陳玉花,盛步云
(武漢理工大學機電工程學院湖北省數字制造重點實驗室，湖北 武漢 430070)
裝配信息建模技術是虛擬裝配中至關重要的技術，虛擬裝配技術對優化產品設計、減少產品物理建模、縮短裝配周期、提高裝配質量、實現模型資源共享重用有著重要意義[1-2]。在虛擬環境下，這個信息模型不僅要表達清楚零件的各類特征信息，還要表達零件與零件之間的裝配關系。目前，在三維CAD中的虛擬裝配，主要依靠用戶手動添加繁瑣的約束關系，并且在裝配時一旦出現零件特征形狀誤差，無法實時地進行改正。因此，建立產品數字化裝配信息模型，可以為實現復雜產品智能裝配提供有效解決方案。
國內外學者在面向虛擬裝配進行裝配信息建模和信息提取方面進行了大量的研究。Sanderson等[3]建立了一個由五元組組成的關系模型。Sah等[4]提出了基于產品特征的產品裝配信息模型，按照特征分級表示，方便裝配信息的提取。張聞雷等[5]建立了中小企業裝配設計系統，定義了多層次與多維度的裝配集成模型。戴國洪等[6]提出一種基于多視圖的裝配信息模型，利用不同的向視圖表達各種裝配信息。
這些研究以不同的方法對產品的裝配信息進行了建模，但大致都是傳統意義上的層次模型和關系模型。電氣柜型號多樣，結構多樣，這些傳統方法不能適應電氣柜的多種變換。本文引入的物元-關系模型具有發散性、可拓性、相關性、蘊含性等特性，能夠對產品信息進行更好的管理和集成。其中可拓性有置換、增加、刪減等多種基本變換形式，能夠適應不同需求的電氣柜結構。本文分析從電氣柜中各個零部件的物元-關系入手，對電氣柜的各種信息進行了有序的組織和表達，建立了電氣柜物元-關系模型，對虛擬裝配提供支持，并進行了實例驗證。
1.1 物元和關系元定義
給定事物的名稱N，它關于特征c的量值為v,以有序三元組r=(N,c,v)作為描述事物的基本元，稱為物元[7],把事物的名稱、特征、量值作為物元三要素。v由N和c確定，記作
v=c(N)
(1)
因此物元也可以表示為
r=(N,c,c(N))
(2)
一個事物有多個特征，如果事物N以n個特征c1,c2,…,cn和相應的量值v1,v2,…,vn描述，則n維物元R可表示為
(3)
式中：R=(N,C,V)，C表示各個特征的集合，V表示特征對應量值的集合。
物元與物元之間可能有不同的關系,這些關系之間又相互作用、相互影響，關系元就是描述這類現象的形式化工具。以關系詞或關系名S和n個特征ci(Q)以及相應的量值vi構成n維關系元Q：
(4)
當n為1時，稱Q為單維關系元。
1.2 電氣柜物元-關系模型構建
電氣柜的生產特點是多品種、小批量、面向訂單型生產制造。根據用戶的需求不同，不同型號的電氣柜結構形式多種多樣。
以電氣柜的零件為對象，構建物元模型和關系元模型。物元模型是虛擬裝配中該零件的唯一索引，通過該索引可以識別該零件的名稱以及該零件在裝配體中的基本結構層次信息等。關系元模型則是完整描述零件與零件之間的各種約束關系。根據物元-關系元的概念定義電氣柜中零件的物元模型R和關系元模型Q：
(5)
(6)
關系元模型中的前項和后項分別為約束關系中的兩個零部件，裝配參考元素可以是零件上的點、線、面等。約束類型根據SolidEdge軟件的裝配約束功能，分為貼合和面對齊關系、軸對齊關系、固定關系、點與點之間的關系、角度約束、齒輪關系、凸輪關系7種類型。
電氣柜的物元-關系模型的整體表示如圖1所示。
圖1 電氣柜物元-關系模型
物元-關系模型具有可拓性。如圖2所示，各個零件的物元-關系模型通過可拓線聯系在一起。
圖2 物元-關系模型可拓線
同物同征線或同征同值線相鄰兩個面上的設計物元具有可替換性。
1.3 物元-關系模型信息提取
在SolidEdge軟件中，產品包含的零部件及其層次關系、裝配約束關系通過產品特征樹來表達[8]。因此，可以采用遞歸算法對產品特征樹進行遍歷來獲取裝配體的各類信息。具體步驟如下：
第一步，遍歷產品特征樹每一層的根節點，判斷此部件是否還有下一層級，如有則根據根節點遍歷根節點子級中的各個節點；
第二步，通過每一個節點獲得零件模型文檔對象，訪問該零部件的屬性表和變量，獲取它的設計參數等信息；
第三步，根據每個零部件文檔對象訪問特征樹中各自的“約束節點”，提取約束的詳細信息，包括約束名稱、約束類型等；
第四步，將以上提取到的信息保存在數據庫中，方便后續進行信息的抽象表達。
基于物元-關系模型的信息模型能夠有效保證電氣柜產品信息的完整性和一致性，支持信息的共享與集成。通過對模型中的信息進行相應的抽象表達，計算機對抽象信息進行識別，為虛擬裝配提供支持，實現模型的調用、組裝、替換。
2.1 物元-關系模型信息的抽象表達
抽象表達模型信息是為了使計算機程序能夠準確辨識模型中各類信息，捕捉零件在裝配體中的位置和裝配關系，因此規范化的抽象表達是信息共享的重要前提和基礎。信息抽象表達的流程如圖3所示。
圖3 物元-關系模型的信息抽象表達流程
物元-關系模型中信息采用字母進行抽象表達。以抽屜單元中的塑殼斷路器為例，它的零件名稱抽象表達為MCCB(塑殼斷路器)，它的所屬裝配體的拓撲層次位置抽象表達為DU(抽屜單元)，它在裝配結構樹中層次位置抽象表達為TAX(總裝配)。塑殼斷路器的關系模型的部分抽象表達見表1。
表1 塑殼斷路器的關系模型的抽象表達
將這些抽象表達信息標識在數字模型的裝配結構樹和數據庫中，完成物元-關系模型的抽象表達。圖4是塑殼斷路器的裝配參考元素的抽象表達在模型中的具體位置。
圖4 塑殼斷路器的標識
2.2 模型的調用與組裝
基于建立的物元-關系模型以及模型中各類信息的抽象表達，借助人機交互，獲取虛擬裝配所需要的各類信息。通過獲取信息完成模型的調用與組裝的具體步驟如下：
第一步，提取零件的物元-關系模型中所有信息的抽象表達；
第二步，對獲取的信息進行分析，提取各裝配層次的相關裝配信息，根據零件物元模型中的元素M、O、P確定各零件的裝配層次以及從屬關系；
第三步，根據物元模型中的元素X、關系元模型中的元素B和E確定零件之間的約束關系，從低層級的子裝配層次開始裝配，依據相應的D、E、F完成該裝配層次的裝配；
第四步，判斷目前裝配模型是否為總裝配，若不是，則返回第三步，若是則結束。
根據以上步驟，獲取模型信息進行模型調用組裝的流程如圖5所示。
圖5 模型的調用組裝流程
2.3 模型的替換
數字模型的替換是生產裝配中必不可少的一個環節，對提高設計效率和縮短產品生產周期有著重要的作用[9]。利用物元-關系模型可以同時對電氣柜中多個零部件進行替換，能夠大大提高裝配替換效率。
通過人機交互界面選擇替換零部件，通過分析被替換零部件的拓撲層次以及裝配關系，從模型庫和數據庫中調取相應的零部件替換原模型的零部件，添加相應的裝配約束。數字模型的替換流程如圖6所示。
圖6 數字模型的替換流程
選取某電氣公司的產品低壓抽屜柜為應用對象，針對其中一層抽屜中的塑殼斷路器建立面向虛擬裝配的物元-關系模型，提取抽屜的物元信息和關系元信息，完成信息的抽象表達。利用建立的物元-關系模型實現抽屜的調用、組裝、替換。
3.1 抽屜的模型結構
如圖7所示，圖7(a)是8E抽屜-125A-手搖裝配的總成裝配圖，圖7(b)是該抽屜的分解示意圖，從圖中可以清楚地看到每一個零部件在整個抽屜裝配體中的位置和姿態。
1—手柄;2—儀表框;3—抽屜底板;4—抽屜右側板;5—出線母排;6—三級動插件;7—抽屜后板;8—抽屜開關板;9—進線母排;10—電流互感器;11—抽屜左側板;12—塑殼斷路器;13—前上支架;14—手搖機構
3.2 抽屜的物元-關系模型
以抽屜中的塑殼斷路器為例，建立物元-關系模型。從圖7可以看出，塑殼斷路器只隸屬于總裝配體，即屬于總裝配層次。它與抽屜開關板、出線母排、進線母排之間分別存在裝配約束關系。
塑殼斷路器的物元模型：
塑殼斷路器的部分關系元模型：
……
3.3 電氣柜的信息提取
利用VB.NET對SolidEdge進行二次開發，對SolidEdge當前的活動模型進行自動識別并對特征樹進行遍歷，將抽屜中的各個零件，以及零件所屬的各個層次都按照SolidEdge中的結構樹特征展現出來。
在特征樹中選擇零件塑殼斷路器，提取的裝配信息如圖8所示。
圖8 塑殼斷路器的裝配信息提取
三維模型中各個零件信息的成功提取為建立完整的裝配信息模型打下了基礎[10]。
3.4 電氣柜的調用組裝與替換
以8E抽屜-125A-手搖為例，在圖9所示的人機交互界面上選擇組成該抽屜單元所需要的各類零部件的型號以及部分尺寸參數，利用圖10所示關系模型的映射，自動生成圖11(a)所示對應的抽屜單元的三維模型，將塑殼斷路器型號從TGM1-125M/H替換為TGM1-250M/H后模型如圖11(b)所示。
圖9 人機交互界面
圖10 抽屜關系模型部分抽象表達
圖11 抽屜單元模型
實例表明，電氣柜的物元-關系模型對于零件替換、組裝具有一定的適用性。相比于屬性集而言，物元-關系模型具有以下特性：
1)發散性。電氣柜的零部件具有多個特征，一個特征為多種零部件所擁有，從物元的要素中選擇一個或者多個特征進行發散可以為后續的裝配及拆卸序列問題求解提供多種路徑。
2)可擴性。零件物元可以與其他零件物元組成新的裝配體，從而為解決組裝問題提供更多可能性。
3)相關性。零件物元-關系模型中的某些特征值具有函數依賴關系，為后續可拓推理提供依據。
4)蘊含性。零件關系元模型中元素B的存在必然有元素C/D/E/F的存在，為后續可拓推理提供支持。
物元-關系模型表達了復雜多樣的產品信息，其中物元模型表達了電氣柜的基本信息和層次信息，關系元模型全面、準確地表達了電氣柜的裝配信息。通過對SolidEdge軟件采用二次開發技術，對抽屜的裝配樹進行遍歷算法的研究，實現了對現有模型各類信息的提取,并通過8E抽屜-125A-手搖實例驗證了該物元-關系模型對模型的組裝、替換的適用性，同時物元-關系模型的可拓推理特性也能夠為后續智能設計和裝配拆卸序列求解提供技術支持。
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