在proe中自动生成零件拆卸优先约束矩阵

2013-05-25 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

拆卸优先约束矩阵为建立产品的拆卸层次信息图模型提供了基础信息,保证了拆卸序列规划结果的正确性和有效性。在proe中用C语言完成了零件拆卸优先约束矩阵自动生成的二次开发,包括模型调入和预处理、简单拆卸路径生成和包容盒逐级分解的干涉检验等3个模块。解决了自动判别节点可拆卸性的关键问题,为机电产品基于拆卸层次信息图建模的自动化提供了有力的支持。
薛俊芳邱长华向东来源:万方数据
关键字:计算机应用拆卸优先约束矩阵干涉检验拆卸层次信息

随着环境意识与资源意识的逐步提高,机电产品的绿色设计越来越受到人们的重视,其核心思想是在产品设计阶段就考虑产品使用后的回收处理问题,把生命周期末端可能遇到的问题在设计中予以解决,将传统的产品生命周期的开环模式转化为闭环模式。拆卸是实现产品生命周期封闭性和完整性的必要环节,产品的拆卸序列是从产品中拆卸各零部件的先后顺序。目前,对产品拆卸序列规划的研究普遍采用基于图的建模方法,并辅以方案的寻优算法。对拆卸操作进行可行性判断是保证拆卸序列规划结果正确、切实可行的唯一途径。产品中零部件的拆卸优先约束矩阵为拆卸层次信息图模型中节点的构建提供基础信息,从产品CAD模型中自动提取这一信息是实现自动建模的条件。

1 拆卸优先约束关系

1.1拆卸优先约束矩阵

约束是零部件之间的空间制约关系及其相关性的反应,零件的拆卸优先约束关系指的是,若产品中零件i对零件j的拆卸形成空间制约关系,则零件i的拆卸优先于零件j。如机电产品中常见的各种螺纹连接就是在其相关零部件之间产生的一种优先约束关系。约束关系包括直接接触约束和非接触约束。
产品中零件的拆卸优先约束关系可用优先约束矩阵RN*N =[rij]来表示,N为产品中零件的数量,rij表示第j个零件对第i个零件的约束情况,其取值为0或1,如果rij =1表示第j个零件需要在第i个零件之前拆卸,rij =0表示第i个零件的拆卸不受第j个零件是否拆卸的制约。当i=j时,规定rij =0。图1所示某空调室外机风机部件的拆卸优先约束矩阵为

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1.2拆卸层次信息图

拆卸层次信息图模型是机电产品拆卸序列规划过程中采用的一种建模方法,为一个非负值的简单加权有向图(见图2)。图中的节点代表产品中的零部件,有向边代表所联系的节点零件的拆卸先后意图,加在边上的权值ω由相应拆卸操作的综合指标值确定。如果拆卸意图在实际拆卸过程中可以得到实现,那么这样的边就称为可拆卸边,所联系的节点的可拆卸性标识为"True";否则,称为不可拆卸边,下层节点的可拆卸性标识为"False".所有可拆卸性标识为"True"的节点和边构成产品的拆卸层次信息图。
以图1所示的产品为例,其拆卸层次信息图(图中所有节点和边都是可拆卸的,因此省略"True"标识)如图2所示。拆卸层次信息图模型表达了产品所有可行的拆卸序列(方案),从图2可以看出,该产品有3条可行的拆卸序列。

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需要说明的是,如果产品中元件比较多时,拆卸层次信息图会比较复杂,此时可作如下的简化处理:
(1)结构复杂的产品采用多层迭代处理方式。对于较为复杂的产品,可将产品划分为几个子拆卸体,子拆卸体被视为一个元件来处理,以此构建产品的拆卸层次信息图进行拆卸序列规划。产品级的拆卸序列规划完成后,再导入子拆卸体进行规划,从而通过一个层进的迭代方式来实现对复杂产品的完整拆卸序列规划过程。
(2)消除复杂产品中的连接件。对于较为复杂的产品,为了简化产品的模型,可以从产品模型中移除一些基本的连接件,如螺钉、螺母等。通过这样的处理方式,对简化产品模型后得到的拆卸方案,同样适用于原产品的拆卸序列规划,产品中元件的拆卸操作就代表了"移除连接件十拆卸元件"。这种方法比较符合实际应用中的情况,同时也有助于简化拆卸序列规划平台的计算复杂性。

2节点可拆卸性判定

设待拆卸的零件节点为i,己拆卸的零件集合为Dis={Disassembly},在拆卸优先约束矩阵R中,与Dis集合中元素相对应的行和列自然消失,形成节点1当前的拆卸优先约束矩阵R',根据拆卸优先约束矩阵所表示的具体的物理意义,可以得到以下两条判别准则:
准则1节点的拆卸可行性判定准则若{Hi}=0,则表示拆卸当前零件i不受其它零件的空间制约,拆卸操作在实际拆卸过程中可以实现,故节点i在当前状态下的拆卸可行,可拆卸性标识为True;否则,标识为False .
准则2下层组成节点判别准则若节点1的拆卸可行性标识为True,则Dis=Dis∪{ i } ,集合Next={j|j不属于Dis}中的元素组成节点i的下层目标点集合。任取as ∈Next;,节点a、的拆卸可行性标识根据准则1来判定。
所有标识为True的节点组成节点i的下层节点集合Ti,显然Ti 不属于 Next;,再下一层节点将从Ti中产生。由此,逐层构建产品的拆卸层次信息图。

3自动生成拆卸优先约束矩阵

构建拆卸层次信息图的基础信息即是拆卸优先约束矩阵。因此,自动生成拆卸优先约束矩阵是实现可拆卸性自动判定、进而实现拆卸规划过程自动建模的关键因素。以proe实体模型为研究对象,利用Prorfoolkit API自动生成产品中零件的拆卸优先约束矩阵。Pro/Toolkit API是proe与外部应用程序之间的接口,它提供了一系列的函数和过程,通过用C语言编程来调用这些函数或过程,能够对proe模型文件及相应模型进行操作。
所开发的系统包括预处理模块、拆卸路径生成模块和干涉检查模块,其工作流程如图3所示。

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3.1预处理模块

预处理模块的工作有:调入产品的proe模型,提取相关零部件信息(包括ID号、配合关系、位姿矩阵等),同时获得零件列表等。
产品中往往包含数个相同的零件,如图1所示风机部件中,包含4个相同的自攻螺钉用于连接轴流电机和支架。在产品CAD模型中,相同的零件体现为同一零件的多个实例。建立产品的拆卸层次信息图时,相同的零件仅用一个节点表示,其拆卸操作的次数等于零件的个数。因此,在预处理模块删除同一零件的多个实例,仅保留其中一个进行拆卸优先约束矩阵的自动生成。同时,对于结构复杂的产品,为了简化产品的模型,应删除产品中零件之间的连接件,将连接件的类型和数量作为零件之间的连接方式信息。如将图1中连接轴流电机和支架的4个自攻螺钉删除,拆卸层次信息图中的节点数将由18个降为12个,拆卸轴流电机的操作就代表了"松开4个自攻螺钉+拆卸轴流电机"。该文通过零件的文件名来识别和判定连接件。
最后保存预处理后的Fro/E装配体文件。

3.2拆卸路径生成模块

拆卸路径生成模块通过分析零件在装配体中的几何配合约束,求取零部件的可行拆卸运动方向集,并以其中与产品坐标系或零件坐标系的的轴向重合的方向作为零件的优先拆卸方向。
在proe中,几何配合约束是在建立装配体模型的过程中交互定义的,每一约束包括3个方面的信息:约束类型、元件参照元素和基体参照元素。参照元素指元件或基体中直接参与配合的几何构造元素,包括点、实体边线、面等,构成这些几何构造元素的几何特征参数均可以从Pro1E系统中通过接口函数来提取。装配元件在目标装配体内的最终位姿一般由两个或两个以上的儿何配合约束确定,对这些约束进行分析组合可以求取元件拆卸运动的参考方向。如对于轴孔插装的配合约束组合来讲,元件的拆卸运动方向必定与基体贴合平面的外法矢一致,因而可唯一确定。
因此,零件拆卸优先约束矩阵反映零件各自沿优先拆卸方向拆卸时受其它零部件的空间制约情况。生成拆卸路径的主要步骤如下:
    第1步从零件列表中选取一个零件;
    第2步分析该零件的几何配合约束,求取零件优先拆卸方向d及基体坐标系(局部坐标系)的方向矢量D':
    第3步d←d*D'(将d从局部坐标系转化为全局坐标系);
    第4步确定该零件的移动距离S和步长疾
此外,将最先装入产品装配体模型中的零件称为基础件,由于基础件没有几何配合约束,因此其拆卸路径不能通过以上方法生成。由工程实践经验可知,对产品进行拆卸序列规划时,基础件通常是最后拆卸的,也就是说,其它零件的拆卸都优先于基础件。所以,拆卸优先约束矩阵内基础件i所对应的行中,除Rii=0外,其余元素的值为Rij=1, j≠i.

3.3干涉检验模块

干涉检验模块包括基于包容盒的定性检验和精确实体求交的定量检验。包容盒是用体积略大而形状简单的包围盒代替复杂的几何对象进行干涉检测,通过包容盒间的干涉测试快速排除不干涉的基本几何形状对,减少干涉检查的次数。首先根据包容盒进行相交测试,如果包容盒不相交,则零部件不发生干涉;如果包容盒相交,则进一步根据待检零部件的精确相交运算来决定两零件在拆卸过程中是否发生干涉,并以此确定两零件间是否构成拆卸优先约束关系。干涉检验模块的程序流程图如图4所示。

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在自动生成拆卸优先约束矩阵的过程中,还需要对从proe中提取的信息进行存储和处理,用基于Access的关系型数据库存储拆卸过程中的相关信息。

4实例验证

以某空调室外机为例,对自动生成零件拆卸优先约束矩阵的过程进行有效性验证。空调室外机共包含115个零部件,其中5个部件(散热器、电机、电路板、压缩机和隔板),犯个连接件(螺钉、螺母、垫片等)。
在Visual C++6.0中对C语言编写的程序进行编译和链接,应用.mak文件生成可执行文件(.exe或d11),并利用.dat文件将其注册,已生成的可执行文件随系统启动,在proe中增加新的菜单"拆卸规划"。通过菜单〔见图5)"拆卸规划"*"模型调入",打开待拆卸产品的装配模型文件;"预处理"按钮提取产品中零部件的ID,几何配合约束及位姿矩阵等信息,消除同一零件多个实例的现象(如通过线性阵列产生的4个FOOT零件),删除产品中的连接件(拆卸分析时将其作为解除被连接零件的拆卸操作来处理),同时为进一步降低拆卸层次信息图的复杂性,部件作为整体(充分应用proe中模型存储的层次结构,逐层细化分解模型)参与优先约束关系的判定,预处理后得到的零部件数量为16个;"可行路径"按钮分析零部件的几何配合约束关系,得出零部件的优先拆卸运动方向;"约束矩阵"按钮即可采用步进静态包容盒干涉检验的方法生成产品中零部件之间的拆卸优先约束关系,并存储在数据文件中,同时在消息窗口中显示(见图6)。

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