三维可视化装配工艺设计系统及应用

李 伟， 侯 凯， 俞玉澄， 葛红豆

（1.上海无线电设备研究所，上海200090；2.上海神添实业有限公司，上海200438）

0 引言

随着航天产品向小型化、轻量化、精密化方向发展，其装配密度和装配精度的要求越来越高，装调的难度也越来越大［1］。三维CAD/CAM软件和相应数字化装配技术的出现，为提高航天复杂产品初次装配成功率和装配质量提供了新的突破点，其应用价值也受到越来越多的重视。

装配作为产品生命周期的重要环节，在现代机械制造业中，占用超过了40%以上的生产费用，所需工时占产品生产制造总工时的40%～60%［2］。并且对于结构复杂的产品，这些比例将更高。装配过程中，装配顺序、装配路径、装配方式、装配布局决定着装配质量和装配效率。传统的装配由于无虚拟装配仿真，只能在完成零件生产之后，利用装配人员固有的经验知识进行试装，导致整个研制周期较长。而且，目前现场工艺文件以二维图表格式为主，操作人员不易理解设计意图，易造成错装、漏装等装配质量问题。随着国内航天行业发射密度提高、研制任务增多、研制周期急需缩短，全三维设计工艺协同已成为发展趋势。而三维可视化软件、MPM系统集成应用将为产品设计提供可视化审查评估依据，并可提高产品的可装配性、降低试装及设计更改次数，将为全三维设计工艺协同、并行工程提供支撑，最终为完成全三维从设计、工艺到装配现场的技术路线提供基础。

因而，亟需进行三维可视化装配仿真技术、三维可视化软件与MPM系统软件集成技术的相关研究。这已成为企业缩短研制周期、提高装配质量和效率、降低生产成本的迫切需要。

1 三维可视化装配工艺设计现状

对于包含刚性和电缆等柔性零部件的复杂航天机电产品，具有装配质量要求高、装配周期短的特点。因而，急需通过三维可视化工艺设计表达其装配过程，提高装配效率及质量。目前国内企业主要采取的三维可视化装配工艺设计方法主要包含下列两种。

（1）软件法

软件法主要运用软件制作可视化装配工艺。该措施主要包含两方面的内容：

a）将来自设计师的三维装配模型转换为通用格式，然后进行装配仿真分析验证装配过程是否干涉，最终制作装配动画用于指导生产；

b）利用CAPP软件将三维虚拟装配过程中截取的图片制作成二维装配工艺卡片，作为三维装配动画的补充，用于指导实际生产。

软件法形成的三维可视化装配工艺示意图如图1所示。

软件法制作的动画视频、三维工艺文件相对于二维图表式工艺卡片更加形象、直观，指导性增强。但该方法存在以下问题：

a）软件对装配模型不做轻量化处理，占用内存较大，易导致动画制作效率降低，甚至无法制作动画；

b）用到的通用格式模型在转换过程中易丢失原模型装配信息；

c）基础库不全，缺少必备的工具、工装库，无法验证操作空间干涉情况，造成制作的动画展示度较低；

d）软件操作界面复杂，输出动画质量差，且占用内存大；

e）离线进行操作，可传递性差，且无法进行交互操作。

（2）拍照法

拍照法利用拍摄装配过程视频及图片制作可视化装配工艺，以拍电影形式拍摄装配视频。该方法制作的视频、工艺文件相对于传统二维图表式工艺卡片更加形象、直观，指导性更强。然而这种方法存在以下缺点：

a）耗费人力成本较高；

b）制作的工艺文件（示意图如图2所示）为彩色图，打印后可视化效果较差；

c）无法在设计阶段进行装配过程工艺审查；

d）离线进行操作，可传递性差，且无法进行交互操作。

上述两种方法，主要以图表式工艺文件为主，视频动画为辅形式，但将文件与动画集成为一个界面并可在线浏览的装配工艺表现方式仍处于探索阶段。随着产品结构功能增多，布局密度增大，设计工艺协同、并行工程开展也随之增多，三维可视化表达规范形式及其与MPM系统集成方面仍需进一步研究，为其提供技术支撑。

从装配动画制作效率提升、工艺与动画集成表达、在线浏览等角度，提出了一种三维可视化装配工艺设计系统。

2 三维可视化装配工艺设计系统

利用Pro/E5.0软件设计平台、基于APDTools的三维可视化装配仿真平台、基于Avidm5（以下简称A5）的MPM系统进行集成研究，构建了三维可视化装配工艺设计系统。该系统的流程及集成框架如如图3所示。

系统的工作流程如下：

a）通过A5与Pro/E集成开发，设计师可在Pro/E平台离线进行方案设计，并将设计图纸、三维模型、BOM资源等信息上传至基于A5的MPM系统进行显示、设计会签、下载操作；

b）工艺师从MPM系统下载装配模型，并执行轻量化处理，然后导入APD Tools离线进行工艺审查、装配仿真验证，最后对合格方案制作装配规程、关键工序装配动画、输出装配规程及动画，同时进行工装设计；

c）通过A5与Smart View集成开发，工艺师上传装配规程及动画至MPM系统，并创建工艺资源、文字工艺、动画关联，最终发布三维可视化装配工艺；

d）现场操作人员通过MPM系统在线浏览三维可视化装配工艺，用于指导现场实际生产。

3 三维可视化装配仿真

三维可视化装配仿真是进行设计方案工艺审查、建立三维可视化装配工艺的基础。作为三维可视化装配工艺设计系统中关键技术，它需经过三维装配工艺建模、装配序列和装配路径规划、装配仿真验证、装配动画输出四个过程。

3.1 三维装配工艺建模

三维装配工艺模型是装配工艺规划的基础，其优劣直接决定着装配工艺规划的效率，为此对建模技术进行研究，并对装配工艺模型提出了以下要求。

（1）完整性要求

三维装配工艺模型不仅应描述零部件结构本身完整信息，还需描述装配工艺设计所需工装、工具、工艺组合件等装配资源、操作信息。即要求产品装配模型信息、工艺资源、工艺方案等信息较为齐全，这些资源为后期产品装配仿真验证提供基础。

（2）层次性要求

对于典型复杂产品，由于其涉及的零部件种类、数量众多，因此对装配过程仿真的简化显得尤为重要，同时这也符合实际生产装配过程。装配工艺模型应根据产品物理结构及功能特性进行分层，划分子装配体。同时将关联的标准件、工具、工装等集成到同一层次，产生一个初步的分层装配工艺模型，以降低装配规划求解的空间难度。

（3）轻量化要求

由于结构复杂产品设计数据占用内存较大，直接用于装配仿真易导致电脑卡顿，降低仿真效率，且不利于数据传输。因而，装配仿真对三维装配工艺模型的轻量化提出要求。三维可视化装配仿真平台利用自主开发的数据处理模块Smart-Adapter插件将设计数据转换为SVF格式文件。转换过程操作方便，且使转换后文件占用空间缩小至原文件的1/10～1/20，装配信息保留完整。

（4）开放性要求

在产品设计模型及相应装配资源发生变化时，通过修改装配工艺模型可以快速实现装配工艺的更新。

对于结构复杂产品，直接进行装配规划难度较大，因此，对装配模型进行层次划分和重构显得尤为重要。其具体操作过程：首先将产品信息模型、装配资源（包括工装夹具、工具、地面设备等三维模型）导入到Pro/E中；然后利用CAD模块并结合工艺总方案，在原产品设计层次基础上重构模型，划分子装配体；最后将装配资源装配到相应层次，形成重构后的装配工艺模型结构树。装配工艺层次模型示意，如图4所示。

其中，三维装配工艺模型中的工装库和工具库应随装配产品不同而不断得到更新，进行更改、增添或删除一些内容。

3.2 装配序列规划

装配序列规划是根据既得信息，通过推理生成几何不干涉，装配过程中工具和工装能进行预定操作，且装配操作符合一定的工厂习惯和技术要求的可行的装配序列［3］。

国内外对装配序列规划的研究可归纳为：拆卸法、优先约束法、基于子装配体识别法的装配序列求解方法以及基于知识的求解等方法。基于实际资源及可行性原则，综合采用子装配体识别法和人机交互仿真拆卸法进行装配序列规划及评估。

该解决方案的基本操作步骤如下：

a）利用子装配体识别法，并结合仿真拆卸法，由层次装配树生成一个初步总的装配顺序；

b）应用层次化的虚拟装配工艺模型，以集成于模型中的装配资源作为约束条件，识别出子装配体，将产品总装配逐层拆卸，直至拆卸为已识别的子装配体，依据这些子装配体拆卸顺序，生成其初始装配顺序；

c）结合装配工艺知识对识别出的子装配体进行虚拟装配，规划出子装配体装配序列，并由总的和子装配体的初始装配顺序生成产品的初始装配顺序；

d）以“可拆即可装”的思想为前提，在三维可视化环境中，以人机交互仿真拆卸方式对前三步形成的产品初始装配顺序进行全面逐层动态仿真评估，以得到最优或较优的拆卸序列；

e）仿真拆卸的同时进行路径可行性检测，即装配过程干涉检测，记录拆卸顺序和拆卸路径，然后对其取逆，即得到产品装配序列；

f）通过经验丰富的装配人员核验操作可行性，并经设计师核验符合设计要求的为最终产品装配序列。

基于子装配体识别法和人机交互仿真拆卸法的装配序列规划流程如图5所示。

3.3 装配动画制作解决方案

装配动画是面向装配工人的直观演示装配文件。它是以装配工艺模型、装配序列、配套明细表为基础，在计算机仿真装配环境中对产品实际装配过程的真实模拟。其中，需对零部件模型赋予运动自由度、对其运动路径/运动的类型（旋转、平移和拉伸）/时间作约束处理、定义装配资源和操作语义信息等操作实现。

采用APD Tools软件构建装配仿真平台，以位置关键帧的形式记录装配顺序和装配路径，并辅以路径规划和交互式动态检测技术来生成装配仿真动画。

APDTools中的装配仿真动画制作主要包括以下几个方面：

a）照相机视图的切换，模型能缩放、平移和旋转；

b）位置的改变，几何角色能爆炸，协同角色能从视图区移动；

c）属性的改变，几何角色能改变颜色、材质、不透明度、尺寸、显示状态；

d）模型的编辑，模型的二次导入、复制、粘贴、删除等；

e）其它操作，添加一些标注、标记信息、树状工艺视图、配音、文本，进行碰撞检测等。

基于装配工艺模型、装配序列、装入件信息，利用上述五种方式选取位置关键帧制作装配仿真动画。关键帧的选取原则应结合3.2节中初步制定的装配序列并不断优化，且要求每道工步至少有起始和终止两个位置关键帧。对于非直线装配运动，或多个零件的联动，除起始、终止关键帧外，应添加一定数量的中间过程插值关键帧，使运动尽量真实。装配仿真动画制作界面如图6所示。

3.4 装配动画输出格式

APD Tools支持输出JPG/BMP格式图片、可自定义输出尺寸的AVI格式文件和内存占用小的SVF格式文件。从降低内存占有率、保证动画质量、利于交互操作、便于与A5系统集成角度，采用SVF格式输出装配动画。SVF格式文件可在Smart Viewer平台进行在线浏览，该平台可进行交互操作，但无编辑功能。Smart Viewer平台浏览界面如图7所示。

4 三维可视化装配工艺设计系统应用

将Pro/E5.0设计平台、三维可视化装配仿真平台、基于A5的MPM系统三者进行开发集成，对应用流程梳理，最终得到实际应用流程如图8所示。

通过对基于A5的MPM系统集成开发，开发后的在线输出界面如图9所示。以某航天产品为例进行应用验证，装配现场应用方式为在线浏览模式。现场利用双屏显示，一个屏幕显示可交互操作的三维装配动画，另一个屏幕显示文字补充工艺。

在此过程，设计人员的设计数据直接上传至MPM系统；工艺人员下载设计数据，线下进行装配仿真审查，将审查意见在线反馈，对于合格方案在线制作三维可视化装配工艺并同时设计工装；操作人员在线浏览三维可视化装配工艺并进行交互式操作。

上述方案，打通了基于全三维从设计、工艺到现场的技术路线，观察应用效果，具有以下优点：

a）实现了设计与工艺协同，产品设计与工艺设计、工装设计达到并行开展，缩短了产品的研制周期，降低了产品的开发成本；

b）产品设计阶段，工艺通过装配仿真验证，能及早发现设计缺陷，同时进行工装设计及验证、装配方法规划验证，减少了产品设计反复修改次数，保证了产品装配质量；

c）数据可传递性、可记录统计性增强；

d）三维可视化装配工艺更加形象直观，指导性更强，降低了操作人员理解难，缓解了错装、漏装等人为差错发生现象，提高了装配效率及装配质量。

但上述方案仍存在以下不足：

a）目前装配动画制作较耗时，但可仅对复杂关键工序制作仿真动画解决，其它的做指示性动画；

b）针对航天产品中的线缆等柔性部件，该系统做刚性处理，需后期进行深入研究柔性化处理加以解决。

5 结束语

首先，分析了三维可视化装配工艺设计现状，提出了基于Pro/E5.0软件设计平台、基于APDTools的三维可视化装配仿真平台、基于A5的MPM系统三者集成构建三维可视化装配工艺设计系统方案。然后，阐述了三维可视化装配仿真技术、系统集成表达应用方式。最终以某航天产品为例进行应用验证。此过程，打通了基于全三维从设计、工艺到现场应用的技术路线，缩短了研发生产周期，提升了装配工艺指导性，提高了产品装配效率及质量。