摘要：為加快實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化制造模式，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)三維裝配工藝信息的需求，提高產(chǎn)品裝配的質(zhì)量和效率，文章研究了三維裝配的工藝規(guī)劃與相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)面向裝配現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配工藝規(guī)劃與仿真驗(yàn)證的總體流程，詳細(xì)探討和分析裝配結(jié)構(gòu)層次調(diào)整、裝配場(chǎng)景構(gòu)建、裝配過(guò)程可視化和裝配工藝發(fā)布等與三維裝配工藝規(guī)劃相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。該研究可為三維虛擬環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：三維裝配；工藝規(guī)劃；智能制造；虛擬裝配

中圖分類號(hào)：TP391" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）05-0078-04

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能計(jì)算、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)的迅速發(fā)展，三維裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)為解決產(chǎn)品的裝配規(guī)劃問(wèn)題提供了新的技術(shù)手段。國(guó)外已推出一些面向制造行業(yè)的商品化的數(shù)字化裝配規(guī)劃系統(tǒng)，如ICIDO（虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案和工程虛擬樣機(jī)仿真分析協(xié)同決策平臺(tái)）、Visualization Mockup和Tecnomatix等。國(guó)內(nèi)針對(duì)數(shù)字化智能裝配的研究中，Wang等［1］開(kāi)發(fā)基于AR技術(shù)的線束裝配指導(dǎo)系統(tǒng)，采用知識(shí)圖譜方法統(tǒng)一描述裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)裝配流程的可視化；徐張桓［2］基于數(shù)字化裝配平臺(tái)構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配仿真環(huán)境，制定基于MBD（模型定義）技術(shù)的裝配工藝仿真研究方案與流程；毛玲等［3］研發(fā)一種針對(duì)復(fù)雜層次化模型的在線通用虛擬裝配系統(tǒng)，滿足了不同機(jī)械產(chǎn)品的裝配需求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，虛擬裝配技術(shù)將在提高擬實(shí)化程度［4］、引入人工智能［5］、降低勞動(dòng)強(qiáng)度［6］等方面獲得更大的發(fā)展，從而更適應(yīng)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需要。

在三維虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)零部件裝配順序的設(shè)計(jì)和路徑定義、裝配過(guò)程干涉檢查、裝配資源合理性驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝存在的問(wèn)題，并輸出合理可行的裝配工藝［7-8］。有效的裝配工藝規(guī)劃可以顯著地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高裝配質(zhì)量，降低裝配成本。本文將從裝配結(jié)構(gòu)層次調(diào)整、裝配場(chǎng)景構(gòu)建、裝配過(guò)程可視化和裝配工藝發(fā)布等方面詳細(xì)分析三維裝配工藝規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)。

1 三維裝配工藝規(guī)劃總體流程設(shè)計(jì)

三維裝配工藝規(guī)劃的總體思路如下：以裝配知識(shí)和工藝規(guī)劃為基礎(chǔ)，搭建基于工位制的裝配工藝結(jié)構(gòu)；在虛擬環(huán)境中，通過(guò)人機(jī)交互的方法仿真和驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配工藝過(guò)程，從而生成優(yōu)化、可行的裝配工藝。基于以上思路劃分三維裝配工藝規(guī)劃總體流程，該流程主要由以下幾個(gè)重要的功能模塊組成。

（1）裝配數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。準(zhǔn)備產(chǎn)品、工裝、工具等的三維輕量化模型，整理和制定裝配知識(shí)和工藝技術(shù)規(guī)范，為三維裝配工藝規(guī)劃提供數(shù)據(jù)和規(guī)則支持。

（2）裝配結(jié)構(gòu)定義。導(dǎo)入產(chǎn)品和相關(guān)資源數(shù)據(jù)，生成初始的裝配層次結(jié)構(gòu)，并根據(jù)劃分的裝配單元和裝配規(guī)則，對(duì)裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改、刪除、新建和調(diào)整等操作，輸出適用于指導(dǎo)生產(chǎn)的裝配結(jié)構(gòu)。

（3）裝配環(huán)境搭建。通過(guò)設(shè)置虛擬裝配場(chǎng)景的背景，導(dǎo)入裝配資源的三維模型，布局線纜和管路的位置，調(diào)整各類物體在場(chǎng)景中的位置，控制物體的顯示精度，構(gòu)建一個(gè)合理的虛擬裝配場(chǎng)景。

（4）裝配過(guò)程規(guī)劃。在虛擬裝配場(chǎng)景中，定義產(chǎn)品零部件的裝配序列，規(guī)劃產(chǎn)品零部件的裝配路徑和仿真裝配資源的使用情況，疊加裝配引導(dǎo)輔助信息并反復(fù)檢查，最終得到合理、可行的三維裝配工藝。

（5）裝配工藝發(fā)布。制定裝配工藝發(fā)布流程，實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝文件和現(xiàn)場(chǎng)裝配工位的關(guān)聯(lián)，以合適的方式展現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維裝配作業(yè)指導(dǎo)書，幫助現(xiàn)場(chǎng)工人更好地理解產(chǎn)品的裝配過(guò)程、裝配要點(diǎn)等。

2 裝配結(jié)構(gòu)層次調(diào)整

在產(chǎn)品的全生命周期中，BOM（物料清單）結(jié)構(gòu)反映了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在產(chǎn)品的不同階段，BOM具有不同的結(jié)構(gòu)視圖，因此在裝配工藝規(guī)劃前，將復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐層拆分，調(diào)整為符合裝配現(xiàn)場(chǎng)的裝配結(jié)構(gòu)，這對(duì)產(chǎn)品的三維裝配工藝規(guī)劃具有重要意義。

2.1 BOM的分類

在產(chǎn)品的不同階段，BOM根據(jù)產(chǎn)品的功能需求和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，較少考慮裝配現(xiàn)場(chǎng)工位布局的EBOM（工程物料清單）結(jié)構(gòu)。工藝人員需根據(jù)實(shí)際的裝配需求，對(duì)產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪、 增、改等操作，形成指導(dǎo)裝配的PBOM（計(jì)劃物料清單）結(jié)構(gòu)；制造部門以PBOM為基礎(chǔ)，進(jìn)行產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃，形成包含零組件配套、裝配順序、工序定額等信息的MBOM（制造物料清單）結(jié)構(gòu)。

2.2 裝配結(jié)構(gòu)調(diào)整策略

以軌道交通裝備的研制為例，在研制過(guò)程中，BOM作為產(chǎn)品信息的載體，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的全過(guò)程。設(shè)計(jì)部門產(chǎn)生的 EBOM 只能反映產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不能直接指導(dǎo)軌道交通裝備的生產(chǎn)制造，因此產(chǎn)品的裝配層次結(jié)構(gòu)只有經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，才能用于軌道交通裝備的實(shí)際裝配任務(wù)。BOM結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖1。

（1）EBOM轉(zhuǎn)換為PBOM。設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，完成產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)并輸出EBOM存放到數(shù)據(jù)庫(kù)；工藝人員從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取EBOM數(shù)據(jù)，并根據(jù)裝配需求對(duì)裝配結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪、增、改等操作，形成PBOM數(shù)據(jù)。

（2）PBOM轉(zhuǎn)換為MBOM。事業(yè)部的工藝人員基于PBOM數(shù)據(jù)，結(jié)合公司的生產(chǎn)組織形式、可利用的制造資源及相關(guān)的工藝規(guī)范等，通過(guò)三維裝配仿真技術(shù)規(guī)劃和驗(yàn)證每一道工序的詳細(xì)裝配過(guò)程并輸出MBOM。

3 裝配場(chǎng)景構(gòu)建

三維裝配場(chǎng)景為用戶提供了可視化的虛擬裝配環(huán)境，裝配場(chǎng)景管理產(chǎn)品資源、裝配資源、可視化信息等各種資源，并且為用戶提供交互式的裝配操作與驗(yàn)證等多種仿真化體驗(yàn)。能否在計(jì)算機(jī)中有效地表達(dá)、組織和存儲(chǔ)各種場(chǎng)景對(duì)象模型，直接關(guān)系到裝配場(chǎng)景構(gòu)建的實(shí)用性和合理性。

3.1 裝配場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)

為有效地管理和組織裝配場(chǎng)景，本文采用了如圖2所示的裝配場(chǎng)景結(jié)構(gòu)。其中，產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)管理產(chǎn)品的裝配信息，并為工藝節(jié)點(diǎn)提供三維工藝規(guī)劃的對(duì)象；工藝節(jié)點(diǎn)中，工序節(jié)點(diǎn)為裝配工藝的基本管理單元，工步節(jié)點(diǎn)提供詳細(xì)的裝配工藝信息，可視化信息節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)豐富場(chǎng)景中裝配過(guò)程的表達(dá)；資源節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)管理裝配過(guò)程中需要使用的工裝、工具和輔料資源信息；場(chǎng)景渲染節(jié)點(diǎn)將相機(jī)、光照、幾何對(duì)象、幾何屬性、變換矩陣和事件消息等有機(jī)地組織起來(lái)并協(xié)調(diào)它們的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景的快速渲染和操作響應(yīng)。以上的裝配場(chǎng)景組織模型為后續(xù)的三維裝配仿真提供了基礎(chǔ)。

3.2 轉(zhuǎn)向架三維裝配場(chǎng)景

圖3為轉(zhuǎn)向架三維裝配場(chǎng)景，場(chǎng)景包含轉(zhuǎn)向架裝配模型、線纜模型、裝配工具、可視化輔助信息、裝配背景等多種信息，為用戶提供了良好的裝配交互環(huán)境。

4 裝配過(guò)程可視化

在三維裝配場(chǎng)景中，通過(guò)多類信息的可視化，從視覺(jué)、信息和操作等方面改善虛擬裝配環(huán)境下人機(jī)交互的效率，豐富場(chǎng)景中裝配過(guò)程的表達(dá)，增強(qiáng)引導(dǎo)作業(yè)人員裝配的效果。

4.1 可視化仿真動(dòng)素

三維裝配工藝規(guī)劃的一個(gè)重要目標(biāo)是通過(guò)各種動(dòng)畫效果，形象地表達(dá)場(chǎng)景中的裝配過(guò)程。本文采用一系列可視化仿真動(dòng)素組織裝配過(guò)程的可視化表達(dá)。常用的仿真動(dòng)素的功能與參數(shù)詳述如下。

（1）視點(diǎn)動(dòng)素：變換場(chǎng)景觀察視角，以達(dá)到最佳的裝配觀察效果，記錄參數(shù)為相機(jī)位置。

（2）閃爍動(dòng)素：讓場(chǎng)景物體以高亮的方式閃爍，以達(dá)到提醒用戶的作用，記錄參數(shù)為閃爍次數(shù)和閃爍顏色。

（3）運(yùn)動(dòng)動(dòng)素：物體在場(chǎng)景中做平移、旋轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)，模擬真實(shí)的裝配過(guò)程，記錄參數(shù)為運(yùn)動(dòng)類型和位姿變換矩陣。

（4）暫停動(dòng)素：讓場(chǎng)景中的物體暫停運(yùn)動(dòng)，控制仿真運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏，記錄參數(shù)為暫停時(shí)間。

（5）透明動(dòng)素：讓場(chǎng)景中的物體表現(xiàn)出透明效果，以觀察復(fù)雜物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記錄參數(shù)為透明度值。

（6）隱藏動(dòng)素：通過(guò)隱藏場(chǎng)景中的物體，觀察被物體遮擋的其他物體，記錄參數(shù)為隱藏時(shí)間。

（7）變色動(dòng)素：通過(guò)改變場(chǎng)景物體的外觀顏色，達(dá)到提醒和強(qiáng)調(diào)的作用，記錄參數(shù)為顏色RGB（紅、綠、藍(lán)）值。

（8）警告動(dòng)素：通過(guò)在場(chǎng)景中彈出對(duì)話框，強(qiáng)調(diào)裝配需要注意的地方，記錄參數(shù)為對(duì)話框資源和警告信息。

（9）文本動(dòng)素：通過(guò)在場(chǎng)景中疊加裝配操作輔助文字說(shuō)明，達(dá)到裝配引導(dǎo)的目的，記錄參數(shù)為文本信息和文本位置。

（10）爆炸圖動(dòng)素：通過(guò)在場(chǎng)景中生成裝配爆炸圖，達(dá)到快速瀏覽裝配體結(jié)構(gòu)的目的，記錄參數(shù)為爆炸方向和零部件距離。

4.2 裝配信息可視化

在三維裝配場(chǎng)景中，需要對(duì)不同的信息進(jìn)行可視化展現(xiàn)。為了便于管理裝配場(chǎng)景中的各種可視化信息，本文將裝配信息歸納為場(chǎng)景幾何信息、場(chǎng)景事件信息及場(chǎng)景文本信息，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的可視化方式。場(chǎng)景幾何信息主要包括裝配場(chǎng)景中產(chǎn)品、工裝、工具等對(duì)象的三維模型，其可視化方式為三維模型顯示、隱藏和特效處理，主要提供裝配操作環(huán)境、操作對(duì)象及裝配資源，輔助裝配指導(dǎo)工作。場(chǎng)景事件信息是指選擇、操作和刪除裝配場(chǎng)景對(duì)象產(chǎn)生的事件消息。場(chǎng)景文本信息主要包括引導(dǎo)、注釋和警告信息，以文本引導(dǎo)裝配人員注意當(dāng)前步驟、對(duì)象及裝配要點(diǎn)，并對(duì)不可行操作或錯(cuò)誤操作做出警告。裝配信息可視化應(yīng)用示例見(jiàn)圖4。

5 三維裝配工藝發(fā)布

三維裝配工藝發(fā)布的主要任務(wù)是從裝配工藝數(shù)據(jù)庫(kù)將產(chǎn)品的輕量化模型、裝配仿真動(dòng)畫、工序操作細(xì)則、BOM數(shù)據(jù)、裝配資源等數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輸出特定格式的裝配作業(yè)指導(dǎo)書，使用戶可以通過(guò)交互的方式查閱每一道工序的裝配引導(dǎo)過(guò)程。

5.1 三維裝配工藝發(fā)布內(nèi)容

三維裝配工藝發(fā)布的內(nèi)容包含工藝概要信息、工藝要求、BOM數(shù)據(jù)、工藝資源、工序和裝配工藝過(guò)程（見(jiàn)圖5），三維裝配工藝發(fā)布效果圖見(jiàn)圖6。

5.2 三維裝配工藝發(fā)布與應(yīng)用流程

三維裝配工藝發(fā)布通過(guò)引用設(shè)計(jì)的三維輕量化模型，讀取設(shè)計(jì)和工藝BOM，關(guān)聯(lián)編制完成的三維裝配工藝，并且通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至特定的現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備，為現(xiàn)場(chǎng)工人提供可交互的、動(dòng)態(tài)的、直觀的、易于理解的三維作業(yè)指導(dǎo)。三維裝配工藝發(fā)布與應(yīng)用流程見(jiàn)圖7，其中ESB（Enterprise Service Bus）即企業(yè)服務(wù)總線，MES（Manufacturing Execution System）即制造執(zhí)行系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的出現(xiàn)，智能制造成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，在智能制造的需求下，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)逐漸演變?yōu)橹悄芑娜S工藝設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的裝配技術(shù)已經(jīng)不能滿足智能制造行業(yè)的需求。為此，本文設(shè)計(jì)了面向裝配現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配工藝規(guī)劃與仿真驗(yàn)證的總體流程，解決了裝配結(jié)構(gòu)調(diào)整、裝配場(chǎng)景構(gòu)建、裝配過(guò)程可視化、裝配工藝發(fā)布等各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)難題，有助于推動(dòng)制造行業(yè)向智能化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型，進(jìn)而提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的整體升級(jí)。

7 參考文獻(xiàn)

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*湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“軌道車輛軸承監(jiān)測(cè)用壓電薄膜傳感器”（2023GK2026）。

【作者簡(jiǎn)介】羅嘉欣，女，湖南婁底人，在讀碩士研究生，研究方向：智能制造技術(shù)；劉翊，男，湖南衡陽(yáng)人，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向：智能制造技術(shù)、工業(yè)智能。

【引用本文】羅嘉欣，劉翊.三維裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（5）：78-81.