準(zhǔn)面。本研究建立的裝配公差信息模型圖以特征面為節(jié)點(diǎn)，圓柱軸線的信息存儲(chǔ)在圓柱特征面的節(jié)點(diǎn)信息中，按圖4、圖5中對(duì)軸座和孔板特征面編號(hào)搜索出的C基準(zhǔn)面方向的尺寸鏈面鏈表組為8-11，6-7，與圖7中建立的C基準(zhǔn)面方向裝配尺寸鏈關(guān)聯(lián)特征面一致，故可驗(yàn)證搜索算法的正確性，同理可驗(yàn)證B基準(zhǔn)面方向搜索出來(lái)的裝配尺寸面鏈表組的正確性，這里不再贅述。

圖7 軸座和孔板裝配體C基準(zhǔn)方向的裝配尺寸鏈

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出建立以特征面為節(jié)點(diǎn)包含尺寸公差、幾何公差、裝配約束的裝配信息存儲(chǔ)的混合圖結(jié)構(gòu)，該公差模型圖的所有的圖節(jié)點(diǎn)在同一層上，并且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中添加了特征面所屬零件的標(biāo)識(shí)，既方便了對(duì)特征面節(jié)點(diǎn)按零件分區(qū)識(shí)別，又方便了對(duì)圖的搜索建立裝配尺寸面鏈表，有效解決了以往公差建模對(duì)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的有序性與對(duì)公差模型搜索高效性之間的矛盾。

筆者在建立的裝配公差信息模型圖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了三維裝配尺寸面鏈表的真正意義上的自動(dòng)生成，并根據(jù)裝配基準(zhǔn)順序?qū)崿F(xiàn)對(duì)裝配尺寸面鏈表自動(dòng)拆分排序。所建立的裝配尺寸面鏈表與傳統(tǒng)的裝配尺寸尺寸鏈有別，該裝配尺寸面鏈表組節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的為傳統(tǒng)裝配尺寸鏈中組成環(huán)的尺寸關(guān)聯(lián)面，為后續(xù)的公差分析與綜合軟件研發(fā)提供了新的研究方法和必要的信息。

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