三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)及應(yīng)用

李 偉， 侯 凱， 俞玉澄， 葛紅豆

（1.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090；2.上海神添實業(yè)有限公司，上海200438）

0 引言

隨著航天產(chǎn)品向小型化、輕量化、精密化方向發(fā)展，其裝配密度和裝配精度的要求越來越高，裝調(diào)的難度也越來越大［1］。三維CAD/CAM軟件和相應(yīng)數(shù)字化裝配技術(shù)的出現(xiàn)，為提高航天復(fù)雜產(chǎn)品初次裝配成功率和裝配質(zhì)量提供了新的突破點，其應(yīng)用價值也受到越來越多的重視。

裝配作為產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，在現(xiàn)代機械制造業(yè)中，占用超過了40%以上的生產(chǎn)費用，所需工時占產(chǎn)品生產(chǎn)制造總工時的40%～60%［2］。并且對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，這些比例將更高。裝配過程中，裝配順序、裝配路徑、裝配方式、裝配布局決定著裝配質(zhì)量和裝配效率。傳統(tǒng)的裝配由于無虛擬裝配仿真，只能在完成零件生產(chǎn)之后，利用裝配人員固有的經(jīng)驗知識進行試裝，導(dǎo)致整個研制周期較長。而且，目前現(xiàn)場工藝文件以二維圖表格式為主，操作人員不易理解設(shè)計意圖，易造成錯裝、漏裝等裝配質(zhì)量問題。隨著國內(nèi)航天行業(yè)發(fā)射密度提高、研制任務(wù)增多、研制周期急需縮短，全三維設(shè)計工藝協(xié)同已成為發(fā)展趨勢。而三維可視化軟件、MPM系統(tǒng)集成應(yīng)用將為產(chǎn)品設(shè)計提供可視化審查評估依據(jù)，并可提高產(chǎn)品的可裝配性、降低試裝及設(shè)計更改次數(shù)，將為全三維設(shè)計工藝協(xié)同、并行工程提供支撐，最終為完成全三維從設(shè)計、工藝到裝配現(xiàn)場的技術(shù)路線提供基礎(chǔ)。

因而，亟需進行三維可視化裝配仿真技術(shù)、三維可視化軟件與MPM系統(tǒng)軟件集成技術(shù)的相關(guān)研究。這已成為企業(yè)縮短研制周期、提高裝配質(zhì)量和效率、降低生產(chǎn)成本的迫切需要。

1 三維可視化裝配工藝設(shè)計現(xiàn)狀

對于包含剛性和電纜等柔性零部件的復(fù)雜航天機電產(chǎn)品，具有裝配質(zhì)量要求高、裝配周期短的特點。因而，急需通過三維可視化工藝設(shè)計表達其裝配過程，提高裝配效率及質(zhì)量。目前國內(nèi)企業(yè)主要采取的三維可視化裝配工藝設(shè)計方法主要包含下列兩種。

（1）軟件法

軟件法主要運用軟件制作可視化裝配工藝。該措施主要包含兩方面的內(nèi)容：

a）將來自設(shè)計師的三維裝配模型轉(zhuǎn)換為通用格式，然后進行裝配仿真分析驗證裝配過程是否干涉，最終制作裝配動畫用于指導(dǎo)生產(chǎn)；

b）利用CAPP軟件將三維虛擬裝配過程中截取的圖片制作成二維裝配工藝卡片，作為三維裝配動畫的補充，用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

軟件法形成的三維可視化裝配工藝示意圖如圖1所示。

軟件法制作的動畫視頻、三維工藝文件相對于二維圖表式工藝卡片更加形象、直觀，指導(dǎo)性增強。但該方法存在以下問題：

a）軟件對裝配模型不做輕量化處理，占用內(nèi)存較大，易導(dǎo)致動畫制作效率降低，甚至無法制作動畫；

b）用到的通用格式模型在轉(zhuǎn)換過程中易丟失原模型裝配信息；

c）基礎(chǔ)庫不全，缺少必備的工具、工裝庫，無法驗證操作空間干涉情況，造成制作的動畫展示度較低；

d）軟件操作界面復(fù)雜，輸出動畫質(zhì)量差，且占用內(nèi)存大；

e）離線進行操作，可傳遞性差，且無法進行交互操作。

（2）拍照法

拍照法利用拍攝裝配過程視頻及圖片制作可視化裝配工藝，以拍電影形式拍攝裝配視頻。該方法制作的視頻、工藝文件相對于傳統(tǒng)二維圖表式工藝卡片更加形象、直觀，指導(dǎo)性更強。然而這種方法存在以下缺點：

a）耗費人力成本較高；

b）制作的工藝文件（示意圖如圖2所示）為彩色圖，打印后可視化效果較差；

c）無法在設(shè)計階段進行裝配過程工藝審查；

d）離線進行操作，可傳遞性差，且無法進行交互操作。

上述兩種方法，主要以圖表式工藝文件為主，視頻動畫為輔形式，但將文件與動畫集成為一個界面并可在線瀏覽的裝配工藝表現(xiàn)方式仍處于探索階段。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能增多，布局密度增大，設(shè)計工藝協(xié)同、并行工程開展也隨之增多，三維可視化表達規(guī)范形式及其與MPM系統(tǒng)集成方面仍需進一步研究，為其提供技術(shù)支撐。

從裝配動畫制作效率提升、工藝與動畫集成表達、在線瀏覽等角度，提出了一種三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)。

2 三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)

利用Pro/E5.0軟件設(shè)計平臺、基于APDTools的三維可視化裝配仿真平臺、基于Avidm5（以下簡稱A5）的MPM系統(tǒng)進行集成研究，構(gòu)建了三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)的流程及集成框架如如圖3所示。

系統(tǒng)的工作流程如下：

a）通過A5與Pro/E集成開發(fā)，設(shè)計師可在Pro/E平臺離線進行方案設(shè)計，并將設(shè)計圖紙、三維模型、BOM資源等信息上傳至基于A5的MPM系統(tǒng)進行顯示、設(shè)計會簽、下載操作；

b）工藝師從MPM系統(tǒng)下載裝配模型，并執(zhí)行輕量化處理，然后導(dǎo)入APD Tools離線進行工藝審查、裝配仿真驗證，最后對合格方案制作裝配規(guī)程、關(guān)鍵工序裝配動畫、輸出裝配規(guī)程及動畫，同時進行工裝設(shè)計；

c）通過A5與Smart View集成開發(fā)，工藝師上傳裝配規(guī)程及動畫至MPM系統(tǒng)，并創(chuàng)建工藝資源、文字工藝、動畫關(guān)聯(lián)，最終發(fā)布三維可視化裝配工藝；

d）現(xiàn)場操作人員通過MPM系統(tǒng)在線瀏覽三維可視化裝配工藝，用于指導(dǎo)現(xiàn)場實際生產(chǎn)。

3 三維可視化裝配仿真

三維可視化裝配仿真是進行設(shè)計方案工藝審查、建立三維可視化裝配工藝的基礎(chǔ)。作為三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)，它需經(jīng)過三維裝配工藝建模、裝配序列和裝配路徑規(guī)劃、裝配仿真驗證、裝配動畫輸出四個過程。

3.1 三維裝配工藝建模

三維裝配工藝模型是裝配工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)，其優(yōu)劣直接決定著裝配工藝規(guī)劃的效率，為此對建模技術(shù)進行研究，并對裝配工藝模型提出了以下要求。

（1）完整性要求

三維裝配工藝模型不僅應(yīng)描述零部件結(jié)構(gòu)本身完整信息，還需描述裝配工藝設(shè)計所需工裝、工具、工藝組合件等裝配資源、操作信息。即要求產(chǎn)品裝配模型信息、工藝資源、工藝方案等信息較為齊全，這些資源為后期產(chǎn)品裝配仿真驗證提供基礎(chǔ)。

（2）層次性要求

對于典型復(fù)雜產(chǎn)品，由于其涉及的零部件種類、數(shù)量眾多，因此對裝配過程仿真的簡化顯得尤為重要，同時這也符合實際生產(chǎn)裝配過程。裝配工藝模型應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)及功能特性進行分層，劃分子裝配體。同時將關(guān)聯(lián)的標準件、工具、工裝等集成到同一層次，產(chǎn)生一個初步的分層裝配工藝模型，以降低裝配規(guī)劃求解的空間難度。

（3）輕量化要求

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)占用內(nèi)存較大，直接用于裝配仿真易導(dǎo)致電腦卡頓，降低仿真效率，且不利于數(shù)據(jù)傳輸。因而，裝配仿真對三維裝配工藝模型的輕量化提出要求。三維可視化裝配仿真平臺利用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理模塊Smart-Adapter插件將設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SVF格式文件。轉(zhuǎn)換過程操作方便，且使轉(zhuǎn)換后文件占用空間縮小至原文件的1/10～1/20，裝配信息保留完整。

（4）開放性要求

在產(chǎn)品設(shè)計模型及相應(yīng)裝配資源發(fā)生變化時，通過修改裝配工藝模型可以快速實現(xiàn)裝配工藝的更新。

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品，直接進行裝配規(guī)劃難度較大，因此，對裝配模型進行層次劃分和重構(gòu)顯得尤為重要。其具體操作過程：首先將產(chǎn)品信息模型、裝配資源（包括工裝夾具、工具、地面設(shè)備等三維模型）導(dǎo)入到Pro/E中；然后利用CAD模塊并結(jié)合工藝總方案，在原產(chǎn)品設(shè)計層次基礎(chǔ)上重構(gòu)模型，劃分子裝配體；最后將裝配資源裝配到相應(yīng)層次，形成重構(gòu)后的裝配工藝模型結(jié)構(gòu)樹。裝配工藝層次模型示意，如圖4所示。

其中，三維裝配工藝模型中的工裝庫和工具庫應(yīng)隨裝配產(chǎn)品不同而不斷得到更新，進行更改、增添或刪除一些內(nèi)容。

3.2 裝配序列規(guī)劃

裝配序列規(guī)劃是根據(jù)既得信息，通過推理生成幾何不干涉，裝配過程中工具和工裝能進行預(yù)定操作，且裝配操作符合一定的工廠習(xí)慣和技術(shù)要求的可行的裝配序列［3］。

國內(nèi)外對裝配序列規(guī)劃的研究可歸納為：拆卸法、優(yōu)先約束法、基于子裝配體識別法的裝配序列求解方法以及基于知識的求解等方法?；趯嶋H資源及可行性原則，綜合采用子裝配體識別法和人機交互仿真拆卸法進行裝配序列規(guī)劃及評估。

該解決方案的基本操作步驟如下：

a）利用子裝配體識別法，并結(jié)合仿真拆卸法，由層次裝配樹生成一個初步總的裝配順序；

b）應(yīng)用層次化的虛擬裝配工藝模型，以集成于模型中的裝配資源作為約束條件，識別出子裝配體，將產(chǎn)品總裝配逐層拆卸，直至拆卸為已識別的子裝配體，依據(jù)這些子裝配體拆卸順序，生成其初始裝配順序；

c）結(jié)合裝配工藝知識對識別出的子裝配體進行虛擬裝配，規(guī)劃出子裝配體裝配序列，并由總的和子裝配體的初始裝配順序生成產(chǎn)品的初始裝配順序；

d）以“可拆即可裝”的思想為前提，在三維可視化環(huán)境中，以人機交互仿真拆卸方式對前三步形成的產(chǎn)品初始裝配順序進行全面逐層動態(tài)仿真評估，以得到最優(yōu)或較優(yōu)的拆卸序列；

e）仿真拆卸的同時進行路徑可行性檢測，即裝配過程干涉檢測，記錄拆卸順序和拆卸路徑，然后對其取逆，即得到產(chǎn)品裝配序列；

f）通過經(jīng)驗豐富的裝配人員核驗操作可行性，并經(jīng)設(shè)計師核驗符合設(shè)計要求的為最終產(chǎn)品裝配序列。

基于子裝配體識別法和人機交互仿真拆卸法的裝配序列規(guī)劃流程如圖5所示。

3.3 裝配動畫制作解決方案

裝配動畫是面向裝配工人的直觀演示裝配文件。它是以裝配工藝模型、裝配序列、配套明細表為基礎(chǔ)，在計算機仿真裝配環(huán)境中對產(chǎn)品實際裝配過程的真實模擬。其中，需對零部件模型賦予運動自由度、對其運動路徑/運動的類型（旋轉(zhuǎn)、平移和拉伸）/時間作約束處理、定義裝配資源和操作語義信息等操作實現(xiàn)。

采用APD Tools軟件構(gòu)建裝配仿真平臺，以位置關(guān)鍵幀的形式記錄裝配順序和裝配路徑，并輔以路徑規(guī)劃和交互式動態(tài)檢測技術(shù)來生成裝配仿真動畫。

APDTools中的裝配仿真動畫制作主要包括以下幾個方面：

a）照相機視圖的切換，模型能縮放、平移和旋轉(zhuǎn)；

b）位置的改變，幾何角色能爆炸，協(xié)同角色能從視圖區(qū)移動；

c）屬性的改變，幾何角色能改變顏色、材質(zhì)、不透明度、尺寸、顯示狀態(tài)；

d）模型的編輯，模型的二次導(dǎo)入、復(fù)制、粘貼、刪除等；

e）其它操作，添加一些標注、標記信息、樹狀工藝視圖、配音、文本，進行碰撞檢測等。

基于裝配工藝模型、裝配序列、裝入件信息，利用上述五種方式選取位置關(guān)鍵幀制作裝配仿真動畫。關(guān)鍵幀的選取原則應(yīng)結(jié)合3.2節(jié)中初步制定的裝配序列并不斷優(yōu)化，且要求每道工步至少有起始和終止兩個位置關(guān)鍵幀。對于非直線裝配運動，或多個零件的聯(lián)動，除起始、終止關(guān)鍵幀外，應(yīng)添加一定數(shù)量的中間過程插值關(guān)鍵幀，使運動盡量真實。裝配仿真動畫制作界面如圖6所示。

3.4 裝配動畫輸出格式

APD Tools支持輸出JPG/BMP格式圖片、可自定義輸出尺寸的AVI格式文件和內(nèi)存占用小的SVF格式文件。從降低內(nèi)存占有率、保證動畫質(zhì)量、利于交互操作、便于與A5系統(tǒng)集成角度，采用SVF格式輸出裝配動畫。SVF格式文件可在Smart Viewer平臺進行在線瀏覽，該平臺可進行交互操作，但無編輯功能。Smart Viewer平臺瀏覽界面如圖7所示。

4 三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用

將Pro/E5.0設(shè)計平臺、三維可視化裝配仿真平臺、基于A5的MPM系統(tǒng)三者進行開發(fā)集成，對應(yīng)用流程梳理，最終得到實際應(yīng)用流程如圖8所示。

通過對基于A5的MPM系統(tǒng)集成開發(fā)，開發(fā)后的在線輸出界面如圖9所示。以某航天產(chǎn)品為例進行應(yīng)用驗證，裝配現(xiàn)場應(yīng)用方式為在線瀏覽模式?，F(xiàn)場利用雙屏顯示，一個屏幕顯示可交互操作的三維裝配動畫，另一個屏幕顯示文字補充工藝。

在此過程，設(shè)計人員的設(shè)計數(shù)據(jù)直接上傳至MPM系統(tǒng)；工藝人員下載設(shè)計數(shù)據(jù)，線下進行裝配仿真審查，將審查意見在線反饋，對于合格方案在線制作三維可視化裝配工藝并同時設(shè)計工裝；操作人員在線瀏覽三維可視化裝配工藝并進行交互式操作。

上述方案，打通了基于全三維從設(shè)計、工藝到現(xiàn)場的技術(shù)路線，觀察應(yīng)用效果，具有以下優(yōu)點：

a）實現(xiàn)了設(shè)計與工藝協(xié)同，產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計、工裝設(shè)計達到并行開展，縮短了產(chǎn)品的研制周期，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本；

b）產(chǎn)品設(shè)計階段，工藝通過裝配仿真驗證，能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，同時進行工裝設(shè)計及驗證、裝配方法規(guī)劃驗證，減少了產(chǎn)品設(shè)計反復(fù)修改次數(shù)，保證了產(chǎn)品裝配質(zhì)量；

c）數(shù)據(jù)可傳遞性、可記錄統(tǒng)計性增強；

d）三維可視化裝配工藝更加形象直觀，指導(dǎo)性更強，降低了操作人員理解難，緩解了錯裝、漏裝等人為差錯發(fā)生現(xiàn)象，提高了裝配效率及裝配質(zhì)量。

但上述方案仍存在以下不足：

a）目前裝配動畫制作較耗時，但可僅對復(fù)雜關(guān)鍵工序制作仿真動畫解決，其它的做指示性動畫；

b）針對航天產(chǎn)品中的線纜等柔性部件，該系統(tǒng)做剛性處理，需后期進行深入研究柔性化處理加以解決。

5 結(jié)束語

首先，分析了三維可視化裝配工藝設(shè)計現(xiàn)狀，提出了基于Pro/E5.0軟件設(shè)計平臺、基于APDTools的三維可視化裝配仿真平臺、基于A5的MPM系統(tǒng)三者集成構(gòu)建三維可視化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)方案。然后，闡述了三維可視化裝配仿真技術(shù)、系統(tǒng)集成表達應(yīng)用方式。最終以某航天產(chǎn)品為例進行應(yīng)用驗證。此過程，打通了基于全三維從設(shè)計、工藝到現(xiàn)場應(yīng)用的技術(shù)路線，縮短了研發(fā)生產(chǎn)周期，提升了裝配工藝指導(dǎo)性，提高了產(chǎn)品裝配效率及質(zhì)量。