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基于三维模型的装配工艺规划技术研究


2008年第 7期
文章编号: 1001- 2265( 2008) 06- 0097- 04

! 工艺与装备 !

基于三维模型的装配工艺规划技术研究
邹晓明, 许建新, 耿俊浩
( 西北工业大学 CAPP 与制造工程软件研究所, 西安 710072)

摘要: 对三维装配工艺规划关键技术

和解决方案进行了研究, 包括: 层次模型和关系模型相结合的产品 装配信息建模、 基于仿真拆卸的装配工艺规划及装配工艺文件自动生成等问题, 并基于 CAT I 平台开发 A 出装配工艺规划原型系统, 实现了交互式装配序列、 路径规划, 生成了装配工艺文件, 验证了技术的可行 性。 关键词: 装配信息建模; 工艺规划; 装配工艺文件 中图分类号: TG65 文献标识码: A

R esearch on A ssem b ly Process P lann ing Techn iques Based on 3D M odels ZOU X iao m ing XU Jian x in, GENG Jun hao , ( Institute of CAPP & M anufacturing Eng in eering Soft are Northw estern Po lytechn ical Un iversity X i an w , , 710072 Ch in a) , Abstract The key techn iques and solutions of T hree d i ensio na l assem bly process p lanning are stu died in this : m paper , in cluding product asse b ly in form ation m odelin g on h ierarchical and relational m ode ls asse b ly : m , m process plann ing based on dem o lition si u lations and assem bly process charts autogenerat io n An asse b ly m . m process p lann ing proto type system based on CAT I p latfor is deve lo ped actualizes the in teract iv e plann ing o f A m , assem bly sequence and route produces the asse b ly process charts, wh ich ind icate that the key techn iques are , m feasib le . K ey w ord s assem bly in for ation mode ling; asse b ly process p lanning; assem bly process charts : m m

0 引言
装配是产品生命周期的重要环节, 在现代机械制 造业中, 产品装配占用了超过 40 以上的生产费用, 装 % 配所需工时占产品生产制造总工时的 40% ~ 60 , 对 % 结 构复杂 的产 品, 这个 比例 会更高 。三 维 CAD / CAM 软件因其本身强大的功能及 对传统二维设计无 法比拟的优越性, 被越来越多的企业应用, 确实提高了 产品的设计效率和生产加工的自动化水平, 但是, 由于 产品装配环节与人的知识和经验关系过于密切, 相对 于三维零件设计和加工方面的快速发展, 三维装配工 艺规划技术发展相对滞后, 制约了企业生产自动化发 展
[ 4 7] [ 1 3]

得竞争优势的迫切需要。本文以三维产品装配信息建 模、 交互式装配工艺规划方法、 装配工艺文件自动生成 等三维装配工艺规划关键技术的研究为突破口, 旨在 实现三维环境下生动直观进行装配工艺规划和验证工 艺的有效性, 满足企业提高装配生产效率的现实需求。

1 产品装配信息建模
产品装配信息模型是装配工艺规划的基础, 它的 优劣直接决定了装配工艺规划的效率, 为此对装配信 息模型应提出以下要求: 完整性要求。产品装配信息模型不仅描述零、 部 件本身的信息, 而且还描述零部件之间的装配关系、 资源、 操作等信息; 并行性要求。产品装配信息模型应该保证产品设 计参数在装配各环节中的一致性, 从而支持产品的并

。因此, 利用企业现有的三维设计平台, 进行可

视化的装配工艺规划技术研究, 提高产品的可装配性, 成为企业提高产品的装配生产效率, 降低产品成本, 赢

收稿日期: 2008- 01- 15 作者简介: 邹晓明 ( 1982 ) , 男, 江苏常熟人, 西北工业大学硕士研究生, 主要研究方向为制造信息化、 PP, ( E - m ail) zxm l jy@ hotma i.l com。 CA

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行设计; 独立性要求。产品装配信息模型应该充分利用现 有三维 CAD 软件强大的建 模功能, 但又独立于 三维 CAD软件; 开放性要求。在产品需求发生变化时, 通过装配信 息模型可以方便地修改产品设计以适应新的产品需求。 当前产品装配信息模型主要分为两大类: 关系型 模型和层次型模型, 两者各有优缺点。关系型模型的 优点是能够描述构成产品零部件之间的相互联系, 比 较直观, 在装配工艺规划中其信息便于管理和运用, 缺 点是信息描述不符合实际产品组织结构和人们的思维 习惯, 当产品零部件数量太大时, 将给装配工艺规划带 来很大的困难; 层次型模型的优点是符合人类思考方 式, 能较好地体现设计意图和产品结构, 并且能降低装 配工艺规划复杂性, 但各零部件之间的装配关系描述 不够直观, 不能涵盖零部件装配操作有关的信息, 子装 配体的划分也没有明确的规则。这两种模型都存在自 身的缺陷, 均不能完整地描述装配信息, 因而都不能满 足装配工艺规划对产品装配信息模型的需要。 本文采用层次型模型的清晰性和关系型模型的完 整性相结合的方法建立产品装配信息模型。根据三维 产品装配模型, 通过子装配体的划分, 形成层次装配树 结构, 然后在同一父节点的子节点之间采用关系模型。 产品装配信息模型如图 1所示, 树的根节点代表装配 体, 叶节点代表组成产品的各个零件, 中间节点代表子 装配体, 属性信息和装配工艺信息分别被封装到各个 节点、 子装配体中。

组合机床与自动化加工技术 件数等; 操作信息包括装夹、 拧紧等; 资源信息包括工 装、 夹具、 工具等; 关系信息包括位置信息 ( 接触、 距离 等 ), 连接信息 ( 键、 销联接等 ) , 传动关系 ( 齿轮、 链传 动等 ) 等。采用层次模型和关系模型相结合的产品装 配信息模型不仅结构清晰, 易于保存, 而且能对装配工 艺规划整个周期提供有力的支撑。

2 三维仿真拆卸装配工艺规划方法
传统的装配工艺规划研究把序列规划、 路径规划 及装配过程仿真划分成几个相互隔离的部分, 造成了 装配工艺规划各部分工作结果难以及时共享, 这显然 不利于提高装配工艺规划效率, 有悖于并行工程思想。 作为装配工艺规划核心内容的装配序列规划, 同样也 存在一些较难克服的问题: 几何推理方法具有良好的 通用性, 但往往会出现计算时间的指数爆炸问题; 基于 知识的推理方法, 由于装配知识表达和推理具有局限 性, 完全基于知识的推理可能会出现装配干涉等问题。 本文提出一种基于仿真拆卸的人机交互装配工艺 规划方法, 基本思路是: 以 ? 可拆即可装 #的假设为前提, 在三维可视化环境下, 工艺人员进行试拆卸的同时进行 路径可行性检测, 循环操作得到拆卸顺序和拆卸路径, 然后对其取逆, 得到装配路径和装配路径, 最后可视化 地编排工序工步, 制定合理的装配工艺方案。基于仿真 拆卸的人机交互装配工艺规划方法流程如图 2所示。

图 2 交互式装配工艺规划流程

( 1) 装配资源初始化
图 1 产品装配信息模型示意图

装配资源包括: 装配信息模型、 装配工具、 夹具模 型及装配工作台模型等。装配资源初始化主要指装配 信息模型数据结构的初始化、 装配工具、 夹具及工作台 的实例化, 装配工作空间和参考系的配置。初始化完 成后, 为装配工艺规划提供一个初步的工作环境。 ( 2) 交互式装配工艺规划 在三维装配环境下, 工艺人员根据经验, 首先选取

为了使产品装配信息模型结构简单化及对后续的 装配工艺规划和装配工艺文件自动生成提供更好的支 撑, 对封装信息作如下处理: 将几何信息封装到节点零 件上, 子装配体中不再封装; 而将装配资源信息和操作 信息封装到节点子装配体中, 在节点零件中不再封装。 其中, 管理信息包括模型中各节点的名称、 代号、 材料、
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2008年第 7期 待拆除元件, 进行拆除操作, 记录其拆卸路径, 根据零 部件的初始位置和最终位姿矩阵确定关键点, 通过各 个关键点间零部件 平动或者旋转来 仿真实际拆 卸过 程, 进行可拆卸性判断, 若发生碰撞干涉, 则此元件归 位, 相反, 当前元件拆除, 判断规划过程是否结束, 未结 束, 则装配模型更新, 进行下一步拆卸, 如此反复。拆 卸结束后, 拆卸顺序求逆, 得到装配序列, 装配路径即 为拆卸路径的反演。 ( 3) 装配工序工步定义 根据交互式工艺规划得到的装配序列, 工艺人员 一边在图像窗口中动态演示产品的装配过程, 一边在 编辑窗口选择工装夹具, 装配工具, 定义装配操作, 编 辑工序工步, 制定合理的装配工艺方案。 基于仿真拆卸的人机交互装配工艺规划方法, 避 免了几何推理方法和知识推理方法的固有瓶颈, 同时 充分利用规划人员的知识、 经验及灵活性, 提高了装配 规划效率。

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计汇总, 生成装配元件、 工装夹具明细表; 2) 通过人机交互装配工艺规划拟定出的装配工艺 规程, 以参数和符号的形式存储与产品装配信息模型 中, 不能被直接利用, 通过预先定义的术语, 把装配工艺 信息转换成具体的装配操作, 进而生成装配操作明细。 ( 3) 装配示意图的生成 三维装配示意图在装配工艺文件中对装配操作明 细起配合说明作用, 是装配工艺文件的重要组成部分。 现有的三维 CAD 软件, 一般都提供 AP I函数, 用户通 过访问和处理 CAD 系统内部数据库中的数据, 可以生 成装配体在任意姿态下的三维装配工艺示意图, 具体 步骤如下: 1) 在三维装配模拟环境调整好装配体姿态, 获取 装配体姿态描述矩阵; 2) 按照装配工艺文件中示图区域的大小和装配体 尺寸自动调整示意图比例, 创建装配示意图; 3) 对图像文件进行编辑, 根据需要对示意图进行 局部修改, 最终生成装配示意图。 ( 4) 装配工艺文件编辑 由于装配工 艺规划的 复杂性及 其对经验 的依赖 性, 使得自动生成的装配工艺规程难免出现各种不足, 如产品建模阶段的零部件属性信息 ( 代号、 名称、 材料 等 ) 和规划阶段的属性信息冲突, 修改后的设计信息未 能及时更新等, 所以在装配工艺文件生成过程中, 工艺 人员应该通过人机界面, 对工艺文件的内容进行修改 和完善。同样, 提供如新增工艺文件、 手工输入信息、 输入常用术语和特殊字符、 输入工程符号等功能, 使工 艺文件的编辑更加快捷和准确。 装配工艺文件的自动生成, 代替了工艺人员手工 从事的重复劳动, 解决传统手动设计方式所带来的工 艺设计效率低、 更新速度慢等问题。

3 装配工艺文件自动生成
装配工艺文件是装配工艺规程的信息载体, 是装 配工作的指导依据, 因此, 生成一份完整详尽的装配工 艺文件是装配工艺规划中的重要环节。装配工艺文件 自动生成主要包括 4方面的工作。 ( 1) 装配工艺文件模版定制 不同制造企业的装配工艺文件在诸如尺寸大小、 布局设置等外观形式上存在差异。装配工艺卡片模版 定制功能, 可以为企业量身定做表单, 满足企业的差异 化需求。 工序卡片定制功能主要包括图纸规格定义, 单元 格、 表属性定义及属性查询和删除功能。图纸规格 列、 定义主要用来确定装配工艺文件大小; 单元格属性定 义用来定义单元格名称、 字体, 对应填 充格所属 类别 (零件类、 工艺类、 工序类、 工步类等 ) 及各类的附属属 性, 列属性和表 属性的定义功 能和单元 格属性相 似。 通过一系列属性的定义, 基本上满足了企业对工艺文 件规格的个性需求。 ( 2) 装配信息处理 装配信息处理是指提取产品装配信息模型中的相 关信息, 通过语义转换, 自动在装配工艺卡片中填写以 语言文字表述的装配操作明细和装配元件、 工装夹具 明细, 具体处理如下: 1) 装配元件名称、 代号、 材料等信息及工装夹具的 名称信息, 可以直接通过访问装配信息数据库进 行统

4 实例验证
在 W indow s2000系统环境下, 以 CAA 与 V isual C + + 6 0集成开发环境为开发工具, 设计开发了一个基 于 CAT IA三维平台的装配 工艺规划原型系 统。系统 基于产品三维数字化装配模 型, 引 入了工装夹具、 装 配工具和装配操作等, 在计算机上实现了装配序列规 划、 路径规划、 装配过程仿真, 并协助工艺人员进行装 配工艺工步定义及装配工艺文件编辑。图 3为装配体 属性信息提取界面, 对属性信息和装配工艺信息进行 提取和转换, 将处理后的信息载入到装配工艺文件中。 图 4为装配工艺工步定义界面, 通过它来补充和完善
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产品装配完成后的工艺信息。图 5为装配自动生成的 装配工艺文件。

组合机床与自动化加工技术 技术的研究, 对提高工艺规划效率和自动化水平具有 重要意义。下一步的工作, 是针对系统在零件较多和 零件较为复杂情况下装配干涉检查效率低下的问题, 研究提高效率的技术和方法。

图 5 装配工艺文件 [参考文献 ] [ 1] 苏强, 林志航. 计算机 辅助装配顺序规划研 究综述 [ J]. 机 械科学与技 术, 1999 18( 6) : 1006- 1009. , [ 2] G upta S K, P areis C J J, Sinha R, et a.l Intellig ent A sse bly m M odeling and S i u la tion A ssemb ly A uto ation, Spec ia l Issue m . m on P roductiv ity I provements w ith S i u la tion 2001 21( 3). m m , , [ 3] 朱 大群. 计算机辅 助装配 工艺 规划与 D FA 研究综 述 [ J]. 江苏机械制 造与自动化, 2000, 3( 2): 7- 11. [ 4] 曾理, 张林鍹, 肖 田元. 一 个虚拟 支持 系统 的实现 [ J]. 系

5 结论
系统运行结果表明: 产品装配信息模型的表示和 装配工艺规划方法是有效的, 系统运行各阶段之间的 信息交互通畅, 装配工艺规划过程准确简洁, 及时解决 了产品可装配性、 装配工艺性等问题; 装配工艺文件的 自动输出, 减轻了工艺设计人员的工作量, 缩短了工艺 设计周期。因此, 基于三维模型的装配工艺规划关键 ( 上接第 96页 ) ( 3) 该设备可采用三线同时工作, 效率高。
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