CN103678737B - 一种杠杆系统虚拟装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机结构强度试验技术，涉及一种飞机结构强度试验时的杠杆系统装配方法。该方法主要运用CATIA二次开发技术CAA进行开发，通过接口访问及其函数的调用来实现杠杆系统所使用设备的快速虚拟装配，装配时只需调用执行程序即可快速完成杠杆系统的虚拟装配，并形成相应的装配模型文件。本发明的优点是：基于CATIA环境但无需进入CATIA界面进行交互操作，虚拟装配时没有复杂的约束创建，在较短的时间内即可完成杠杆系统的虚拟装配，相比原来的二维试验设计更加直观，能够方便地检查各试验工况的加载情况，避免了物理试验现场装配时发现干涉或设计不合理后再重新设计，有利于缩短试验准备周期。

Description

一种杠杆系统虚拟装配方法
技术领域
本发明属于飞机结构强度试验技术，涉及一种飞机结构强度试验时的杠杆系统装配方法。
背景技术
杠杆系统是指飞机结构强度试验加载时由杠杆和其连接设备组成的加载系统。目前，在试验设计过程中杠杆系统的设计仍然依靠80年代开发的基于Dos环境下的杠杆系统自动化软件，通过输入胶布带载荷调用该软件得到基于AutoCAD的二维杠杆图，工人根据二维杠杆图进行试验现场的施工，但由于采用的是二维的方式，图形化的输出结果不够直观，设计过程中如若发生干涉碰撞等情况时不易发现，一旦发生该种情况，需要再次修改设计，对试验准备周期产生了严重影响。
虚拟装配是虚拟现实技术在设计领域的典型应用，其价值引起了越来越广泛的关注，其目的是将不同的零件组装成一个装配体，定义不同零件之间的相对位置或约束关系，进行零件之间的动态干涉检查，以发现装配体中的不合理部分。借助虚拟装配技术，使得在设计阶段就能了解设计结果的装配性，有利于提升设计质量与效率。
CAA(Component Application Architecture)是CATIA产品扩展和客户进行二次开发的有力工具，它建构在Microsoft Visual Studio VC++下，利用其提供的API可实现对CATIA软件的深层次开发。基于此，李维学等在“机械制造”杂志中论述了“基于CATIA V5二次开发的产品自动装配方法”(2010,48(1):40-42)，该文献中以部件轴坐标系为基础，通过建立部件间轴系的约束关系(如共线约束、共面约束以及夹角约束等)实现坐标轴的重合从而达到虚拟装配的目的，由于该方法以零件间的约束关系为基础，装配时需对装配模型进行递归查找零件模型和参考元素的工作，适合于装配模型中涉及零件较少的装配，当装配的模型较多时效率较低。
发明内容
本发明的目的是：提供一种速度快、效率高的杠杆系统虚拟装配方法。
本发明的技术方案如下：一种杠杆系统虚拟装配方法，其包括如下步骤：
步骤1：构建基础设备库，即通用设备库和专用杠杆库
其中，通用设备库是依据通用设备数据表提供的数据，先后进入零件设计模块和库编辑器模块按常规方式建立；
专用杠杆库的数据源是杠杆系统设计过程中产生的数据文件，每个记录代表一个专用杠杆；
步骤2：对杠杆系统数据进行分区，并对各分区所涉及的零件模型进行辅助处理
其过程如下：(2.1)打开代表杠杆切面和联合面的数据文件，提取加载方向矢量、设备的部件号以及三维坐标；
(2.2)依据设备的部件号在基础设备库中进行查找，将找到的零件模型进行打开；
(2.3)读取零件模型的部件号属性，并进行相应的修改；
(2.4)保存修改后的零件模型到自定义的虚拟装配目录中，形成零件模型集；
(2.5)建立装配数据文本文件，将加载方向矢量以及各个设备新的部件号、三维坐标依次以杠杆、左端连接件、右端连接件三个为一组逐行写入到装配数据文本文件中；
步骤3：零件模型装配
(3.1)新建立装配模型，并返回相应的产品特征对象；
(3.2)打开装配数据文本文件，建立设备零件模型的全局坐标系；
(3.3)利用全局坐标系建立相应设备的变换矩阵；
(3.4)从自定义的虚拟装配目录中打开相应的零件模型，并添加到装配模型中；
(3.5)利用零件模型进行变换接口的访问，基于获得的变换接口利用其函数完成零件模型对变换矩阵的应用，变换后的零件模型将移动到其全局坐标系所在位置；
(3.6)当所有零件模型完成变换操作后保存装配模型，完成虚拟装配。
在虚拟装配前构建了虚拟装配所需的基础设备库，专用杠杆库构建过程中，先基于CATIA软件建立参数化的专用杠杆模板，后通过修改杠杆模板的尺寸参数，并进行相应的部件号编制，修改完成后把模型另存到专用杠杆目录中，实现新专用杠杆模型的创建。
对杠杆系统以区为单位进行设计，一个分区代表一个作动筒加载点下的所有原始胶布带加载点构成的区域，分区由一个或多个切面构成，其中，切面所对应的杠杆系统数据文件为QMxx.dat文件，联合面所对应的杠杆系统数据文件为LH.dat文件。
建立了杠杆系统各个零件模型的全局坐标系，坐标系原点对应于零件模型的三维坐标，而各个轴的矢量通过以下方法计算：
(1)Z轴矢量：由试验的加载方向给出，具体从杠杆系统的数据文件中获得；
(2)Y轴矢量：以杠杆坐标为起点，左右连接件坐标为终点，分别构建2个指向左右连接件的方向矢量，将该方向矢量进行叉积，计算得到三个设备所在平面的法向矢量，该法向矢量即为全局坐标系的Y轴矢量；
(3)X轴矢量：X轴矢量默认按照右手坐标系由Y轴矢量与Z轴矢量的叉积，当杠杆模型需反向装配时，以左手坐标系计算X轴矢量。
步骤2.3中，零件模型的部件号属性修改规则为：新部件号共分4个区，第一区为分区标识，第二区为切面号或联合号，第三个区为设备代号，第四个区为该设备在当前分区中的使用次数。
建立装配数据文本文件时，对杠杆左右力臂的长短进行比较，当左端力臂大于右端力臂时，写出数据中杠杆行首用星号进行标识，表示该杠杆在虚拟装配过程中需进行反向装配。
基于全局坐标系进行CAA变换矩阵的构建，并通过对每个零件模型应用变换矩阵，实现零件模型的变换操作，达到虚拟装配的目的。
本发明的技术效果是：本项发明完全是基于三维CATIA环境下而发明的虚拟装配方法，设备件完全基于真实尺寸设计，仅需较少的操作步骤即可完成杠杆系统所有设备的虚拟装配，效果相比原有的二维试验设计更加直观，使试验设计人员能够方便地检查各试验工况的加载情况，对试验设计的合理性和可行性进行评估，为保证真实物理试验的成功提供了保证；同时，借助CATIA的干涉碰撞检查功能对装配结果进行干涉检查，对存在干涉的地方进行及时有效的修改，消除了物理试验现场装配时发现干涉或设计不合理后再重新设计的工作，有利于缩短试验准备周期。
附图说明
图1是本发明杠杆系统虚拟装配方法的流程图
图2是本发明通用杠杆类模型效果图
图3是本发明通用连接件类模型效果图
图4是本发明专用杠杆数据结构图
图5是本发明杠杆系统的二维示意图
图6是本发明杠杆系统切面数据的结构图
图7是本发明杠杆系统的虚拟装配数据结构图
图8是本发明杠杆系统的全局坐标系示意图
图9是本发明杠杆系统的虚拟装配效果图
其中，图5中：
1 为杠杆系统A切面
2 为杠杆系统B切面
3 为杠杆系统C切面
4 为杠杆系统A-C联合面
图8中：
1 为右手坐标系
2 为左手坐标系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
请参阅图1，其是本发明杠杆系统虚拟装配方法的流程图。
本发明在建立基础设备库的基础上，运用CATIA二次开发技术CAA进行开发，通过接口访问及其函数的调用来实现杠杆系统所使用设备的快速虚拟装配，装配时仅需通过相应程序的调用即可完成杠杆系统的虚拟装配，并形成相应的装配产品模型文件。
在开始进行虚拟装配前，需构建基础设备库，即通用设备库和专用杠杆库，具体方法为：
1)通用设备库：启动CATIA软件，依据通用设备数据表提供的数据，先后进入零件设计模块(Part Design)和库编辑器(Catalog Editor)模块按常规方式建立通用设备库，并利用库的解析功能将所有部件解析到通用设备目录中。为保证零件虚拟装配的成功，在建模过程中制定了统一的建模规则，具体为：通用杠杆坐标系规定杠杆中段的螺栓连接处为坐标原点，短力臂方向为X方向，螺栓孔径方向为Y方向(图2)，连接件坐标系规定连接件下端的连接中心为坐标原点，由下端连接中心指向上端连接中心的矢量方向为Z方向，螺栓孔法向为Y方向(图3)，且均按右手坐标系构建。
2)专用杠杆库：专用杠杆库的数据源是杠杆系统设计过程中产生的数据文件，即SPL.dat文件，数据结构如图4所示，每个记录代表一个专用杠杆。专用杠杆库的构建主要采用参数化模板的思想：首先基于CATIA软件建立专用杠杆模型；然后利用CATIA的公式编辑器(Formula)定义参数，如部件号、力臂、长度、孔径、高度等，并将这些参数与模型中的各个尺寸进行关联，此专用杠杆模型即为参数化模板；接着利用SPL.dat提供的数据对专用杠杆的参数化模板进行参数提取和修改，并按型号、左力臂、右力臂方式进行部件号编制，如图4中记录4的部件号为“P10-81-80”，修改完成后把模型另存到专用杠杆目录中，从而实现不同专用杠杆模型的创建。
在基础设备库建立完成后，下面结合典型杠杆系统的虚拟装配实施例对本发明杠杆系统虚拟装配方法进行进一步论述：
杠杆系统的设计以“区”为单位进行设计，一个分区代表一个作动筒加载点下的所有原始胶布带加载点构成的区域，分区由一个或多个切面构成，以图5为例，其为一个分区下的杠杆系统二维图，包括了三个切面(图5中的1、2、3)和一个联合面(图5中的4)，与之对应的杠杆系统数据文件分别为QM01.dat、QM02.dat、QM03.dat以及LH.dat，其数据结构如图6所示，内容包括了杠杆系统所有设备的连接关系、三维坐标等信息。为完成该区的虚拟装配，需对所涉及的零件模型做一些辅助处理，特别是使该区的零件模型具有唯一的部件号标识，步骤如下：
(1)打开LH.dat以及QM*.dat文件，提取加载方向矢量、设备的部件号(代号)以及三维坐标等；
(2)依据设备的部件号在基础设备库中进行查找，将找到的零件模型进行打开；
(3)读取零件模型的部件号属性，并进行相应的修改，其修改规则为：新部件号共分4个区，第一区为分区标识，第二区为切面号或联合号，第三个区为设备代号，第四个区为该设备在当前分区中的使用次数，如“J4-2-14-801-3”，其中J4代表机翼4号加载点，2代表2号切面，14-801代表14-801型通用杠杆，3代表第3次使用。
(4)保存修改后的零件模型到自定义的虚拟装配目录中，形成零件模型集；
(5)建立装配数据文本文件，将加载方向矢量以及各个设备新的部件号、三维坐标依次以杠杆、左端连接件、右端连接件三个为一组逐行写入到装配数据文本文件中，如图8所示，并对杠杆左右力臂的长短进行比较，当左端力臂大于右端力臂时，写出数据中杠杆行首用星号进行标识，表示该杠杆在虚拟装配过程中需进行反向装配。
上述步骤完成后，杠杆系统虚拟装配的准备工作基本完成，接下来进行零件模型的实际装配工作，实现原理为：在杠杆系统中，每个杠杆均与低一级的连接件构成一个平面，即由杠杆合力点坐标与两个连接件坐标构成三点平面(如图5中A1、A2和A12点可构建一个平面)，这样每一个杠杆均有一个平面与之对应，在该平面内的三个设备除原点坐标不一样外均采用同样的全局坐标系轴，然后利用全局坐标系构建变换矩阵，并通过对每个设备应用变换矩阵，实现设备的变换操作，达到虚拟装配的目的。具体步骤为：
(1)新建立装配模型，并返回相应的产品特征对象；
(2)打开装配数据文本文件，建立所有设备零件模型的全局坐标系，其算法参见图8所示，A、B点分别为左右连接件的连接点，O点为杠杆的合力点，用矢量原理构建OA、OB矢量，并进行OA与OB矢量的叉积，计算得出全局坐标系的Y向矢量，而Z向由加载方向矢量构成，X向矢量默认按照右手坐标系由Y向矢量与Z向的矢量叉积计算得出，但当杠杆需反向装配时，以左手坐标系计算X方向矢量；
(3)利用全局坐标系建立相应设备的变换矩阵；
(4)从自定义的虚拟装配目录中打开相应的零件模型，并添加到装配模型中；
(5)利用零件模型进行变换接口的访问，基于获得的变换接口利用其函数完成零件模型对变换矩阵的应用，变换后的零件模型将移动到其全局坐标系所在位置；
(6)当所有零件模型完成变换操作后保存装配模型，虚拟装配完成。
最后，利用装配设计模块中的干涉检查功能对装配模型进行干涉检查，虚拟装配效果图如图9所示。
与现有技术相比具有的优点或积极效果
本发明是基于CATIA三维环境下而提出的虚拟装配方法，所涉及的设备件基于真实尺寸设计，装配过程不涉及模型间的约束操作，仅需调用执行程序即可完成分区下所有设备的虚拟装配，装配效率高，且效果相比传统的杠杆系统二维图更直观，使试验设计人员能够方便地检查各试验工况的加载情况，对试验设计的合理性和可行性进行评估，为保证真实物理试验的成功提供了保障。同时，借助CATIA的干涉碰撞检查功能对装配结果进行干涉检查，对存在干涉的地方进行及时有效的修改，消除了物理试验现场装配时发现干涉或设计不合理后再重新设计的工作，有效缩短了试验准备周期，提高了工作效率，产生了显著的经济效益。

Claims (7)

1.一种杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建基础设备库，即通用设备库和专用杠杆库
其中，通用设备库是依据通用设备数据表提供的数据，先后进入零件设计模块和库编辑器模块按常规方式建立；
专用杠杆库的数据源是杠杆系统设计过程中产生的数据文件，每个记录代表一个专用杠杆；
步骤2：对杠杆系统数据进行分区，并对各分区所涉及的零件模型进行辅助处理
其过程如下：(2.1)打开代表杠杆切面和联合面的数据文件，提取加载方向矢量、设备的部件号以及三维坐标；
(2.2)依据设备的部件号在基础设备库中进行查找，将找到的零件模型进行打开；
(2.3)读取零件模型的部件号属性，并进行相应的修改；
(2.4)保存修改后的零件模型到自定义的虚拟装配目录中，形成零件模型集；
(2.5)建立装配数据文本文件，将加载方向矢量以及各个设备新的部件号、三维坐标依次以杠杆、左端连接件、右端连接件三个为一组逐行写入到装配数据文本文件中；
步骤3：零件模型装配
(3.1)新建立装配模型，并返回相应的产品特征对象；
(3.2)打开装配数据文本文件，建立设备零件模型的全局坐标系；
(3.3)利用全局坐标系建立相应设备的变换矩阵；
(3.4)从自定义的虚拟装配目录中打开相应的零件模型，并添加到装配模型中；
(3.5)利用零件模型进行变换接口的访问，基于获得的变换接口利用其函数完成零件模型对变换矩阵的应用，变换后的零件模型将移动到其全局坐标系所在位置；
(3.6)当所有零件模型完成变换操作后保存装配模型，完成虚拟装配。
2.根据权利要求1所述的杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于：在虚拟装配前构建了虚拟装配所需的基础设备库，专用杠杆库构建过程中，先基于CATIA软件建立参数化的专用杠杆模板，后通过修改杠杆模板的尺寸参数，并进行相应的部件号编制，修改完成后把模型另存到专用杠杆目录中，实现新专用杠杆模型的创建。
3.根据权利要求1所述的杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于：对杠杆系统以区为单位进行设计，一个分区代表一个作动筒加载点下的所有原始胶布带加载点构成的区域，分区由一个或多个切面构成，其中，切面所对应的杠杆系统数据文件为QMxx.dat文件，联合面所对应的杠杆系统数据文件为LH.dat文件。
4.根据权利要求1所述的杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于：建立了杠杆系统各个零件模型的全局坐标系，坐标系原点对应于零件模型的三维坐标，而各个轴的矢量通过以下方法计算：
(1)Z轴矢量：由试验的加载方向给出，具体从杠杆系统的数据文件中获得；
(2)Y轴矢量：以杠杆坐标为起点，左右连接件坐标为终点，分别构建2个指向左右连接件的方向矢量，将该方向矢量进行叉积，计算得到三个设备所在平面的法向矢量，该法向矢量即为全局坐标系的Y轴矢量；
(3)X轴矢量：X轴矢量默认按照右手坐标系由Y轴矢量与Z轴矢量的叉积，当杠杆模型需反向装配时，以左手坐标系计算X轴矢量。
5.根据权利要求1所述的杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于：步骤2.3中，零件模型的部件号属性修改规则为：新部件号共分4个区，第一区为分区标识，第二区为切面号或联合号，第三个区为设备代号，第四个区为该设备在当前分区中的使用次数。
6.根据权利要求1所述的杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于：建立装配数据文本文件时，对杠杆左右力臂的长短进行比较，当左端力臂大于右端力臂时，写出数据中杠杆行首用星号进行标识，表示该杠杆在虚拟装配过程中需进行反向装配。
7.根据权利要求1所述的杠杆系统虚拟装配方法，其特征在于：基于全局坐标系进行CAA变换矩阵的构建，并通过对每个零件模型应用变换矩阵，实现零件模型的变换操作，达到虚拟装配的目的。
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