基于拓扑理论的复杂周转轮系的仿真装配技术

摘 要： 本文在拓扑理论的基础上提出面向大型复杂的周转轮系虚拟仿真装配方法，实现了装配流程的计算机自动化开发设计，减少了人多参与度。重点探讨了利用AUTOMATION GATEWAY软件实现PRO/E虚拟环境下的轮系装配数据信息的采集、装配过程的实现及优化设计等方面，最后给出PRO/E下的大型复杂周转轮系的虚拟装配产品的应用实例。

关键词： 拓扑理论 数据采集 自动装配

复杂周转轮系是指轮系结构复杂，装配、生产、调试复杂的产品，如飞机、航天器、船舶、卫星等[1]。此类周转轮系不同于简单周转轮系，产品装配的周期长、装配过程难度大、装配的成本很高[2]。仿真虚拟装配是近年来比较前沿的研究课题，此技术主要依赖数字化建模的方法在三维仿真软件环境下，借助仿真人机交互的软硬件设备在微型机上实现复杂产品的装配操作并可实现产品性能仿真分析、装配过程演示，从而完成对装配工人的工况条件下的装配工艺指导、探索新型产品、仿真分析产品特性、减低生产开发成本，尤其对飞机、卫星等大型产品，因所需资源类型较多、装配难度大、装配精度高等特点，开展基于拓扑理论的复杂周转轮系的虚拟仿真装配技术的研究有重要的理论、实践意义和应用价值。

1.虚拟装配关键技术

不同的虚拟仿真装配过程，因需求不同对装配模型包含的信息要求也是不同的，但通常包含以下两类信息是虚拟仿真装配过程必需的。

（1）拓扑模型信息：拓扑模型是将轮系的太阳轮、行星轮、啮合关系等抽象成为实心点、空心圈、粗/细实现、虚线等，具体说明见参考文献[3]。此拓扑模型是对装配实体信息的抽象，是点、线、约束面、实体之间关系，以便拓扑演化和反演，对新型轮系机构进行组合、拆分探索。

（2）轮系虚拟装配信息：应包含预装配的仿真轮系的元器件、层次结构、和装配约束关系等信息，以便在Pro/E仿真环境下调用相关零件进行产品组装以满足产品的要求。

为了实现复杂轮系的计算机系统的虚拟仿真装配，本文采用拓扑拆分信息提取的方法，即用Visual Basic面向对象软件、Pro/E三维仿真装软件和两个软件的接口软件Automation Gateway 4.0实现软件开发，利用开发的软件界面可以轻松实现绘制需要装配的复杂轮系对应的拓扑模型，软件后台会根据用户绘制过程提取Pro/E三维仿真装配所需要的拓扑信息及装配信息，而后通过提取的信息将其转换成虚拟现实环境所需要的信息，实现人机装配信息的数据交流和采集。图1给出了信息提取转换的流程。

图1 信息转换流程

2.拓扑绘制及信息提取界面的开发

复杂周转轮系的自动装配之所以能够实现，是依据用户所绘制的拓扑图形信息及提取的装配约束关系。因此，如何能在拓扑图与计算机自动装配之间构建起沟通的桥梁十分关键。为此，开发了简单的、易于操作的拓扑图绘制及信息提取平台。在此平台上，用户只需要点击相应按钮就可以完成拓扑映射图的绘制，同时后台可以根据用户绘制的不同的拓扑图，仿真装配出Pro/E下不同的周转轮系。

根据软件的要求及软件要完成的功能，开发出的平台应包含如下模块：

（1）绘制图形模块，应同时包括对图形的修改部分。

（2）图形信息自动提取模块。

本模块可以根据用户绘制的不同的拓扑图，提取出不同的图形信息，这些信息作为形成三维轮系仿真图的重要依据，进而完成一个拓扑图对应一个真实轮系图的一对一映射。

（3）自动装配模块。

本模块要完成两部分功能：①可以将已经绘制完成的拓扑图装配成三维仿真图。②当用户绘制的拓扑图不正确的时候，应该给出相应的提示。开发的初始界面如图2所示：

图2 初始绘图界面

a.图形绘制模块

图形绘制模块由命令控件（Command）和图形框控件（PictureBox）两部分组成。在图形框控件中，首先给出了已经画好的行星轮（4个）、太阳轮（4个）和系杆（3个）的图形符号，这些符号是通过形状控件（Shape）形成的，通过设置形状控件的Shape属性完成不同形状的设置。在行星轮符号的上边、太阳轮及系杆的下边显示字符”T”的位置，放置的是文本框，用来对各符号起标注作用，所有这些控件在程序进入运行状态时，是不显示的。只有用户绘制了相应的图形符号，其对应的文本框才呈现可见状态。

b.信息提取模块

信息提取模块可以根据用户绘制的不同拓扑映图，提取出相应的重要参数，为其后计算机自动完成轮系的装配工作打下基础。此模块中，提取出了用户绘制的拓扑的行星轮、太阳轮的个数及直线的条数。另外直线的宽度及类型等信息的提取已在图形的修改部分给出。

c.自动装配模块

自动装配模块有两个命令按钮组成，分别是“打开模型”命令按钮和“装配元件”命令按钮。其中“打开模型”命令按钮用来打开当前拓扑图所对应的装配文件，不同的拓扑图对应不同的装配文件，将其作为装配周转轮系的装配载体；命令按钮“装配元件”用来完成周转轮系的自动装配工作，装配流程如图3所示：

图3 装配流程图

3.应用实例

进行了Pro/E二次开发，并实现了基于拓扑理论的面向大型复杂周转轮系虚拟仿真装配过程，并在某教学用轮系演示装配过程中得到了应用。图4给出了绘图平台的初始运行界面，图5（a～b）给出了画图过程及信息提取情况，图6（a）给出了自动装配了一部分的装配场景，图6（b）给出了装配完成后的界面情况。

图4 初始运行界面

图5（a） 行星轮绘图及信息提取1

图5（b） 行星轮绘图及信息提取2

图6（a） 装配过程1

图6（b） 装配过程2

4.结论

（1）考虑拓扑模型的工况装配环境，目前的虚拟装配过程并没有考虑真正工况条件，均以零件模型为主，没有考虑工厂的实际加工和装配过程中的零件形状、尺寸的精确要求，这需要后续继续研发，实现产品零件的优化设计，可以在线根据实际要求对零件进行设计和再生。

（2）模型库的建立，目前开发的软件系统仅能实现6中简单和复杂周转轮系的自动装配工作，这对有拓扑模型反演化出的大量的轮系显然是不够的，究其原因在于元器件库中的元器件类型、种类等不够多样，目前暂不能实现多样化设计。

参考文献：

[1]Sankar Jayaram，Hugn IConnacher，et al.Virtual assembly using virtual reality techniques[J].Computer A ided Design，1997，29（8）：575-584.

[2]Liu G H，Yao Y X.Development of a new virtual environment system for assembly[J].Key Eng ineer ing Ma ter ia ls，2006，6：556-560.

[3]史晓影，孟祥丰，王慧武.基于拓扑演化理论的周转轮系综合构型与自动装配[J].机械传动，2014，38（11）：45-48.

渭南师范学院校级自然科学研究项目（14YKP018）。