成 彬,羅富文

(西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 西安 710055)

1 引言

裝配是將零件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝，并經(jīng)過(guò)調(diào)試、檢驗(yàn)形成合格產(chǎn)品的全過(guò)程[1]。在產(chǎn)品裝配過(guò)程中，完整、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地記錄并管理裝配工藝信息，對(duì)于實(shí)現(xiàn)規(guī)范化裝配指導(dǎo)和持續(xù)化裝配工藝改進(jìn)具有重要意義[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在裝配工藝信息建模方面進(jìn)行了大量的研究。喬立紅等[3]提出一種幾何增強(qiáng)的裝配工藝本體模型。王崴等[4]構(gòu)建了工藝因素、屬性及裝配質(zhì)量的多色集合信息模型。劉歡連等[5]以三維裝配過(guò)程模型為載體進(jìn)行產(chǎn)品裝配工藝模型表達(dá)與管理。劉曉軍等[6-7]構(gòu)建了3種階段的裝配工藝模型。喬立紅等[8]運(yùn)用不同的表達(dá)模型構(gòu)建了數(shù)字化多視角產(chǎn)品三維工藝信息表達(dá)框架。孟倩等[9]建立了一種基于流程的結(jié)構(gòu)化裝配工藝模型。近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)為產(chǎn)品裝配提供了新的思路、方法和實(shí)施路徑[10]。孫學(xué)民等[11]構(gòu)建了包含裝配全要素的高精密產(chǎn)品數(shù)字孿生體實(shí)施智能化裝配。Sun等[12]建立了高精度產(chǎn)品裝配調(diào)試全要素信息模型，支持裝配工藝的自適應(yīng)優(yōu)化。Yi等[13-14]提出一種數(shù)字孿生裝配模型，實(shí)現(xiàn)了物理裝配實(shí)體的模型狀態(tài)和裝配行為真實(shí)映射。Zhuang等[15]提出了一種數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品裝配數(shù)據(jù)管理和追溯方法，對(duì)工藝數(shù)據(jù)和演變過(guò)程進(jìn)行集成管理。周石恩[16]提出一種融合多層次信息的數(shù)字孿生裝配模型表達(dá)方法。孫惠斌等[17]研究了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)。胡興等[18]構(gòu)建了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程管控的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了裝配過(guò)程實(shí)時(shí)管控。Sun等[19]提出一種基于數(shù)字孿生裝調(diào)的高精度伺服閥性能預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了裝配性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和調(diào)試決策快速迭代。Yan等[20]提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線變型設(shè)計(jì)方法，以智能手機(jī)裝配線為例驗(yàn)證了方法的可行性。

綜上所述，雖然產(chǎn)品裝配工藝模型構(gòu)建研究取得了豐富成果，但還存在以下不足：以工藝設(shè)計(jì)信息表達(dá)與管理為主，物理裝配數(shù)據(jù)缺乏高效組織，工藝模型寫(xiě)實(shí)性有待繼續(xù)提高；裝配工藝信息組織離散，各過(guò)程關(guān)聯(lián)性較低。因此，本文提出一種工藝節(jié)點(diǎn)流驅(qū)動(dòng)的裝配工藝孿生模型。該模型引入節(jié)點(diǎn)流概念，將用于指導(dǎo)物理裝配的原理模型和真實(shí)映射物理裝配精度的狀態(tài)模型與工藝流統(tǒng)一關(guān)聯(lián)，保證信息集成、寫(xiě)實(shí)建模的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝信息結(jié)構(gòu)化組織管理。

2 裝配工藝孿生模型

智能制造模式下，基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的工藝建模難以滿足裝配過(guò)程工藝信息組織管理集成化、動(dòng)態(tài)化、敏捷化的要求。因此，引入物理裝配因素構(gòu)建一個(gè)真實(shí)映射裝配過(guò)程的工藝模型，進(jìn)一步保證裝配精度，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量裝配。在融合多源工藝數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息組織與管理的載體，提出裝配工藝孿生模型的具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 裝配工藝孿生模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of assembly process twinning model

裝配工藝孿生模型(assembly process twinning model,APTM)將物理裝配數(shù)據(jù)與工藝設(shè)計(jì)信息有效集成，以裝配工藝節(jié)點(diǎn)流為信息組織和管理的載體，描述產(chǎn)品由零件累計(jì)疊加的演變過(guò)程，反映真實(shí)裝配精度，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)物理裝配。

APTM結(jié)構(gòu)包含裝配原理模型、裝配狀態(tài)模型及關(guān)聯(lián)的裝配工藝節(jié)點(diǎn)流，其中裝配原理模型描述裝配設(shè)計(jì)信息，在裝配過(guò)程中依據(jù)工藝反饋動(dòng)態(tài)更新；裝配狀態(tài)模型描述物理裝配真實(shí)精度狀態(tài)，其引用裝配設(shè)計(jì)信息構(gòu)建生成。2個(gè)子模型以節(jié)點(diǎn)為單元，與節(jié)點(diǎn)流統(tǒng)一關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)裝配工藝孿生建模。

2.1 裝配原理模型

裝配原理模型(assembly principle model,APM)指反映裝配設(shè)計(jì)意圖，用于指導(dǎo)物理裝配的所有工藝數(shù)據(jù)集合。如圖2所示，在工藝設(shè)計(jì)階段，APM繼承來(lái)自模型設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，是基于三維數(shù)字模型的理想工藝模型；在工藝執(zhí)行階段，考慮到物理裝配過(guò)程中存在的工藝偏差等問(wèn)題，需進(jìn)行相應(yīng)工藝更改，該階段APM引用實(shí)際執(zhí)行的工藝實(shí)例構(gòu)建，從而動(dòng)態(tài)指導(dǎo)物理裝配。

圖2 裝配原理模型構(gòu)建過(guò)程示意圖Fig.2 Construction process of assembly principle model

APM模型表示為：

APM={ACM,API}

(1)

式中:ACM為裝配結(jié)構(gòu)模型;API為裝配工藝模型。

2.1.1裝配結(jié)構(gòu)模型

裝配結(jié)構(gòu)模型以裝配體設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，包含完整裝配關(guān)系信息，反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成。表示為：

ACM={DGS,ACI}

(2)

式中:DGS為裝配體設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)，包括零部件組成、裝配體幾何尺寸和零件信息模型；ACI為裝配關(guān)系信息，包括連接關(guān)系、配合關(guān)系、位置關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系等。

零件信息模型分為零件信息和裝配特征信息，是面向裝配活動(dòng)的區(qū)域及其相關(guān)信息的集合[21]。在物理裝配過(guò)程中，為避免基于MBD的零件設(shè)計(jì)信息無(wú)差別引用導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大、數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題，只考慮零件實(shí)際參與裝配的特征。圖3為軸孔裝配中的零件信息模型示意圖。

圖3 零件信息模型示意圖Fig.3 Part information model

裝配關(guān)系中，連接關(guān)系反映零件中各功能件連接方式，包括緊固連接和配合連接。配合關(guān)系用來(lái)表達(dá)配合連接中零件間基于特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如不同零件的平面重合、柱面軸線重合等，利用實(shí)體裝配特征與輔助裝配特征并行構(gòu)建裝配特征對(duì)的方法進(jìn)行零件間配合關(guān)系的描述[21]。連接關(guān)系與配合關(guān)系是裝配序列規(guī)劃和裝配工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。位置關(guān)系表達(dá)零件在裝配體中的空間位置布局，采用位姿變換矩陣表達(dá)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系描述裝配體中存在約束關(guān)系的零部件之間在裝配功能方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，如活塞在缸體內(nèi)直線運(yùn)動(dòng)、軸在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，它為裝配路徑規(guī)劃提供了依據(jù)。各裝配關(guān)系表達(dá)如表1所示。

表1 裝配關(guān)系表達(dá)

2.1.2裝配工藝模型

裝配工藝模型是指導(dǎo)物理裝配所需要的工藝信息的集合，包括工藝版本、工藝過(guò)程信息、零(部)件集合、裝配關(guān)系、裝配精度和物料資源等，裝配工藝模型表示為：

(3)

式中:EID為工藝版本；PWIi為工序i的工藝過(guò)程信息，包括工序名稱、內(nèi)容等以及關(guān)聯(lián)的工藝簡(jiǎn)圖、說(shuō)明等信息；PARi為工序i涉及的零部件集合；ARIi為工序i涉及的配合關(guān)系；GDIi為工序i需保證的裝配精度，包括尺寸精度和形位精度；AMRi為工序i涉及的物料資源，包括工裝、設(shè)備工具和輔料等。

2.2裝配狀態(tài)模型

裝配狀態(tài)模型(assembly state model,ASM)指以關(guān)鍵裝配特征為基礎(chǔ)，通過(guò)與裝配特征對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的質(zhì)量特性參數(shù)在虛擬空間中真實(shí)映射物理裝配體尺寸、形位精度，反映和記錄物理裝配質(zhì)量的模型。ASM表示為：

ASM={AGM,kAFP,QCP}

(4)

式中:AGM為裝配體幾何模型，反映裝配工藝執(zhí)行后生成裝配體的結(jié)構(gòu)組成，是包含真實(shí)配合關(guān)系的裝配體結(jié)構(gòu)。kAFP為影響裝配質(zhì)量的關(guān)鍵裝配特征對(duì)集，描述零件間關(guān)鍵的裝配約束關(guān)系。QCP是與關(guān)鍵裝配特征關(guān)聯(lián)的質(zhì)量特性參數(shù)集合，表示為：

QCP={GE1,GE2,PT,PV}

(5)

式中：GE1,GE2為質(zhì)量特性參數(shù)關(guān)聯(lián)的幾何元素，如軸孔裝配以同軸度作為質(zhì)量特性參數(shù)時(shí)，關(guān)聯(lián)的軸外圓柱面和孔內(nèi)圓柱面。PT為參數(shù)類型，包括尺寸參數(shù)(如裝配間隙)和形位參數(shù)(如垂直度)。PV為參數(shù)的實(shí)測(cè)值。圖4所示為某軸系齒輪裝配ASM構(gòu)建過(guò)程。

圖4 裝配狀態(tài)模型構(gòu)建過(guò)程示意圖Fig.4 Construction process of assembly state model

3 裝配工藝節(jié)點(diǎn)流生成

產(chǎn)品裝配工藝活動(dòng)具有典型的工作流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入工作流技術(shù)對(duì)裝配工藝信息組織管理，以工藝節(jié)點(diǎn)為單元描述工藝信息，能夠準(zhǔn)確刻畫(huà)裝配動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，同時(shí)清晰描述裝配工藝活動(dòng)中各中間過(guò)程工藝設(shè)計(jì)意圖和最終技術(shù)狀態(tài)。

3.1 基本概念

3.1.1裝配工藝節(jié)點(diǎn)

裝配工藝節(jié)點(diǎn)(process node,PN)是描述裝配工藝活動(dòng)的基本單元，其表達(dá)裝配活動(dòng)屬性信息、工藝信息和偏差信息等，模型表示為：

PNi={C,APMi,ASMi,U}

(6)

式中:C為節(jié)點(diǎn)屬性集合，包括節(jié)點(diǎn)名稱、代號(hào)等，可根據(jù)需要更改集合內(nèi)容；APMi為節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的原理模型；ASMi為節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的狀態(tài)模型；U為節(jié)點(diǎn)引入的基于關(guān)鍵裝配特征的裝配偏差。

3.1.2裝配工藝節(jié)點(diǎn)流

裝配工藝節(jié)點(diǎn)流(assembly process node flow,APNF)是指根據(jù)工藝設(shè)計(jì)意圖，將裝配工藝節(jié)點(diǎn)按照一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系排列，反映裝配精度及偏差由輸入經(jīng)中間過(guò)程傳遞到輸出的動(dòng)態(tài)過(guò)程的流模型結(jié)構(gòu)，其模型表示為：

(7)

式中:PN={PNi|i=1,2,…，n},n∈Z+為裝配工藝節(jié)點(diǎn)集合；Nr為節(jié)點(diǎn)間組織關(guān)系集合，其中Lr為邏輯關(guān)系，通過(guò)邏輯關(guān)系節(jié)點(diǎn)表達(dá)；Or={Rt,Num} 為順序關(guān)系，其中Rt∈{0,1} 為關(guān)系類型(Rt=1為前驅(qū)/Rt=0為后繼)，Num為順序關(guān)系節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Dc為關(guān)系判定規(guī)則；Att為節(jié)點(diǎn)流屬性集合，其中Na為節(jié)點(diǎn)流代號(hào)；Ty為節(jié)點(diǎn)流類型，包括單線流和混合流；Le為節(jié)點(diǎn)流的層級(jí)，包括總裝層和組部件層；prN為節(jié)點(diǎn)流關(guān)聯(lián)的裝配體結(jié)構(gòu)樹(shù)節(jié)點(diǎn)；VID為節(jié)點(diǎn)流版本標(biāo)識(shí)符。

3.2節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系3.2.1順序關(guān)系

順序關(guān)系指各相鄰兩節(jié)點(diǎn)間先后順序，其判定依據(jù)裝配工藝設(shè)計(jì)給出的裝配序列，按照序列規(guī)劃信息判定各相鄰兩節(jié)點(diǎn)中前驅(qū)節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)，形成由前驅(qū)節(jié)點(diǎn)流向后繼節(jié)點(diǎn)的順序關(guān)系。

3.2.2邏輯關(guān)系

邏輯關(guān)系指考慮串并聯(lián)、交換等邏輯的節(jié)點(diǎn)間順序，邏輯關(guān)系節(jié)點(diǎn)包括分支節(jié)點(diǎn)、匯合節(jié)點(diǎn)和選擇節(jié)點(diǎn)，其中分支節(jié)點(diǎn)表示存在若干并聯(lián)后繼節(jié)點(diǎn)，即并行執(zhí)行的裝配工藝；匯合節(jié)點(diǎn)表示存在若干并聯(lián)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，即并行裝配工藝執(zhí)行后串行；選擇節(jié)點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)順序可交換。

APNF有工藝節(jié)點(diǎn)PNi,PNj∈PN,i,j∈[1,n]。節(jié)點(diǎn)間邏輯關(guān)系規(guī)則如下：

1) 若PNi,PNj可交換順序執(zhí)行，且執(zhí)行后累積偏差相同，則PNi,PNj前插入選擇節(jié)點(diǎn)。

2) 若?PNi,Or={0，≤1}∩{1，≤1}，則節(jié)點(diǎn)流無(wú)分支節(jié)點(diǎn)和匯合節(jié)點(diǎn)，為單線節(jié)點(diǎn)流。

3.3 節(jié)點(diǎn)流動(dòng)態(tài)構(gòu)建

節(jié)點(diǎn)流動(dòng)態(tài)構(gòu)建是指依據(jù)節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，以工藝節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)建反映裝配精度與偏差的裝配工藝流模型過(guò)程，如圖5所示。該過(guò)程以節(jié)點(diǎn)流觸發(fā)和基于節(jié)點(diǎn)流的裝配偏差傳遞為核心。

圖5 節(jié)點(diǎn)流動(dòng)態(tài)構(gòu)建過(guò)程示意圖Fig.5 Dynamic construction process of assembly process node flow

3.3.1節(jié)點(diǎn)流觸發(fā)

節(jié)點(diǎn)流觸發(fā)指按照節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，依次執(zhí)行節(jié)點(diǎn)所定義的工藝活動(dòng)，節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系和節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)、終止條件共同構(gòu)成節(jié)點(diǎn)流觸發(fā)條件。由3.1.1節(jié)裝配工藝節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)裝配工藝活動(dòng)，工藝活動(dòng)執(zhí)行需在上游工藝滿足設(shè)計(jì)要求前提下啟動(dòng)，且執(zhí)行后經(jīng)檢驗(yàn)同樣滿足相應(yīng)要求后終止。因此，裝配工藝節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和終止條件為節(jié)點(diǎn)工藝質(zhì)量滿足要求且獲得物理裝配工藝，前驅(qū)節(jié)點(diǎn)終止條件即為后繼節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)條件。具體的，一方面節(jié)點(diǎn)狀態(tài)模型中裝配體模型與三維設(shè)計(jì)模型一致，質(zhì)量特性參數(shù)實(shí)測(cè)值在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；另一方面，節(jié)點(diǎn)原理模型引用物理工藝信息完成構(gòu)建。

此外，節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系中主要考慮邏輯關(guān)系對(duì)各節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)的影響。匯合節(jié)點(diǎn)后的工藝節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，需所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)均滿足終止條件，即所有并行工藝全部滿足設(shè)計(jì)要求后執(zhí)行串行；分支節(jié)點(diǎn)后的工藝節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)滿足終止條件后所有后繼節(jié)點(diǎn)即同時(shí)啟動(dòng)。例如，圖5中PN4啟動(dòng)需前驅(qū)節(jié)點(diǎn)PN2,PN3均滿足終止條件；當(dāng)PN1滿足終止條件后，PN2,PN3,PN5或PN2,PN3,PN6同時(shí)啟動(dòng)(存在選擇節(jié)點(diǎn))。

3.3.2節(jié)點(diǎn)偏差引入與傳遞

節(jié)點(diǎn)流觸發(fā)時(shí)，由于物理環(huán)境隨機(jī)擾動(dòng)，工藝節(jié)點(diǎn)將引入裝配偏差，并隨裝配工藝流動(dòng)方向不斷傳遞并累積疊加，最終影響裝配質(zhì)量。裝配偏差的傳遞累積與節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系密切相關(guān)，總體上，裝配偏差按照順序關(guān)系由前驅(qū)節(jié)點(diǎn)向后繼節(jié)點(diǎn)傳遞?？紤]邏輯關(guān)系中分支與匯合節(jié)點(diǎn)，裝配偏差傳遞方式如下：

1) 分支節(jié)點(diǎn)

分支關(guān)系中前驅(qū)節(jié)點(diǎn)累積誤差傳遞至所有后繼節(jié)點(diǎn)，即所有下游并行裝配工序均包含前驅(qū)節(jié)點(diǎn)誤差，詳述如下：

(8)

2) 匯合節(jié)點(diǎn)

匯合關(guān)系中所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)累積誤差均傳遞至后繼節(jié)點(diǎn)，即下游裝配工序包含所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)誤差，詳述如下：

設(shè)節(jié)點(diǎn)PNi有若干前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)集合則節(jié)點(diǎn)PNi工藝執(zhí)行完成后，同類型的裝配體偏差累積狀態(tài)量為：

(9)

4 基于節(jié)點(diǎn)流的APTM構(gòu)建

4.1 數(shù)據(jù)輸入

基于數(shù)據(jù)在虛擬空間中對(duì)物理裝配精度真實(shí)映射，是APTM構(gòu)建的重要步驟，而數(shù)據(jù)輸入則是映射的前提。APTM通過(guò)關(guān)鍵裝配特征對(duì)應(yīng)質(zhì)量特性參數(shù)反映真實(shí)裝配精度，因此將數(shù)據(jù)輸入嵌入裝配工藝節(jié)點(diǎn)，與對(duì)應(yīng)裝配活動(dòng)一一關(guān)聯(lián)，為裝配精度映射提供數(shù)據(jù)支持，如圖6所示。

物理裝配活動(dòng)數(shù)據(jù)首先通過(guò)傳感器、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等硬件設(shè)備和相關(guān)軟件系統(tǒng)獲取后，進(jìn)行過(guò)濾、清洗等數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(extensible markup language,XML)統(tǒng)一建模后，通過(guò)OPC-UA標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議上傳至虛擬裝配工藝系統(tǒng)，也可通過(guò)系統(tǒng)接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)從其他系統(tǒng)間接輸入。

圖6 物理裝配數(shù)據(jù)輸入過(guò)程示意圖Fig.6 Process of physical assembly data input

4.2 節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)

基于節(jié)點(diǎn)流將工藝信息與對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)是APTM構(gòu)建的關(guān)鍵。裝配節(jié)點(diǎn)包含指導(dǎo)物理裝配的工藝設(shè)計(jì)信息，又融合了工藝執(zhí)行后的真實(shí)精度數(shù)據(jù)，因此其節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)以工藝階段為主線包括APM構(gòu)建關(guān)聯(lián)、ASM構(gòu)建關(guān)聯(lián)和APM重構(gòu)關(guān)聯(lián)三個(gè)階段，可表示為：

As(PN)=∑{M(Ti,r)|PNi},PNi∈PN,

Ti∈{APMi,ASMi}

(10)

式中:As(PN)表示整個(gè)節(jié)點(diǎn)流節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)過(guò)程；M(Ti,r)|PNi表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)PNi的信息關(guān)聯(lián)過(guò)程M(Ti,r)；Ti表示關(guān)聯(lián)信息源；r表示關(guān)聯(lián)關(guān)系。

信息關(guān)聯(lián)過(guò)程詳述如下：① 獲取設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工藝及模型設(shè)計(jì)信息，以工序/工步為基本單元構(gòu)建工序APMi作為關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)來(lái)源，與目標(biāo)工藝節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)；② 工藝節(jié)點(diǎn)定義的裝配工藝活動(dòng)完成后，生成對(duì)應(yīng)裝配體模型，并輸入間隙、位置精度和尺寸形狀等數(shù)據(jù)進(jìn)一步得到工序ASMi，與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)；③ 若后續(xù)存在工藝更改，獲取實(shí)際執(zhí)行的物理工藝替換設(shè)計(jì)階段基于理論三維模型的工藝數(shù)據(jù)完成工序APMi重構(gòu)，并與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。

4.3 APTM建模

APNF為裝配工藝信息組織與管理提供了涵蓋全流程的數(shù)據(jù)載體，APM與ASM則將全要素裝配信息有效組織并統(tǒng)一建模，為集成工藝設(shè)計(jì)信息與物理裝配數(shù)據(jù)的APTM構(gòu)建提供了信息基礎(chǔ)。從裝配初始階段，按照預(yù)規(guī)劃裝配工藝構(gòu)建APMi進(jìn)行物理裝配，通過(guò)物理裝配數(shù)據(jù)輸入，生成裝配完成后反映真實(shí)精度的ASMi，隨裝配進(jìn)程模型不斷交互，驅(qū)動(dòng)APMi持續(xù)更新、修正和完善。借助裝配工藝節(jié)點(diǎn)流APNF，通過(guò)生成信息與節(jié)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)映射關(guān)系A(chǔ)s(PN)，以節(jié)點(diǎn)為單元組織裝配過(guò)程，信息模型隨節(jié)點(diǎn)流向交互迭代直至完成整個(gè)裝配并最終形成描述裝配體由零件累計(jì)疊加的演變過(guò)程，反映真實(shí)裝配精度與偏差的APTM。基于上述過(guò)程，APTM建?？杀硎緸椋?/p>

(11)

式中，n為裝配工藝節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4.4 APTM構(gòu)建智能算法

基于以上理論，為實(shí)現(xiàn)基于節(jié)點(diǎn)流的APTM完整建模，構(gòu)建APTM構(gòu)建智能算法，實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)信息與工藝執(zhí)行信息的有效集成和結(jié)構(gòu)化組織管理與應(yīng)用，具體流程如圖 7 所示。

圖7 APTM構(gòu)建智能算法流程框圖Fig.7 Flow chart of APTM constructed by intelligent algorithm

Step 1：通過(guò)裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，獲取工藝設(shè)計(jì)與模型設(shè)計(jì)信息，為模型構(gòu)建提供信息基礎(chǔ)。

Step 2：根據(jù)2.1節(jié)模型結(jié)構(gòu)，提取零部件及其特征信息生成ACM，組織工藝設(shè)計(jì)信息生成API，集成裝配結(jié)構(gòu)模型和裝配工藝模型構(gòu)建APMi。

Step 3：由3.2節(jié)所提節(jié)點(diǎn)間組織關(guān)系，依據(jù)裝配序列信息對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排列組織，確定工藝節(jié)點(diǎn)流基本流向。

Step 4：按照節(jié)點(diǎn)流向獲取節(jié)點(diǎn)PNi，根據(jù)4.2節(jié)信息關(guān)聯(lián)方法，將設(shè)計(jì)工藝信息與目標(biāo)工藝節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，即M(Ti,r)|PNi,Ti={APMi}，并指導(dǎo)物理裝配。

Step 5：節(jié)點(diǎn)裝配工藝執(zhí)行后，由2.2節(jié)遍歷裝配體結(jié)構(gòu)樹(shù)生成當(dāng)前節(jié)點(diǎn)AGM。依據(jù)4.1節(jié)輸入物理裝配數(shù)據(jù)QCP，基于裝配體模型構(gòu)建當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)ASMi。

Step 6：依據(jù)真實(shí)裝配精度進(jìn)行裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)，判斷是否更改工藝，若更改則轉(zhuǎn)置Step 2，替換工藝設(shè)計(jì)信息重構(gòu)APMi，否則轉(zhuǎn)置Step 7。

Step 7：輸出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)引入的裝配偏差U。

Step 8：根據(jù)4.2節(jié)信息關(guān)聯(lián)方法，將節(jié)點(diǎn)物理裝配工藝信息與目標(biāo)工藝節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，即M(Ti,r)|PNi,Ti={ASMi}。

Step 9：判斷當(dāng)前獲取的節(jié)點(diǎn)是否為節(jié)點(diǎn)流最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若是轉(zhuǎn)置Step 10，否則轉(zhuǎn)置Step 4繼續(xù)獲取節(jié)點(diǎn)。

Step 10：輸出節(jié)點(diǎn)流綜合裝配偏差，模型構(gòu)建結(jié)束。

5 實(shí)例驗(yàn)證

以單缸發(fā)動(dòng)機(jī)裝配體為例，應(yīng)用所提工藝孿生模型進(jìn)行裝配工藝信息組織和管理，驗(yàn)證模型的可行性。圖8為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)裝配體爆炸圖，其主要功能件包括機(jī)體、機(jī)座、軸承、活塞、連桿和曲軸等，連接件包括銷軸、螺栓、螺母和墊片等。在實(shí)際裝配階段，需要先分別將A1組裝形成曲軸總成，A2組裝形成活塞連桿總成，A3組裝形成汽化器總成，再進(jìn)一步進(jìn)行裝配活動(dòng)。

P1-調(diào)整螺母；P2-夾緊盤(pán)；P3-驅(qū)動(dòng)盤(pán)；P4-軸承墊片；P5-機(jī)體；P6-端蓋墊片；P7-端蓋；P8-螺釘M3×4；P9-側(cè)出口堵銷；P10-活塞襯套；P11-缸蓋墊片；P12-缸蓋；P13-螺釘M3×6；A1-曲軸總成：P101-軸承1；P102-軸承2；P103-曲軸；P14-半圓鍵.A2-活塞連桿總成：P21-連桿；P22-活塞；P23-銷軸；P24-銷軸擋圈×2；P25-活塞環(huán)×2.A3-汽化器總成：P31-緊固螺釘；P32-節(jié)流閥支架；P33-汽化器；P34-針型閥；P35-燃料入管

本文基于Visual Studio 2012、UG/Open和NX/Open二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在NX 10.0的平臺(tái)上開(kāi)發(fā)原型系統(tǒng)“裝配工藝孿生系統(tǒng)”，系統(tǒng)包括兩大模塊，分別為工藝節(jié)點(diǎn)流和工藝孿生模型，下文主要以單缸發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊的功能。

5.1 工藝節(jié)點(diǎn)流生成

如圖9所示為裝配工藝節(jié)點(diǎn)流生成模塊，包括節(jié)點(diǎn)流結(jié)構(gòu)及其類型、層級(jí)等屬性信息。在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝中，首先將汽化器總成、曲軸總成裝入機(jī)體，再裝入活塞連桿總成及其他零件，因此其節(jié)點(diǎn)流包含分支節(jié)點(diǎn)、匯合節(jié)點(diǎn)等，為混合節(jié)點(diǎn)流。

圖9 裝配工藝節(jié)點(diǎn)流生成模塊界面Fig.9 Interface of assembly process node flow generation

該工藝系統(tǒng)中，“-”表示分支節(jié)點(diǎn)，“+”表示匯合節(jié)點(diǎn)，“/”表示選擇節(jié)點(diǎn)，括號(hào)內(nèi)為存在邏輯關(guān)系的節(jié)點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，順序關(guān)系由“_”表示，“