三维装配工艺设计方法研究*

曹文钢，王志忠，姜 康，张红旗，陈兴玉

(1．合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009;2．中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

1 引 言

装配是产品生命周期中的重要环节，是根据确定的精度标准和技术要求，将组成产品的零部件通过合理的工艺流程以及各种必要的方式联结组合起来，使之成为产品的过程。装配工艺的规划及实施质量决定着产品的竞争力［1］。它主要解决产品的零部件装配顺序、装配路径、装配工艺方法和所用到的工装夹具等问题。计算机辅助装配工艺规划是解决产品装配工艺规划问题的有效工具。长期以来，计算机辅助装配工艺规划方面的研究集中于利用计算机对产品的空间几何、拓扑结构和装配约束关系进行自动分析和推理，并通过某种评价机制(如最短装配时间和最小装配成本)进行优选［2］。但这些方法大多还停留在理论研究阶段，很难在实际中应用。其主要原因是:①随着零件数目的增多，上述方法易导致组合爆炸，计算复杂性高，效率低下。②由于产品的装配十分依赖于装配人员已有的装配经验，而在这方面，现有方法表现不尽如人意。此外，装配工艺设计大多采用二维CAPP 系统，不够直观。而三维装配工序简图形象、直观，可实现“爆炸”和动画，可用以指导装配现场操作，提高装配工人的技术水平［3］。因此，研究装配工艺设计的三维化具有重要意义。

笔者介绍了一种基于Pro/E 平台构建了三维装配工艺系统的方法。该系统主要解决产品基于三维模型的装配工艺设计问题，拟突破装配工艺信息在三维模型上的合理表达、三维装配工艺卡片的生成、装配过程仿真的可视化发布等关键技术，提高装配工艺设计的水平。

2 系统的体系结构

三维装配工艺规划系统应能实现生成和管理工艺文件，进行装配序列、装配路径规划等功能，需要重点解决提取设计模型属性信息、工艺规划、三维装配工艺卡片的生成和可视化发布等问题。为此，基于Pro/E 平台构建了三维装配工艺设计系统，如图1 所示，该系统共3 个模块:装配信息提取模块、装配工艺规划模块和工艺文件发布模块。

图1 装配工艺系统体系结构

(1)装配信息提取 调用Pro/E 中的API 函数提取装配模型的工程信息、几何信息、约束信息和零件拓扑关系信息。

(2)装配工艺规划 根据零件间的拓扑关系并结合经验进行装配序列规划、装配路径规划，并进行干涉碰撞检测，最后填写装配信息。

(3)工艺文件发布 装配模型经过工艺规划后形成三维装配工艺模型，对其发布成为可视化模型，其中包括装配工艺信息、工艺结构树以及装配过程动画。

3 三维装配工艺设计系统的关键技术

3．1 装配设计模型的创建

产品设计过程中所建立的三维数字化装配模型是实现装配工艺规划的前提。在Pro/E 环境下，首先完成各个零件的三维实体模型的创建，然后在零件模型的基础上，定义各个零件之间的配合关系，从而完成装配模型的创建。装配设计模型中包含了产品零部件信息和装配关系。零部件信息包括零部件的几何信息、工程信息、约束信息等。装配关系包括零部件在装配体中的相互装配关系等信息。

装配设计模型在Pro/E 系统中以产品装配结构树的形式被存储。通过Pro/E 系统所提供的二次开发编程接口［4］，可提取出该装配树的信息。装配树的层次关系体现了产品零部件在实际装配过程中的顺序。清晰的表达出产品、部件、零件的父子从属关系如图2 所示。

图2 装配层次关系图

3．2 装配工艺规划

装配工艺规划是指按照要求制定的装配计划，研究产品装配体是用什么工具、沿怎样的路径、按照怎样的次序装配起来的［5］。装配工艺规划包括装配路径规划、装配顺序规划以及干涉碰撞检测。以往研究大多把三者隔离开来，结果导致三者之间的成果难以及时共享。显然这不利于提高装配工艺规划的效率，有悖于并行工程思想。

本系统采用基于拆卸法的人机交互装配工艺规划方法，其基本思路是:以可拆即可装的假设为前提，工艺人员进行试拆卸的同时对拆卸路径进行干涉碰撞检测，若检测到干涉碰撞，返回初始状态重新拆卸［6－7］，循环此过程以得到可行且优化的路径。将得到的拆卸顺序和路径求逆，即可得到装配顺序和装配路径，其装配工艺规划流程图如图3 所示。

图3 装配工艺规划流程图

3．3 工艺结果发布［8］

可视化发布:将3D 装配工艺模型进行可视化发布，产生ProductView 格式文件，并根据需要上传至PLM 系统，其要点有下面5 方面。

(1)利用特征回退技术，定义所创建的每一个特征位置为零件的特征节点，形式上表现为工艺模型特征树中的每一个特征。利用特征节点与多态工序模型间存在的逻辑对应关系，通过定义特征节点的位置生成相应加工过程中的工序模型。

(2)提取工序及工步信息记录到数据库。

(3)将发布结果保存到指定位置。

(4)特征的隐含和恢复要求特征严格按照工步分组，且独立的特征间不要有参照关系，以免部分特征隐含后导致模型再生失败。三维标注的信息包含的工步的组内，隐含对象针对工步组而不针对具体的特征和标注。

(5)隐含方法是调研Pro/T 的ProFeatureSuppress 函数，恢复方法是调用Pro/T 的ProFeatureResume 函数。

在模型中工步与工序信息以参数形式记录在相对应的特征下，模型发布过程中程序需要读取全部参数信息并规则保持数据库中。发布的结果文件(ProductView 可视化格式)以压缩格式(．edz 或．pvz)保存，不用非压缩格式(．ol+．ed)格式保存，以方便管理与浏览。

4 系统原型构建

基于上述方案，项目组使用Pro/E 的Pro/TOOKIT 工具包和VC++20008，开发了三维工艺原型系统。其基本工作流程如图4 所示。

图4 系统工作流程图

(1)利用Pro/T 工具包和VC++2008 开发出三维装配工艺程序，并集成到Pro/E 系统中，建立装配设计模型［9－10］。

(2)装配工艺规划人员利用Pro/T 内嵌的数据接口程序对设计模型数据(包括工程信息、几何信息、约束信息、装配关系信息)进行转化，以获得三维装配工艺规划系统所需的零部件中性信息文件。

(3)装配规划人员在三维装配工艺系统环境下，根据装配信息，通过人机交互的方式，对零部件的装配序列、装配路径进行规划，并进行干涉碰撞检测和工装工具的选择。

(4)经过装配工艺规划后并加入其他数据，例如工时定额、工装夹具、辅助材料等信息，生成三维装配工艺模型。

(5)将三维装配工艺模型进行可视化发布，产生ProductView 格式文件，并根据需要上传至PLM 系统。

(6)进入工艺结果浏览模块，可以从Windchill系统入口浏览，也可以从外部浏览器独立浏览，内嵌ProductView 可视化控件查看工艺发布结果信息。

5 实例验证

以产品装配中的一道工序验证系统的可行性。工序信息组织和操作界面如图5 所示。

装配工艺信息分三部分内容，最左边是工艺结构树，与Pro/E 模型设计结果对应;中间部分是可视化模型，显示与工步对应的轻量化模型，支持交互式选择，并可播放装配动画。右边是辅助工艺信息，跟据结构树中选择节点出现对应内容如图6 所示。

图5 工艺结果浏览

6 结 语

笔者对三维工艺设计系统的结构以及所涉及的关键技术进行了研究，目的在于提高工艺规划人员的工作效率以及实现装配现场的可视化指导。开发了系统原形，并以产品装配中一道工序为例进行了验证。该系统能实现对装配过程的三维动画显示，从而取代传统工艺卡片对装配过程和装配方法的文字描述，为三维装配的实施奠定了基础。

［1］ 苏 明，左敦稳，薛善良，等．基于Pro/E 的三维辅助装配工艺规划系统研究［J］．中国制造业信息化，2006，12(29):62－65．

［2］ 姚 珺，宁汝新，王新永．基于虚拟现实的装配工艺规划研究［J］．机械工程学报，2002，38(8):130－133．

［3］ 马自勤，杨志刚．数字装配工艺及其三维化研究［J］．机械制造与自动化．2005，34(1):123－128．

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

［5］ 卢小平．面向虚拟装配的装配序列规划的研究［J］．系统仿真学报，2003，15(1):44－47．

［6］ 高 峰，吴俊军．基于包容盒分解的快速干涉检验算法［J］．计算机辅助设计与图形学学报，2000，12(6):435－440．

［7］ 王太勇，王国峰．基于HV 分割的精确碰撞检测在虚拟设计中的应用［J］．机械设计，2000，12(6):435－440．

［8］ 于建明，蔡建国．装配建模及装配顺序分层规划方法研究［J］．机械科学与技术，2000，19(4):371－673．

［9］ 周尔民．汽车变速箱虚拟装配仿真技术的应用研究［J］．机械制造，2005，43(11):11－14．

［10］ 夏平均，姚英学，李建广，等．三维数字化装配工艺系统研究［J］．哈尔滨工业大学学报，2004，37(1):36－39．