時應(yīng)超，喬立紅

SHI Ying-chao1, QIAO Li-hong2

（1.航天材料及工藝研究所，北京 100076 2.北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

裝配工藝設(shè)計作為連接產(chǎn)品設(shè)計與制造的橋梁，需要與企業(yè)的各種應(yīng)用系統(tǒng)進行集成。但是現(xiàn)有的CAD、CAM、工藝設(shè)計系統(tǒng)是在相互獨立的情況下發(fā)展起來的，彼此間的模型定義、實現(xiàn)手段和存取方法均有差異，信息難以交換、共享。作為工藝設(shè)計的上游信息輸入，由不同CAD設(shè)計軟件生成的幾何與非幾何數(shù)據(jù)在異構(gòu)平臺下不兼容，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，使得CAD與工藝設(shè)計系統(tǒng)間三維模型及關(guān)聯(lián)的屬性信息交換困難。因此，實現(xiàn)裝配工藝設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的集成成為制造企業(yè)的迫切需求。

當(dāng)前，國內(nèi)外對工藝與產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)集成的方案歸納起來主要有基于數(shù)據(jù)交換接口（STEP、IGES、ISA95、OAGIS等）的集成[1,2]、面向SOA的服務(wù)組件集成[3]、基于PDM的集成[4]等。上述方法取得一定成果，但都是面向?qū)嶓w幾何模型的層面，未能有效解決不同CAD數(shù)模的集成和共享問題。除了集成方面的局限外，實體模型中包含的信息量很大，而且不同的三維系統(tǒng)產(chǎn)品模型的表達方法也不盡相同，這種數(shù)據(jù)獲取的局限性給統(tǒng)一裝配信息模型的建立帶來了一定的困難。

隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，三維輕模型成為一種趨勢，能夠支持企業(yè)間不同CAD數(shù)據(jù)傳輸與交換，大大提高企業(yè)間的協(xié)同設(shè)計制造能力。本文研究在輕量化標準的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于輕模型的裝配工藝與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)集成體系，將不同的三維數(shù)模轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的輕量化產(chǎn)品模型，由于輕模型信息只保留了幾何拓撲信息[5]，在輕模型的基礎(chǔ)上集成支持裝配工藝設(shè)計的產(chǎn)品制造信息，建立基于輕模型的裝配信息模型。重點對制造信息由實體模型向輕模型的映射[6,7]、裝配工藝模型重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 基于輕模型的裝配工藝與設(shè)計集成

本文在研究輕量化標準的基礎(chǔ)上，建立能夠支持產(chǎn)品全生命周期的基于輕量化三維模型的集成信息模型，根據(jù)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的需求構(gòu)建一個統(tǒng)一的裝配工藝信息模型，解決上游設(shè)計系統(tǒng)和裝配工藝系統(tǒng)共享和交換三維模型信息的瓶頸問題。

圖1 基于輕模型的裝配工藝與設(shè)計集成框架

如圖1所示，集成體系包括三個部分，首先在設(shè)計系統(tǒng)中獲取裝配設(shè)計信息，并補充能夠支持裝配工藝設(shè)計的制造信息。然后以重組織的裝配信息為輸入，實現(xiàn)制造信息由實體模型向輕模型的映射。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出統(tǒng)一的基于輕模型的裝配工藝模型，進行裝配工藝設(shè)計。

基于輕量化模型的裝配工藝與產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)集成功能模型如圖2所示，主要包括CAD設(shè)計信息提取、輕量化模型生成、重構(gòu)裝配模型、裝配工藝過程設(shè)計以及裝配工藝輸出幾部分模塊。根據(jù)產(chǎn)品功能需求，應(yīng)用CAD系統(tǒng)進行產(chǎn)品設(shè)計信息的提取，并輸出輕量化三維模型文件。該模型僅僅包含了零件的幾何和拓撲信息，層次較低。而裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)需要的是能支持裝配工藝規(guī)劃的高層次制造信息。因此需要對裝配工藝信息進行再組織，重構(gòu)出基于輕量化三維模型的集成信息模型。工藝人員在集成信息模型的基礎(chǔ)上進行可視化工藝設(shè)計，設(shè)計結(jié)果直接以輕量化三維模型的形式進行表達。

圖2 基于輕模型的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)集成功能模型

2 面向輕模型的裝配工藝信息模型

2.1 面向數(shù)字化裝配的工藝信息模型內(nèi)容

在數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計制造環(huán)境下，如何根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計三維實體模型，建立一個信息完整、結(jié)構(gòu)合理、集成的裝配信息模型，是實現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計所面臨的重要問題。裝配信息模型是產(chǎn)品信息模型的重要組成部分，要具有一定的完整性，它不僅要能夠清晰反映出裝配體內(nèi)部的關(guān)系，還能夠為下游裝配工藝設(shè)計提供完善的信息支持。為了面向數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)裝配信息與三維CAD的集成，裝配信息模型內(nèi)容應(yīng)包括以下三個方面[8～11]，如圖3所示。

圖3 裝配工藝信息模型內(nèi)容

1）裝配設(shè)計信息

裝配設(shè)計信息是服務(wù)于裝配設(shè)計過程的信息子模型，主要包括產(chǎn)品管理屬性、產(chǎn)品幾何信息、裝配特征信息與裝配層次信息等。

2）裝配要求信息

裝配要求信息是連接裝配設(shè)計與裝配工藝設(shè)計的重要紐帶，是實現(xiàn)裝配設(shè)計要求變?yōu)檠b配工藝設(shè)計指標的子模型，主要包括裝配約束信息與裝配技術(shù)要求信息等。

3）裝配工藝信息

裝配工藝信息主要為支持裝配工藝設(shè)計和裝配過程仿真服務(wù)，比如裝配資源庫信息、知識庫信息、輔助設(shè)備清單等。其主要由工藝組織信息、裝配資源信息等組成。

2.2 面向輕模型的裝配工藝信息模型

裝配模型信息的先進性和完備性直接影響裝配工藝規(guī)劃的實施過程，傳統(tǒng)工藝設(shè)計中產(chǎn)品的信息關(guān)聯(lián)性差，裝配信息模型中的尺寸信息、產(chǎn)品制造要求信息、裝配關(guān)系信息通常與三維模型分離，不能有效地支持數(shù)字化裝配工藝設(shè)計。而且面向?qū)嶓w模型建立的裝配模型包含的信息量很大，針對不同系統(tǒng)產(chǎn)品模型的表達方法也不盡相同，給通用裝配信息模型的建立帶來了一定的困難。

本文提出基于輕模型建立統(tǒng)一的裝配工藝信息模型，三維輕模型作為數(shù)據(jù)的載體承載著裝配設(shè)計所需的一些基本信息，如設(shè)計中形成的結(jié)構(gòu)信息等。這些幾何信息層次較低，不能滿足裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的需求。它丟失掉了零件模型的精確幾何信息、拓撲信息、約束信息，缺乏裝配工藝設(shè)計所需要的零組件量化信息、裝配要求信息、工程語義信息等。因此，需要首先從上游CAD系統(tǒng)中提取出相應(yīng)的裝配信息，然后基于幾何拓撲層的支持實現(xiàn)制造信息由實體模型向輕模型的映射，在輕模型基礎(chǔ)上集成支持裝配工藝設(shè)計的產(chǎn)品制造信息，構(gòu)建出面向三維輕模型的裝配工藝信息模型，如圖4所示。該模型分為三個層次，分別為特征層、零件層和產(chǎn)品層。

1）特征層描述的是裝配配合關(guān)系信息，主要表現(xiàn)為裝配語義形式表達的連接關(guān)系。根據(jù)課題組前期的研究，可以表述為：

它由裝配連接元（cm）、配合零件名稱（pn）、配合幾何元素（pe）、接觸類型（cs）、尺寸約束（dr）以及典型裝配連接元結(jié)構(gòu)（ts）組成。其中裝配連接元表示連接類型，如螺栓連接、焊接、鉚接等；配合幾何元素是裝配連接元的載體，如圓柱面、平面、曲面等；接觸類型表示裝配連接元關(guān)聯(lián)的連接元素接觸方式；典型裝配連接元結(jié)構(gòu)表示裝配連接元是否屬于典型裝配結(jié)構(gòu)。比如對一個螺栓連接可以表示為F={螺栓連接，＜零件A、零件B＞，＜端面、端面＞，單面接觸，是}。

2）零件層集成了模型信息、零組件管理屬性信息、量化屬性信息、制造要求信息、工藝組織信息以及裝配資源信息等。可以表述為：

它由輕模型幾何信息（lm）、實體模型與輕模型的映射關(guān)系（le）、裝配要求信息（pi）、工裝資源信息（ri）、裝配連接關(guān)系集合（fc）組成。

3）產(chǎn)品層包括產(chǎn)品和其子裝配體，以零件為基本節(jié)點，主要描述產(chǎn)品型號、類型、層次關(guān)系等工程語義信息。根據(jù)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的需求，其節(jié)點應(yīng)該包括兩大屬性：模型信息和關(guān)聯(lián)的工程屬性信息。可以表述為：

圖4 基于輕模型的裝配工藝信息模型

它由零件集結(jié)點（pc）、模型信息（mi）和關(guān)聯(lián)的工程屬性信息（ei）組成。

該模型完整地表達了設(shè)計信息、裝配要求信息、工藝組織信息以及工程語義信息，實現(xiàn)了面向設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)到面向裝配的的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進而滿足數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的信息需求。且以輕模型為載體方便不同系統(tǒng)間的三維模型信息交換和共享，能夠支持企業(yè)間不同CAD數(shù)據(jù)傳輸與交換，大大提高企業(yè)間的協(xié)同設(shè)計制造能力。

3 基于統(tǒng)一模型的裝配工藝與設(shè)計映射方法

3.1 設(shè)計信息的獲取

基于數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的需求，提取裝配體實體模型中所包含的零組件信息、產(chǎn)品BOM信息、裝配約束關(guān)系信息、產(chǎn)品裝配技術(shù)要求信息等。裝配信息提取的IDEF1X模型如圖5所示。

3.2 制造信息由實體模型向輕模型的映射

針對CAD和CAPP系統(tǒng)，需要映射的主要有三部分內(nèi)容：零件制造要求信息，通常以標注信息(PMI)的形式表達，用于描述設(shè)計部門提出的制造要求；零件幾何模型，用于表達零件的幾何特性；裝配體約束信息，用于描述零部件之間的裝配關(guān)系、生成裝配特征以輔助裝配單元劃分和路徑規(guī)劃等工作。因此，設(shè)計系統(tǒng)與裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)信息集成主要包括幾何模型的輕量化、裝配約束關(guān)系和制造要求信息三方面的集成。

1）實體模型幾何拓撲層到輕模型面片層的映射

現(xiàn)行的輕模型軟件，如3DVIA Composer、3D PDF等都已對模型的轉(zhuǎn)換提供了良好的支持，用戶可以方便地將普通模型轉(zhuǎn)化為輕模型。但由于模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，模型間的幾何元素命名并不完全一致，且本文要實現(xiàn)制造信息由實體層向面片層的傳遞，因此，需要幾何拓撲層的支持。目前實現(xiàn)實體模型幾何拓撲層到輕模型面片層的映射方法主要有以下三種：參數(shù)匹配法，通過提取模型上面的參數(shù)方程來實現(xiàn)匹配；ID標記法，記錄每個幾何元素的惟一標記ID來實現(xiàn)幾何面到面片的映射；利用方程匹配和ID標記法均可行，但計算和程序編制量都較大，顏色標志法的實質(zhì)是為每個面片添加一個所屬幾何面的ID標志，并利用該標志實現(xiàn)幾何面到面片的映射。

2）設(shè)計域信息向裝配域信息的映射

圖5 裝配信息提取IDEF1X表達

有了幾何拓撲層的支持后，便可將由實體模型提取出的制造要求信息、裝配關(guān)系信息等與幾何層面關(guān)聯(lián)，在輕模型中獲取到其關(guān)聯(lián)的裝配元素，實現(xiàn)設(shè)計域?qū)嶓w模型信息向裝配域輕模型信息的映射。

設(shè)計信息域是基于產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)的數(shù)字化定義和表示，是設(shè)計者設(shè)計意圖的體現(xiàn)。它可以概括為幾何特征和其關(guān)聯(lián)的設(shè)計約束，表示為：

其中Gd表示設(shè)計的幾何特征（點線面組成的設(shè)計特征和屬性描述），Cd表示與設(shè)計特征關(guān)聯(lián)的約束（如幾何尺寸、公差、配合關(guān)系、設(shè)計基準）。

裝配信息域是基于產(chǎn)品制造結(jié)構(gòu)的表示，為裝配工藝設(shè)計提供輸入。它由裝配特征及與裝配過程相關(guān)的信息集表示?？梢员硎緸椋?/p>

其中Fm表示裝配特征，如鍵聯(lián)接、螺紋聯(lián)接等，由設(shè)計域中的幾何特征映射出來。Tm表示產(chǎn)品制造要求信息，包括裝配關(guān)系信息和裝配技術(shù)信息等。Pm表示與裝配過程相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)信息，包括裝配資源庫、知識庫、輔助工具清單等。

設(shè)計域?qū)嶓w模型信息向裝配域輕模型信息映射分為兩步來實現(xiàn)，首先是設(shè)計信息域向裝配信息域的映射，根據(jù)產(chǎn)品裝配要求、工藝組織信息，利用映射函數(shù)f1把設(shè)計特征映射為裝配特征。然后利用映射函數(shù)fz，基于前面論述的幾何層到面片層的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)裝配特征由實體模型到輕模型的映射。

4 集成實例

本文研究所提出的基于輕模型的集成信息模型，已在針對某航天制造企業(yè)的系統(tǒng)集成應(yīng)用中進行了驗證。其中設(shè)計信息來自Pro/ENGINEER 4.0，工藝系統(tǒng)采用課題組自行開發(fā)的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，輕模型采用包括3DVIA Composer、3D PDF等主流軟件都支持的U3D格式。利用本文介紹的方法及結(jié)合對U3D標準的研究，實現(xiàn)了裝配工藝與產(chǎn)品設(shè)計之間的集成。如圖6所示，通過Pro/ENGINEER的二次開發(fā)首先完成裝配信息的提取，同時將Pro/ENGINEER的實體模型轉(zhuǎn)換成U3D格式的文件。然后基于輕模型和提取出的裝配信息進行裝配工藝模型的重構(gòu)，得到滿足數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的信息模型。工藝人員在面向輕模型的集成信息模型基礎(chǔ)上進行裝配工藝設(shè)計。

5 結(jié)論

圖6 裝配工藝與產(chǎn)品設(shè)計的集成

基于三維模型的工藝與設(shè)計的集成是未來數(shù)字化設(shè)計制造發(fā)展的熱點。本文在研究輕量化標準的基礎(chǔ)上，提出了基于三維輕模型的集成信息體系。通過分析數(shù)字化裝配工藝設(shè)計對裝配模型的信息需求，構(gòu)建基于輕模型的工藝信息模型，規(guī)范和完善了裝配信息的表達。同時也有效解決了各系統(tǒng)間三維模型信息交換和集成問題。研究了裝配信息提取方法、實體模型和輕模型間的映射機制以及裝配工藝模型的重構(gòu)方法，打通了制造信息在實體模型和輕模型之間的傳遞，從而為數(shù)字化裝配工藝設(shè)計提供完善的信息支撐。

[1]Grabowik C,Kalinowski K, Monic Z.Integration of the CAD/CAPP/PPC systems[J].Journal of Materials Processing Technology.2005(164-165):1358-1368.

[2]Xionghui Zhou,Yanjie Qiu,Guangru Hua. A feasible approach to the integration of CAD and CAPP[J].Computer-Aided Design.2007(39):324-338.

[3]劉威,喬立紅,楊建軍.基于服務(wù)的制造數(shù)據(jù)管理[J]. 計算機集成制造系統(tǒng).2009(07):1342-1348.

[4]潘孝彬,解寧,禹國剛.基于PDM的CAPP集成系統(tǒng)的研究[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報. 2010(03):43-46.

[5]李洲洋,田錫天,耿俊浩,等. 基于輕量化三維模型的CAD/CAPP/CNC系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2011(04):503-508.

[6]靳江艷,黃翔,盧鵠,等.飛機設(shè)計域向工裝域映射機理研究[J].航空學(xué)報.2012:1-7.

[7]喬立紅,陳帥.支持系統(tǒng)信息共享的制造信息映射與集成方法[J].航空學(xué)報.2010(07):1494-1500.

[8]劉檢華,姚珺,寧汝新.虛擬裝配工藝規(guī)劃實現(xiàn)技術(shù)研究[J].機械工程學(xué)報.2004(06):138-143.

[9]Shaw C.Feng,Eugene Y.Song. A Manufacturing Process Information Model for Design and Process Planning Integration[J].Journal of Manufacturing Systems.2003(22):15.

[10]姚英學(xué),毛維華,夏平均.一種數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的裝配建模方法[J].現(xiàn)代制造工程.2009(09):79-82.

[11]韓峰,喬立紅,胡佩偉.基于工藝元信息的裝配工藝過程設(shè)計[J].計算機集成制造系統(tǒng).2010(12):2545-2551.