簡(jiǎn)介：  提 要　本文主要介紹了在基于Pro/E二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上所開(kāi)發(fā)的一種通用裝配仿真軟件的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)方法和最后的演示結(jié)果及其特點(diǎn)為。 關(guān)鍵詞　Pro/Engineer 　裝配仿真 0引言對(duì)一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，每個(gè)零件的加工工藝較容易制作，因它是 針對(duì)其自身而論的，但對(duì)于一個(gè)很復(fù)雜的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于零件數(shù)目較多，每個(gè)零件的裝配序列就比較難以確定，按照傳統(tǒng)的試湊裝配方關(guān)鍵字：刀具夾具切削銑削車(chē)削機(jī)床測(cè)量

  提 要　本文主要介紹了在基于Pro/E二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上所開(kāi)發(fā)的一種通用裝配仿真軟件的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)方法和最后的演示結(jié)果及其特點(diǎn)為。

關(guān)鍵詞　Pro/Engineer 　裝配仿真

0引言

對(duì)一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，每個(gè)零件的加工工藝較容易制作，因它是 針對(duì)其自身而論的，但對(duì)于一個(gè)很復(fù)雜的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于零件數(shù)目較多，每個(gè)零件的裝配序列就比較難以確定，按照傳統(tǒng)的試湊裝配方法，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，延長(zhǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，有時(shí)甚至根本無(wú)法完成裝配。本文針對(duì)上述問(wèn)題，考慮企業(yè)的實(shí)際情況，不對(duì)產(chǎn)品工藝規(guī)劃的整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃，而是從裝配角度人手，重點(diǎn)解決零部件的裝配序列問(wèn)題。通過(guò)裝配仿真系統(tǒng)模擬虛擬零部件產(chǎn)品的裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)裝配工藝路線規(guī)劃。同時(shí)，這也符合目前制造業(yè)中流行的自頂向下的設(shè)計(jì)模式。即在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先考慮產(chǎn)品的功能及裝配方面的事項(xiàng)，然后才對(duì)組成裝配體的零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并允許零部件設(shè)計(jì)向前期的功能設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)進(jìn)行反饋。同時(shí)對(duì)其裝配過(guò)程進(jìn)行三維仿真，使設(shè)計(jì)人員直觀地看到自己的設(shè)計(jì)結(jié)果，并且可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各部件間的干涉檢驗(yàn)及布局調(diào)整，從而使設(shè)計(jì)人員很方便地實(shí)現(xiàn)這種面向功能和面向裝配的設(shè)計(jì)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行信息反饋。

本文所討論的裝配系統(tǒng)選用Pro/Engineer作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以Pro/Enginee:的二次開(kāi)發(fā)工具Pro/Toolkit為開(kāi)發(fā)工具。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理

首先，我們要先了解一些關(guān)于Pro/E的一些知識(shí)。Pro/E是美國(guó)參數(shù)化技術(shù)公司〔PTC)開(kāi)發(fā)的一個(gè)通用CAD軟件，該軟件集三維模型設(shè)計(jì)、加工、分析及繪圖功能于一體，有強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)能力和第三方軟件的支持。而Pro/Toolkit則是PTC公司為Pro/E軟件提供的用戶化工具箱，該工具箱為用戶程序或第三方軟件提供與Pro/E的無(wú)縫連接。當(dāng)用戶程序或第三方軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)時(shí)，Pro/Toolkit提供一了一個(gè)C函數(shù)庫(kù)，它能夠使用戶或第三方軟件以一種可控制的、安全的方式訪問(wèn)Pro/E的數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序。因此可以說(shuō)Pro/Toolkit是Pro/E應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者們的API.

其次，我們先分析一下目前裝配設(shè)計(jì)研究的現(xiàn)狀。裝配設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，它不但要受零部件設(shè)計(jì)的幾何和功能的影響，而且受制造、裝配過(guò)程以及經(jīng)濟(jì)性的影響。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)必須由富有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)執(zhí)行，由他來(lái)決定裝配的順序、各個(gè)零部件的聯(lián)接關(guān)系、是否采用子裝配體、以及怎樣考慮制造和降低成本等，然后把任務(wù)分配給其它設(shè)計(jì)人員去完成。這一切工作都需要很高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，而完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成裝配規(guī)劃的研究已經(jīng)進(jìn)行多年了，并且很多學(xué)者在這方面取得了很大的成績(jī)與進(jìn)展。但是縱觀整個(gè)裝配規(guī)劃領(lǐng)域，到目前為止還沒(méi)有一個(gè)能夠完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配規(guī)劃的系統(tǒng)。這些基于知識(shí)和規(guī)則的裝配序列生成方法，對(duì)于特定的裝配序列求解比較有效，但實(shí)用面窄，領(lǐng)域知識(shí)的獲取需要較深的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。而目前計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造能力仍無(wú)法與人的創(chuàng)造能力相比擬，同時(shí)人在設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，實(shí)際上就已考慮到裝配和拆卸過(guò)程，對(duì)于總體布局的裝配是很了解的，只不過(guò)有些細(xì)節(jié)部分沒(méi)有把握，需要計(jì)算機(jī)去模擬它的裝配或拆卸過(guò)程來(lái)驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的可靠性，再者，根據(jù)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)情況分析，完全的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作比較少，大部分是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，所以一般用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助完成設(shè)計(jì)裝配過(guò)程。為此，目前的裝配規(guī)劃基本上都是以自動(dòng)裝配規(guī)劃為輔、以計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃為主。本文所介紹的裝配設(shè)計(jì)軟件正是一種人機(jī)交互性非常好的，以便充分利用設(shè)計(jì)者的主動(dòng)性模擬裝配過(guò)程的設(shè)計(jì)軟件。

本軟件中的裝配規(guī)劃采用的方法是拆卸法。拆卸法是裝配規(guī)劃的基本方法，即假定裝配體已經(jīng)裝配好了，再根據(jù)裝配體中零部件的配合關(guān)系，一個(gè)一個(gè)的將它們拆卸下來(lái)。若裝配體的裝配過(guò)程與拆卸過(guò)程互為逆過(guò)程，則裝配順序即為拆卸的逆順序，裝配路徑與拆卸路徑相重合，只是裝配方向與拆卸方向相反。

本系統(tǒng)充分利用了Pro/Engineer中已有的裝配模型如零部件的標(biāo)識(shí)機(jī)制等。因此，本文對(duì)具體的幾何描述不作討論，只對(duì)零部件的組織結(jié)構(gòu)和空間位置的理論和方法進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1.1層次結(jié)構(gòu)及其中的零件的標(biāo)識(shí)方法

人們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，最先想到的不是單個(gè)零件的形狀，而是整個(gè)產(chǎn)品的形狀和它要完成的功能任務(wù)。伴隨著設(shè)計(jì)的深人，整體的形狀空間逐級(jí)劃分，同時(shí)功能也逐級(jí)分解，直到最后不必再分解之時(shí)，再進(jìn)行零件的造型設(shè)計(jì)。用這種面向裝配的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的產(chǎn)品在邏輯結(jié)構(gòu)上就會(huì)呈現(xiàn)出多層次性。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

利用上面的論述，我們可以看出裝配體模型最基本的組成單元是零件、子裝配體以及成品裝配體。如圖1所示的為Pro/Engineer軟件提供的多叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的等級(jí)模式裝配模型示例，圖中樹(shù)的根結(jié)點(diǎn)是成品裝配體，其他所有結(jié)點(diǎn)均為部件。所有的部件結(jié)點(diǎn)又可分為葉結(jié)點(diǎn)和中間結(jié)點(diǎn)，其中葉結(jié)點(diǎn)是不可拆分的零件，而其他的中間結(jié)點(diǎn)則是由概念設(shè)計(jì)所確定的子裝配體。多叉樹(shù)的分支代表從屬關(guān)系，分支只聯(lián)接相鄰的上下兩層結(jié)點(diǎn)，表示下層結(jié)點(diǎn)是上層結(jié)點(diǎn)的組成部件。由此看來(lái)，零件結(jié)點(diǎn)只有父結(jié)點(diǎn)，成品裝配體只有組成部件結(jié)點(diǎn)，而子裝配體結(jié)點(diǎn)既有父結(jié)點(diǎn)又有組成部件結(jié)點(diǎn)。子裝配體的層次結(jié)構(gòu)與成品裝配體是一樣的，這樣遞歸下去就形成了多層次的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)(Assembly Structure Tree)。

另外，Pro/Engineer還提供了一個(gè)封裝的結(jié)構(gòu)體對(duì)象ProAsmcomppath,該對(duì)象是對(duì)多叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的一種數(shù)學(xué)描述。ProAsmcomppath對(duì)象類(lèi)型的變量可作為Pro/E的二次開(kāi)發(fā)模塊ProlTookit的某些函數(shù)的輸人變量，通過(guò)它可對(duì)裝配體中的零部件進(jìn)行編輯操作，并可取出裝配體中零部件的信息。該對(duì)象的定義如下:
　　typedef struct
　　pro_comp_path
　　{
　　ProSolid owner;
　　ProIdTable comp_id_table;
　　int table num;
　　}ProAsmcomppath;

其中，owner-一表示成品裝配體(the root assembly)，即表示多叉樹(shù)結(jié)構(gòu)中的根結(jié)點(diǎn);comp-id-table (the component identifier table)-一為一個(gè)一維數(shù)組，它包含組成多叉樹(shù)的根結(jié)點(diǎn)到該零部件結(jié)點(diǎn)路徑的全局標(biāo)識(shí)信息;table num一一表示該零部件結(jié)點(diǎn)在多叉樹(shù)中位于的層數(shù)，也就是數(shù)組comp-id-table的長(zhǎng)度。在ProAsmcomppath結(jié)構(gòu)中，若table num值設(shè)為。(即多叉樹(shù)中的第。層)，則表示成品裝配體本身(即多叉樹(shù)中的根結(jié)點(diǎn))。

用層次化結(jié)構(gòu)表達(dá)產(chǎn)品對(duì)于可裝配性和可拆卸性檢查有很大的潛在優(yōu)勢(shì)。首先，結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品表達(dá)使復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)規(guī)約化，使復(fù)雜問(wèn)題規(guī)約化為若干個(gè)子問(wèn)題的并集;其次，層次結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)者在概念設(shè)計(jì)過(guò)程中逐步得到的，設(shè)計(jì)者有意無(wú)意地會(huì)按照裝配知識(shí)和慣例來(lái)組織零部件，這樣層次結(jié)構(gòu)本身就隱含了一部分智能性的可行裝配或拆卸序列，可以利用這部分信息，使之成為實(shí)際工程應(yīng)用的可行的裝配和拆卸工藝。

1.2空間位姿信息

零部件在裝配體中總是占據(jù)一定的空間位置，這一空間位置是通過(guò)零部件的空間位姿信息來(lái)描述的。一個(gè)部件的空間位姿信息由兩部分組成:一部分是位置信息(Position)，描述部件的空間位置;另一部分是姿態(tài)信息(Orientation)描述部件的方向。部件的平移是通過(guò)部件的空間位置的改變來(lái)體現(xiàn)的，部件的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)部件的方向的改變來(lái)體現(xiàn)的。在Pro/Engineer中是用4x4階齊次變換矩陣來(lái)表達(dá)零部件的空間位姿信息的，其表示如下:

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

本軟件是在應(yīng)用以上所介紹的基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，利用Pro/E的二次開(kāi)發(fā)工具Pro/Toolkit所研制開(kāi)發(fā)的。其最大的特點(diǎn)就是通用性。這點(diǎn)可以在以下的它的使用方法的介紹上看出來(lái):

首先，在Pro/E平臺(tái)上調(diào)人任意的裝配體模型。事先計(jì)劃好所要選擇的零件或部件及其運(yùn)動(dòng)方向。根據(jù)運(yùn)行方向決定所選的由二次開(kāi)發(fā)所加人的菜單的鍵(這些鍵或?qū)?yīng)于順X方向運(yùn)行，或順Y方向運(yùn)行，或順指定面的法線方向運(yùn)行等)。以后根據(jù)軟件向?qū)нx擇要運(yùn)行的零件或部件。然后根據(jù)軟件向?qū)л斎怂纬蓜?dòng)畫(huà)所需要的幀的數(shù)目(數(shù)目越大，動(dòng)畫(huà)效果越好)，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)交互式界面(如圖2所示)。按下運(yùn)行按鈕，則零件按所選方向運(yùn)行，運(yùn)行到一定步長(zhǎng)停止，當(dāng)然也可以在其停止之前的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)交互式界面來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，這時(shí)此零件則停在新的位置。此時(shí)可選擇另一個(gè)所需要拆卸的零件了。依次一步步實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝配體的拆卸過(guò)程。而在零件運(yùn)行的過(guò)程中，整個(gè)Pro/E的操作環(huán)境依然是激活的。操作者可以結(jié)合交互式界面的循環(huán)鍵和快捷鍵不斷變化視角來(lái)反復(fù)觀察這個(gè)正在運(yùn)行的零件是否同其他的零部件相干涉。

圖2就是所設(shè)計(jì)的軟件的界面，其中被激活的齒輪就是擬要運(yùn)行的零件。而邊上所顯示的就是控制界面。

Pro/E的二次開(kāi)發(fā)工具Pro/Toolkit事實(shí)上是一系列特定的封裝了特定功能的函數(shù)庫(kù)，利用它們可以很方便的完成上述任務(wù)，其大體步驟如下:首先用ProMdlCurrentGet()函數(shù)來(lái)獲取當(dāng)前模型，然后利用ProSelectQ函數(shù)來(lái)選取將要運(yùn)行的零部件并運(yùn)用相關(guān)函數(shù)獲取此部件的路徑(即其在整個(gè)裝配體中所處的位姿)，最后用ProAsmcomppathTrfGetQ函數(shù)獲取相關(guān)的變換矩陣的初值并根據(jù)不同的要求對(duì)其進(jìn)行變換。在完成以上的工作以后，就可以調(diào)用ProAnimmovieCreate( )等相關(guān)函數(shù)來(lái)生成最終的動(dòng)畫(huà)效果了。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3 技術(shù)特點(diǎn)

我們知道計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，從應(yīng)用角度分類(lèi)，基本上可分為系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)訓(xùn)練與教育等三大類(lèi)。而仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用也對(duì)仿真技術(shù)本身(包括仿真方法和仿真工具)提出了一系列要求，決定了當(dāng)前仿真技術(shù)發(fā)展的主要特征如下:

(1)減少模型開(kāi)發(fā)時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)在上個(gè)世紀(jì)90年代，從用戶提出問(wèn)題到建立好仿真模型，并把它放到計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算所需要的時(shí)間(稱(chēng)為建模導(dǎo)前時(shí)間)大約需要幾周或幾個(gè)月，建模導(dǎo)前時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致新思想與新方案價(jià)值下降，競(jìng)爭(zhēng)力減弱。但是現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)工作的時(shí)間已經(jīng)明顯減少了;

(2)改善通訊界面，包括人與人之間的界面和人與計(jì)算機(jī)之間的界面。為了成功完成任務(wù)，要求仿真軟件或仿真器能夠提供一個(gè)十分友好的人與人之間及人與計(jì)算機(jī)之間的通訊界面，并要求研究模型統(tǒng)一描述形式、圖形輸人與動(dòng)畫(huà)輸出、仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析等。

(3)提高仿真精度和仿真效率，降低仿真費(fèi)用。提高仿真精度包括提高模型建立的精度及提高實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的精度。

而本軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程也正是符合了以上三點(diǎn)特征的。具體表現(xiàn)如下:

(1)在裝配仿真系統(tǒng)研究中，研究并實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互式進(jìn)行裝配序列與路徑的規(guī)劃，使裝配規(guī)劃更能表達(dá)用戶的設(shè)計(jì)意圖。由于所選擇零件的任意性，所以可以仿真任意可能的零件裝配線路，便于選擇最優(yōu)路徑。同類(lèi)似的研究相比，這便改善了通訊界面，提高了人機(jī)交互性，降低了仿真所需的時(shí)間;

(2)在本軟件運(yùn)行時(shí)，在進(jìn)行裝配過(guò)程仿真的同時(shí)，由于工作界面始終是處于激活狀態(tài)下的，所以使用者可以不斷應(yīng)用Pro/E的快捷鍵轉(zhuǎn)換視角來(lái)檢視零部件的干涉檢驗(yàn)情況，而且是以動(dòng)畫(huà)的形式演示，盡可能地模擬真實(shí)裝配過(guò)程。這也就增加了仿真的逼真度，同時(shí)與大部分類(lèi)似的研究相比，由于其運(yùn)作起來(lái)后工作界面始終處于激活狀態(tài)下，因此，其靈活性更大;

(3)使專(zhuān)用產(chǎn)品仿真系統(tǒng)改變?yōu)橥ㄓ醚b配仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有的裝配體進(jìn)行裝配過(guò)程仿真，實(shí)現(xiàn)了裝配仿真的通用性。而且，其運(yùn)作起來(lái)不需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的變量，而且運(yùn)行不同的裝配過(guò)程也不顯生硬。整個(gè)軟件的使用過(guò)程非常方便簡(jiǎn)單。

4結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了基于Pro/E二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的通用裝配仿真軟件的研究過(guò)程，并用大量的筆墨介紹了其原理、應(yīng)用范圍及其特點(diǎn)。由于本文主要研究的是裝配仿真過(guò)程。所以沒(méi)有提及其他領(lǐng)域。然而，根據(jù)以上的論述，可以看出利用同樣的技術(shù)是完全可以在其他領(lǐng)域有所建樹(shù)的。例如教學(xué)軟件等。

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