面向虚拟拆装的产品装配模型及其应用

钟振龙，吴纬纬，赵 悦

ZHONG Zhen-long1, WU Wei-wei2, ZHAO Yue2

（1.湖南铁道职业技术学院，株洲 412001； 2.浙江大学，杭州 310027）

0 引言

虚拟装配系统是产品实物模型和装配过程在虚拟环境中的实现，它主要用于机械产品可装配性的验证和机械类专业课程的教学。虚拟装配建模的主要任务是在虚拟环境中建立产品的零件模型和装配约束关系。面向教学课程的虚拟拆装不像面向机械设计的虚拟拆装那样需要精确表达产品零部件之间的装配约束关系，它只需要表达装配次序之间的层次关系，因而对装配模型的要求比较简单[1～3]。

本文针对机械产品的拆装次序及次序表达进行分析讨论，设计了具有拆装次序意义的装配树，保证了产品拆装实验合理正确的设计和执行。该模型具有简单、高效、可靠、适应面广等许多优点，可用于各种装备虚拟拆装，具有广阔应用前景。

1 虚拟拆装的次序分析

现实中的拆装具有一定的安装次序，所有零件安装成产品的次序十分繁琐，抽象出来是一张复杂的数据结构的图，因此建立虚拟产品装配模型前必须对虚拟拆装的基本次序进行分析[4]。

对于零件A和零件B两个零件，其安装的次序有很多种可能，图1列出了虚拟拆装中AB两个零件的几种基本安装次序，如图1所示。

1）A必须安装到B上，即只有B已安装完成才能安装A，A的安装依赖B的已安装状态。由此也可以知道，一串单向箭头链的顶端零件就是可以先装的零件。

图1 虚拟拆装的次序分析

2）A和B可以逆序安装，没有先后次序，AB中任何一个零件的安装都不依赖另一个零件的安装状态。

3）A和B必须安装到C上，只有C已安装完成才能安装A和B。A和B没有直接的安装关系，他们都依赖C的已安装状态。C 完成安装后，可以先安装A，也可以先安装B。

4）A的安装依赖B和C的安装状态，只有B和C都已安装完成才能安装A。

以上分析的是虚拟拆装中最基本的四种拆装次序，实际安装的次序有很多种可能，但是大部分是由以上几种次序衍生出来的，无非是基本次序的复杂再组合。由于现实安装次序千变万化，完全符合现实安装的序列仅仅靠程序设计很难实现。因此，针对模具零件的实际安装情况，研究设计一套符合要求的拆装结构是实现虚拟产品装配模型设计的关键。

2 拆装模型的设计

通过对以上问题的分析，结合UG提供的环境和二次开发技术的功能，本文从UG NX软件的装配导航器入手，对装配树进行研究设计，结合程序设计解决了上述问题。

2.1 a拆装模型的表达

UG NX的装配建模是采用虚拟装配的方式进行的，通过虚拟装配形成的装配树来管理几何体，通过指针链接部件文件。装配部件节点实质上是一个指向零件或子装配的指针集合。

针对面向虚拟拆装技术的产品装配模型的设计需求，结合程序对UG软件装配导航器中的装配树的可读性优势，本文提出“虚节点”的设计思想，形成一棵程序可读的树，并在树中表达装配次序。“虚节点”具有的特定意义包括：

1）虚节点可以是一个零部件的组合，也可以是单个零件；

2）虚节点以下的零件已经全部安装；

3）兄弟零部件都可以无障碍的安装到同级虚节点部件上；

4）只有该虚节点下的所有零件和其子级节点部件全部安装完毕，才能进入该虚节点的父级安装。

根据“虚节点”的定义，图1中虚拟拆装的四种基本次序可以结合“虚节点”表达成如图2所示：

图2中虚线矩形框表示虚节点，vi, i=1, 2, 3,…表示不同的虚节点；实线圆圈表示装配零部件ABC等。

因此，整棵装配树的纵向和横向层次共同作用使得装配树成为了一棵具有装配次序的拆装树。该拆装树被赋予了以下意义：

1）树的纵向深度表达安装次序，即树中的深层零件或节点具有优先安装的属性；

2）利用唯一标记设置第一个优先安装的零件，即每棵树中有且只有一个叶子（零件）具有优先安装标记；

3）树的兄弟节点，表示均可安装，且具有相同的安装地位，不分先后，具有标记的除外。

图2 虚拟拆装的表达

4）具有优先标记的零件所在的分支横向上具有优先安装权；即优先标记是“上传”的，当具有优先标记的叶子（零件）及具有同父的兄弟节点都安装完成后，其优先标记，自动“上传”给其父节点，使其父节点在父节点兄弟中具有优先安装的特性。

图3(b)是虚拟拆装次序实例图3(a)的表达。虚节点v1不存在的时候，A和D处于装配树的统一层，无法确定谁优先安装。加入v1的目的是让A下陷一层优先安装。在本实例中，先安装A，A安装完成后经v1到达v2，此时与v2处于同一层的B和C处于可安装状态。B和C的可安装状态依赖于A的已安装状态，并且B和C没有严格的先后安装次序。B和C安装完成后到达v3，此时v4处于可安装状态，但实际上v4并不存在，所以程序向下搜索v4的子节点，最后到达D。D安装完成后，E再安装到D上，得到v4。最后v4安装到v3上，安装完成。

以上提出的产品装配模型实际上是一个多叉树，而多叉树遍历的时间复杂和空间复杂度如下：

其中n是问题的规模，即实际解决问题时零件加虚节点的总数，T(n)表示时间复杂度，S(n)表示空间复杂度。由此可知，该模型具有线性阶时间复杂度和常数阶空间复杂度，相对于面向机械设计的装配模型而言，具有简单、高效、可靠等优点。

图3 虚拟拆装次序实例

2.2 b拆装模型的实现

拆装模型的实现主要包括拆装次序的实现和零件拆卸设计的实现。拆装次序依然离不开上节中赋予了安装次序的装配树，对装配树的遍历过程便是拆装次序的实现过程。所谓零件拆卸设计，就是在拆卸过程中，需要对每个零部件进行定位操作，使得零部件能够按照设计者的意图安装到指定部位。

零件矢量标识主要用于对应零部件的拆装矢量，因此装配树中的组件名称是实现装配矢量控制的关键。此外，组件名在一定程度上还担任着决定装配方式的功能。整体装配次序是由装配树来控制的，而装配树中同一层的多个零件的拆装方式则是由零件的组件名来控制的。

因此，约定组件名称的命名规则如下：

1）组件名优先以零件的名称来命名，但要保证需要不同矢量的零件的组件名不同。

2）同一安装层次上，即拆装树的横向层次上，需要同时拆装的多个零件分组命名，以两位数字结尾，第一位数字代表“组号” ，第二位数字代表“组件号”，如图4所示。

图4 组建命名规则

其中组号相同的零件代表着统一拆装；组件号为备用位，用来处理相同零件需要不同矢量的情况。例如有16个螺塞（Screw- Pluge）要平均装配在正方体目标零件的四个侧面，需要四个不同方向的矢量。根据螺塞的安装位置，可以将16个螺塞分为四组，每组4个螺塞。此时，设计者仍然有两种设计选择：

1）四组螺塞组号n相同，组件号m不同。即设置四组螺塞的组件名分别为ScrewPluge01、ScrewPluge02、ScrewPluge- 03、ScrewPluge04。这种设计使得螺塞获得四个不同的矢量（m=1，2，3，4），执行一次操作（n=1）。

2）四组螺塞组号n不同。即设置四组螺塞的组件名分别为ScrewPluge01、ScrewPluge12、ScrewPluge23和ScrewPluge- 34。则可以获得四个不同的矢量（m=1，2，3，4），16个螺塞的安装需要操作4次完成（n=0，1，2，3）。

上述两种选择均很好的实现拆装操作，设计者可以自行设计。

图5 模具虚拟实验室应用实例

3 应用实例

基于本产品装配模型，针对模具专业教学资源建设的特点，结合计算机三维交互技术，设计开发出模具结构认知与拆装虚拟实验室，并应用于模具通识、拆装实训等不同类型的课程教学中[5～7]。实践表明，产品装配模型可有效地应用到该系统中。图5为模具结构认知与拆装虚拟实验室的应用实例图。

虚拟实验室不仅可用于模具拆装实训，还可用于各类模具基础或专业课程的辅助教学。同时，该系统还可方便地加载数控机床、电机、发动机等各类机械装备的虚拟拆装，因此是一个通用的、多功能教学平台，有非常广泛的应用前景。

4 结论

针对模具的拆装次序及次序表达进行分析讨论，设计了具有拆装次序意义的装配树，保证了模具拆装实验合理正确的设计和执行。同时，提供演示装配和自主装配实验，并在自主装配中采用自动提醒的方式引导学生正确合理的进行拆装实验。

本文提出的产品装配模型还可用于各种装备虚拟拆装，如电机、发动机、化工设备等，具有广阔应用前景。

[1]Mantyla M.A Modelling System for Top Down Design of Assembly Products[J].IM J.R&D.1990,34(5)：636-639.

[2]Gui J K,et al.Functional Understanding of Assembly Modeling[J].CAD.1994,26(6)：435-451.

[3]宁汝新,郑轶.虚拟装配技术的研究进展及发展趋势[J].中国机械工程,2005,8(16).

[4]周新建.面向设计的集成产品装配模型[J].华东交通大学学报,2000,02.

[5]曾平,马骥,陈言秋.基于CAD软件的"机械设计虚拟实验室"的研究与实现 [J].工程图学学报.2004.1(1)：29-33 .

[6]黄翔,李迎光.UG应用开发教程与实例精解[M].清华大学出版社.2005.

[7]胡晓康.UG NX4运动分析培训教程[M].清华大学出版社.2006.