哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李建廣 許曉月

裝配是按照規(guī)定的技術(shù)要求，在工裝工具和輔助材料的輔助下對(duì)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行配合和聯(lián)系，使其成為具有某種功能產(chǎn)品的制造工藝過(guò)程，是產(chǎn)品質(zhì)量和性能保證的最后環(huán)節(jié)。目前裝配工藝設(shè)計(jì)遠(yuǎn)落后于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造與管理的發(fā)展水平，已經(jīng)成為整個(gè)產(chǎn)品制造全生命周期中的瓶頸問(wèn)題，所以數(shù)字化裝配技術(shù)的研究受到關(guān)注和重視。

數(shù)字化裝配技術(shù)指利用仿真技術(shù)與CAPP技術(shù)，基于零部件的三維模型，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行工藝規(guī)劃與仿真驗(yàn)證，然后進(jìn)行裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)生成工藝文件以指導(dǎo)實(shí)際裝配操作，在裝配方面其主要內(nèi)容包括裝配工藝規(guī)劃與仿真、裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、裝配現(xiàn)場(chǎng)示教等。

美國(guó)華盛頓州立大學(xué)開(kāi)發(fā)了首個(gè)數(shù)字化裝配系統(tǒng)——VADE[1]，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境來(lái)仿真裝配過(guò)程，生成裝配工藝。新加坡南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了V-REALISM[2]，結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)與智能拆卸算法，系統(tǒng)能自動(dòng)規(guī)劃拆卸順序。國(guó)內(nèi)的數(shù)字化裝配序列規(guī)劃軟件應(yīng)用方面處于起步階段，主要是基于國(guó)外的CAD/CAM軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，或者建立數(shù)據(jù)接口進(jìn)而開(kāi)發(fā)數(shù)字化裝配系統(tǒng)。而國(guó)外已開(kāi)出商業(yè)化的數(shù)字化裝配軟件系統(tǒng)，如達(dá)索的Delmia[3]和Siemens公司的Tecnomatix[4]，已獲得廣泛應(yīng)用。

我國(guó)清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安工業(yè)大學(xué)等高校在數(shù)字化裝配方面進(jìn)行了大量的研究工作，但缺乏將基于數(shù)字化裝配技術(shù)的裝配序列規(guī)劃與仿真、工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)與裝配示教等功能相結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)[5]，通常是根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)。如清華大學(xué)以Pro/Engineer為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了VASS（虛擬裝配支持系統(tǒng)）系統(tǒng)[6]，用于裝載機(jī)的虛擬裝配；哈爾濱工業(yè)大學(xué)以SolidWorks為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了渦輪泵的裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配示教系統(tǒng)[7]。這些系統(tǒng)尤其是裝配序列規(guī)劃與仿真的開(kāi)發(fā)工作量大，對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)人員的要求高，且當(dāng)產(chǎn)品模型復(fù)雜時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行慢。

本文結(jié)合項(xiàng)目研究，介紹采用商業(yè)化數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

裝配工藝規(guī)劃主要包括裝配序列規(guī)劃與驗(yàn)證、資源配置和詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)等內(nèi)容。數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展為裝配工藝的規(guī)劃提供了有效手段，如商業(yè)化的Tecnomatix、Delmia軟件系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)字化裝配支撐環(huán)境。但這些系統(tǒng)通常不能滿足國(guó)內(nèi)裝配工藝規(guī)劃的業(yè)務(wù)要求，一般用戶利用商業(yè)化軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝配的序列規(guī)劃與驗(yàn)證，再通過(guò)自主開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃的資源配置和詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)等任務(wù)。

以某數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃項(xiàng)目為例，裝配序列規(guī)劃與仿真驗(yàn)證由Siemens的Tecnomatix實(shí)現(xiàn)，利用其強(qiáng)大的幾何模型管理和操作、裝配序列規(guī)劃與仿真、動(dòng)畫生成等功能實(shí)現(xiàn)裝配序列的規(guī)劃與仿真、獲取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)、裝配工藝樹(shù)、資源結(jié)構(gòu)樹(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用要求開(kāi)發(fā)三維數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，導(dǎo)入Tecnomatix生成的多種數(shù)據(jù)作為裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)和資源結(jié)構(gòu)樹(shù)分別對(duì)產(chǎn)品、資源的輕量化三維幾何模型進(jìn)行管理。在數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行裝配工藝的詳細(xì)設(shè)計(jì)，利用文字、圖片、動(dòng)畫、三維模型等充分表達(dá)工藝設(shè)計(jì)信息，工藝設(shè)計(jì)信息利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。該數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，對(duì)應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示（包含了裝配現(xiàn)場(chǎng)示教和管理功能）。

圖1 數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)方案

圖2 數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃以數(shù)字化技術(shù)來(lái)保證所規(guī)劃的裝配過(guò)程可靠，裝配工藝信息充分完整，理解無(wú)歧義，便于裝配工藝信息的多層次應(yīng)用。數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)是以基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃與仿真所得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

1 裝配數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

裝配數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就是為裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行提供必要的模型、設(shè)計(jì)信息和素材等，具體包括裝配工藝樹(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)及其三維模型、資源結(jié)構(gòu)樹(shù)及其三維模型、動(dòng)畫、圖片、文本等，其中圖片和文本等信息可由設(shè)計(jì)人員提供，較為方便。

（1）產(chǎn)品和資源結(jié)構(gòu)樹(shù)及其三維模型在數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃中所操作的、與產(chǎn)品和資源相關(guān)的幾何模型，通常是輕量化的模型，如Tecnomatix采用的JT模型，將CAD導(dǎo)出的JT模型導(dǎo)入到Tecnomatix中進(jìn)行裝配序列的規(guī)劃和仿真。產(chǎn)品和資源的結(jié)構(gòu)樹(shù)可通過(guò)Tecnomatix導(dǎo)出的XML數(shù)據(jù)建立，而零部件模型選用通用性強(qiáng)的3D PDF模型（即可通過(guò)CAD系統(tǒng)導(dǎo)出），方便用戶建立獨(dú)立于CAD系統(tǒng)的產(chǎn)品和資源模型（圖3），供數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)使用。

（2）裝配序列規(guī)劃數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃環(huán)境中，根據(jù)擬定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和裝配順序，應(yīng)用工裝和工具模擬產(chǎn)品零部件的裝配過(guò)程，并仿真驗(yàn)證裝配路徑、裝配順序和裝配空間，確定可行的裝配序列。該結(jié)構(gòu)化的裝配序列可作為裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)中裝配工藝樹(shù)的主框架，在Tecnomatix中可導(dǎo)出為XML文件。

圖3 產(chǎn)品模型重建

圖4 數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)境

圖5 數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)

（3）動(dòng)畫利用商業(yè)化的數(shù)字化裝配系統(tǒng)進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，通過(guò)人機(jī)交互擬定裝配序列、裝配路徑，在仿真驗(yàn)證的同時(shí)可生成動(dòng)畫，為裝配工人理解裝配過(guò)程提供支持。在數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)中，可為關(guān)鍵裝配操作關(guān)聯(lián)演示裝配過(guò)程的動(dòng)畫。

2 數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)將工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中所產(chǎn)生的（或用到的）諸多信息按裝配工藝進(jìn)行集成和管理，并可轉(zhuǎn)化為直接被裝配操作人員查詢參考的格式化數(shù)據(jù)形式。圖4為裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)境。

數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)境包含用戶管理、數(shù)據(jù)管理、工藝設(shè)計(jì)、工藝發(fā)布等幾類功能，功能結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖5所示。

數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)中，針對(duì)工藝、工序、工步所包含的不同內(nèi)容，分別設(shè)計(jì)其信息編輯界面進(jìn)行編輯。在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，查詢、輸入、修改、關(guān)聯(lián)等操作的數(shù)據(jù)通過(guò)底層數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。

3 裝配工藝發(fā)布

裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)工藝發(fā)布生成工藝卡片、配套明細(xì)表、數(shù)據(jù)打包等，供裝配工人查閱參考。在本文研究項(xiàng)目中，將工藝設(shè)計(jì)信息分類匯總輸出到事先設(shè)計(jì)的Excel表中，生成工藝卡片、配套明細(xì)表等（圖 6）。

圖6 裝配工藝發(fā)布生成的裝配工藝卡

裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化示教

數(shù)字化裝配技術(shù)的另一個(gè)重要用途是為裝配現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工人提供多方面的信息幫助，使按照裝配要求正確地進(jìn)行產(chǎn)品的裝配。裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化示教通常以網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方式體現(xiàn)，所需的數(shù)據(jù)來(lái)源于工藝設(shè)計(jì)中生成的和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。

圖7是一種基于Web的裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化示教界面。通過(guò)該界面可在裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)裝配工人對(duì)裝配工藝信息、產(chǎn)品零部件信息、工裝工具信息、輔助材料信息和幫助文檔等信息的瀏覽，使其使用正確的工裝工具按照操作要求裝配正確的零部件。

圖7 基于Web的裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化示教界面

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化裝配技術(shù)為基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃與驗(yàn)證提供了有效的支撐技術(shù)，但至今仍缺乏滿足多方需求的數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)。本文針對(duì)數(shù)字化裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)，介紹了基于商業(yè)化數(shù)字化裝配系統(tǒng)Tecnomatix的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、裝配示教等方面的研究工作，以上研究工作充分利用現(xiàn)有成熟的系統(tǒng)功能與針對(duì)具體要求自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的主要功能，實(shí)現(xiàn)了CAD→商業(yè)裝配工藝規(guī)劃與仿真→裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)→工藝文檔生成→裝配現(xiàn)場(chǎng)示教的數(shù)據(jù)流與管理，為數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考。

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