基于MBD的三维装配工艺规划系统的研究与应用＊

曾芬芳 杜坤鹏 王华昌

（①汉开目信息技术股份有限公司，湖北 武汉 430000；②西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 西安 710000；③华中科技大学，湖北 武汉 430073）

基于MBD的三维装配工艺规划，将装配工艺以三维动画的形式，辅以音频和文字，直观生动地表达装配过程和装配要求，工人容易理解，对提高装配质量和效率非常有效；另一方面，工艺人员能充分利用MDB模型中的信息，快速、准确地完成装配工艺设计，提高工艺设计的效率和质量。

近年来基于MBD技术的装配工艺研究取得了一定成果，包括研究了基于MBD的三维装配信息模型[1]，将制造信息和设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中[2]，利用MBD技术进行了知识化的工艺设计方法的研究[3]，以及以同步建模技术为基础的逆向建模为核心,研究了三维设计模型向三维工艺模型的衍化方法[4]；在三维装配工艺应用方面，研究了基于MBD的装配工艺数据集定义、装配工艺规划以及装配工艺协同设计的具体方法和流程、基于轻量化模型的装配过程可视化技术、以及子装配体识别算法等[5,6-8]，提出了基于装配单元划分的装配工艺规划设计流程[9]，以及利用CATIA二次开发技术开发了基于MBD的装配工艺协同设计系统[10]。本文在上述各领域研究的基础上，以提高三维装配工艺规划的质量和效率为目标，采用“拆卸定义装配”的方式来研究三维装配工艺过程规划技术，并基于MBD的三维装配工艺系统。

1 基于MBD的三维装配工艺关键技术研究

基于MBD模型的装配工艺设计的过程首先是进行产品装配过程规划，定义装配工序，并为工序分配装入件；再定义工步，为工步分配装入件，并详细描述零件的装入过程，包括移动的方向、起点和终点；旋转的方向、转数等，最终形成完整的装配工艺，后续用来进行装配仿真、干涉检查，以及指导操作工人。为提高三维装配工艺规划的质量和效率，本文研究了两个关键技术：装配信息建模、装配活动规划。

1.1 基于 MBD 的装配信息建模

研究MBD技术可知，产品MBD模型中包含管理信息、几何信息和非几何信息等，其关系如图1所示。其中管理信息包括零件名称、代号和材料等基本属性信息；几何信息包括几何体素，以及体素的类型、标识、定位数据和定形数据等信息，其中几何体素由MBD模型中设计模型的底层数据的点、线、面等几何元素构成；非几何信息是MBD模型上的标注信息，包括技术要求、尺寸、粗糙度和几何精度等信息。

图1 基于 MBD 的模型信息

装配工艺是描述如何将一个个零件按一定的顺序、使用合适的工装工具组装成部件，再由部件按顺序组装成产品的过程，由此可知，装配结构中的最小单元为零件P，它不仅包含几何信息，还包含管理信息和非几何信息，零件信息P可以表示为

其中：PID是零件的ID，GA为零件的几何信息，MA为零件的管理信息，SA为零件的标注信息。基于MBD的产品装配信息AI可用公式可以表示为

其中：WS为工步，P为零件，CA为工艺属性，R为零件间的拓扑关系，WP为工序，AI为产品装配。CA工艺属性用于描述零件的加工要求，可根据关联标注信息获得，CA分为公共工艺属性和私有工艺属性。公共工艺属性是从零件模型上继承过来的，主要包括材料、毛坯类型和技术要求等；私有工艺属性主要包含加工基准、加工尺寸、加工精度、表面粗糙度和几何精度等。

基于上述逻辑，装配基本单元为零件，装配工艺信息按产品、工序、工步和零件4层树状模型（PPSP模型）来表达，如图2所示。PPSP模型结构顶层为产品（Product）、第二层为工序（Work Process）、第三层为工步（Work Step）和最后一层为零件（Part），产品装配过程包括一或多个工序，还可以有零件装配而成；而工序由一个或多个工步，还可以包括零件装配而成；工步由一个或多个零件装配而成。

图2 装配工艺信息模型（PPSP 模型）

1.2 用“拆卸定义装配”的方式来规划装配活动

人们搭积木都有这种体验，将一座已搭好的房子拆散比将一堆积木搭成房子要快得多、容易得多。“拆卸定义装配”就是利用拆比装容易这一特点来定义产品装配过程：产品设计者提供给工艺人员的是一个已装好的产品模型，基于此模型，一步步将零件或部件从产品上拆下来，并记录拆卸步骤和参数；拆卸的逆过程即为装配过程。

1.2.1 拆卸活动的定义

经过分析和研究，产品的拆卸活动分可以归纳为以下几类基本运动：直线运动、螺旋运动、径向运动、平动运动、旋转运动、牵引运动和周向运动等。由于篇幅原因，本文以直线运动和螺旋运动来阐述“拆卸定义装配”原理。

直 线 运 动 由 起点S(XA,YA,ZA)和 终 点E(XB,YB,ZB)来定义，螺旋运动R（Rotate）由旋向Dir（左旋或右旋）和旋转圈数Ang定义。

基于PPSP模型，产品拆卸活动流程如图3，在拆卸过程中用拆卸活动记录表来记录所有拆卸活动，记录的顺序同拆卸活动的先后顺序一致。图中Tj(j,Pi,Sj,Ej)表示在拆卸活动记录表中增加一条记录：记录的序号为j，活动类型为直线运动（T），移动对象是零件Pi，移动的起点为Sj，终点为Ej；图中Rj(j,Pi,Dir,Ang)表示在拆卸活动记录表中增加一条记录：记录的序号为j，活动类型为螺旋运动（R），旋转方向为Dir（右转或左转），旋转圈数为Ang。

图3 拆卸活动流程图

1.2.2 拆卸活动的“逆操作”

拆卸活动记录表中顺序存储了一系列拆卸活动，包括直线运动、旋转运动及其它运动。由拆卸活动记录表生成装配活动记录表，采用逆操作。逆操作包括两类，即活动顺序的“逆”操作和拆卸活动属性的“逆”操作，具体如下：

（1）记录顺序的颠倒，假设拆卸活动记录表中有n条记录，拆卸活动记录表中的第j条（j≤n）记录，复制为装配活动记录表中的第（n-j+1）记录。

（2）平移活动的起点和终点互换，如果拆卸活动记录表中的平移活动为Tj(j, Pi, Sj, Ej)，则转换为装配活动表的装配活动为Tn-j+1(n-j+1, Pi, Ej, Sj)。

（3）旋转活动的旋向左右互换，即拆卸活动表中如为右旋，则在装配活动表中设为左旋；拆卸活动表中如为左旋，则在装配活动表中设为右旋；如果拆卸活动记录表中的旋转活动为Rj(j, Pi, Dir,Ang)，则转换为装配活动表的装配活动为Rn-j+1(n-j+1,Pi,Dir*(-1),Ang)，即右旋*(-1)=左旋，左旋*(-1)=右旋。

拆卸活动记录表的“逆”变换过程如图4所示，经过此流程由拆卸活动记录表就生成了装配活动记录表。

图4 拆卸活动记录表“逆”变换流程

2 三维装配工艺规划系统的研究与应用

我们利用上述基于MBD的装配信息模型PPSP和“拆卸定义装配”来规划装配活动的方法，构建基于MBD的三维装配工艺规划系统（简称3DAP系统）。

2.1 3DAP 系统功能架构

三维装配工艺规划系统3DAP分为3层，如图5所示，自下而上分别为：

图5 3DAP 系统架构图

（1）数据定义层，提供数据定义器，用于定义系统能够被引用的元数据模型，包括属性、资源、事件、对象、参数等元数据，以及使用元数据建立的装配工艺对象模型，包括活动、工步、工序、零件和BOM等对象。

（2）工艺知识层，包括装配工艺知识库和服务引擎，知识库包括装配活动库、工装工具库、典型工艺库、工艺路线库、变形活动库（如弹簧、开口销、卡圈等的变形活动）和特殊活动（焊接、涂胶、清洗等）。

（3）工艺设计操作层，提供三维装配工艺设计的操作，包括与上游CAD的适配、装配BOM管理、装配过程规划、装配工序设计、工艺仿真、工艺验证和工艺输出等功能。

2.2 核心功能模块

2.2.1 装配 BOM 管理

3DAP系统接收3DCAD完成的设计模型，获取模型的装配结构即设计EBOM，并将模型进行轻量化处理，以降低计算机硬件的开销来提高模型操作和显示的流畅性；并补齐设计模型中缺少的螺钉、螺母等紧固件，对于机电产品，必要时补充线缆等。

2.2.2 装配过程规划

装配过程规划是规划产品的装配工艺路线，即定义出需要多少装配工序，并分配工序中的装入件，装配过程规划基于三维模型，从装配BOM树上采用拖拽方式，将零部件移入装配工序中，防止漏装。

2.2.3 装配工序设计

装配工序设计采用“拆卸定义装配”的方式实现，如图6所示为3DAP系统的界面，左边是产品装配信息树，上半部是产品的装配过程，包括工序、工步和活动，下半部属性（见图5左下方的“属性”区）显示当前装配节点对应的基本信息、装配对象、轨迹内容，以及在描述工序中所需的音频、图片或其他自定义的。

图6 3DAP 系统界面

除了定义装配活动之外，还可以填写装配工序名称、内容、所用到的工装工具等信息，必要时标注关键尺寸、零件的引出标注、BOM表或其他提示类信息。

2.3 三维装配工艺规划系统 3DAP 的应用验证

以某厂油泵的装配工艺对3DAP系统进行验证，界面如下图6所示。系统接收CATIA完成的三维产品设计模型，在3DAP系统中完成装配工艺过程规划、详细的工序设计，并进行了工艺仿真、干涉检查。如图6所示，在工序“安装齿轮条拉杆及螺塞”中可清楚看到，装配顺序从上到下对应拆卸活动的逆序，下方“轨迹内容”中显示拆卸活动为“直线运动”，查看“直线”的属性可显示直线运动的起点和终点坐标。

经过验证，三维装配工艺规划系统3DAP能够较好地满足制造企业三维装配工艺编制的要求，并为企业的设计、工艺与制造一体化管理起到桥梁作用。

3 结语

通过对MBD技术的研究，形成了基于MBD的装配信息模型PPSP模型；采用PPSP模型和“拆卸定义装配”的方法研发了三维装配工艺系统3DAP，此系统是集文字、模型、标注及动画于一体的可视化装配工艺设计环境，实现了装配工艺的三维可视。该系统通过在某制造企业的应用，验证了系统的合理性与有效性，缩短了装配工艺设计周期，提高了装配效率和质量。