圆盘破茬装置参数化设计及自动装配技术研究

李　芳，刘海生，白晓虎

(1.辽宁石油化工大学矿业工程学院， 辽宁 抚顺 113001；

2.国家电网内蒙古东部电力有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010020； 3.沈阳农业大学工程学院， 辽宁 沈阳 110866)



圆盘破茬装置参数化设计及自动装配技术研究

李芳1，刘海生2，白晓虎3

(1.辽宁石油化工大学矿业工程学院， 辽宁 抚顺 113001；

2.国家电网内蒙古东部电力有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010020； 3.沈阳农业大学工程学院， 辽宁 沈阳 110866)

摘要：为提高圆盘破茬装置设计效率，简化装配操作，分析了参数化设计关键技术，提出了一种基于坐标系约束的自动装配和批量自动装配技术，研究了约束坐标系的建立方法及自动装配实现的步骤；以VC++6.0为编程语言，以Pro/toolkit提供的底层函数为开发工具，对圆盘破茬装置参数化设计及自动装配工作平台进行了二次开发。实例验证结果表明：模型与程序相结合的参数化设计方法编程简单，能够在Pro/E环境下通过界面操作完成零件设计；基于坐标系约束的自动装配技术不需要进行矩阵运算，每个零件针对与其装配的零件只需要建立一个约束坐标系，用户通过选择装配零件和参照零件上相应的坐标系即可完成装配工作；批量自动装配技术适用于装配体约束坐标系位于同一元件或多个相同元件的情况，多个螺栓或螺母的重复装配可一次操作自动完成。本研究提出的参数化设计方法及自动装配技术适用于破茬装置的系列化设计，有利于减少重复性装配工作。

关键词：参数化设计；自动装配；圆盘破茬装置

参数化设计是采用参数化模型通过调整参数来修改和控制几何形状，从而自动实现产品的精确造型[1]。运用参数化设计技术开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，缩短设计周期，提高设计质量，实现设计的自动化[2]。常用的CAD软件提供的装配模块虽然包含了丰富的约束条件和装配工具，可以实现基于零件或子装配体的装配过程，但其提供的装配功能需要操作者定义零件之间的装配关系和几何约束，影响设计效率，特别是同一零件在一个装配体中需要装配很多次的情况下，装配将是重复性操作非常多的工作[3-4]。因此，开发零件自动装配环境，实现零件自动装配就成为提高设计效率的一个关键问题。韩志强与莫云霞等在开发自动装配模块时采用基准平面为约束参照，采用平面对齐为约束类型，实现了擦窗机的回转机构和机床的自动装配，但在每个零件上需要添加三个互相垂直的基准平面[5-6]；张萍等提出了一种根据零件及其装配特征的参考原点和装配基准面来确定零件移动位置和方向的方法，完成了夹具的快速自动装配，但这种方法需要先指定装配件和装配体相互匹配的装配特征，而且涉及到较为抽象的矩阵运算[7]；甘忠等采用基于装配关系的参数化设计，实现了时效成型模架的自动装配，但这种方法在进行零件设计时需要建立零件间的尺寸变量关联，由装配体整体结构入手，找出零件之间的关联函数关系[8]；闫四玉等将特征建模技术与API(应用程序接口)技术结合起来，完成了注塑模具的自动装配，但该方法需要进行矩阵变换[9]。

圆盘破茬装置是免耕播种机的重要工作部件[10-12]，目前的研究主要集中在破茬机理分析和工作性能试验方面，对破茬装置设计方法和手段的改进研究较少。本研究以圆盘破茬装置为对象，探讨实现参数化设计及自动装配的关键技术，对提高免耕播种机设计效率、缩短产品开发周期具有重要的现实意义。

1参数化设计方法

1.1基于Pro/Toolkit的参数化设计思想

Pro/E软件系统提供的用户化开发工具箱Pro/Toolkit，使用户通过编写C语言程序就能够开发基于Pro/E的应用程序模块，并可以实现外部应用程序与Pro/E系统的无缝集成，扩充Pro/E系统的功能[13]。本研究采用模型与程序相结合的方式来实现参数化设计。利用Pro/E软件的参数化建模功能创建零件的三维模型样板，然后根据零件的设计要求建立可以控制模型形状和大小的设计参数，作为模型与应用程序交换数据的接口。Pro/Toolkit应用程序可以检索出模型样板的设计参数，采用图形用户界面对设计参数进行查询或修改，根据新的设计参数生成新的三维模型。这种方法的优点是编程相对简单，设计程序与零件模型没有相互依赖的关系，一个程序经较小修改或不需修改就可适用于多个模型。

1.2参数化设计实现的关键技术

1.2.1菜单开发系统菜单是用户由Pro/E通用软件进入专用参数化设计系统的窗口。在VC++环境下可直接调用Pro/Toolkit软件包中添加菜单的底层函数，从而添加用户化菜单[14]。本研究中菜单开发的步骤为：① 创建一个信息文本文件，其内容包含菜单及子菜单、按钮的显示信息；② 在菜单栏中创建新菜单；③ 添加按钮命令，就是向Pro/E系统添加和按钮捆绑在一起的新的命令来调用相应的函数；④ 在菜单中添加按钮或子菜单。

1.2.3参数化驱动零件参数化模型样板建立后，要根据设计要求生成新模型，还需要进行参数化驱动。其实现过程如图1所示。

1.2.4标准件数据库构建及接口设计标准件是系列化的零件，同一类型的标准件具有相同的结构。当关键参数确定后，标准件就被唯一地确定了，其它参数都可以通过查表得到。本研究主要对圆盘破茬装置中的螺栓、螺母和轴承建立了标准件库，其中螺栓的关键参数为螺纹直径和公称长度，螺母的关键参数为螺纹直径，轴承的关键参数为轴承代号。采用Microsoft Access来开发数据库，每个数据库由数据表组成，来存放不同类型的标准件信息[17]。

本研究采用基于ODBC(Open Database Connectivity，开放数据库互连)的方式进行Pro/Tookit应用程序与标准件数据库的接口设计，应用程序可通过ODBC API访问不同数据源中的数据，每个不同的数据源类型由一个ODBC驱动程序支持，并与具体的数据库通信，通过对话框显示数据库中的信息供用户选择。例如在螺栓选择对话框中，用户选择关键参数螺纹规格后，可供选择的公称长度系列就显示出来方便用户选取，同时螺栓的其它参数也可以显示出来，供用户设计时参考。当螺纹规格和公称长度选定后，就可以生成零件用于装配。

图1参数化驱动流程

Fig.1Flow diagram of parametrical driving

2基于坐标系约束的自动装配思想及实现

2.1自动装配的定义

虚拟装配是指将创建好的三维零件实体模型在软件中按照实际装配过程装配起来以构成仿真模型。自动装配并不是完全不需要人工参与，而是指在装配过程中尽可能地减少人工参与，大多数装配操作通过程序实现，从而节省操作时间，提高装配效率。

2.2坐标系约束的概念

装配约束是将零部件固定在装配体中的限制条件，即位置约束。通过设置约束关系，可指定装配元件相对于装配体中的另一个元件或基准的放置方式和位置关系，从而使各个元件的配合安装能正确表达设计意图。因此，装配约束关系就成为装配时需要重点考虑和正确设置的内容，占用大量操作时间。

Pro/Toolkit中提供的匹配、对齐、插入、相切等装配约束关系，虽然具有概念简单、直观明了的优点，但是不同零件装配时需要的约束类型和数量都存在很大差别，操作繁琐，容易产生错误。为了提高装配效率，本研究采用坐标系约束作为装配约束关系，只需要将装配零件与参照零件上对应的坐标系重合，就可以使零件处于正确的装配位置。一般情况下，完成一个零件的装配，需要同时满足多种约束条件，操作时需要多次选取约束类型和参照特征。而采用坐标系约束，用户在进行装配时只需选择相应的坐标系即可，不必考虑约束类型以及零件是否处于不完全约束或过度约束，使得零件装配时所需的约束类型和数量得到统一，编程容易，用户交互操作简单。

2.3约束坐标系的建立

表1　各零件上的约束坐标系

2.4自动装配关键步骤及函数

1) 将装配体和装配元件调入内存。使用函数ProMdlRetrieve( )将装配体和装配元件调入内存，并且获得二者的ProMdl句柄。

2) 装配元件初始化。通过函数ProAsmcompAssemble( )将装配元件添加到装配体的某个初始位置，并且得到元件的ProAsmcomp句柄。

3) 分配约束数组。使用函数ProArrayAlloc( )创建一个可扩展数组来保存施加于装配元件上的约束条件，每个约束条件即为数组的一个元素。

4) 创建装配元件上约束坐标系的ProSelection对象。先通过函数ProModelitemByNameInit( )得到约束坐标系的模型项，然后使用函数ProSelectionAlloc( )为模型项创建ProSelection对象。

5) 创建参照元件上约束坐标系的ProSelection对象。通过用户交互直接选择作为约束参照的坐标系，即可获得坐标系的ProSelection对象，实现用户交互选择的函数是ProSelect( )。

6) 创建约束对象。使用ProAsmcompconstraintAlloc( )函数创建一个空的约束对象，然后通过ProAsmcompconstraintTypeSet( )函数设置约束类型，使用ProAsmcompconstraintAsmreferenceSet( )函数设置装配体约束参照，通过ProAsmcompconstraintCompreferenceSet( )函数设置装配元件约束参照。

7) 将约束对象追加到约束数组中。使用ProArrayObjectAdd( )函数将创建的所有约束对象追加到约束数组中。

8) 将约束数组添加到装配元件并且再生模型。通过ProAsmcompConstraintsSet( )函数将装配约束添加到装配元件上，使用函数ProSolidRegenerate( )再生模型。

3批量自动装配技术

3.1装配体约束坐标系位于同一元件

在装配螺栓时，由于轮毂上有多个螺栓孔，采用传统方法进行装配，需要进行多次操作，影响设计效率。本研究采用批量自动装配方法，只需要在零件装配对话框选择螺栓，然后点击确定按钮，即可一次性完成多个螺栓的装配。其基本思想为：在轮毂零件建模时，采用特征阵列工具建立多个与螺栓装配时使用的约束坐标系。将装配体调入内存后，先采用实体特征访问函数来获得装配体中轮毂零件的特征ID和其ProMdl对象，然后采用实体坐标系访问函数来获得轮毂零件上与螺栓装配时使用的坐标系的个数，并将坐标系的ProCsys对象转化为ProSelection对象。在主程序中通过循环多次调入螺栓零件并进行装配，循环次数为通过实体坐标系访问函数获得的坐标系的个数。

3.2装配体约束坐标系位于多个相同元件

向螺栓上装配螺母时，装配体约束坐标系位于多个螺栓上。这种情况下实现螺母自动装配的基本思想为：螺栓建模时建立与螺母装配使用的约束坐标系，当完成螺栓装配后，与螺母装配使用的约束坐标系位于各个螺栓上，而且名称相同。采用实体特征访问函数遍历装配体中的各个元件，当找到螺栓时就将位于其上的与螺母装配使用的约束坐标系转换为ProSelection对象，并记录下螺栓的个数。在主程序中通过循环多次调入螺母零件并进行装配，循环次数为通过实体特征访问函数获得的螺栓的个数。

4应用实例

将VC++6.0集成开发环境与Pro/toolkit提供的底层函数相结合，开发了免耕播种机圆盘破茬装置参数化设计及自动装配工作平台。系统共分三层：人机交互界面层、任务执行层、数据层，如图2所示。

人机交互界面包括用Pro/Toolkit开发的菜单和用VC++开发的对话框。用户可由集成于PRO/E系统的二次开发菜单，选择要设计的零件或进行装配，进入子系统界面。对话框界面可显示和输入零件设计基本参数、显示标准件数据和选择零件装配顺序。可视化的人机交互界面为用户与系统之间的信息交互提供了方便。

任务执行层能够接收用户的操作及输入信息，产生相应的执行动作，完成指定的任务。根据用户选择，在交互界面显示零件的设计参数及结构示意图；判断用户输入数据与设计约束是否冲突，若不合理则显示提示信息；查询数据库，读取并显示标准数据(如轴承内径、外径、宽度，螺栓直径、长度等)，便于用户选择；根据输入参数及选择结果创建零件实体模型；按照用户选择顺序进行零件装配。

数据层用来实现数据查询和模型检索，包括零件模型样板库、标准件数据库和设计约束库。零件模型样板库存放零件的三维实体模型样板，通过Pro/Toolkit函数调用相关模型并进行参数检索。模型库中的模型根据要求设定参数并和相应的几何尺寸通过关系进行绑定，通过参数变化即可实现参数化零件特征驱动。标准件数据库包括轴承、螺栓、螺母等标准件的型号及参数，通过数据库接口实现数据调用。设计约束库包括零件内部的尺寸约束和零件之间的装配关系约束，通过零件建模时创建的关系或二次开发程序来调用，用来保证通过合理的输入参数生成新模型。

图2系统总体结构

Fig.2Overall system structure

图3零件装配对话框

Fig.3Dialog of assembling parts

在图3所示的对话框中选择“螺栓”并单击“确定”按钮，系统自动将6个螺栓一次性装配到轮毂的6个螺栓孔中并正确定位，每装好一个螺栓，左侧模型树中就出现对应的螺栓零件名称BOLT.PRT，螺栓装配完成后破茬装置模型如图5所示。在对话框中选择“螺母”并单击“确定”按钮，系统自动将6个螺母一次性装配到6个螺栓上并正确定位，每装好一个螺母，左侧模型树中就出现对应的螺母零件名称NUT.PRT，螺母装配完成后破茬装置模型如图6所示。

图4选择坐标系界面

Fig.4Interface of coordinate system selection

5结论

1) 针对基于Pro/Toolkit的模型与程序相结合的参数化设计思想，分析了菜单开发、对话框设计、参数化驱动、标准件数据库构建及接口设计等关键技术。

图5　螺栓装配结果

图6螺母装配结果

Fig.6Assembling result of nuts

2) 提出了一种基于坐标系约束的自动装配技术，分析了约束坐标系的建立方法及自动装配实现的步骤。该方法不涉及抽象的矩阵运算，概念简单，每个零件针对与其装配的零件只需要建立一个约束坐标系，减少了零件建模工作量。

3) 提出了一种批量自动装配技术，分别对装配体约束坐标系位于同一元件或多个相同元件的情况进行了研究，适用于螺栓、螺母等标准件通常需要多次装配的情况。

4) 开发了圆盘破茬装置参数化设计及自动装配工作平台，能够在Pro/E环境下通过界面操作完成装置的系列化设计及自动装配，多个螺栓或螺母的装配可以一次操作完成，减少了重复性装配工作。

参 考 文 献：

[1]刘启航，徐亚栋，羊柳.节制杆式制退机参数化设计及优化[J]．火炮发射与控制学报，2013，(4)：49-53．

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[3]刘佶．基于Pro/E的DSG建模与自动装配技术研究[D]．西安：西安理工大学，2008．

[4]魏王申，钟小强，陈开，等．基于Pro/Toolkit的锻压机床装配模型快速设计[J]．计算机工程，2008，34(21)：230-241．

[5]韩志强．基于Pro/E的零件参数化设计及自动装配技术的研究与实现[D]．西安：长安大学，2007．

[6]莫云霞，孙蓓蓓，陈南．机床快速设计系统的参数化自动装配技术研究[J]．精密制造与自动化，2009，(1)：46-49．

[7]张萍，廖文和，刘长毅．基于装配特征的零件自动装配[J]．机械制造与自动化，2004，33(5)：93-95．

[8]甘忠，朱加赞，张磊．基于参数化设计的时效成型模架自动装配技术[J]．兵器材料科学与工程，2011，34(3)：61-64．

[9]闫四玉，辛勇，揭小平，等．基于特征的注塑模具自动装配实现方法[J]．中国塑料，2002，16(5)：72-75．

[10]朱瑞祥，李成鑫，程阳，等．被动式圆盘刀作业性能优化试验[J]．农业工程学报，2014，30(18)：47-54．

[11]王庆杰，李洪文，徐迪娟，等．大垄双行玉米免耕播种技术研究[J]．干旱地区农业研究，2007，25(2)：17-20．

[12]王庆杰，李洪文，徐迪娟，等．新型玉米垄作免耕播种机的研究与试验[J]．干旱地区农业研究，2008，26(6)：249-252．

[13]黄发光，师帅兵，樊荣，等．基于Pro/E 二次开发的植保喷头的参数化设计研究[J]．农机化研究，2014，(9)：130-133．

[14]司爱国，李虎子，梁德义，等．基于Pro/E 二次开发的推土铲参数化模块开发[J]．华北水利水电大学学报，2014，35(1)：81-84．

[15]李新华，闫亮．基于Pro/Toolkit的减速器箱体参数化设计[J]．机械传动，2014，(4)：88-90．

[16]韦超毅，龙致宇，柳节．基于Pro/Toolkit 的低速载货车车厢参数化设计[J]．装备制造技术，2014，(5)：37-40．

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Study on parametric design and automatic assembling technology for disc coulter

LI Fang1, LIU Hai-sheng2, BAI Xiao-hu3

(1.CollegeofMiningEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun,Liaoning113001,China;2.StateGridEastInnerMongoliaElectricPowerCompanyLimited,HuhehaoteNeimenggu010020,China;3.CollegeofEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：In order to increase design efficiency and reduce assemble work of disc coulter, the key technologies of parametric design were analyzed. The technology of automatic assembling and batch automatic assembling based on constraint coordinate system was presented, and the method of building constraint coordinate system and the steps of realizing automatic assembling were also investigated. The VC ++6.0 software and the underlying functions provided by Pro/toolkit were used to develop the parametric design and automatic assembling platform for disc coulter. The authentication results by real cases showed that the programming was easy by the parametric design method that integrated the model and the program. Parts can be designed by interface operation in the environment of Pro/E. The automatic assembling technology based on constraint coordinate system requires no any matrix operation. Every part only needs to establish a constraint coordinate system for the reference part. User can accomplish assembly by selecting the corresponding coordinate systems for the assemble part and the reference part. The batch automatic assembling technology is applicable to two cases that the assembly constraint coordinate systems are on a part or on many same parts. The assembly of multiple bolts or nuts can be automatically finished by one operation. The parametric design and automatic assembling technology may be applied toward a series of design for disc coulter and are beneficial in decreasing the repetitive assemble work.

Keywords:parametric design; automatic assembling; disc coulter

中图分类号：S222

文献标志码：A

作者简介：李芳(1979—)，女，辽宁义县人，讲师，硕士，主要从事农业机械自动化技术研究。 E-mail：happy-lifang@163.com。通信作者：白晓虎(1976—)，男，山西浑源人，讲师，博士，主要从事保护性耕作机具研究。 E-mail：baixiaohu76@sohu.com。

基金项目：辽宁省自然科学基金项目“振动作用下免耕圆盘刀破茬过程减阻机理及功耗研究”(2015020769)

收稿日期：2015-03-20

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.43

文章编号：1000-7601(2016)02-0271-06