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基于 STEP的车身装配优先关系的识别和提取方法1周江奇 来新民 曹俊 李余兵 邢彦峰 金隼 陈关龙 上海交通大学机械学院车身制造技术中心（200030） Email： zhoujiangqi@摘 要 ： 装 配 模 型 中 产 品 装 配 关 系 的 识 别 和 获 取 是 实 现 计 算 机 辅 助 工 艺 规 划 (CAPP)的 重 点 ， 也 是 其 中 的难 点 通 常 的 装 配 关 系 树 中 并 不 体 现 这 类 信 息 本 文 利 用 STEP 文 件 中 包 含 的 低 层 零 件 信 息 ， 构 建 零 件包 络 体 ， 再在建 立包络 体拓扑 关系的 基础上 ， 通 过和零件 连接的 映射关 系， 推导出零 件的连 接关系 信息实 例表明 所提出 的方法 和流程 的准确 性是令 人满意 的 关键 词 ：装 配建模，特征识别，车身，STEP 1 引言 装配建模是计算机辅助工艺规划 （ CAPP） 研究中 的三个关键内容之一 （其余包括工艺方案生成和方案评价） ， 而其中的重点和难点则是零件之间的相互关系知识的建立问题 所谓相互关系知识，或称为优先关系知识，实际上就是描述装配体各零件以及零件之间为满足一定的产品功能所需要的约束关系。

在如何生成优先关系知识的研究方面， Bourjault， Sanderson和 Homen de Mellon等人[1-2]最早提出用问答式方法， 即由计算机向设计人员提出两类问题： 1） 对任何一个连接 (设为 Li) 来说， 有什么连接必须先于它装配？ 2） 在连接 Li完成后， 下一步必须装配的连接有哪些？这种方法实际上利用专家知识求解优先关系，可以直接生成装配顺序，不过可以看出需要回答的问题数和装配体的规模相关，当 产品包含零 件数很多时 ，求解过程 变得冗繁， 同时这种方 法需要设计 人员具有较 丰富的产品和工艺 知识随着 特征建模技 术和数据库 技术的发展 ，普遍采用 特征的集合 来表示零件 或者产品，产品零 件之间的相 互关系就可 以通过特征 进行表达， 特征的提取 和识别成为 零件相互关 系知识生成的首要条件 对 CAPP而言， 影响零件相互关系的特征表达主要包括零件的几何、 拓扑信息以及产品工艺 信 息研究 方 法上主要 集 中在如何 解 决产品几 何 造型特征 （ 往往以 CAD数模形式 ） 和 设 计或制造过程分析所需产品或工艺特征之间的映射问题 从已有研究可以看出[3-5]， 特征提取方法具有针对性， 即只对特定的或类似的产品具有适用性， 一般通过预先定义所要提取的目标特征进行识别，其中部分原因在于商用 CAD系统采用 的造型建模技术尚不统一。

本文将在分 析车身零件 特征的基础 上，提出一 种利用零件 数模中的几 何信息，提 取和识别装 配体的装配关 系知识，所 生成的装配 关系知识可 以直接作为 产品装配工 艺方案（装 配顺序）生 成的输入条件，从 而可以改变 装配顺序生 成阶段零件 优先关系知 识完全依赖 手工或经验 的瓶颈制约 作用，为车身产品 CAPP系统和 现有 CAD系 统之间建立关键的信息转换接口， 提 高产品设计的自动化水平 2. 特征技术和车身零件特征 2.1 特征技术 特征技术是 应用最为普 遍的产品建 模技术，特 征的概念符 合人类处理 问题时有的 放矢、抓主 要矛盾的习惯在轿车产品生命周期不同的阶段，产品特征存在差异在客户使用过程中，轿车的乘 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030248031）资助、国家“八六三”高技术研究发展 计划(2003AA411210)资助 - 1 - 坐舒适性、 安全性、 燃油经济性、 耐久性等作为产品的特征； 在轿车进入物流过程中， 体积、 重量、外观作为关键特征受到关注；在车身分装、总装阶段，分总成、车身的外观（ Flushness & Gap）、CII 指数等就作为产品特征； 在设计阶段， 产品的结构类型、 装配工艺 （如顺序、 加工方法） 等就 成为关键特征 。

在概念设 计阶段，通 过功能分解 技术，建立 功能——结 构映射关系 ，将设计要 求（规范）转化成 体现产品功 能的特征结 构，即结构 方案，对结 构方案进行 必要的分析 并把结果和 设计目标比较，作 出设计修改 决策毫无 疑问，车身 产品的几何 特征贯穿于 产品实现的 全过程，因 此是产品建模和工艺规划的重要内容 产品几何特 征的意义体 现在装配优 先关系当中 ，因此装配 优先关系知 识实质上不 仅是车身装 配工艺规划的 必要条件， 也是产品特 征的表现形 式，其主要 包括车身零 件本身和零 件之间的关 键几何特征，如装 配连接面、 装配的基准 面、连接形 式、连接方 向等[6]这些 知识可能包 括在不同的 产 品信息媒介当 中，如产品 的数模、加 工工艺文件 、制造过程 文件、检测 报告、使用 反馈信息等 等，在本文的 研究 中，仅 限于 产品的 CAD文件为 研究 对象 以 UG®数 模 为 例 ， 装配体 数模 的装配 关系 树 包含了装配体的组成和零部件的隶属关系， 但并 不 体 现 关 键 的 几 何 特 征 关 系 信 息 ， 也 没有现成 的 API函数可 供利用 如以 人工方 式识别， 需要花 费大 量的时 间和人 力成本。

除此 之外， 根 据 目前企业实践， CAD文件的发布 程度，大致 可以分成两 类，即参数 化和非参化 数模，顾名 思义，非参 化数模不能 修改数模参数的修改， 也不能应用 API函数 进行装配知识的提取； 参数化模型可以用 API函 数进行一部分装配知识的提取[3]，但不能提取几何关系知识 2.2 车身零件的几何特征 通常根据车身零件在车身装配中的功能作用可以分为结构件、 加强件和覆盖件 （见图 2-1） 结构件通常是车身的主要承载件，板厚一般大于 1.2mm，例如 横梁、前后纵梁、保险杠、座椅骨架等等；加强件 通常是为了 提高车身零 件刚度而根 据载荷分布 在零件的局 部添加的相 对比较小的 零件，多数加强板 采用焊接或 铆接形式与 零件连接； 覆盖件分为 外部覆盖件 和内部覆盖 件，通常采 用薄钢板冲压而成 ，具有形状 复杂（多为 空间曲面） ，轮廓尺寸 大，材料薄 ，表面质量 高等特点， 例如侧围外板、侧 围内板、前 后轮罩、前 后门外板和 内板、前后 翼子板等等 车身零件 的几何特征 不但零件建模的重 要内容，也 是车身装配 尺寸偏差传 播研究中的 关键因素， 因此是特征 提取的重要 内容。

按几何特征的功能划分，可以分为 3 类：第一类可称之为连接特征，指零件之间物理接触关系薄板类产品 的 连接特征 主 要体现为 曲 平面接触 关 系，一般 的 面接触通 过 零件边缘 的 窄幅（ 宽 约2.0~2.5mm） 区 域 （法兰边） 实现 根据装配零件的相互关系车身连接特征又可分为搭接、 对接等几种典型方式 ，对接被认 为在定义方 向上传播上 游偏差，而 搭接则能在 定义的方向 上吸收偏差[7]第二类特征为 定位特征 车身零件装 配中普遍使 用夹具定位 以保证装配 过程的稳定 ，定位方式 一般采用一孔一槽 加数个（≥ 3）定位夹持 面的形式， 即符合“ N-2-1”定位原 理与夹具 的定位元素 （ 定位销、定位 夹持面等） 对应，零件 上需设置孔 、槽、定位 面等几何特 征参见图 2第三 类特 征为尺寸特征 尺寸特征的 本质体现了 零件之间的 相互位置关 系，是产品 功能要求的 具体体现 对车身产品，外覆 盖件如发动 机罩和翼子 板之间缝隙 的均匀性、 平整度属于 尺寸特征， 关键分总成 如前围左右避振器 支架相对位 置等也属于 尺寸特征 尺寸特征的 定义可以根 据第一和第 二类特征和 设计规范分析得到。

- 2 - 加强件（ B 柱 内板） 结构纵梁 覆盖件（轮罩） 图 1，车身零 件的分类 法兰边零件 1（左 侧后 轮罩 ）零件 2（左侧 纵梁 ）连接 区域（对接 接头）零件 2零件 1零件 1法兰 边法兰 边零件 2X定位孔 特征图 2，车身零 件的几何特征 2.3 装配特征关联图 零件间的装 配特征关系 可以通过有 向或无向关 联图来表示 ：{ },,A PCE=，其中节 点为零件集合 ；节点之间 的连接边{nppppP ,...,,,321= } { }mccccC ,...,,,321= 为零件之间联 系的集合； 属性 E 表示零件的特征以及连接边相关属性 对图 1 中的两个零件， 其装配关联图如图 3 所示，E1（ E2）为 零 件 1（ 2） 上的特征， E12 表示零 件 1 和零件 2 之 间的连接关系， 包括连接形式、 位置、方向等可 以看出，节 点只是一些 特征（可以 表示成集合 或向量）的 标识，零件 之间联系包 括连接关系均以产 品或工艺特 征为介质实 现特征提 取和识别方 法的任务不 只是能辨别 零件单个的 产品或工艺特征，并且能进一步提取特征之间的连接关系知识。

1 2E1 E2E12图3，装配特 征关联图 3. STEP 文件和零件包络体 3.1 STEP 文件 零件的表达在 CAD 环境下一般采用边界表达（ Boundary Representative， B-rep）模 型或 CSG- 3 - （ Constructive Solid Geometry） 模型 B-rep 模型用 表示零件边界的顶点、 边、 面来表达零件 而 CSG模型是一种基于体积的表达，通过对基本元素体 ,如柱体、立方体、两面体等的布尔运算表达零件在表达的完整性和唯一性方面， B-rep 模型更具有优势，目前大多数商用 CAD 系统都 采用 B-rep 模型 STEP（ Standard for The Exchange of Product data） 文件格式支持基于 B-rep 的零件数 据表达， 已经成为不同 应用平台（ 如 CAD/CAM）之间、产品全生命 周期内进行 产品几何信息交换的通用标准（ ISO-10303） ISO-10303 本身是一 个内容非常庞大的文件，以章节的形式分门别类，便于使用者查询 本文主要使用其中的第 21 章节 : 零件表达 实施的物理性文件， 该文件显式地描述构成零件模型的各个要素， 各要素之间通过标识号 （指针） 互相联系， 以此组成一个庞大的关系形数据系统 (参见附件“ STEP 文件示例” )。

3.2 包络体 中性 STEP 文件里包含大量的以控制点要素 （ 3D 坐标参数） 为主要内容的信息， 本文主要思想是直接利用 这些信息， 构造知识含 量相对较高 的零件包络 体，再以包 络体为识别 源，通过相 应的算法，生成所需的装配关系知识 所谓包络体 是指能够包 围整个零件 的最小立方 体，且该立 方体各面均 和全局（绝 对）坐标系 参考平面平行（或相垂直），参见图 4-a在 CAD 系统中，有时可以用包络体表示零件所在的空间为了能够利用包络体进行零件相互关系的识别和提取， 首先需要能够生成零件的包络体， 因为 CAD系统本身不可能提供 设有包络体 B=P1P2P3P4P5P6P7P8， Pi是包络体的各个顶点， 为了便于识别， 顶点序号的定义按图 4-b所示 ， 以靠近绝对坐标且平行于 YOZ平 面的包络体平面 （ T1） 为起始面， 以其中具有最小坐标值的顶点 为第一个顶 点，按逆时 针方向以次 定义各顶点 这样在包 络体中具有 最大坐标值 的顶点应是 P7。