在proe中自動生成零件拆卸優先約束矩陣

2013-05-25 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

拆卸優先約束矩陣為建立產品的拆卸層次信息圖模型提供了基礎信息,保證了拆卸序列規劃結果的正確性和有效性。在proe中用C語言完成了零件拆卸優先約束矩陣自動生成的二次開發,包括模型調入和預處理、簡單拆卸路徑生成和包容盒逐級分解的干涉檢驗等3個模塊。解決了自動判別節點可拆卸性的關鍵問題,為機電產品基于拆卸層次信息圖建模的自動化提供了有力的支持。
薛俊芳邱長華向東來源:萬方數據
關鍵字:計算機應用拆卸優先約束矩陣干涉檢驗拆卸層次信息

隨著環境意識與資源意識的逐步提高,機電產品的綠色設計越來越受到人們的重視,其核心思想是在產品設計階段就考慮產品使用后的回收處理問題,把生命周期末端可能遇到的問題在設計中予以解決,將傳統的產品生命周期的開環模式轉化為閉環模式。拆卸是實現產品生命周期封閉性和完整性的必要環節,產品的拆卸序列是從產品中拆卸各零部件的先后順序。目前,對產品拆卸序列規劃的研究普遍采用基于圖的建模方法,并輔以方案的尋優算法。對拆卸操作進行可行性判斷是保證拆卸序列規劃結果正確、切實可行的唯一途徑。產品中零部件的拆卸優先約束矩陣為拆卸層次信息圖模型中節點的構建提供基礎信息,從產品CAD模型中自動提取這一信息是實現自動建模的條件。

1 拆卸優先約束關系

1.1拆卸優先約束矩陣

約束是零部件之間的空間制約關系及其相關性的反應,零件的拆卸優先約束關系指的是,若產品中零件i對零件j的拆卸形成空間制約關系,則零件i的拆卸優先于零件j。如機電產品中常見的各種螺紋連接就是在其相關零部件之間產生的一種優先約束關系。約束關系包括直接接觸約束和非接觸約束。
產品中零件的拆卸優先約束關系可用優先約束矩陣RN*N =[rij]來表示,N為產品中零件的數量,rij表示第j個零件對第i個零件的約束情況,其取值為0或1,如果rij =1表示第j個零件需要在第i個零件之前拆卸,rij =0表示第i個零件的拆卸不受第j個零件是否拆卸的制約。當i=j時,規定rij =0。圖1所示某空調室外機風機部件的拆卸優先約束矩陣為

在proe中自動生成零件拆卸優先約束矩陣+項目圖片圖片1

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1.2拆卸層次信息圖

拆卸層次信息圖模型是機電產品拆卸序列規劃過程中采用的一種建模方法,為一個非負值的簡單加權有向圖(見圖2)。圖中的節點代表產品中的零部件,有向邊代表所聯系的節點零件的拆卸先后意圖,加在邊上的權值ω由相應拆卸操作的綜合指標值確定。如果拆卸意圖在實際拆卸過程中可以得到實現,那么這樣的邊就稱為可拆卸邊,所聯系的節點的可拆卸性標識為"True";否則,稱為不可拆卸邊,下層節點的可拆卸性標識為"False".所有可拆卸性標識為"True"的節點和邊構成產品的拆卸層次信息圖。
以圖1所示的產品為例,其拆卸層次信息圖(圖中所有節點和邊都是可拆卸的,因此省略"True"標識)如圖2所示。拆卸層次信息圖模型表達了產品所有可行的拆卸序列(方案),從圖2可以看出,該產品有3條可行的拆卸序列。

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需要說明的是,如果產品中元件比較多時,拆卸層次信息圖會比較復雜,此時可作如下的簡化處理:
(1)結構復雜的產品采用多層迭代處理方式。對于較為復雜的產品,可將產品劃分為幾個子拆卸體,子拆卸體被視為一個元件來處理,以此構建產品的拆卸層次信息圖進行拆卸序列規劃。產品級的拆卸序列規劃完成后,再導入子拆卸體進行規劃,從而通過一個層進的迭代方式來實現對復雜產品的完整拆卸序列規劃過程。
(2)消除復雜產品中的連接件。對于較為復雜的產品,為了簡化產品的模型,可以從產品模型中移除一些基本的連接件,如螺釘、螺母等。通過這樣的處理方式,對簡化產品模型后得到的拆卸方案,同樣適用于原產品的拆卸序列規劃,產品中元件的拆卸操作就代表了"移除連接件十拆卸元件"。這種方法比較符合實際應用中的情況,同時也有助于簡化拆卸序列規劃平臺的計算復雜性。

2節點可拆卸性判定

設待拆卸的零件節點為i,己拆卸的零件集合為Dis={Disassembly},在拆卸優先約束矩陣R中,與Dis集合中元素相對應的行和列自然消失,形成節點1當前的拆卸優先約束矩陣R',根據拆卸優先約束矩陣所表示的具體的物理意義,可以得到以下兩條判別準則:
準則1節點的拆卸可行性判定準則若{Hi}=0,則表示拆卸當前零件i不受其它零件的空間制約,拆卸操作在實際拆卸過程中可以實現,故節點i在當前狀態下的拆卸可行,可拆卸性標識為True;否則,標識為False .
準則2下層組成節點判別準則若節點1的拆卸可行性標識為True,則Dis=Dis∪{ i } ,集合Next={j|j不屬于Dis}中的元素組成節點i的下層目標點集合。任取as ∈Next;,節點a、的拆卸可行性標識根據準則1來判定。
所有標識為True的節點組成節點i的下層節點集合Ti,顯然Ti 不屬于 Next;,再下一層節點將從Ti中產生。由此,逐層構建產品的拆卸層次信息圖。

3自動生成拆卸優先約束矩陣

構建拆卸層次信息圖的基礎信息即是拆卸優先約束矩陣。因此,自動生成拆卸優先約束矩陣是實現可拆卸性自動判定、進而實現拆卸規劃過程自動建模的關鍵因素。以proe實體模型為研究對象,利用Prorfoolkit API自動生成產品中零件的拆卸優先約束矩陣。Pro/Toolkit API是proe與外部應用程序之間的接口,它提供了一系列的函數和過程,通過用C語言編程來調用這些函數或過程,能夠對proe模型文件及相應模型進行操作。
所開發的系統包括預處理模塊、拆卸路徑生成模塊和干涉檢查模塊,其工作流程如圖3所示。

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3.1預處理模塊

預處理模塊的工作有:調入產品的proe模型,提取相關零部件信息(包括ID號、配合關系、位姿矩陣等),同時獲得零件列表等。
產品中往往包含數個相同的零件,如圖1所示風機部件中,包含4個相同的自攻螺釘用于連接軸流電機和支架。在產品CAD模型中,相同的零件體現為同一零件的多個實例。建立產品的拆卸層次信息圖時,相同的零件僅用一個節點表示,其拆卸操作的次數等于零件的個數。因此,在預處理模塊刪除同一零件的多個實例,僅保留其中一個進行拆卸優先約束矩陣的自動生成。同時,對于結構復雜的產品,為了簡化產品的模型,應刪除產品中零件之間的連接件,將連接件的類型和數量作為零件之間的連接方式信息。如將圖1中連接軸流電機和支架的4個自攻螺釘刪除,拆卸層次信息圖中的節點數將由18個降為12個,拆卸軸流電機的操作就代表了"松開4個自攻螺釘+拆卸軸流電機"。該文通過零件的文件名來識別和判定連接件。
最后保存預處理后的Fro/E裝配體文件。

3.2拆卸路徑生成模塊

拆卸路徑生成模塊通過分析零件在裝配體中的幾何配合約束,求取零部件的可行拆卸運動方向集,并以其中與產品坐標系或零件坐標系的的軸向重合的方向作為零件的優先拆卸方向。
在proe中,幾何配合約束是在建立裝配體模型的過程中交互定義的,每一約束包括3個方面的信息:約束類型、元件參照元素和基體參照元素。參照元素指元件或基體中直接參與配合的幾何構造元素,包括點、實體邊線、面等,構成這些幾何構造元素的幾何特征參數均可以從Pro1E系統中通過接口函數來提取。裝配元件在目標裝配體內的最終位姿一般由兩個或兩個以上的兒何配合約束確定,對這些約束進行分析組合可以求取元件拆卸運動的參考方向。如對于軸孔插裝的配合約束組合來講,元件的拆卸運動方向必定與基體貼合平面的外法矢一致,因而可唯一確定。
因此,零件拆卸優先約束矩陣反映零件各自沿優先拆卸方向拆卸時受其它零部件的空間制約情況。生成拆卸路徑的主要步驟如下:
    第1步從零件列表中選取一個零件;
    第2步分析該零件的幾何配合約束,求取零件優先拆卸方向d及基體坐標系(局部坐標系)的方向矢量D':
    第3步d←d*D'(將d從局部坐標系轉化為全局坐標系);
    第4步確定該零件的移動距離S和步長疾
此外,將最先裝入產品裝配體模型中的零件稱為基礎件,由于基礎件沒有幾何配合約束,因此其拆卸路徑不能通過以上方法生成。由工程實踐經驗可知,對產品進行拆卸序列規劃時,基礎件通常是最后拆卸的,也就是說,其它零件的拆卸都優先于基礎件。所以,拆卸優先約束矩陣內基礎件i所對應的行中,除Rii=0外,其余元素的值為Rij=1, j≠i.

3.3干涉檢驗模塊

干涉檢驗模塊包括基于包容盒的定性檢驗和精確實體求交的定量檢驗。包容盒是用體積略大而形狀簡單的包圍盒代替復雜的幾何對象進行干涉檢測,通過包容盒間的干涉測試快速排除不干涉的基本幾何形狀對,減少干涉檢查的次數。首先根據包容盒進行相交測試,如果包容盒不相交,則零部件不發生干涉;如果包容盒相交,則進一步根據待檢零部件的精確相交運算來決定兩零件在拆卸過程中是否發生干涉,并以此確定兩零件間是否構成拆卸優先約束關系。干涉檢驗模塊的程序流程圖如圖4所示。

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在自動生成拆卸優先約束矩陣的過程中,還需要對從proe中提取的信息進行存儲和處理,用基于Access的關系型數據庫存儲拆卸過程中的相關信息。

4實例驗證

以某空調室外機為例,對自動生成零件拆卸優先約束矩陣的過程進行有效性驗證。空調室外機共包含115個零部件,其中5個部件(散熱器、電機、電路板、壓縮機和隔板),犯個連接件(螺釘、螺母、墊片等)。
在Visual C++6.0中對C語言編寫的程序進行編譯和鏈接,應用.mak文件生成可執行文件(.exe或d11),并利用.dat文件將其注冊,已生成的可執行文件隨系統啟動,在proe中增加新的菜單"拆卸規劃"。通過菜單〔見圖5)"拆卸規劃"*"模型調入",打開待拆卸產品的裝配模型文件;"預處理"按鈕提取產品中零部件的ID,幾何配合約束及位姿矩陣等信息,消除同一零件多個實例的現象(如通過線性陣列產生的4個FOOT零件),刪除產品中的連接件(拆卸分析時將其作為解除被連接零件的拆卸操作來處理),同時為進一步降低拆卸層次信息圖的復雜性,部件作為整體(充分應用proe中模型存儲的層次結構,逐層細化分解模型)參與優先約束關系的判定,預處理后得到的零部件數量為16個;"可行路徑"按鈕分析零部件的幾何配合約束關系,得出零部件的優先拆卸運動方向;"約束矩陣"按鈕即可采用步進靜態包容盒干涉檢驗的方法生成產品中零部件之間的拆卸優先約束關系,并存儲在數據文件中,同時在消息窗口中顯示(見圖6)。

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