一种基于多视图的模具装配模型
2017-07-31高进宝
高进宝
（广东省中山市中顺大围工程管理处，广东中山528400）
一种基于多视图的模具装配模型
高进宝
（广东省中山市中顺大围工程管理处，广东中山528400）
为了较完整地构建装配信息，提高装配可扩性，提出了基于多视图的装配模型。该模型从装配元、装配功构和装配关系上出发，分别构建了基于XML的装配元信息视图、基于装配树的功构视图和装配关系视图。三种视图信息交互，促进了信息的全面性与完整性；XML语言及装配树理论的引入实现了装配信息的可扩性。最后以模架导向冲裁模为例验证了该模型在产品装配上具有一定的实用价值。
多视图；装配模型；XML语言；装配树
虚拟装配以产品及其零部件的三维实体模型为基础，借助虚拟现实技术在计算机上仿真装配操作的全过程，进行装配操作及其相关特性的分析，实现产品的装配规划和评价，制定合理的装配方案[1]。
在虚拟装配过程中，装配模型的建立对装配的成功有着重要意义[2-4]。目前在装配模型领域主要有三种类型的模型构建：图模型、层次结构模型和基于虚拟链的混合装配模型[5]。这些模型在一定程度上能较好地解决虚拟装配问题，然而随着产品复杂性的不断增大，单一视图的信息堆砌已无法满足装配信息的完整性以及装配的可扩性要求。例如基于图结构所建立的装配模型主要是同一层次内的装配关系，而忽略了不同层次间的关系；而层次结构模型的构建则弥补了这一缺陷，然而不足的是层次内的装配关系不够直观。基于虚拟链的混合装配模型在一定程度上结合了前两种模型的优点，然而在信息表示及模型构建上由于其庞大的装配信息集中于由单一模型表述，难免会造成信息缺失的问题，而且在信息维护和可扩性方面有所不足。
为了较完整地构建装配信息，提高装配可扩性，本文提出了基于多视图的装配模型。通过整合产品中各个信息的视图，多视图模型完全能实现理想化的信息支持[6]。
1 多视图产品装配模型
视图是指从特定的角度对产品进行抽象，包含了产品在该角度内的全部属性与数据。多视图产品装配模型就是从产品的多个方面出发，实现单个视图的可扩性以及多视图间装配信息交互的模型。该模型综合了所有视图的信息，同时视图间存在着一定的交互关系，从而将多个视图连成一个庞大的信息网，实现信息的完整性与全面性；单个视图的可扩性又在一定程度上满足了信息全面这一要求。
本文通过建立基于XML的装配元信息视图、基于装配树的功构视图和装配关系视图，创建了一个全面的装配信息模型。装配元信息视图的建立是功构视图和装配关系视图的基础，功构视图实现了装配元结构与功能之间的映射关系，而装配关系视图则建立了装配元间的装配约束关系。它们之间的关系是：功构视图架构了装配的层次，装配关系视图定义了层次内装配元间约束关系，而装配元信息视图则承载了每一个装配元的所有信息，三者的关系密不可分。此外，XML语言及装配树理论的引入解决了装配信息的可扩性，为彻底的实现信息全面性提供支持。
2 基于XML的装配元信息视图
装配元信息视图建立的目的在于全面的表示装配元的信息，例如几何信息和物理信息。这些信息的建立应当是独立于装配过程同时具有可扩性的，而信息的全面性与可扩性则为后续的装配关系建立以及装配顺序规划提供了基础数据支持。
2.1 装配元信息
定义1装配元（Element）是模具产品结构中无法再分解的最小单位。
E={Name，ID，Function Style，Geometry Info，Assembly Features，Extending Info}
其中，Name为模具产品的装配元名称；ID为装配元所在模具产品中的代号；Function Style为装配元的功能类型，如定位、支撑、工件等；Geometry Info为装配元所含有的几何信息；Assembly Features为装配元的装配特征，如定位孔、基准面等；Extending Info为装配元的扩展信息。
定义2装配特征（Assembly Features）是指装配元所具有的装配信息。通过对模具产品零部件特点的总结，其装配特征主要有以下7种：定位孔、辅助面、基准面、固定槽、支撑面、外螺纹和内螺纹。
定义3装配元特征标识M={P，Vec，Vxy}
其中P（Point）表示装配特征的中心节点，该节点在定位面或者支撑面上。Vec对于装配特征为平面来说，表示通过中心节点P且垂直所在平面朝向装配方向的方向向量；而对于特征为线来说，则表示沿中心轴线指向待装配方向的方向向量。Vxy表示在xy平面上，通过中心节点且垂直辅助面向外的方向向量，若装配元或装配体中没有辅助面这一特征，则不存在Vxy这一方向向量。如图1所示。
图1 装配元特征标识
2.2 装配元信息视图的建立
装配元信息的建立不仅仅是包含装配元的几何数据、装配特征和其它一些需要的信息，同时它实现了信息数据在计算机中的的易存储、易传递等特点。在CAD到虚拟系统的信息转化传递过程中，容易造成重要信息的丢失，这对顺利实现虚拟环境下的装配不利。因此在装配元信息的建立中应包含以下几点：（1）物理信息例如重量、材料等；（2）几何信息例如尺寸、角度等；（3）功能信息例如装配元的类型、ID等；（4）装配特征信息例如定位面、定位孔、中心点和方向向量等；（5）可扩展信息，该信息通过装配需要的不同，可建立新的信息依据。
采用XML语言对装配元信息实现存储与传递，首先需要定义一个文件类型（DTD）。DTD定义XML文档的基本结构，定义在文档中出现的元素、元素出现的次序、元素间的关系、元素的属性以及其他详细信息。随后可通过XML解析器分析检验文档的有效性，应用程序来识别和处理文档中的数据。
3 基于装配树的功构视图
功能和结构是紧密相连的。功能的实现是建立在单结构或者多结构的功能映射上。功能到结构的映射主要体现在两个方面。第一，功能的映射与结构的层次有关。即功能层次与结构层次应该是一一对应的关系。第二，功能之间的约束关系以与之相应的结构之间的约束关系为基础。
功构视图的建立是以功能与结构间的映射关系为基础的，装配树表征了装配结构，因此要解决的是将装配树与对应功能之间建立起对应关系。单个零件或者多个零件可共同映射出相应功能包括单结构功能映射和多结构功能映射。单结构功能映射是指一个装配元对应一种功能；多结构功能映射则指多个装配元对应一种功能。据此，可建立基于装配树的冲压模具功构视图如图2所示。其中S-F表示单结构功能映射；SS-F表示多结构功能映射。
图2 装配功构视图
4 装配关系视图
装配关系在装配过程中起到了至关重要的作用，通过归纳模具装配中的装配特点，其约束关系主要有以下4种：同轴关系，贴和关系，固定关系和相距关系[7]。同轴关系主要包括内螺纹与外螺纹，轴与轴套之间的连接等，包括同轴内向和同轴外向关系；贴和关系是指模具产品装配元间的共面反向关系；固定关系指通过焊接等方式将两装配元连接的关系；相距关系则表示面与面之间有一定平行距离。
4.1 装配关系特征表示
在装配元信息所提供的装配信息基础上，本文又提供了装配元间的装配特征信息。
定义4装配过程中，不管是节点P位置的改变还是方向向量Vec、Vxy的变化都会引起整个装配元或者装配体的相应变化。以Vec为例，如Vec改变20°那么整个装配元就会相应旋转20°，其他类似。在装配过程中主要产生距离上和方向上的偏差，如图3所示。
图3 同轴装配关系特征
其中p1p2表示装配元E1的中心节点P1与装配元E2的中心节点P2之间的距离；
4.2 装配关系视图建立
装配关系视图的建立主要在于全面的构建一个装配约束关系视图。该视图包括同轴关系、贴和关系、固定关系和相距关系。模具装配中，所有装配元间的装配关系都可相对应地归入某一种关系，同时又根据每一种装配关系本身的特点建立了装配关系特征信息。以装配元间满足同轴装配关系为例，根据装配元的特征标识可生成
再让ε＝（rs，αs，βs）为用户自定义的模具产品装配误差。其中rs为装配的最大允许距离误差；αs为装配的最大允许轴线方向角度误差；R≤ε为装配的最大允许辅助方向角度误差；装配中满足R≤ε，那么装配符合要求。
装配关系视图不仅提供了模具产品各装配元和装配体之间的装配关系，同时在装配特征的基础上融入了装配中心点以及装配方向角等的标识信息，从几何数据出发为后续的虚拟装配提供基础支持。
5 实例分析
以图4所示的模架导向冲裁模为例，分别构建基于XML的装配元信息视图（详见图5）、基于装配树的功构视图（详见图6）和装配关系视图（详见图7）。根据这三个视图，构建一种基于多视图的装配模型，建立一个完整的可扩的装配信息库。
图4 模架导向冲裁模
图5 基于XML的产品装配元信息视图——螺钉
图6 基于装配树的产品装配功构视图
图7 装配关系视图
6 结束语
基于多视图的模具装配模型从装配元构建、装配功构和装配关系上出发，分别构建了基于XML的装配元信息视图、基于装配树的功构视图和装配关系视图。
（1）多视图产品装配模型的建立实现了三个视图间的信息交互，避免了单视图模型的信息缺失，建立了一个完整的可扩的装配模型。
（2）基于XML的装配元信息视图，在装配元信息表示上吸收了XML语言的自由定义优点，满足可扩性要求，为产品功构视图和装配关系视图的建立提供基础支持。
（3）基于装配树的功构视图则直观地描述了模具产品功能结构间的映射关系，同时树的结构能较完整地描述装配信息，避免信息缺失，同时又能加强层次之间的装配关系。
（4）装配关系视图的建立主要实现了层次内装配元间的装配关系，同时在装配特征的基础上融入了装配中心点以及装配方向角等的标识信息，从几何数据出发为后续的虚拟装配提供基础支持。
（5）以模架导向冲裁模为例构建的多视图模型，给出了该模型的构建应用。结果表明，该模型能最大程度地实现装配信息的完整性，避免单视图模型中的信息缺失。
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[5]王波，唐晓青，耿如军．机械产品装配关系建模[J]．北京航空航天大学学报，2010，36（1）：71-76．
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[7]侯文彬，胡平，张红哲，等．模具装配中装配约束的设计与求解[J]．模具工业，2003（6）：14-18.
An Assembly Model Based On Multi-view for Mould
GAO Jin-bao
（Zhongshan City of Guangdong Province Zhongshun Dawei Engineering Management Department，Zhongshan Guangdong 528400，China）
In order to build a complete assembly information，improve assembly scalability，this paper presents an assembly model based on multi-view.According to assembly elements，assembly structure&function and assembly relations，this model builds the assembly information view based on XML，structure&function view based on assembly tree，and assembly relation view，namely.With interaction between three views，the model is more comprehensive.Both XML and assembly tree make assembly information extendable.Finally，an example of Die-oriented mold has been given to demonstrate the practical value of this model.
multi-view；assembly model；XML language；assembly tree
TP391.72
A
1672-545X（2017）06-0034-04
2017-03-01
高进宝（1985-），男，江西吉安人，硕士，助理工程师，研究方向：机电一体化。
