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基于特征的装配模型在计算机辅助装配中的运用

摘要：

本文提出了一种通过软件代理的计算机辅助装配系统（CAA）来处理装配特征的良好实现。这项工作是基于组装特点的研究工程和制造系统。 虽然系统不成代替装配工程师，但它能支持工程师做创造性的工作，并能产生比常规CAA更好的新想法。2002 Elsevier Science Ltd.保留所有权利。

1.综述

海量的信息也带来了新的问题，如时间量需要进行数据检索。生产企业已经意识到，由于这种日益复杂的结果，从单一方面来规划和协调所有结构和过程将越来越困难。作为其后果，也作为解决方案，生产单元变得越来越分散。但零件信息存在于特定的模型或文档中。其他部分属于自由因素：每个人都有特定的技能和知识，并且在分配给他的目标和活动的限度内是广泛自主的。这只是鉴于功能的分布情况;现在有趣的是找到可以防止破坏各个阶段之间的现有关系的方法。解决方案是建立能保证功能单位之间实现服务自主交换的过程。在许多分布式模式的方案中，代理技术已被证明是一种合适的解决方式。科学研究已经证实，智能代理对于从各种数据库检索装配特征的数据特别有帮助。本文给出了装配特征（AF）的定义，即任何目标的起点都不足以完全支持各个装配阶段，同时审查了各种装配建模研究。

Sodhi和Turner [1]表明需要支持从多个抽象和几何表示的自上而下和瓶颈设计过程，并提供设计的多个功能观点。 Kim和Szykman [2]采用自顶向下设计支持设计探索和优化的另一种基于决策的表示法，这种方法认为产品具有基本的分层结构的特征。Henson et al [3]还使用层次结构将产品的物理结构与功能规范相关联。

许多研究集中在捕获部件之间的配合约束。 各种详细的装配技术研究已经演变，包括基于运动学的[4,5]，基于几何的[6-13]和基于特征的[14-22]。 基于运动学的表示捕捉关节的类型（旋转，棱柱，螺钉，圆柱形，球形，平面等）以及与关节相关的自由度。 基于几何的表示捕获低级表面配合约束，例如抵抗，拟合，共面，旋转，固定等.Pratt [23]已经在研究中采用更通用的几何约束表示——用于描述组件以及组件约束。

许多方案[24-29]描述了在使用图形结构的组装中部件和部件之间的配合关系。 在这些一部分研究中，一些部件（例如弹性环，螺钉，铆钉等）被认为是紧固件。 这种类型的表示导致在这些部件上定义单一类型的联络。 在其他情况下，它可能导致混乱：

*当部件的功能与紧固件的功能相同时。

*当某些部件的组装方法需要特殊工艺时，即使该部件的功能与紧固件的功能不同。 这是图1中的活塞环（1）和（2）的情况。 1-（左）其中装配方法类似于卡环的装配方法。

*当被认为是紧固件的部件具有不同的功能。 这是图1中的螺钉（1）的情况。 1-（右）跟随Wang和Ozsoy [13]，用作旋转轴。

联络分析作为组件之间的关系的建模方法，却不足以支持与建模方法相关的其他活动，特别是产品的尺寸设计[10,13]，需要分析零件上的配合特征之间的所有接触。

考虑到所引用的模型所提出的限制，使用称为SCAP（系统“产品装配特征系统”）的系统来支持装配中涉及的各种活动，由于其更全面的方法，这个系统[16-20]既弥补了当前CAD系统中存在的差距，证明了它在结合产品开发各个阶段的全包系统的设计中的价值。本研究基于上述两个重要方面，在其上作了更深入的研究。首先，如第2节所述，系统设计能让用户推断出一套完整的在支持产品模型中有用的技术和功能特征，也许这些特征和技术没有明确存在于实体建模器的几何表示中，但是系统仍然能给出合理的解决方案。第二，它允许为在装配过程中的每个步骤的产品建模。 SCAP系统中定义的数据库结构基于序列结构（第3部分），允许用户将状态集成到产品模型中，并允许系统通过将其结构与每个状态的结构进行比较，自动推导出相对于每个状态的特征组装状态。多代理系统结构在第4节中描述。​​系统中使用的面向对象结构（第5节）还允许用户保存和重新生成各种状态的结构。这首先允许应用程序生成由组合序列存储的评估标准的前验，然后确保在后验也定义该任务的情况下生成组装资源的模块的接口。

为了满足使用提出的模型的目的，本研究检查了各个装配阶段，并且对于每个阶段，确定系统必须产生的特征类型以辅助装配计划器。如前所述，不被实体建模器直接支持的非几何特征必须在产品建模阶段添加。图2展示了SCAP在其组装过程分析期间作为产品建模的支持的作用。这种角色通过不同的功能提供，这也导致基于不同类型的模型的定义来生成多级产品模型的实体。如图2所示，这些功能与三个主要任务相关：

*产品的分层结构的定义，其集成了在组装状态下在指定位置中特定组件的模型，

*在组装状态下部件之间的接触面处的几何关系的建模。 此任务使用零件的拓扑和几何特征，并要求用户指定每个几何关系子面装配过程

*识别与产品的每个状态相关的组件特征。 系统通过将其结构与组装状态之一进行比较，自动推导出相对于中间状态的特征。

2.装配建模细则

在开发SCAP系统时，采用了最宽的装配特征定义[18]。为了满足本研究的目的，首先创建了一个分层结构，以便指定各个部分在其指定位置的功能状态。用于描述机械分析的高级语言需要表示3D对象的几何，技术和物理特性。在这种情况下，边界表示（B-Rep）模型已被证明是特别有利的。为此，我们采用B-Rep模型，其描述使用模型所有面的对象，因此创建包络，每个面由边缘回路限制。可以观察到两种数据：一种是顶点坐标形式的几何数据，一种是面的几何形状和边的方程以及拓扑数据。边界表示模型适用于确定接触，抓取和定位面;它也非常适合建模几何关系。在建模阶段，用户还可以通过可以单独执行的四个交互模块来指定一组非几何数据[18]。联络子是产品中最重要的特征，因为它们在推断部件的装配方向和在上述组装序列的产生以及评估中起主要作用。

如在引言中所提到的，在SCAP系统中，假设组装操作包括两个阶段：第一阶段被称为预定位阶段，第二阶段被称为处理阶段。这样假设是为了区分在应用过程之前和之后的部件的状态[18]。 用于计算的两个子面或两个部分或子组件和部分之间的预定位，锁定和功能联络的语法如图3所示。采用各种定义来计算装配产品[18]。 体积产生的过程没有考虑在有助于变形（例如压接，夹紧等）的组装过程所表征的子表面的存在的起点处的面。如上所述， 相同的规则同样适用于具有与那些相同类型的组装过程相等的处理的每个面。

在SCAP系统中，根据所涉及的技术，将过程分为两类：

*由于它们涉及热、化学或机械能（焊接，胶合，紧固，键合等），在部件之间产生连接的过程。想获取更多的资料请参考论文[16-20]，

*使面部经受某种加工的过程，例如油漆，清洁等。

同样，在该系统中装配过程也分两种情况：

*涉及机械，电气或机械能的过程，不会导致零件的变形或由预定位阶段导致的位置变化。 这是进程的情况例如螺钉连接，焊接，胶合和紧固。

*涉及机械能并导致部件变形或由预定位导致的位置变化的过程。 这是诸如压接，铆接，夹紧和附接弹性环的过程的情况（图4）。

3.自动生成新状态

从图2可以看出，装配序列的生成是SCAP系统支持的阶段之一。为了清楚地说明SCAP系统在装配过程中的每个阶段对产品建模的能力，开发者设计了一种交互模块，以允许对于装配和拆卸的每个阶段进行模拟，同时系统可以根据用户规定的每个装配操作的规则，从而具有自动生成产品状态的功能。这些规范涉及组装或拆卸的组件，以及每个组件的组装或拆卸方向[18]。在前一阶段的基础上，用户可以选择产品的任何状态，示意其结构（图5）并检查与该状态相关的各种特征。用户还可以设置部件某一个面的访问权限。为此，系统需要将几何形状、与夹持器相关联的位置和装配方向用作输入数据。然后，系统检查夹具与产品的其他部件之间的可能碰撞。它还可以检查过程的可行性，如焊接，胶合等。用户可以显示选择用于抓取的面（或自由子面）的自由部分。例如，相对于状态（11），系统在活塞子组件上推导出自由面。在构成子组件的每个部件的外壳的面上手动地指定夹持的验证。

4.多代理系统结构

为了实现计算机辅助装配开发的目的，我们采用了“代理技能”。随后，我们定义了“代理”的概念。尽管以前学术界已经对术语“代理”做出了各种定义，但是迄今为止还没有人提出达到多数共识的一致定义。多代理是给予由若干代理组成的推论的一般术语。也就是说，分布式代理人通过采取相互行动，如合作，平衡和妥协来共同解决问题[30]。在世界各地的工程领域，最近尝试应用这种系统的许多研究工作已经证明这种方式是成功的[31]。在这里，我们通过使用六个基本特征来适应代理概念：自主，社会能力，反应性，主动性，开放性和生长。我们将代理定义为具有上述特性的主动 - 自主模式[32]。为了证明多代理方法的可能性和有效性，引入了结构过程和资源规划的支持系统。这是基于从外部获得的数据库和知识库。本文提出的多代理结构如下：每个代理有自己的知识和专家，可以与其他成员共享。因此，即使每个代理具有非常具体的专业化，社会也能够执行复杂的任务。向代理指定预定路径以获得答案;因此，它的自主性不是完全的，并且要解决的意图的结构是众所周知的。然而，在先进的社会中，我们不能预测哪个代理将具有期望的专业性，而不是如何提供这种专业性。协调者代理是这种结构的枢纽元素;它是处理运行在机器上各个代理的管家。用户代理充当用户和用户之间的接口代理。解决方案代理接收用户的请求;然后，它查询协调器以获得资源代理的地址;使用后者，其检查所使用的资源是否能够操纵组装的组件，考虑所选择的解决方案。然后由用户代理查询组装代理以获得资源的时间依赖性和经济可用性。

5.面向对象的数据库结构

在HP700工作站上开发的计算机程序用于构建模型结构。它使用ACIS实体建模器。它是作为一个用Ctt语言编写的ACIS建模程序库的基本库，并且配备有称为3D工具包的图形界面，允许定义、处理和显示实体对象。对象本身使用边界表示来存储。为了创建自己的应用程序，用户可以使用在3D ToolKit上解释的标准命令或开发一个直接访问ACIS库的Ctt代码。

用户还可以“扩展ACIS”，集成其他类的未包含在其节点中的对象，并在3D ToolKit上创建自定义命令。这个模型是根据面向对象的层次结构构建的，是从模块的交互中推导出来的

自身或与其他类的对象和属性。层次结构是从先前开发的概念集中推断出来的。因此，对于每个类的对象，成员函数都相关联以返回其自身的特征。产品的每个子组件或产品本身可以使用SCAP系统处理。因此，构建模型以允许从最终装配线到子线的主要产品的装配过程的模拟。关注资本化方面，我们的模型考虑了基于知识的专用于解决具体问题的系统。无论是在设计领域还是制造领域，我们的目标是帮助用户，通过使用类似的经验识别和解决他们的问题。

6.结论

本文提出的装配模型支持机械管道的设计，自动或辅助确定其顺序以及其安装所需的资源。结果获得令人鼓舞。对于微型引擎测试（由15部分涉及668面），用户大约30分钟，以交互式关联各种非几何特征与部件及其面部，并识别子组件。模型之间的联络组件的产品组装状态，系统CPU花了112秒自动检测36个面之间的接触，生成接触子面，并建模他们的联络。一旦确定了组装状态的特征，它只需要几秒甚至一秒钟的时间来推导相对于中间状态的特征。结果清楚地证明我们达到了为SCAP系统定义的目标。该模型现在需要成为计算机工具的一部分，设计用于确定计划表，夹具和夹具，以及部分装配站和他们的操纵器。

致谢

感谢自然科学和加拿大工程研究理事会对这项工作的支持。

参考文献

[1] Sodhi R，Turner JU。在基于特征的设计环境中表示公差和装配体信息。 1991年ASME设计自动化大会1991年的会刊。 157-74。

[2] Kim GJ，Szykman S. 用于探索装配配置的基于决策的框架。 CE95：第二届国际并行工程研究与应用会议论文集，Mclean VA，1995。

[3] Henson BW，et al。产品数据中的组件表示框架。第19届ASME设计自动化大会论文集，Albuquerque，NM，1993。 195-205。

[4] Rajan VN，Nof SY。综合协调和执行规划的最低限度约束。 IEEE Trans Robotics Automat 1996; 12（2）：175-86。

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[6] Anantha R，et al。通过几何约束满足装配建模。 Comput Aided Des 1996; 28（9）：707-22。

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[9] Mattikalli R，Khosla P. 装配的子组件识别和运动生成：几何方法。IEEE国际系统与工程会议论文集，1990。 p。 399-403。

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[11] Randall HW，Latombe J-C。关于mechanicalassembl y的几何推理。 Art Int 1994; 71：371-96。

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