基于裝配特征的螺栓連接件自動化裝配技術研究

鄒東文 向俊輝

摘 要：目前，絕大多數CAD軟件中的裝配均是設計者手工拾取點線面的傳統裝配操作，裝配操作過程非常繁瑣且容易出現錯誤。針對以上問題，本文提出了基于裝配特征的零部件自動化裝配方法。并在該方法的指導下，利用 UG和C++語言成功的實現了螺栓連接件的自動化裝配。該裝配的實現對于提升螺栓連接件的裝配效率具有重要意義。

關鍵詞： 裝配特征 螺栓連接件 自動化裝配 UG

0引言

到目前為止，絕大多數CAD軟件中的裝配都是依靠開發人員手工拾取裝配對象、重復輸入裝配命令來完成。對于復雜裝配體，更需要開發人員者對相關的裝配工藝知識、裝配順序有很深的理解。除此之外，傳統裝配操作重復性高，出錯率相對較大，時間成本也高 [1]。本文提出的基于裝配特征的自動化裝配方法能很好的解決以上問題，使得裝配操作更為快捷、高效，減輕了設計者的工作強度，提高了裝配建模的效率。

1裝配特征的定義

關于裝配特征的定義，國內外許多專家和學者都對其進行了描述。DOsH等指出裝配特征的內涵是產品中兩個不同零件間形狀特征間的聯系[1]。南京航空航天大學的張萍提出裝配特征是指零件表面上參與裝配活動的區域，主要包括特征名稱、裝配特征坐標系、特征參數（尺寸、方向等） [2]。

為了滿足自動化裝配的需要，本文采用孫文等人對裝配特征的定義：

裝配特征是反映幾何元素、配合類型、裝配操作方式以及反映裝配關系的所有裝配輔助信息的信息集合[3]。其數學形式描述如下：

AF={GM∪MA∪AO∪AI}。

其中AF為裝配特征；GM為幾何元素；MA為配合類型；AO為裝配操作方式；AI為與裝配有關的裝配輔助信息。

由于本文研究的重點是裝配過程中的幾何元素和配合關系，因此將該裝配特征定義進行簡化，簡化后的數學形式如下：

AF={GM∪MA }。

2螺栓連接件的裝配特征分析

螺栓連接件包括螺栓和螺母，在工程中應用廣泛。

螺栓和螺母的裝配特征幾何元素如圖1所示，其中1為螺栓軸線，2為螺栓下端面，3為螺母軸線，4為螺母上端面。在裝配過程中螺母上的內螺紋與螺栓的外螺紋相配合，裝配特征幾何元素取螺栓軸線和螺母軸線，配合類型為對齊（align），即1與3應對齊，裝配特征AF={螺栓軸線∪螺母軸線∪對齊}。除此之外，螺栓下端面與螺母上端面應按規定擰緊到固定值，本文中該值為16.5mm，即2與4面的配合類型采用距離約束，且distance=19，裝配特征幾何元素分別為螺栓下端面和螺母上端面，裝配特征AF={螺栓下端面∪螺母上端面∪距離}。由以上兩對裝配約束關系即可完成螺栓與螺母的完全裝配。

3螺栓連接件自動裝配的實現

基于裝配特征的零部件自動化裝配方法就是預先定義待裝配零部件的裝配特征，然后在UG中由程序調用裝配零部件的幾何元素和配合關系，將裝配約束施加給裝配幾何元素并對約束進行求解完成零件的自動化裝配。

（1）裝配特征命名

裝配特征名是零件在裝配過程中的唯一標識。在建立了螺栓和螺母的零件模型后，需要對裝配特征幾何元素進行裝配特征命名。螺母上端面的特征命名如圖2所示。

本文中，對裝配特征的幾何元素螺栓軸線、螺栓下端面、螺母軸線、螺母上端面分別命名為：LUOSUAN_AXIS、LS_DUANM、LUOMU_AXIS、LUOMU_DUANM。

（2）自動裝配的實現

UG中，自動化裝配過程通常由三部分組成：部件的導入、部件間配合關系的創建以及裝配約束的求解和執行。在本文中，部件的導入由函數UF_ASSEM_add_part_to_assembly（ ）來實現。

在自動化裝配中，各部件間的配合關系是通過裝配約束的創建來實現的。裝配約束是指一個部件到另一個部件的約束，當部件A配合到部件B，則部件A稱為主動件（From），部件B稱為被動件（To）。本文將螺栓設為裝配被動件，螺母設為裝配主動件。

本文建立部件間裝配約束的步驟如下：

1）定義裝配約束：即定義結構UF_ASSEM_constraint_s中的內容。

2）求解約束：使用函數UF_ ASSEM_solve_mc求解約束。

3）應用約束到裝配體：使用函數UF_ ASSEM_Apply_mc_data將約束施加到裝配體上；

4）更新模型：使用函數UF_MODL_update更新裝配后的模型。

在裝配約束創建完畢后，對約束進行求解，并執行約束即可完成螺栓連接件的自動化裝配。

此外，本文通過UG Open中的開發工具UI Styler開發了螺栓連接件裝配界面，如圖3所示。在裝配時首先點擊“添加螺栓和螺母”按鈕，導入待裝配零件模型；然后通過點擊“自動裝配按鈕”即可實現螺栓連接件的自動裝配。圖4為螺栓和螺母裝配后的效果圖。

4.結語

本文針對傳統裝配方法的不足，提出了基于裝配特征的零部件自動化裝配新方法，并以螺栓連接件的自動化裝配為例驗證了該方法的可行性。本文的研究有效的提高了螺栓連接件的裝配效率，減輕了設計者的工作強度，并且使得裝配后的模型易于修改，為其他裝配系統的開發提供了參考。

參考文獻：

[1] 李天信. 基于裝配特征的快速裝配仿真技術研究及應用[D].西安電子科技大學，2006.

[2] 張萍，廖文和，劉長毅. 基于裝配特征的零件自動裝配[J]. 機械制造與自動化，2004，05：93-95+99.

[3] 孫文，周惠群，趙小東. 基于裝配特征的虛擬自動裝配的研究和表達方法的描述[J]. 科學技術與工程，2006，15：2350-2353.

作者簡介：鄒東文（1988-11-4）男，漢族，湖北宜昌人，碩士研究生 主要從事汽車專業教學研究.

向俊輝 （1991-05-20）女，土家族，湖北宜昌人，護師，本科，主要從事醫學研究.