机电产品零部件自动装配方法研究

摘要： 实现零部件的三维建模与整机装配是建立产品虚拟样机的前提和基础。文章基于Pro/E、Cult 3D等软件，简要介绍了利用布局、骨架模型、二次开发以及虚拟现实技术等实现机电产品零部件自动装配的基本方法和步骤，并对各种方法的特点进行了分析和比较。

Abstract： The three dimensional modeling and assembling of parts is necessary in order to establish product virtual prototype. For the realization of automatic assembly of the mechanical and electrical product parts with Pro/E， Cult 3D software and so on， several approaches based on layout， skeleton model， advanced development and virtual reality technology are briefly described， and some characteristics of the methods are discussed in the paper.

关键词： 机电产品；零部件；自动装配；骨架模型；二次开发

Key words： mechanical and electrical product；parts and components；automatic assembly；skeleton model；advanced development

中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0025-03

0 引言

在工农业生产和日常生活中，人们所熟知的机电产品都是由一些零部件按照一定关系和要求组装而成的。为了提高机电产品零部件的设计质量和整机性能，近些年来，优化设计、虚拟设计、有限元分析、计算机仿真等一些先进的技术方法被广泛应用，而实现零部件的三维建模与整机装配是建立产品虚拟样机的前提和基础。

目前市场上存在的各种三维软件众多，如SolidWorks、UG、CAXA、Pro/E、Cult 3D等。其中，Pro/E具有强大的实体造型、曲面造型、组件装配等功能，还提供了Pro/Toolkit开发工具包，允许用户或第三方通过C语言程序扩充Pro/E系统的功能；而Cult 3D则是一款完全拖放式的虚拟现实开发软件，能够非常方便地展示产品的拆装过程和工作过程。这些都为众多设计者选择不同方法实现产品零部件的三维建模与整机装配提供了方便。

1 基于布局的自动装配

在Pro/E中，布局是用来定义组件的基本要求和约束的，它不是精确比例的绘图，与实际的三维模型几何不相关，从而不必处理大量的或具体的几何信息[1]。具体地说，布局是在“布局”模块下创建的二维概念草图，用于以概念的方式记录、注释零件和组件。例如，在布局中以二维几何图形和图表的形式概念性表示实体模型，并建立其尺寸和位置的参数和关系，便于成员的自动装配。

使用布局的一般思路和操作是：

①创建非参数化二维草绘。可使用几乎与“绘图”模块中相同的草绘工具创建几何。创建的几何可以简单，也可以复杂，根据需要而定。

②设计球标注释。球标注释用来记录布局中设计的元件。

③建立自动装配的全局参照基准。先用布局来建立基准平面、轴、坐标系和点，然后在设计和装配零件时，系统会自动识别对应于布局中所建立的参照基准的存在。

④创建全局尺寸和参数。在布局中创建的全局尺寸和参数，对所有引用该布局的零件、组件进行控制。

⑤列表数据。将参数和关系增加到布局中，一般都使用表格来组织它们。

⑥使用全局关系。通过增加关系，可进一步提高布局控制的灵活性；通过建立全局关系，可以使一个全局尺寸从一个全局值获得其自身值。

⑦将零件链接到布局中。若将一个全局尺寸增加到某个布局中，它应告诉设计者这是一个关键尺寸，应当用在零件的设计中。

⑧声明布局。通过将布局声明到其他布局中，以及将模型（零件和组件）声明到布局中来建立关联，从而通过全局参数和它们的值来交换信息。这样就可实现模型的自动装配，或者为在布局的图表中完成的计算传递参数值。

由此可以看出，布局设计的操作步骤比较繁琐，受设计者的主观意识影响较大；特别是，设计者一旦创建了控制模型几何的布局后，就不能在零件或组件中改变它了。因为在布局中包含着几何的参数、尺寸和特征，只有能够进入布局的用户才能修改这些关键参数，因此限制了这种方法的广泛应用。

2 基于骨架模型的自动装配

在Pro/E中，骨架模型是由一些基准特征和曲面构成的，是组件里的一种特殊零件。设计者可以在不建立零件模型的情况下，先创建一个骨架模型以定义某个组件的3D布局、装配关系和连接关系；然后利用该骨架模型作为参照，将设计信息经骨架结构向下传递，就可以实现组件的快速装配，从而可避免不必要的装配冲突[1]。

利用骨架模型实现组件自动装配的方法步骤是：

①在“零件”模块下，建立一个标准文件，命名为“biaozhun”。这时建立的文件只有默认的基准平面和坐标系，其目的是为后面创建骨架模型提供文件。

②在“组件”模块下，建立一个组件文件，命名为“zhuangpei”。

③点击“创建”按钮，在“元件创建”对话框中选择“骨架模型”和“标准”选项并接受缺省文件名；接下来，在“创建选项”对话框中选择“复制现有”项，通过“浏览”找到并选取“biaozhun.prt”文件，点击“确定”后，即建立了一个名为“ZHUANGPEI_SKEL.PRT”的空元件。

④在“模型树”中选择并打开“ZHUANGPEI_SKEL.PRT”元件文件，利用草绘、基准点、基准轴、基准面等工具完成组件骨架的绘制，标注必要的尺寸；还可以弹出“关系”对话框为绘制的骨架定义关系等。

⑤利用“装配”按钮将元件装配到已建立的骨架模型上。为了使每个所装配的元件与骨架发生关系，必须对每个装配的元件与骨架进行约束装配，其装配方法与普通的元件之间的装配方法相同。

利用骨架模型来装配元件，采用的是自顶向下的设计方法，即先确定组件的整体骨架，后建立所属零件的实际结构模型，最后依据骨架模型完成产品组装。其比较突出的优点是：所有的零件都约束在骨架模型上，各零件之间不存在直接的约束关系，从而降低了组件的装配难度；当用户修改骨架模型时，系统会自动更新相关零件的位置，从而可模拟组件的运动状态。这种方法比较简单，但需要用户自己建立和修改骨架模型，自动化程度比较低；特别是当组件的空间结构以及装配关系、运动状态比较复杂时，建立和修改骨架模型就比较困难。

3 基于二次开发的自动装配

Pro/E软件是一款高端产品，其功能强大、涉及面广，一般技术人员如不经过专门培训则很难灵活使用。因此，近年来已有越来越多的专业技术人员选用VC++等高级语言和Pro/Toolkit工具包对Pro/E进行了二次开发。使用二次开发的应用程序实现产品的三维建模与装配，其实是代替了基于Pro/E的人工建模与装配，可实现建模与装配的程序化、自动化。这无疑要求开发人员必须具有一定的程序设计能力，但对广大用户来说，则能明显提高产品的建模效率、降低零部件的装配难度等，因此具有实际研究与应用价值。

基于VC++集成环境对Pro/E进行二次开发，大致可分为四个步骤[2]：首先，在VC环境下利用向导工具建立dll或exe类型的工程文件，并在工程文件的基本框架中添加各种功能模块；其次，设置相关文件路径、连接所需的库文件、头文件；第三，编译生成用户应用程序；最后，编写注册文件，在Pro/E中完成注册。从开发内容上来说，则需要建立菜单信息文件、菜单源文件、对话框资源文件和注册文件等。

Pro/E是一个参数化的三维设计软件，由其建立的零件模型都是参数化模型。当若干个零件中的尺寸发生改变时，与其相关的零件和组件模型也必须随之发生改变，否则就会因某些零件模型再生失败，或者因零件之间的装配关系遭到破坏而导致无法装配。为此，则必须对零件本身的相关参数以及零件之间的装配关系进行正确定义。

在Pro/E中，每个零件的创建其实就是一系列特征的累积过程，而每一个零件或特征的大小、形状和位置都是由一组尺寸参数来控制的。因此，零件或组件的参数定义都非常重要。一般情况下，应当把零件或组件上一些重要的性能尺寸、配合尺寸和主要的定形定位尺寸作为驱动尺寸参数，而把那些不重要的尺寸作为被驱动尺寸。最最顶级的驱动尺寸参数有一个显著特点，是它直接面向用户，由用户选取或输入，受用户的直接操作和控制，同时还必然对其他某些尺寸参数产生控制和驱动。

根据参数的性质和作用不同，可将参数划分为不同的类型[2]。一类是在设计之前就已确定的原始数据，或者由设计人员根据设计经验和要求选定的数据，称之为已知参数；一类是根据已知参数和各种设计条件通过编制程序计算得到的数据，称之为中间参数；另一类则是为保证零件内部相关几何要素的相对位置或者相关零件之间的装配关系保持不变而施加的一些“约束”和“关系表达式”，由此得到的参数称为约束参数或关系参数。前两种参数均需要通过调用Pro/Toolkit底层函数传递到Pro/E中，能直接控制并驱动模型的再生，后一种参数可直接在Pro/E中定义。三种参数之间具有明显的层次性，从而形成了特定的父子关系，而同一类参数之间则是并列的兄弟关系。因此在建模时，当其中的一个特征或零件被修改而不希望影响到其他特征或零件时，应把尺寸参数定义为兄弟关系，否则应定义为“树状”的父子关系，并避免出现“网状”关系。实践证明，在进行Pro/E二次开发时，只有正确地定义模型中所需的各类参数及其相互关系，才能凭借程序的一系列正确诊断实现产品的自动建模、自动装配。

4 基于虚拟现实的自动装配

虚拟现实是利用计算机技术和多媒体技术等在计算机上营造一个仿真的现实空间环境，用户通过人机交互可对该环境中的对象进行观看、操作和控制，使用户产生身临其境的融入感和参与感。因此，基于虚拟现实的自动装配能够更“真实”地展示产品的结构形状、装配关系和工作原理，对产品的拆装过程和工作过程进行重复仿真。

虚拟现实技术是近些年来的一个研究热点。目前，基于虚拟现实技术的产品开发一般有两种途径。一是基于虚拟建模语言VRML，一是基于虚拟现实软件Cult 3D等。前者是基于节点的文本格式解释性语言，它使用一系列并列或嵌套的节点及其域和域值来映射虚拟对象和现实环境，使用TimeSensor节点和一系列插值节点并结合ROUTE（路由）实现动画效果，使用各种传感器节点实现对象行为的检测和交互控制等[3、4]。而Cult 3D是一种全新的基于JAVA内核的Web3D技术，具有纯软件跨平台的渲染引擎和完全拖放式的程序设计模式。在程序设计时，从Scene Graph窗口选中需要操作的对象，然后在Action窗口中选择要实施的动作，把它们都拖入Event Map窗口，并在Event Map中选择触发该动作的事件。Cult 3D为用户提供了鼠标和键盘两种触发事件，通过预览窗口可以检查动作和事件以及操作对象之间的相互关系[5]。相比之下，使用Cult 3D进行程序设计会更加简单、直观和方便。但两种途径开发的虚拟产品文件都很小，特别适合于网上传输和察看。

基于虚拟现实技术实现产品自动装配的方法步骤是：

①使用三维建模软件，如Pro/E、3DS Max等完成产品零部件的三维建模。

②将已建立的三维模型转换为虚拟开发平台能够识别的格式，如*.wrl或*.c3p等。

③对*.wrl或*.c3p文件进行编辑和修改，主要是需要增加各种背景、材质、贴图、灯光、声音、视频、动作及动画等效果。

④将虚拟产品进行。能够虚拟产品的程序有很多，其中，基于网络的应用较为广泛，但需要编写相应的网页代码。对于Cult 3D产品来说，还必须把*.c3p文件导出为*.co格式，并安装Cult 3D Viewer插件才能在网上浏览。

客观上，基于虚拟现实的自动装配则要求设计者必须具有一定的多媒体技术、网络技术、虚拟现实技术、编程技术等多种技术的研发与应用能力，但这一方法不仅能将多种媒体和效果灵活地集成在一起，便于构建虚拟的真实环境，并允许用户对环境中的对象实施操作和控制，而且产生的虚拟产品文件小、便于网上传输，能够完全脱离其开发环境、实现与播放平台无关，因此而受到越来越多设计与研究人员的青睐。

5 结束语

实现零部件的三维建模与整机装配是建立产品虚拟样机所必需的。尽管目前比较优秀的三维软件已有很多，能够显示产品三维建模与自动装配的技术方法也不少，但寸有所长、尺有所短。因此，用户必须根据自己的设计需求、研发目标和技术实力加以综合比较，择优选用。本文或将在这方面能给广大读者以启发和参考。

参考文献：

[1]黄圣杰，张益三，洪立群编著.Pro/ENGINEER2001高级开发实例[M].北京：电子工业出版社，2002．

[2]马希青等.基于Pro/E的放顶煤液压支架三维CAD.煤矿机械[J].2011（7）：217-219．

[3]张武军，田海，尹旭日编著．VRML虚拟现实技术基础与实践教程[M].北京：冶金工业出版社，2008．

[4]王东，李志荣.3DS Max与VRML在机械产品虚拟设计中的应用.四川理工学院学报[J].2010（2）：231-234．

[5]潘倩，刘子建.基于Web3D技术的机电产品虚拟设计及其应用[J]．机电产品开发与创新，2009（1）：83-84，91．