基于NX/Open的懸掛式爬坡輸送線的碰撞檢測仿真系統開發

趙玉善， 郭　慧

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

基于NX/Open的懸掛式爬坡輸送線的碰撞檢測仿真系統開發

趙玉善， 郭慧

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

在懸掛式上下坡輸送線的結構設計中，預測和有效避免掛件在上下坡過程中的動態碰撞是企業的迫切需求。針對該輸送線需滿足零件設計參數化、碰撞檢測可視化的特點，開發了一種以NX/Open API為數據接口的快速檢測爬坡過程中掛件是否發生碰撞的仿真系統。實現了對已建模零件的參數化修改，以及對爬坡輸送線進行自動化的虛擬裝配和運動仿真，通過不同參數下的再仿真試驗及其效果反饋，最終達到消除碰撞和優化結構的目的。

NX二次開發；碰撞檢測；虛擬裝配；運動仿真

懸掛式輸送線是根據企業車間的工藝線路，以恰當的速度實現車間內部、車間與車間之間連續輸送成件物品的設備。其允許實體掛件在空間上下坡和轉彎，且布局方式自由靈活，占地面積小，廣泛應用于機械、汽車、電子、家用電器、輕工、食品等行業的大批量流水生產作業中。

在實際生產中，掛件在上下坡時容易受到斜坡坡度、吊具長度、掛件尺寸及其間距等綜合因素的影響而發生碰撞，屬于動態可碰撞問題，難以用常規作圖法進行求解[1]。國內外對輸送機上下坡和轉彎過程中的運動規律和受力性能研究有限[2-5]，面臨的主要問題有：①缺乏對斜坡階段的動態碰撞仿真研究；②基于設計需求，還沒有一個專門解決此類問題的快速檢測系統。在結構設計上，上下坡輸送線可簡化為爬坡機構，本文基于NX平臺，開發了一種能夠快速檢測爬坡機構是否發生碰撞的仿真優化系統。該系統采用UIStyler對已建模零件的可變參數進行界面化設計，使用戶能夠同時修改所有零件的可變尺寸；根據零件的裝配序列和約束關系，以VS2010為編譯環境，實現裝配環境下零件的自動化裝配；在仿真環境中，以NX/Open API為接口模板，對運動仿真模型的前處理設置進行面向過程的開發，得到自動化仿真的結果。設計人員可通過仿真效果的反饋，重復進行結構參數的更改和優化，最終消除輸送線爬坡階段的碰撞現象。

1　爬坡輸送線的模型簡化

懸掛式爬坡輸送線如圖1所示，由架空軌道、牽引鏈、滑架、吊具以及驅動裝置等組成。

圖1　懸掛式爬坡輸送線

掛件被固定在吊具上隨牽引鏈緩慢地沿軌道運行，為提高生產效率企業往往以較高的密集度排列掛件。在爬坡的首尾轉向階段，由于加速度與重力的影響，掛件的空間姿勢將發生改變，當掛件尺寸比較長時，往往會出現工件碰撞的現象，影響輸送線的正常運行，急需開發一種仿真系統以確定工件之間在給定斜坡上爬行時不發生碰撞的最小距離。

機構的復雜度直接影響裝配和運動仿真的速度，為此，必須對爬坡輸送線進行合理的機構模型簡化，機構中各零件的簡化模型如表 1所示。為提高仿真的實際效果，簡化機構時必須遵循 2個基本條件：①允許替換部分零件或局部結構，但不能改變原機構的運動形式和自由度；②簡化后的機構模型必須能夠模擬實際情況。

表1　爬坡機構的簡化模型

2　參數修改器的開發

為方便整個碰撞檢測仿真系統的反復優化試算，需要一種能夠快速對各部件參數進行修改的參數化界面，參數修改器的開發將大大提高整個仿真系統的運行速度。

NX/Open API是NX的直接編程接口，同時也是開發商用來創建大量應用程序以增強 NX功能的輔助工具，NX/Open應用程序一般由菜單、對話框、應用程序DLL和NX/Open API庫函數等組成。針對本文各模塊應用程序的開發，給出了如圖2所示的NX/Open開發應用程序的一般框架，圖3所示為NX開發的項目目錄結構，當NX啟動時會在給定目錄中尋找并加載相應的應用程序和資源。

圖2　NX/Open的應用程序框架

圖3　項目目錄結構

參數修改器的應用程序通過將部件設置為“可工作部件”并依次查詢和設置部件屬性對象標識，最終完成對部件原型尺寸的修改。參數修改器的程序開發流程如圖4所示。

圖4　參數修改器程序設計流程圖

應用程序涉及3種典型的UF_ATTR屬性操作數據結構：UF_ATTR_value_s、UF_ATTR_value_u以及 UF_ATTR_part_attr_s，下面給出了關于吊具參數修改的部分程序代碼：

將DLL文件、菜單文件、對話框文件以及bmp圖片按照圖 3所示的目錄結構進行放置，并使系統環境變量UGII_USER_DIR指向開發目錄，然后打開NX并新建一個裝配模型，選擇定制菜單，可看到如圖5所示的參數修改器的人機對話框界面。

圖5　參數修改器對話框界面

利用所開發的參數修改器，可以快速方便地修改調整懸掛式爬坡輸送線牽引鏈、吊具以及掛件的參數，為仿真系統的反復優化試算提供了便捷。

3　爬坡機構的自動化虛擬裝配

由于掛件在上下坡時除了受到斜坡坡度、吊具長度、掛件尺寸及其間距等因素的影響外，還受到慣性與重力的影響，且掛件之間的碰撞發生在動態過程中，難以用常規作圖法精確求解。故需要虛擬裝配[6]和運動仿真進行虛擬檢查。

在NX提供的裝配環境中，相對于完全依賴操作者進行手工裝配的傳統裝配方式，采用NX/Open API二次開發的方式進行自動化裝配，可極大地提高裝配效率。裝配體是以樹型結構來組織裝配體中的組件和零件，而部件與子部件之間的裝配關系則通過部件實例來描述[7]。圖6所示為爬坡機構的裝配樹結構，從中可以看出，一個裝配體文件只能有一個裝配樹，或者說只能有一個根節點，且部件事例(occurrence)與部件實例(instance)之間呈現出多對一的映射關系，當裝配體AUTO被加載為顯示部件后，系統為其分配一個部件標識即part_1，AUTO部件包含了1個對象(標識為Obj_part_1)和3個裝配部件實例軌道(GUI)、吊具(DIA)和掛件(GUA)。

圖6　爬坡機構的裝配樹結構

在自動化裝配前，為方便數據的描述，可將裝配體部件之間的裝配關系做適當簡化。編程實現爬坡虛擬裝配自動化包含以下幾個步驟：

(1) 加載主動組件。使用函數 UF_ASSEM_ add_part_to_assembly可將組件從文件路徑加載進裝配體，同時可在指定的位置和方位將部件放入工作部件層中，實現了裝配部件與工作部件的上下級裝配關系。

(2) 主動、從動組件的事例標識獲取。通過函數UF_ASSEM_ask_part_occ_of_inst可直接獲取主動組件的事例標識，而從動組件的獲取則需要先確定從動組件的部件標識，然后獲取從動組件的所有事例標識，最后通過二者的匹配，最終確定從動組件的事例標識。

(3) 約束對象標識的獲取。將對象所在的部件設置為工作部件，再利用函數 UF_OBJ_cycle_ by_name獲取約束對象的標識。

(4) 約束關系的建立。裝配約束可以看成是主動件A配合到從動件B的針對部件原型的虛擬關系，爬坡機構主模型的裝配約束可按照表 2所述步驟進行建立。

表2　建立裝配約束的步驟

爬坡機構涉及的裝配約束關系有 Touch、Align、Center和Distance，圖7展示了爬坡機構裝配模型中的距離約束，根據實際情況，應使吊具間距 ds等于掛件兩孔的距離 d5，同時掛件間距 S作為影響碰撞的主要設計參數，應以界面化編輯。

圖7　距離約束

新建一個裝配部件，選擇關聯的定制菜單，瀏覽子部件并輸入掛件間距S，得到如圖8所示的調用爬坡機構自動化裝配程序的運行結果。

圖8　自動裝配的運行結果

4　爬坡機構的運動仿真開發

運動仿真直接使用主模型的裝配文件，通過添加機構連接和驅動，模擬機構的實際運動，進而分析機構的運動規律，最后根據分析和研究的動力學數據對機構模型提出改進和優化[8]。運動仿真建立的過程由前處理和后處理組成，針對爬坡機構的前處理自動化開發，其程序設計流程如圖9所示。

圖9　前處理程序設計流程圖

仿真模型的前處理包括定義連桿(link)、添加運動副(joint)和設置驅動(driver)。其中軌道作為機架應定義為固定連桿(fixed joint)；運動副涉及類型有平面副(planar)、共線副(inline)以及點在線上副(point on curve)，而平面副和共線副的定義是仿真成功的關鍵；為使掛點在牽引鏈上的相對位置不發生改變，可將所有的點在線上副添加相同的恒定初速度；最后為兩個掛件連桿定義干涉。運動仿真前處理的建立如圖10所示。

圖10　建立仿真前處理

后處理由解算方案和動畫組成，其中解算類型為“常規驅動”，分析類型為“運動學/動力學”，時間由仿真效果反饋確定，步數控制在 300步以內(步數越多，解算時間越長)，重力方向為“–Z”，然后選擇動畫，即可觀看仿真結果。當采用圖 5和圖8中的原始參數及約束距離時，得到如圖11所示的仿真結果，動畫顯示有掛件干涉的現象。將干涉結果反饋給系統，重新調整參數，進行新一輪運動仿真，直至不發生干涉為止。

圖11　碰撞仿真結果

5　結 束 語

以NX為平臺，基于懸掛式爬坡輸送線存在的防碰撞設計問題，利用NX/Open與VS2010實現了裝配環境下的部件參數修改器、自動化裝配方案以及運動仿真前處理自動化設置的開發。根據仿真試驗結果的反饋，如發生碰撞，可通過修改器快速修正主模型參數，經過再仿真，反復檢查和對比爬坡機構的碰撞情況，最終達到優化機構和消除碰撞的目的。設計人員也可通過虛擬仿真獲取不同參數下掛件臨界碰撞的數據表，為安全生產提供保障。

[1] 王志強, 洪嘉振, 楊輝. 碰撞檢測問題研究綜述[J].軟件學報, 1999, 10(5): 545-551.

[2] 黃大巍, 高秀華, 邢浩. 雙軌懸掛自行輸送機動力學建模及仿真分析[J]. 系統仿真學, 2006, 18(11): 3138-3142.

[3] 張志賢, 劉檢華, 寧汝新. 虛擬環境下平面連桿機構運動仿真實現技術研究[J]. 計算機研究與發展, 2010, 47(6): 980-986.

[4] 劉樂全. 基于 ARX的懸掛輸送機運行軌跡仿真與受力分析計算[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2006.

[5] Sugimoto K. On the bases of wrench spaces for the kinematic and dynamic analysis of mechanisms [J]. Journal of Mechanical Design, 2003, 125(3): 552-556.

[6] 劉文, 劉艷斌, 張星. 基于虛擬樣機技術的電梯動態設計與優化[J]. 圖學學報, 2012, 33(6): 82-87.

[7] 周臨震, 李青祝, 秦珂. 基于UG NX系統的二次開發[M]. 鎮江: 江蘇大學出版社, 2011: 45-186.

[8] 曹巖. UG NX 7.0裝配與運動仿真實例教程[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2010: 180-220.

Development of Collision Detection Simulation System for Suspension Type Climbing Conveyor Line Based on NX/Open

Zhao Yushan,Guo Hui
(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In the structure design of suspension type conveyor line having uphill and downhill function, to predicate and effectively avoid the dynamic collision of the pendants running in the slope have been enterprise′ urgent needs. In order to meet the requirement of parametric design on parts and visual collision detection for the conveyor line, a simulation system is developed for rapid collision detection for the climbing pendants with the data interface NX/Open API. The system is helpful to modify the modeling parts by the way of parameterization, and realize automation of virtual assembly and motion simulation for the climbing conveyor. Finally, the collision is eliminated and the structure is optimized through once more simulation test and its effect feedback under different parameters.

NX secondary development; collision detection; virtual assembly; motion simulation

TP 391.9

A

2095-302X(2015)06-0950-05

2015-06-23；定稿日期：2015-08-08

趙玉善(1988–)，男，河南商丘人，碩士研究生。主要研究方向為機械設計及理論、NX二次開發。E-mail：yushanbluss@163.com

郭慧(1964–)，女，江西贛州人，副教授，博士。主要研究方向為計算機圖形學、逆向工程。E-mail：ghcad@163.com