曹文鋼，王志忠，姜 康，張紅旗，陳興玉

(1．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

1 引 言

裝配是產(chǎn)品生命周期中的重要環(huán)節(jié)，是根據(jù)確定的精度標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，將組成產(chǎn)品的零部件通過(guò)合理的工藝流程以及各種必要的方式聯(lián)結(jié)組合起來(lái)，使之成為產(chǎn)品的過(guò)程。裝配工藝的規(guī)劃及實(shí)施質(zhì)量決定著產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力［1］。它主要解決產(chǎn)品的零部件裝配順序、裝配路徑、裝配工藝方法和所用到的工裝夾具等問(wèn)題。計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝規(guī)劃是解決產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃問(wèn)題的有效工具。長(zhǎng)期以來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝規(guī)劃方面的研究集中于利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品的空間幾何、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和裝配約束關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)分析和推理，并通過(guò)某種評(píng)價(jià)機(jī)制(如最短裝配時(shí)間和最小裝配成本)進(jìn)行優(yōu)選［2］。但這些方法大多還停留在理論研究階段，很難在實(shí)際中應(yīng)用。其主要原因是:①隨著零件數(shù)目的增多，上述方法易導(dǎo)致組合爆炸，計(jì)算復(fù)雜性高，效率低下。②由于產(chǎn)品的裝配十分依賴于裝配人員已有的裝配經(jīng)驗(yàn)，而在這方面，現(xiàn)有方法表現(xiàn)不盡如人意。此外，裝配工藝設(shè)計(jì)大多采用二維CAPP 系統(tǒng)，不夠直觀。而三維裝配工序簡(jiǎn)圖形象、直觀，可實(shí)現(xiàn)“爆炸”和動(dòng)畫，可用以指導(dǎo)裝配現(xiàn)場(chǎng)操作，提高裝配工人的技術(shù)水平［3］。因此，研究裝配工藝設(shè)計(jì)的三維化具有重要意義。

筆者介紹了一種基于Pro/E 平臺(tái)構(gòu)建了三維裝配工藝系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)主要解決產(chǎn)品基于三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，擬突破裝配工藝信息在三維模型上的合理表達(dá)、三維裝配工藝卡片的生成、裝配過(guò)程仿真的可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，提高裝配工藝設(shè)計(jì)的水平。

2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)生成和管理工藝文件，進(jìn)行裝配序列、裝配路徑規(guī)劃等功能，需要重點(diǎn)解決提取設(shè)計(jì)模型屬性信息、工藝規(guī)劃、三維裝配工藝卡片的生成和可視化發(fā)布等問(wèn)題。為此，基于Pro/E 平臺(tái)構(gòu)建了三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如圖1 所示，該系統(tǒng)共3 個(gè)模塊:裝配信息提取模塊、裝配工藝規(guī)劃模塊和工藝文件發(fā)布模塊。

圖1 裝配工藝系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(1)裝配信息提取 調(diào)用Pro/E 中的API 函數(shù)提取裝配模型的工程信息、幾何信息、約束信息和零件拓?fù)潢P(guān)系信息。

(2)裝配工藝規(guī)劃 根據(jù)零件間的拓?fù)潢P(guān)系并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃，并進(jìn)行干涉碰撞檢測(cè)，最后填寫裝配信息。

(3)工藝文件發(fā)布 裝配模型經(jīng)過(guò)工藝規(guī)劃后形成三維裝配工藝模型，對(duì)其發(fā)布成為可視化模型，其中包括裝配工藝信息、工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)以及裝配過(guò)程動(dòng)畫。

3 三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3．1 裝配設(shè)計(jì)模型的創(chuàng)建

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中所建立的三維數(shù)字化裝配模型是實(shí)現(xiàn)裝配工藝規(guī)劃的前提。在Pro/E 環(huán)境下，首先完成各個(gè)零件的三維實(shí)體模型的創(chuàng)建，然后在零件模型的基礎(chǔ)上，定義各個(gè)零件之間的配合關(guān)系，從而完成裝配模型的創(chuàng)建。裝配設(shè)計(jì)模型中包含了產(chǎn)品零部件信息和裝配關(guān)系。零部件信息包括零部件的幾何信息、工程信息、約束信息等。裝配關(guān)系包括零部件在裝配體中的相互裝配關(guān)系等信息。

裝配設(shè)計(jì)模型在Pro/E 系統(tǒng)中以產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)的形式被存儲(chǔ)。通過(guò)Pro/E 系統(tǒng)所提供的二次開(kāi)發(fā)編程接口［4］，可提取出該裝配樹(shù)的信息。裝配樹(shù)的層次關(guān)系體現(xiàn)了產(chǎn)品零部件在實(shí)際裝配過(guò)程中的順序。清晰的表達(dá)出產(chǎn)品、部件、零件的父子從屬關(guān)系如圖2 所示。

圖2 裝配層次關(guān)系圖

3．2 裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃是指按照要求制定的裝配計(jì)劃，研究產(chǎn)品裝配體是用什么工具、沿怎樣的路徑、按照怎樣的次序裝配起來(lái)的［5］。裝配工藝規(guī)劃包括裝配路徑規(guī)劃、裝配順序規(guī)劃以及干涉碰撞檢測(cè)。以往研究大多把三者隔離開(kāi)來(lái)，結(jié)果導(dǎo)致三者之間的成果難以及時(shí)共享。顯然這不利于提高裝配工藝規(guī)劃的效率，有悖于并行工程思想。

本系統(tǒng)采用基于拆卸法的人機(jī)交互裝配工藝規(guī)劃方法，其基本思路是:以可拆即可裝的假設(shè)為前提，工藝人員進(jìn)行試拆卸的同時(shí)對(duì)拆卸路徑進(jìn)行干涉碰撞檢測(cè)，若檢測(cè)到干涉碰撞，返回初始狀態(tài)重新拆卸［6－7］，循環(huán)此過(guò)程以得到可行且優(yōu)化的路徑。將得到的拆卸順序和路徑求逆，即可得到裝配順序和裝配路徑，其裝配工藝規(guī)劃流程圖如圖3 所示。

圖3 裝配工藝規(guī)劃流程圖

3．3 工藝結(jié)果發(fā)布［8］

可視化發(fā)布:將3D 裝配工藝模型進(jìn)行可視化發(fā)布，產(chǎn)生ProductView 格式文件，并根據(jù)需要上傳至PLM 系統(tǒng)，其要點(diǎn)有下面5 方面。

(1)利用特征回退技術(shù)，定義所創(chuàng)建的每一個(gè)特征位置為零件的特征節(jié)點(diǎn)，形式上表現(xiàn)為工藝模型特征樹(shù)中的每一個(gè)特征。利用特征節(jié)點(diǎn)與多態(tài)工序模型間存在的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)定義特征節(jié)點(diǎn)的位置生成相應(yīng)加工過(guò)程中的工序模型。

(2)提取工序及工步信息記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)將發(fā)布結(jié)果保存到指定位置。

(4)特征的隱含和恢復(fù)要求特征嚴(yán)格按照工步分組，且獨(dú)立的特征間不要有參照關(guān)系，以免部分特征隱含后導(dǎo)致模型再生失敗。三維標(biāo)注的信息包含的工步的組內(nèi)，隱含對(duì)象針對(duì)工步組而不針對(duì)具體的特征和標(biāo)注。

(5)隱含方法是調(diào)研Pro/T 的ProFeatureSuppress 函數(shù)，恢復(fù)方法是調(diào)用Pro/T 的ProFeatureResume 函數(shù)。

在模型中工步與工序信息以參數(shù)形式記錄在相對(duì)應(yīng)的特征下，模型發(fā)布過(guò)程中程序需要讀取全部參數(shù)信息并規(guī)則保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中。發(fā)布的結(jié)果文件(ProductView 可視化格式)以壓縮格式(．edz 或．pvz)保存，不用非壓縮格式(．ol+．ed)格式保存，以方便管理與瀏覽。

4 系統(tǒng)原型構(gòu)建

基于上述方案，項(xiàng)目組使用Pro/E 的Pro/TOOKIT 工具包和VC++20008，開(kāi)發(fā)了三維工藝原型系統(tǒng)。其基本工作流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

(1)利用Pro/T 工具包和VC++2008 開(kāi)發(fā)出三維裝配工藝程序，并集成到Pro/E 系統(tǒng)中，建立裝配設(shè)計(jì)模型［9－10］。

(2)裝配工藝規(guī)劃人員利用Pro/T 內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)接口程序?qū)υO(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)(包括工程信息、幾何信息、約束信息、裝配關(guān)系信息)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以獲得三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)所需的零部件中性信息文件。

(3)裝配規(guī)劃人員在三維裝配工藝系統(tǒng)環(huán)境下，根據(jù)裝配信息，通過(guò)人機(jī)交互的方式，對(duì)零部件的裝配序列、裝配路徑進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行干涉碰撞檢測(cè)和工裝工具的選擇。

(4)經(jīng)過(guò)裝配工藝規(guī)劃后并加入其他數(shù)據(jù)，例如工時(shí)定額、工裝夾具、輔助材料等信息，生成三維裝配工藝模型。

(5)將三維裝配工藝模型進(jìn)行可視化發(fā)布，產(chǎn)生ProductView 格式文件，并根據(jù)需要上傳至PLM 系統(tǒng)。

(6)進(jìn)入工藝結(jié)果瀏覽模塊，可以從Windchill系統(tǒng)入口瀏覽，也可以從外部瀏覽器獨(dú)立瀏覽，內(nèi)嵌ProductView 可視化控件查看工藝發(fā)布結(jié)果信息。

5 實(shí)例驗(yàn)證

以產(chǎn)品裝配中的一道工序驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。工序信息組織和操作界面如圖5 所示。

裝配工藝信息分三部分內(nèi)容，最左邊是工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，與Pro/E 模型設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)應(yīng);中間部分是可視化模型，顯示與工步對(duì)應(yīng)的輕量化模型，支持交互式選擇，并可播放裝配動(dòng)畫。右邊是輔助工藝信息，跟據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)中選擇節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)內(nèi)容如圖6 所示。

圖5 工藝結(jié)果瀏覽

6 結(jié) 語(yǔ)

筆者對(duì)三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，目的在于提高工藝規(guī)劃人員的工作效率以及實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場(chǎng)的可視化指導(dǎo)。開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)原形，并以產(chǎn)品裝配中一道工序?yàn)槔M(jìn)行了驗(yàn)證。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程的三維動(dòng)畫顯示，從而取代傳統(tǒng)工藝卡片對(duì)裝配過(guò)程和裝配方法的文字描述，為三維裝配的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 蘇 明，左敦穩(wěn)，薛善良，等．基于Pro/E 的三維輔助裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)研究［J］．中國(guó)制造業(yè)信息化，2006，12(29):62－65．

［2］ 姚 珺，寧汝新，王新永．基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配工藝規(guī)劃研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(8):130－133．

［3］ 馬自勤，楊志剛．?dāng)?shù)字裝配工藝及其三維化研究［J］．機(jī)械制造與自動(dòng)化．2005，34(1):123－128．

［4］ PTC．Pro/TOOLKIT User's Guide 2002［Z］．USA，2002:444－446．

［5］ 盧小平．面向虛擬裝配的裝配序列規(guī)劃的研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15(1):44－47．

［6］ 高 峰，吳俊軍．基于包容盒分解的快速干涉檢驗(yàn)算法［J］．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2000，12(6):435－440．

［7］ 王太勇，王國(guó)峰．基于HV 分割的精確碰撞檢測(cè)在虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2000，12(6):435－440．

［8］ 于建明，蔡建國(guó)．裝配建模及裝配順序分層規(guī)劃方法研究［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19(4):371－673．

［9］ 周爾民．汽車變速箱虛擬裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用研究［J］．機(jī)械制造，2005，43(11):11－14．

［10］ 夏平均，姚英學(xué)，李建廣，等．三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)研究［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37(1):36－39．