面向虚拟装配的电气柜物元-关系模型研究

陈玉花,盛步云

(武汉理工大学机电工程学院湖北省数字制造重点实验室，湖北 武汉 430070)

装配信息建模技术是虚拟装配中至关重要的技术，虚拟装配技术对优化产品设计、减少产品物理建模、缩短装配周期、提高装配质量、实现模型资源共享重用有着重要意义[1-2]。在虚拟环境下，这个信息模型不仅要表达清楚零件的各类特征信息，还要表达零件与零件之间的装配关系。目前，在三维CAD中的虚拟装配，主要依靠用户手动添加繁琐的约束关系，并且在装配时一旦出现零件特征形状误差，无法实时地进行改正。因此，建立产品数字化装配信息模型，可以为实现复杂产品智能装配提供有效解决方案。

国内外学者在面向虚拟装配进行装配信息建模和信息提取方面进行了大量的研究。Sanderson等[3]建立了一个由五元组组成的关系模型。Sah等[4]提出了基于产品特征的产品装配信息模型，按照特征分级表示，方便装配信息的提取。张闻雷等[5]建立了中小企业装配设计系统，定义了多层次与多维度的装配集成模型。戴国洪等[6]提出一种基于多视图的装配信息模型，利用不同的向视图表达各种装配信息。

这些研究以不同的方法对产品的装配信息进行了建模，但大致都是传统意义上的层次模型和关系模型。电气柜型号多样，结构多样，这些传统方法不能适应电气柜的多种变换。本文引入的物元-关系模型具有发散性、可拓性、相关性、蕴含性等特性，能够对产品信息进行更好的管理和集成。其中可拓性有置换、增加、删减等多种基本变换形式，能够适应不同需求的电气柜结构。本文分析从电气柜中各个零部件的物元-关系入手，对电气柜的各种信息进行了有序的组织和表达，建立了电气柜物元-关系模型，对虚拟装配提供支持，并进行了实例验证。

1.1 物元和关系元定义

给定事物的名称N，它关于特征c的量值为v,以有序三元组r=(N,c,v)作为描述事物的基本元，称为物元[7],把事物的名称、特征、量值作为物元三要素。v由N和c确定，记作

v=c(N)

(1)

因此物元也可以表示为

r=(N,c,c(N))

(2)

一个事物有多个特征，如果事物N以n个特征c1,c2,…,cn和相应的量值v1,v2,…,vn描述，则n维物元R可表示为

(3)

式中：R=(N,C,V)，C表示各个特征的集合，V表示特征对应量值的集合。

物元与物元之间可能有不同的关系,这些关系之间又相互作用、相互影响，关系元就是描述这类现象的形式化工具。以关系词或关系名S和n个特征ci(Q)以及相应的量值vi构成n维关系元Q：

(4)

当n为1时，称Q为单维关系元。

1.2 电气柜物元-关系模型构建

电气柜的生产特点是多品种、小批量、面向订单型生产制造。根据用户的需求不同，不同型号的电气柜结构形式多种多样。

以电气柜的零件为对象，构建物元模型和关系元模型。物元模型是虚拟装配中该零件的唯一索引，通过该索引可以识别该零件的名称以及该零件在装配体中的基本结构层次信息等。关系元模型则是完整描述零件与零件之间的各种约束关系。根据物元-关系元的概念定义电气柜中零件的物元模型R和关系元模型Q：

(5)

(6)

关系元模型中的前项和后项分别为约束关系中的两个零部件，装配参考元素可以是零件上的点、线、面等。约束类型根据SolidEdge软件的装配约束功能，分为贴合和面对齐关系、轴对齐关系、固定关系、点与点之间的关系、角度约束、齿轮关系、凸轮关系7种类型。

电气柜的物元-关系模型的整体表示如图1所示。

图1 电气柜物元-关系模型

物元-关系模型具有可拓性。如图2所示，各个零件的物元-关系模型通过可拓线联系在一起。

图2 物元-关系模型可拓线

同物同征线或同征同值线相邻两个面上的设计物元具有可替换性。

1.3 物元-关系模型信息提取

在SolidEdge软件中，产品包含的零部件及其层次关系、装配约束关系通过产品特征树来表达[8]。因此，可以采用递归算法对产品特征树进行遍历来获取装配体的各类信息。具体步骤如下：

第一步，遍历产品特征树每一层的根节点，判断此部件是否还有下一层级，如有则根据根节点遍历根节点子级中的各个节点；

第二步，通过每一个节点获得零件模型文档对象，访问该零部件的属性表和变量，获取它的设计参数等信息；

第三步，根据每个零部件文档对象访问特征树中各自的“约束节点”，提取约束的详细信息，包括约束名称、约束类型等；

第四步，将以上提取到的信息保存在数据库中，方便后续进行信息的抽象表达。

基于物元-关系模型的信息模型能够有效保证电气柜产品信息的完整性和一致性，支持信息的共享与集成。通过对模型中的信息进行相应的抽象表达，计算机对抽象信息进行识别，为虚拟装配提供支持，实现模型的调用、组装、替换。

2.1 物元-关系模型信息的抽象表达

抽象表达模型信息是为了使计算机程序能够准确辨识模型中各类信息，捕捉零件在装配体中的位置和装配关系，因此规范化的抽象表达是信息共享的重要前提和基础。信息抽象表达的流程如图3所示。

图3 物元-关系模型的信息抽象表达流程

物元-关系模型中信息采用字母进行抽象表达。以抽屉单元中的塑壳断路器为例，它的零件名称抽象表达为MCCB(塑壳断路器)，它的所属装配体的拓扑层次位置抽象表达为DU(抽屉单元)，它在装配结构树中层次位置抽象表达为TAX(总装配)。塑壳断路器的关系模型的部分抽象表达见表1。

表1 塑壳断路器的关系模型的抽象表达

将这些抽象表达信息标识在数字模型的装配结构树和数据库中，完成物元-关系模型的抽象表达。图4是塑壳断路器的装配参考元素的抽象表达在模型中的具体位置。

图4 塑壳断路器的标识

2.2 模型的调用与组装

基于建立的物元-关系模型以及模型中各类信息的抽象表达，借助人机交互，获取虚拟装配所需要的各类信息。通过获取信息完成模型的调用与组装的具体步骤如下：

第一步，提取零件的物元-关系模型中所有信息的抽象表达；

第二步，对获取的信息进行分析，提取各装配层次的相关装配信息，根据零件物元模型中的元素M、O、P确定各零件的装配层次以及从属关系；

第三步，根据物元模型中的元素X、关系元模型中的元素B和E确定零件之间的约束关系，从低层级的子装配层次开始装配，依据相应的D、E、F完成该装配层次的装配；

第四步，判断目前装配模型是否为总装配，若不是，则返回第三步，若是则结束。

根据以上步骤，获取模型信息进行模型调用组装的流程如图5所示。

图5 模型的调用组装流程

2.3 模型的替换

数字模型的替换是生产装配中必不可少的一个环节，对提高设计效率和缩短产品生产周期有着重要的作用[9]。利用物元-关系模型可以同时对电气柜中多个零部件进行替换，能够大大提高装配替换效率。

通过人机交互界面选择替换零部件，通过分析被替换零部件的拓扑层次以及装配关系，从模型库和数据库中调取相应的零部件替换原模型的零部件，添加相应的装配约束。数字模型的替换流程如图6所示。

图6 数字模型的替换流程

选取某电气公司的产品低压抽屉柜为应用对象，针对其中一层抽屉中的塑壳断路器建立面向虚拟装配的物元-关系模型，提取抽屉的物元信息和关系元信息，完成信息的抽象表达。利用建立的物元-关系模型实现抽屉的调用、组装、替换。

3.1 抽屉的模型结构

如图7所示，图7(a)是8E抽屉-125A-手摇装配的总成装配图，图7(b)是该抽屉的分解示意图，从图中可以清楚地看到每一个零部件在整个抽屉装配体中的位置和姿态。

1—手柄;2—仪表框;3—抽屉底板;4—抽屉右侧板;5—出线母排;6—三级动插件;7—抽屉后板;8—抽屉开关板;9—进线母排;10—电流互感器;11—抽屉左侧板;12—塑壳断路器;13—前上支架;14—手摇机构

3.2 抽屉的物元-关系模型

以抽屉中的塑壳断路器为例，建立物元-关系模型。从图7可以看出，塑壳断路器只隶属于总装配体，即属于总装配层次。它与抽屉开关板、出线母排、进线母排之间分别存在装配约束关系。

塑壳断路器的物元模型：

塑壳断路器的部分关系元模型：

……

3.3 电气柜的信息提取

利用VB.NET对SolidEdge进行二次开发，对SolidEdge当前的活动模型进行自动识别并对特征树进行遍历，将抽屉中的各个零件，以及零件所属的各个层次都按照SolidEdge中的结构树特征展现出来。

在特征树中选择零件塑壳断路器，提取的装配信息如图8所示。

图8 塑壳断路器的装配信息提取

三维模型中各个零件信息的成功提取为建立完整的装配信息模型打下了基础[10]。

3.4 电气柜的调用组装与替换

以8E抽屉-125A-手摇为例，在图9所示的人机交互界面上选择组成该抽屉单元所需要的各类零部件的型号以及部分尺寸参数，利用图10所示关系模型的映射，自动生成图11(a)所示对应的抽屉单元的三维模型，将塑壳断路器型号从TGM1-125M/H替换为TGM1-250M/H后模型如图11(b)所示。

图9 人机交互界面

图10 抽屉关系模型部分抽象表达

图11 抽屉单元模型

实例表明，电气柜的物元-关系模型对于零件替换、组装具有一定的适用性。相比于属性集而言，物元-关系模型具有以下特性：

1)发散性。电气柜的零部件具有多个特征，一个特征为多种零部件所拥有，从物元的要素中选择一个或者多个特征进行发散可以为后续的装配及拆卸序列问题求解提供多种路径。

2)可扩性。零件物元可以与其他零件物元组成新的装配体，从而为解决组装问题提供更多可能性。

3)相关性。零件物元-关系模型中的某些特征值具有函数依赖关系，为后续可拓推理提供依据。

4)蕴含性。零件关系元模型中元素B的存在必然有元素C/D/E/F的存在，为后续可拓推理提供支持。

物元-关系模型表达了复杂多样的产品信息，其中物元模型表达了电气柜的基本信息和层次信息，关系元模型全面、准确地表达了电气柜的装配信息。通过对SolidEdge软件采用二次开发技术，对抽屉的装配树进行遍历算法的研究，实现了对现有模型各类信息的提取,并通过8E抽屉-125A-手摇实例验证了该物元-关系模型对模型的组装、替换的适用性，同时物元-关系模型的可拓推理特性也能够为后续智能设计和装配拆卸序列求解提供技术支持。

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