（机械制造及其自动化专业论文）基于proe平台的虚拟装配技术研究.pdf

摘要 作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界 的广泛关注。通过建立产品数字化装配模型，能够方便地对产品的装配过程进行 模拟与分析、预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配干涉与缺陷，并将这些 装配信息反馈给设计人员，大大缩短产品开发周期以降低生产成本，提高产品在 市场中的竞争力。而目前的虚拟装配技术仍处于起步阶段，有待进一步深入研究。 本论文就是基于通用的商品化c a d 软件p r o e n g i n e e r 平台，针对虚拟装配的关键 技术进行研究。 首先，本文在装配模型中引入装配特征概念，给出装配特征定义及表达方法， 通过装配特征库的建立及装配特征识别的方法将装配特征引入c a d 系统，其中核 心内容是基于属性邻接图的装配特征识别。而装配特征识别的基石是属性邻接图 的匹配，其实质是分析零件模型的属性邻接图并提取出可能存在特征的子图，将 子图与已保存的装配特征属性邻接图进行对比，经过装配特征识别得到零件的归 一化定义。 其次，介绍了装配语义的概念，明确了装配操作向装配语义映射的条件。通 过装配语义约束分解和约束驱动，将装配语义从语言意义转变成计算机可处理的 具体信息。装配语义更符合设计师的思维、表达习惯，一定程度上提高了装配效 率。 最后，在c a d 软件p r o e n g i n e e r 中引入语音系统。通过了解语音开发工具包 的现状，选定微软公司的s p e e c hs d k 作为本文语音模块的开发工具。并研究分析 了s p e e c hs d k 实现语音合成、语音识别的主要接口以及用户自定义字典使用的x m l 语言在s p e e c hs d k 中的应用，提出了语音模块实现的具体流程及实现集成语音系 统于虚拟装配的关键技术。 关键词：装配特征识别装配语义语音系统虚拟装配 a b s t r a c t a so n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o rv i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，v i r t u a la s s e m b l i n g t e c h n o l o g yh a sd r a w nw i d ea t t e n t i o ni na c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc i r c l e si nr e c e n ty e a r s i no r d e rt os h o r t e nt h ep e r i o do fp r o d u c td e v e l o p m e n t , r e d u c ep r o d u c t i o nc o s ta n d e n h a n c em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s ，t h ec o n s t r u c t e da s s e m b l ym o d e l i n go fd i g i t a lp r o d u c t s p r o v i d e sc o n v e n i e n c ef o rt h es i m u l a t i o n , a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o no fp r o d u c t s a s s e m b l y p e r f o r m a n c ed u r i n ga s s e m b l yp r o c e s s ，f i n d sp o t e n t i a la s s e m b l yi n t e r f e r e n c ea n dd e f e c t , a n dg i v e sd e s i g n e r st h ef e e d b a c ko fa s s e m b l yi n f o r m a t i o n h o w e v e r , v i r t u a la s s e m b l i n g t e c h n o l o g yi s s t i l l a ts t a r t i n gs t a g ea n dn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h ek e y t e c h n o l o g yo fv i r t u a la s s e m b l i n gi s s t u d i e db a s e do nt h ec o m m e r c i a lc a ds o f t w a r e p r o e n g i n e e r f i r s t l y , a s s e m b l yf e a t u r e sa n dt h e i re x p r e s s i o n sa r ei n t r o d u c e di na s s e m b l ym o d e l t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fa s s e m b l yf e a t u r el i b r a r ya n dt h em e t h o do fa s s e m b l y f e a t u r er e c o g n i t i o n , a s s e m b l yf e a t u r e sa r ei n t r o d u c e dt oc a ds y s t e m , a n dt h ek e yi s a s s e m b l yf e a t u r er e c o g n i t i o nb a s e do na t t r i b u t ea d j a c e n tg r a p h a sab a s i so ff e a t u r e r e c o g n i t i o n , t h ee s s e n c eo ft h em a t c h i n gf o ra t t r i b u t ea d j a c e n tg r a p hi st h ea n a l y s i so f a t t r i b u t e a d j a c e n tg r a p hf o rp a r t s m o d e l ，t h ee x t r a c t i o n o ff e a t u r e s s u b g r a p h , t h e c o m p a r i s o no ft h es u b g r a p ha n dc o n s e r v e d a t t r i b u t ea d j a c e n tg r a p h , a n dp a r t s n o r m a l i z e dd e f i n i t i o nt h r o u g ha s s e m b l yf e a t u r er e c o g n i t i o n s e c o n d l y , a s s e m b l ys e m a n t i c s a r ep r o p o s e da n dt h em a p p i n gc o n d i t i o n so f a s s e m b l yo p e r a t i o n sa n da s s e m b l ys e m a n t i c sa r em a d ec l e a r t h r o u g ht h ec o n s t r a i n t d e c o m p o s i t i o na n dc o n s t r a i n td r i v e no fa s s e m b l ys e m a n t i c s ，t h el a n g u a g em e a n i n g so f a s s e m b l ys e m a n t i c sa r et r a n s f o r m e di n t os p e c i f i ci n f o r m a t i o nw h i c hc a nb ep r o c e s s e d b yc o m p u t e r s a s s e m b l ys e m a n t i c sa r em o r es u i t a b l et ot h i n k i n ga n dc o m m u n i c a t i v e h a b i t so fd e s i g n e r s ，a n di m p r o v ea s s e m b l i n ge f f i c i e n c yi ns o m ed e g r e e a tl a s t , t h ep h o n e t i cs y s t e mi si n t r o d u c e di nc a ds o f t w a r ep r o e n g i n e e r t h r o u g h t h er e s e a r c ho ft h es t a t ef o rs p e e c hd e v e l o p m e n tt o o l k i t ，s p e e c hs d kd e v e l o p e db y m i c r o s o f tc o r p o r a t i o ni sc h o s e na sd e v e l o p m e n tt o o lo fs p e e c hm o d u l ei nt h i sp a p e r t h em a i ni n t e r f a c ew h i c hi ss p e e c hs y n t h e s i sa n ds p e e c hr e c o g n i t i o nr e a l i z e db ys p e e c h s d k , x m ll a n g u a g eu s e di nu s e r - d e f m e dd i c t i o n a r ya r ea n a l y z e d ，a n dt h ei d i o g r a p h i c f l o wa n dk e yt e c h n o l o g i e sw h i c hi sr e a l i z e db ys p e e c hm o d u l e k e y w o r d ：a s s e m b l yf e a t u r er e c o g n i t i o na s s e m b l ys e m a n t i c v o i c es y s t e mv i r t u a la s s e m b l y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 据统计，在产品的生产过程中，占产品生产制造总工时4 0 一6 0 的时间以及 大约1 3 的人力被用于产品的装配过程，装配成本占生产总成本的5 0 左右。可以 断言，在竞争日趋激烈的机械制造业中，装配设计是产品开发设计过程中最重要 的环节之一。 自2 0 世纪5 0 年代数控机床的发明标志着人类社会进入数字化制造时代起， 数字化设计与制造技术已经经过了半个多世纪的发展，出现了大量如c a d 、c a m 、 n c 等数字化辅助工具。这些数字化辅助工具将传统制造业中的定型化、经验化和 部分量化逐步转向全面数字化、定量化与规则化，全面提升了产品设计和加工制 造过程，减少经验判断带来的缺陷和不足【l 】。目前，以计算机技术为基础的数字化 设计与制造正成为新一代信息技术与制造技术结合的主要研究方向，它在更深层 次上渗透和改造传统制造业，成为提高企业和企业产品竞争力的重要手段【2 j 。 由此，装配设计技术已成为数字化设计与制造领域研究的关键技术。在计算 机辅助下，单个零件的设计、生产、管理等过程都已实现了自动化、集成化，产 品设计的各个环节都得到了长足的进步。然而，关系到最终产品性能的重要因素 “装配 却一直是相对薄弱的环节，主要表现在：( 1 ) 因为产品装配和维护问题固 有的复杂性，依靠传统的计算机手段很难在设计的早期阶段就对装配和维护相关 的问题做出准确的分析。( 2 ) 装配设计在很大程度上依赖于设计人员的知识与经 验，自动化程度不高。这些都使得产品装配问题成为数字化设计与制造技术的“瓶 颈 ，引起国内外学者的广泛重视。 数字化设计与制造技术的发展与应用为企业产品开发带来了新的推动力1 3 j ，这 种新动力在产品装配设计领域的表现即是虚拟装配( v l r t u a l a s s e m b l y ，v a ) 技术。 自2 0 世纪9 0 年代起，以美国为首的学者就开始了虚拟装配技术的研究【4 j 。虚拟装 配是虚拟制造的核心关键技术之一，它是多种技术的综合利用，如可视化技术、 仿真技术、决策理论、装配和制造过程的研究等。其概念在不同文献中有多种描 述。一种常见的表达是：无需产品或支撑过程的物理实现，只需通过分析、先验模 型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助进行与装配有关的 工程决策【5 1 。在运用计算机技术构建的逼真虚拟环境中，可以通过对产品的装配过 程进行仿真模拟，以便更快捷地发现问题，纠正错误。同时装配过程中无实物产 2 基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 生的消耗，可节省生产开销，降低产品开发成本。 综上所述，对虚拟装配技术进行深入研究以提高装配效率、缩短产品开发周 期是非常必要和亟需的。 1 2 虚拟装配国内外研究现状 。： 虚拟装配技术是虚拟设计与制造的一个重要组成部分，也是近年来为解决传 统装配问题而研究的热点。伴随着虚拟现实技术与计算机辅助设计、制造的发展， 虚拟装配技术已成为虚拟制造中发展最快的领域之一。虚拟装配的研究可分为三 个方面：虚拟装配环境研究、虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统研究。 虚拟装配环境的研究是基础和前提；虚拟装配关键技术的研究是核心，着重解决 虚拟装配过程中的各项关键使能技术：虚拟装配应用系统则是上述两者的综合体 现【6 】。就以上三方面而言，国内外许多研究机构和公司都做了大量的研究和开发工 作，并取得了丰硕的成果。 1 2 1 虚拟装配环境及关键技术研究状况 现有的虚拟装配环境主要有：桌面式系统、头盔式系统和大屏幕投影式系统。 桌面式系统采用普通计算机或图形工作站来产生三维虚拟场景，并把计算机的显 示器作为用户观察虚拟场景的窗口，参与者通过二维鼠标、语音交互和虚拟手方 式操作系统，这种方式因成本低廉、操作方便、使用简单而被广泛使用。 虚拟装配关键技术包括装配模型、装配约束、路径规划等多个问题。主要涉 及如何表达装配模型及信息【7 】；怎样设定装配约束及约束识另l j t s , g j ：合理优化装配 序列三方面 1 0 a ! ，1 2 。 1 2 2 虚拟装配应用系统研究状况 ， 国外对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代中期，由于政府及工业界 对其支持力度比较大，加之研究的基础条件较好，因此发展势头相当迅猛。1 9 9 5 年，美国华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所合作开发的虚拟装配设计环 境v a d e t l 3 j 是世界上第一个具有代表性的虚拟装配系统。1 9 9 6 年德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所开发出了一个虚拟装配规划原型系统l l 引，并获得了该年度慕尼黑 计算机展览会的最佳系统奖，系统通过虚拟人体模型( v i r t u a la n t h r o p o s ) 在虚拟 环境中执行装配操作。德国b m w 公司研发创新中心建立了虚拟现实技术中心 ( v r c ) ，将虚拟装配技术广泛应用于新车开发测试，并用此项技术成功将传统设 第一章绪论 3 计需耗时2 年的任务压缩至几周【l5 1 。1 9 9 7 年德国b i e l e f e l d 大学将虚拟现实技术和 人工智能技术相结合，基于结构工具箱的概念建立了虚拟装配系统c o d y t 4 1 ，它是 一个基于知识的三维交互式虚拟装配系统，允许设计者在虚拟环境中通过直接三 维操作或简单的自然语言命令与系统交互。波音公司在一个由数百台工作站组成 的虚拟世界中，用虚拟现实设计出由3 0 0 万个零件组成的波音7 7 7 虚拟原型机， 使设计师、工程师们能够穿行于这个虚拟飞机中，可以随意调出其中的一个零件， 审视并修改飞机的各项设计这是近年来引起科技界、企业界瞩目的一次重大 突破【l6 1 。2 0 0 0 年希腊p a t r a s 大学开发了虚拟装配工作单元( v i r t u a la s s e m b l yw o r k c e l l ) t 1 。7 1 ，并以快艇的螺旋桨装配为例，对影响装配时间的因素( 如装配者的力量、： 工作单元布局等) 进行了分析和评价。2 0 0 3 年，新加坡南洋理工大学机械与产品工 程系开发了基于c a d 的桌面式虚拟环境系统v - r e a l i s m 1 8 】，可用于虚拟装配、。 拆卸与维修。2 0 0 3 年，美国纽约州立大学机械与航空工程系虚拟现实技术实验室 开发了基于虚拟原型的装配验证环境v p a v e 1 9 】，该系统通过提取实际加工过程影 响参数，建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模型，利用有限元软件分析 零件的受力、形变及残余应力情况，在虚拟环境下进行可装配性分析和评价。 国内的虚拟装配技术研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期，取得了不少研究成果， 也提出了一些新的理论和方法。由清华大学的张林煊等开发的虚拟装配支持系统 0 c m u a ia s s e m b l ys u p p o r ts y s t e m ，v a s s ) t 犯0 1 ，能够完成装配建模、装配工艺规划、 装配仿真进而生成装配工艺文件的功能。浙江大学c a d & c g 国家重点实验室万华 根等建立了一个基于多通道的、集成的虚拟设计与虚拟装配系统v d v a s t 乏1 。在该 系统中，设计者可以通过直接三维操作和语音命令直观方便地建立机械零件及其 装配模型，并通过交互拆装来得到零件的装配顺序和装配路径等信息。西北工业 大学现代设计与集成制造技术实验室李维学等建立了基于c a t i av 5 的产品自动 装配平台【2 2 】。西北工业大学c a d c a m 国家重点实验室结合飞机产品的设计开发， 在装配建模、装配顺序与路径规划、装配操作仿真等方面进行了研究，以装配操 作模型为产品工艺信息集成的载体，将产品装配环境和装配过程结合在一起，并 基于s o l i d w o r k s 和c a t i a 软件平台开发了装配仿真系统【2 3 1 。 1 3 1 本文主要工作 1 3 本文的主要工作及章节安排 作为装配技术的发展方向，虚拟装配技术成为当今一个新兴的研究领域。在 以往的研究中，已经取得了长足发展，但也存在一些不足。基于以上两点，本人 4基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 选择虚拟装配技术作为研究课题，做了以下工作： 1 针对模型表达问题，实现一种基于装配特征的虚拟装配。装配特征的获得 有多种途径，本文主要是通过特征建模及特征识别两种方式。 2 针对装配约束问题，实现一种基于语义驱动的虚拟装配。解决了如何筛选 大量无效冗余装配约束的困难，更好地捕捉用户意图，提高约束定位速度和准确 性。 3 基于微软提供最新的语音开发包s p e e c hs d k 5 1 及p r o e n g i n e e r 提供的 二次开发接口p r o t o o l k i t ，进行了语音识别模块的开发，并集成在p r o e n g i n e e r 环境下，实现对软件的语音操作，给用户带来更好的人机交互。 4 实现了基于通用商品化c a d 软件p r o e n g i n e e r 的虚拟装配，解决了以往 虚拟环境与c a d 系统间所必需进行的复杂、无谓的数据传输问题。即在虚拟装配 过程中，一旦零件不符合要求就要传回c a d 系统进行修改，进行数据传输，而且 这种传输本身并不十分可靠。 ，为了使虚拟装配过程相对简单，本文作如下假设： 1 对参与装配的零件做出合理简化，不考虑复杂细节，如螺纹连接。 2 参与装配的零件均为刚体，不考虑形变。 1 3 2 章节安排 第一章绪论，在查阅大量资料的基础上，陈述课题的研究背景及意义，介绍 了虚拟装配技术的国内外发展情况，并据此给出了本文的主要研究内容。 第二章装配特征研究，本章介绍了装配特征的概念，给出了装配特征的定义、 表达方法。并详细介绍了在c a d 系统中引入装配特征的方法：参数化装配特征库 及装配特征识别。其中特征识别是本章重点内容，在介绍了零件属性邻接图、边 的凹凸性等概念后，阐述了特征识别的理论基础和具体流程，对装配特征识别的 难点图匹配技术进行了详尽论述。在本章的最后介绍了在p m e 系统中实现特征识 别的关键函数和模型预处理办法。 第三章装配语义归纳及驱动方法的研究，本章介绍了装配语义的概念和优 点，明确了装配操作向装配语义映射的条件。通过装配语义约束分解和约束驱动 介绍，将装配语义从语言概念转变成计算机可处理的具体信息。在本章的最后介 绍了在p r o e 系统中实现特征装配和干涉检查的关键函数。 第四章语音识别模块的开发，本章介绍了语音开发工具包的现状，选定了微 软公司的s p e e c hs d k 作为本文语音模块的开发工具；其次详细介绍了s p e e c hs d k 中实现语音合成、语音识别的重点接口，用户自定义字典使用的x m l 语言及在 s p e e c hs d k 中的应用；最后给出语音模块实现的具体流程和实现的关键技术。 第一章绪论 第五章虚拟装配系统的软件实现，本章首先介绍了虚拟装配系统的具体开发 环境，p r o e 二次开发技术，软件配置及数据库支持接口等内容；其次对系统人机 界面进行了设计。 第六章总结与展望，对本文的主要研究工作加以总结，并对进一步的研究方 向提出参考意见。 6基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 第二章装配特征研究 7 第二章装配特征研究 虚拟装配的核心工作之一，是确定建立怎样的装配模型，这不仅影响到对产 品本身的描述精确度，更与整个虚拟装配系统的构建方法有直接关系。从最初的 几何线框建模发展到实体建模、特征建模，对装配模型的研究一直都受到学者们 的重视。本章旨在分析对比现有装配模型分类方法的优缺点，引入装配特征的概 念，并实现基于图的装配特征识别方法。 2 1 引言 装配模型是虚拟装配研究的第一步，实质是一个支持产品从概念设计到零件 设计，并能完整、准确地传递不同装配体设计参数、装配层次和装配信息的产品 模型。迄今为止，很多学者提出了多种有效方法，可以划分为三大类：关联图及 增强关联图模型、关系模型、层次树模型。关联图及增强关联图方法以文献 2 4 乃j 为代表，这种模型的优点是方法简单，表达直观。缺点是与产品的实际结构不一 致，无法表达层次关系，因此已经很少使用。文献【2 6 】提出了关系模型，分析了零 件之间的接触关系和联接关系，记录的信息比关联图模型丰富，然而其所建立的 模型不是简单图，增加了建模难度。层次树模型【2 7 2 8 】是根据零部件的层次关系， 以树的形式表达装配并组织产品，能体现设计意图和产品结构，但对于大规模装 配体则过于复杂。其它如：s a l o m o n s 等1 2 9 1 提出了将特征识别、基于特征设计以及 交互特征设计三种方法相结合，建立完整产品模型的方法。t s n e g 3 0 1 提出了集成特 征识别与基于特征设计的模块化建模方法。庄晓等【3 l 】提出的“堆积木式快速产 品装配建模。清华大学宋玉银【3 2 】提出广义键概念，并据此建立了面向并行工程的 产品装配模型，该模型可表示两个零件之间复杂的多重装配关系，为设计的后续 过程提供了丰富的产品装配信息。 现有工作取得了一定的成效，但也有一些未解决的问题i l 现有的装配模型中，装配是依靠零件( 组件) 之间几何元素或者几何特征的 配合关系，大量的工程信息没有充分地利用，这就导致了后续装配、规划分析的 线索不足； 2 装配模型和零件模型被分割开来单独研究，无法保证彼此间有效的关联、 协调。 因此本文引入装配特征的概念，建立基于装配特征的模型，完成从功能信息 8 基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 向装配操作的映射，为后续实现语义驱动的自动化虚拟装配提供了模型基础。 2 2 装配特征定义与表达方法 2 2 1 装配特征定义 t ，。 特征是指产品描述的信息集合，它增加了实体几何的工程意义【3 3 】。装配特征的 概念早在2 0 世纪8 0 年代中期就被提出，但因研究目的的不同，对此并没有一个 统一的描述，如文献【3 4 l 提出装配特征是一组反应相应零件间装配类型、配合关系、 相互约束及装配操作方式的信息集，但没有涉及在装配中起重要作用的几何基本 元素( 如线、面等) 。文献【3 5 】装配特征是指零件面上参与装配活动的区域，主要由 装配特征语义、几何元素( 装配特征面集) 、装配特征坐标系、配合特征、装配公 差内容组成。文科3 6 】对特征的划分虽是基于可装配性的评价，却缺乏从产品整体 上评价可装配性。根据功能需要分析，装配特征应该满足以下几个要求： 1 装配特征是包含了几何特征的抽象模型，与其他零件上所对应的部分相互 配合可以形成装配关系，应实现自动识别参与装配的基本几何体的功能； 2 装配特征是为了便于虚拟装配提出的抽象概念，应支持根据自身信息确定 装配类型的操作； 3 装配特征是包含大量工程信息的抽象集合，应为后续的装配规划、可行性 分析提供知识支持。 据此本文定义装配特征为： 定义2 1 装配特征( a e s m b l yf a e u t e r ，a f ) 是以一定的几何结构为载体，反 应装配配合类型、装配操作方法以及特征自身属性的信息集合。特征自身属性包 括公差、尺寸、材料、特征标识等。当然，装配关系不是装配特征定义的主体， 构成特征的基本几何体的标识才是装配特征定义与实现的核心。因此为了叙述方 便，本文将构成特征的基本几何体简称为装配特征，将表述配合类型、操作方法 的装配关系称为装配约束。即式( 2 一1 ) ： 装配特征( a s s e m b l yf e a t u r e ，a f ) = a g u a r u a s ( 2 1 ) a g 为特征的几何信息，可表示为式( 2 2 ) ； a g = f 上端面：平面u 侧面：平面u 底面：平面u 侧面：圆柱面u ) ( 2 - 2 ) a r 为特征的约束关系，可细化为式( 2 3 ) ： 触净 面贴合u 轴对齐u 曲面相切u 坐标系重合u ( 2 3 ) a s 为特征自身属性，可分为式( 2 4 ) ： a s = 特征标识：i d u 特征尺寸：面积，半径，长度u 特征材料u ( 2 - 4 ) 第二章装配特征研究 9 2 2 2 装配特征表达方法 图2 1 键的装配特征 经过上述分析，可以给出一个典型的装配特征，如图2 1 所示。图中对键的装 配特征进行了分析，可以显式表达的是键的几何特征、尺寸属性，更多的装配关 系、自身属性，本文使用实体联系模型( e - r 模型) 表达。e r 模型在表示复杂 实体和实体之间的复杂联系方面有较强的能力。 图2 2 装配特征的e r 模型 2 3c a d 系统中引入装配特征 要充分发挥虚拟装配系统的功能并促进其发展，就必须保证c a d 与虚拟装配 系统之间的信息通道畅通无阻，因此二者必须实现集成，在现有的c a d 系统中集 成虚拟装配功能将是一个可行的实现方法【3 7 1 。一方面当前主流c a d 系统中，不存 在完整的装配特征概念；另一方面许多设计师仍习惯于把c a d 系统作为几何建模 工具来使用，建立的模型并不完善；再者每个设计师对于同一对象表达的过程不 尽相同，致使意图一致的设计模型往往包含的特征个数和类型都有差异，以至于 数据结构千差万别。因此必须将装配特征引入现有c a d 系统，具体而言，即是如 1 0基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 何在现有c a d 系统中得到零件级装配特征的问题，这也是能否实现自动虚拟装配 的关键。本文提出采用建立装配特征库及装配特征识别相结合的方法，据此可以 得到统一的装配特征模型，以实现虚拟装配自动化。 p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 是当今世界上流行的c a d c a e c a m 软件系统之一， 特别在机械行业应用十分广泛，基于该软件平台用户可以快速创建产品的零部件 模型。同时，它提供个基于c 语言的二次开发工具p r o t o o l k i t 。在 p r o t o o l k i t 中，p t c 向用户提供了大量的c 语言、p r o e n g i n e e r a p i 函数库，函 数采用面向对象的风格。通过调用这些底层函数，用户或第三方应用程序能方便 而又安全地访问p r o e 的数据库及各种外部应用，扩展一些特定功能。因此，本文 选择p r o e 作为c a d 环境进行虚拟装配研究。 2 3 1 零件级装配特征库 零件级装配特征库的建立，应该以是否常用零部件作为选择标准。在此基础 上，为了提高设计效率必须考虑特征参数化驱动，如图2 3 所示。这种“后台预置 定义装配特征的方法可以提供大部分难以识别的特征，有效地弥补了现有装配特 征识别的缺陷。其在p r o e 中的具体实现方法已有大量成果，在此不再赘述 3 8 , 3 9 , 4 0 , 4 1 , 4 2 】，且笔者已做过类似研究。 2 3 2 装配特征自动识别 图2 3 参数化c a d 功能原理图 装配零件之间的装配特征识别是虚拟自动装配的基本问题。特征识别的研究 工作最早开始于7 0 年代中期的英国剑桥大学c a d 中心，自此之后特征识别技术 受到业界广泛关注，也提出了许多有效的办法，目前主要分为基于边界匹配的特 第二章装配特征研究 征识别和基于体分解的特征识别方法。文献阳私】提出一种基于s t e p 的规则特征识 别和自动装配；文献【4 5 】基于凹凸边针对2 5 维零件做出特征识别和装配序列优化； 文献附】利用中面及其面邻接属性图对注塑模作出了识别；文献h 7 】将神经网络引入 基于图的特征识别；文献1 4 8 】另辟蹊径，分析建模过程中的痕迹进行特征识别；文 献【4 9 】利用了一种基于线索的方法，并采纳了人工智能的技术对不确定特征进行推 理。 分析商品化实体造型c a d 系统支持的实体模型信息，可以知道b r e p 描述的 特征识别是与各种实际c a d 系统结合最紧密的研究方向。这一方向的主流是拓扑 图及扩充的拓扑图匹配法，本文即选择此方法进行装配特征识别。 2 3 2 1 边的凹凸性判定 边的凹凸性判断是特征识别的基础，确定了边的凹凸性可以赋予面边拓扑图 更多属性，使提取出的装配特征信息更加完备，为后续子图分割、特征分析提供。 基础。经分析将边分为以下主要类型：直线( p r o 一e n tl i n e ) 、弧线褥 ( p r oe n ta r c ) 、其他类型曲线( p r oe n ts p l i n e 、p r oe n tbs p l i n e p r oe n te l l i p s e 等) ；将边的属性分为：凹边、凸边、光滑边，如图2 4 所示。 本文将分别介绍直线、曲线的凹凸性判别方法。 图2 4 边的凹凸性示慈图 1 直线 如图2 5 所示，直线边e 是面石、五的交线， 1 、 2 分别是面正、五法向矢量。 任取其中一面作为基准面，如正，则面上边形成环，环绕向由基面法相r l 以右手 螺旋定则确定，直线边e 的方向仇即与基准面边环向相同，计算矢量n = l e x n 2 ， 夹角f l = a r c c o s r 旦、。若p 9 0 0 ，p 为凸边；若f l 9 0 0 ，e 为凹边；若伊9 0 0 ，e 为 、i 一川7 光滑边。图2 5 中p 即为一条凹边。 1 2基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 图2 5 直线边凹凸性计算说明图 2 曲线 事实上，曲线边的凹凸性判定与直线边的判定过程基本相同，只是曲面的法 向与曲线边的方向确定较为不同。依然取面正为基准面，面法向量为7 1 ，在曲线 边上任取一点，过该点做曲线边切矢量，方向由基准面刀的法相矢量按右手螺 旋定则确定。过该点做曲面法相矢量咒2 ，计算矢量r = r l e x r 2 ，夹角j | b = a r c c o s f 旦、。 、h 例7 若少9 0 。，e 为凸边；若f l 9 0 。，e 为凹边；若r = 9 0 。，e 为光滑边。 图2 6 曲线边凹凸性计算说明图 根据上述边凹凸性判断过程，给出算法流程图，如图2 7 所示。 第二章装配特征研究 图2 7 边凹凸性判断流程图 2 - 3 2 2 装配特征的属性邻接图 属性邻接图( a a g a t t r i b u t e d a d j a c e n c yg r a p h ) 中的结点表示装配特征的面， 结点之间的连线表示对应两面的棱边，图中的权值还反映出邻接面之间的确切几 何关系，即边的凹凸性。本文规定以1 表示凸边；2 表示光滑边；1 表示凹边。图 2 8 给出一个装配特征的属性邻接图。 2 3 图2 8 键槽属性邻接图 分析图2 8 可以发现，面1 与其它面之间的连线全部为1 ，即面1 全由凹边围成， 本文将类似于面1 这样的面定义为“底面 ；相应地，全部由凸边围成的面被定义 1 4基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 为“顶面”。如果将装配特征看作是模型的凹凸变化，可以得到以下两条规则： 1 有“底面”存在是装配特征存在的线索； 2 有“项面 存在是装配特征存在的线索。 进一步研究可以发现，并不是所有装配特征都存在“底面或者“顶面”，再 来分析如图2 9 这样一种情况。面1 与其它边的连线并不全为1 ，所以并不是“底 面”。但显然的，面1 与面2 、面舞构成一个普通槽特征，由此可以得到以下规则： 3 没有“底面 存在，但有凹边存在是装配特征存在的线索。 图2 9 槽属性邻按图 由图2 9 引入一个凹边可达邻接图的概念，凹边可达邻接图指图中每一节点都 可以通过一个凹边与其它节点相连接的属性邻接图，如图2 1 0 所示。也即是说， 单有凹边存在时，凹边可达邻接图是装配特征存在的进一步提示。 - ， ) _ 一- 旬 图2 1 0 槽的凹边可达邻接图 2 3 2 3 基于图同构匹配的装配特征识别算法 在自动特征识别过程中，核心工作是从零件三维实体模型中提取出反映特征 的几何信息，并与预定义的装配特征相比较以识别出与预定义特征相匹配的装配 特征。 预定义装配特征即是将特征的属性邻接图合理存储，在数据结构中，图是一 种比线性表和树更为复杂的非线性数据结构，它由两个集合坎回和以g ) 组成，记 为g = ( 以d 。由于图的结构复杂，所以无法以数据元素在存储区中的物理位置来 表示元素之间的关系，但仍可以借助一个二维数组中各单元的数据取值或用多重 链表来表示元素间的关系。常用的图存储方法有邻接矩阵存储方法、邻接链表存 储方法、十字链表存储方法等，至于具体使用哪种方法通常取决于具体的应用和 所要施加的运算。考虑到特征属性邻接图的特点和匹配运算难点，将预定义装配 。 第二章装配特征研究 特征以规则和邻接矩阵结合的方式存储，以图2 8 所示键属性邻接图为例。 1 定义一个n x n 矩阵表示项点间关系，矩阵的每一行每一列都对应属性邻接 图中一个顶点( 面) ，矩阵中元素彳 f ，刀按式( 2 5 ) 规则取值： ，既着( 玢，功或 e 以回 i 叫切= o f ，2 一l l 0 ，若( i l l ，功或 形，嗍g ) r 2 5 、 式中眄表示属性邻接图中边值，取值范围暇- - 1 ，1 ，2 ) 。考虑到各个面的类型 属性，可以根据式( 2 5 ) 将图2 8 键属性邻接图表达为式( 2 6 ) 所示邻接矩阵。 ( 2 6 ) 式中p l a n e 表示平面，f c y l i n d e r 表示负圆柱面。负圆柱面指面方向与曲面方向 不同的圆柱面。如图2 1 1 中，a 为正圆柱面，b 为负圆柱面。 面方向 图2 1 1 正负圆柱面说明图 2 提取属性邻接图中面边信息，以规则形式存储： a ) 平面1 与负圆柱面2 相交，得到圆弧边，值为一l ； b ) 平面l 与平面3 相交，得到直线边，值为- l ； c ) 平面1 与负圆柱面4 相交，得到圆弧边，值为1 ； d ) 平面1 与平面5 相交，得到直线边，值为- l ； e ) 负圆柱面2 与平面3 相交，得到直线边，值为2 ； d 负圆柱面2 与平面5 相交，得到直线边，值为2 ； g ) 负圆柱面4 与平面3 相交，得到直线边，值为2 ； 5 | | o 2 o 2 0 4 1 0 2 o 2 3 2 0 2 0 2 1 o 2 0 2 l 0 1 o 1 o i r e e e d e u e n n n n n a 1 a 1 a l 1上1量1上，。， p y p y p c c f n r 1 6 基于p r o e 平台的虚拟装配技术研究 h ) 负圆柱面4 与平面5 相交，得到直线边，值为2 。 通过属性邻接图表示装配特征后，识别特征的过程被转化为图同构匹配问题。 给出图同构定义如下【5 0 , 5 1 】： 定义2 2 对于两个图g i = ，g 2 = ，若存在双射函数 v 1 一陀，对于v i ，巧v i ，( v i ，切e e l ( e 2 ) ，并_ r ( v i ，v j ) ( ) 与侦v d ，贝切) ( ) 的重数相同，则称 g 1 与g 2 是同构的。 为了进行图同构匹配，必须先提取模型中的面边信息，这将在下一节中详述。 为了提高算法匹配效率，必须依据上一节中提到的规则对模型进一步分析，将可 能存在特征的面边集合抽出，再应用算法开始搜索。给出特征匹配算法如下： 步骤1 传入可能存在特征的面边集合v a 、e a 、邻接矩阵m a 。任取所有预定 义特征中的一个，提取面边集合v b 、e b 、邻接矩阵m b 。 步骤2 取e a f e 口，i = 1 ，2 ，n ( n 为肋中边个数) 。与预定义特征规则库中 每一条边幻，比较，e b ，助，产1 ，2 ，m ，如果边类型及边值相同，则记录相 同边数目h u m + = 1 。如果不存在相同边，则预定义特征中没有现特征。 步骤3 如果n u m 一预定义特征规则数目，则进行下步，否则返回步骤1 进 行下一预定义特征匹配识别。 步骤4 调用邻接矩阵对比模块，比较两矩阵是否相等，若相等则识别出装配 特征，不等则返回步骤l 进行下一预定义特征匹配识别。 值得指出的是，算法中步骤4 的邻接矩阵对比是一个难点。因为事实上没有措 施可以保证建立预定义特征的邻接矩阵m b 时的面编号顺序，与可能存在特征的面 边集合建立邻接矩阵m a 时的面编号顺序完全相同。即存在如图2 1 2 ( a ) 、( b ) 所示 情况，同一特征因面编号顺序不同，邻接矩阵有不同形式。 一 一 123 o一1一l l00 方式一的邻接矩阵图 l 2 3 l2 3 ol0 一l0l ol0 图2 1 2 ( b ) 槽特征编号方式二的邻接矩阵图 第二章装配特征研究 1 7 针对图2 1 2 ( a ) 和图2 1 2 ( b ) j a - 茎种情况，需要调整两属性邻接图中结点对应关系， 而这种结点对应关系的调整，在邻接矩阵中是通过多次交换矩阵的两行( 或列) 及对 应两列( 或行) 来实现的，如图2 1 3 所示。 123 0 _ l 氇 一1o一1 谚五k ，照 1 、2 行互换 隆 l23 一l0 。一至 010 一lo j l 、2 列互换 图2 1 3 槽特征邻接矩阵行列互换图 图2 1 3 这种a 矩阵行列互换得到b 矩阵的过程，在矩阵理论中被称为矩阵的 合同变换。那么，对比两邻接矩阵相同的过程即转化为证明有相同节点和边的两 邻接矩阵合同。为解决上述问题，回顾一下邻接矩阵建立过程。刀x n 矩阵中每一 行每一列都对应属性邻接图中顶点( 面) ，矩阵中元素a i ，刀代表对应两面相交形成 的边，a i ，刀的取值由边值决定。那么可以得出结论：a 1 2 与a 2 1 实际上代表同一 条边，彳1 2 与彳2 l 值亦相同，即a = a7 。又因为邻接矩阵中元素a i ，刀的取值范围为 1 ，0 ，2 ，1 ，可知属性邻接图的邻接矩阵彳是实对称矩阵。在此基础上给出定 理l 。 定理l 如果彳、b 都是，z 阶实对称矩阵，且具有相同特征根，则么、b 既相似 又合同。 证明：设彳的特征根为a ，乜，如厶，根据实对称矩阵性质，一定存在一个，l 阶正交矩阵p ，使得式( 2 7 ) 成立。 厂a j p l a p = - z ：i 赴如i i1 l划 ( 2 7 ) 同理，可以找到一个正交矩阵q ，使得式( 2 - 8 ) 成立。 ia j ，i 咖驴人：l 幻乃i l。厶l ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 可得： ，1 彳尸= q 1 b q ( 2 - 9 ) 将式( 2 9 ) 分别左乘尸、右乘p 1 可得： a = ( q p l ) 。1 b ( q p l ) ( 2