面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型表達(dá)與管理方法

劉歡連，易 揚(yáng)+，劉曉軍，倪中華，陳長江

(1.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 201100)

0 引言

長期以來，工程實(shí)踐表明產(chǎn)品的裝配質(zhì)量與產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃過程具有高度密切的關(guān)聯(lián)關(guān)系[1]，其中，產(chǎn)品裝配工藝信息作為裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真規(guī)劃中不可或缺的重要組成部分，是連接面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程制造、質(zhì)量檢驗(yàn)、管理協(xié)調(diào)等環(huán)節(jié)的橋梁[2]。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對產(chǎn)品裝配工藝信息所包含的內(nèi)容、信息描述與呈現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)管理形式及其集成方法等諸多方面進(jìn)行了深入研究，提出了相應(yīng)的裝配工藝模型，并在原型/集成系統(tǒng)軟件中得到了應(yīng)用驗(yàn)證。在裝配工藝信息建模方面，SUDARSAN等[3]提出一種面向產(chǎn)品全生命周期管理的產(chǎn)品信息建?？蚣?，可用于包括產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)在內(nèi)的信息模型擴(kuò)展；劉檢華等[4]提出一種產(chǎn)品層次裝配任務(wù)鏈模型，實(shí)現(xiàn)了基于裝配任務(wù)的虛擬裝配工藝數(shù)據(jù)信息的高效表達(dá)與工藝模型轉(zhuǎn)化;在此基礎(chǔ)上，侯偉偉等[5]通過引入裝配任務(wù)與裝配操作模型，提出一種基于層次鏈的產(chǎn)品裝配過程建模方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)品非線性裝配過程信息管理和工藝重用；LIU等[6-7]基于產(chǎn)品裝配層次關(guān)系提出一種裝配工藝建模機(jī)制，采用先拆后裝、拆后重裝的方式構(gòu)建了3種階段(拆卸工藝模型、粗裝配模型與精裝配模型)的裝配工藝模型，并通過開發(fā)原型系統(tǒng)驗(yàn)證了該建模方法的正確性；靳江艷等[8]提出了面向裝配工藝設(shè)計(jì)的基于模型定義(Model Based Definition, MBD)模型，通過構(gòu)建設(shè)計(jì)模型向裝配工藝模型的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對裝配工藝信息集成模型的表示與管理；劉檢華等[9]針對實(shí)際裝配現(xiàn)場需求，提出了從過程、精度和物理屬性的角度實(shí)時(shí)地模擬產(chǎn)品裝配現(xiàn)場和裝配過程的虛擬裝配方法；QIAO等[10-11]提出了基于三維模型的多視圖裝配工藝信息表達(dá)與組織方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速提取裝配工藝規(guī)劃與分析仿真所必需的工藝信息，并進(jìn)一步運(yùn)用不同的表達(dá)模型(流模型、動態(tài)場景和快照表達(dá))構(gòu)建了數(shù)字化多視角產(chǎn)品三維工藝信息表達(dá)框架，實(shí)現(xiàn)了對裝配工藝信息進(jìn)行靈活全面的可視化表達(dá)；阮斯?jié)嵉萚12]針對裝配工藝數(shù)據(jù)和演變過程的集成管理問題，提出一種多維度裝配工藝數(shù)據(jù)信息管理方法；張佳朋等[13]和萬峰等[14]提出一種基于工作流的產(chǎn)品裝配工藝數(shù)據(jù)信息集成管理方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配工藝數(shù)據(jù)的有效組織管理，以及裝配過程數(shù)據(jù)的采集、實(shí)例生成和過程控制，并開發(fā)了基于流程的裝配工藝規(guī)劃過程控制與管理軟件系統(tǒng)，具備產(chǎn)品裝配靜/動態(tài)數(shù)據(jù)管理、工藝報(bào)表輸出與現(xiàn)場實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控等功能。此外，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用商品化軟件集成系統(tǒng)平臺[15-16](如達(dá)索的DELMIA?與3DVIAComposer?、西門子的Teamcenter?等)，通過構(gòu)建三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)及面向生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了基于MBD的復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)及其裝配信息的現(xiàn)場可視化和管理。

以上研究成果均為豐富產(chǎn)品裝配工藝信息建模與工程應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，且較為清晰地說明了產(chǎn)品裝配工藝模型的構(gòu)建、表達(dá)及集成組織管理方法。但是，當(dāng)前的三維裝配工藝信息建模方法不足以有效支撐面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息表達(dá)與組織存儲，難以涵蓋現(xiàn)場裝配過程中產(chǎn)品模型的實(shí)時(shí)裝配技術(shù)狀態(tài)，無法將裝配執(zhí)行過程所產(chǎn)生的實(shí)際裝配信息反饋至三維裝配工藝模型，從而無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝配過程中產(chǎn)品裝配工藝模型的實(shí)時(shí)動態(tài)更新、仿真優(yōu)化與動態(tài)重組。因此，本文針對上述問題，對當(dāng)前產(chǎn)品裝配工藝模型進(jìn)行補(bǔ)充與完善，提出一種面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型及其表達(dá)與管理方法，該模型以三維裝配過程模型為信息載體，通過對現(xiàn)場裝配實(shí)際數(shù)據(jù)的獲取與融合實(shí)現(xiàn)裝配工藝信息的更新和迭代，并根據(jù)產(chǎn)品裝配工藝信息結(jié)構(gòu)化層級關(guān)系圖，實(shí)現(xiàn)面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型的便捷表達(dá)與高效管理，為基于全數(shù)字量閉環(huán)協(xié)調(diào)控制的產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)與制造協(xié)同提供有效的信息模型支撐。

1 面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型構(gòu)建

1.1 相關(guān)概念與定義

為便于理解面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型的構(gòu)建方法，本文首先對涉及到的相關(guān)概念與術(shù)語進(jìn)行了定義。

定義1三維裝配過程模型(Assembly In-Process Model, AIPM)指由當(dāng)前裝配工序待裝配的零部件模型與前一道裝配工序裝配體模型兩部分組合而成，共同構(gòu)成一個(gè)中間狀態(tài)的裝配體目標(biāo)模型。

AIPM的生成體現(xiàn)了產(chǎn)品裝配過程的順序性、動態(tài)演變性以及反復(fù)迭代性，即從裝配的第一道工序開始，根據(jù)裝配順序在裝配基準(zhǔn)件上組裝若干個(gè)零部件，從而形成當(dāng)前裝配工序?qū)?yīng)的裝配過程模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步組裝若干待裝配的零部件，形成下一道裝配工序?qū)?yīng)的裝配過程模型，并不斷迭代，直至產(chǎn)品完成裝配為止。由此可見，通過第i道工序所裝配的零部件模型對象與第i-1道工序的裝配過程模型并集，將構(gòu)成第i道工序的裝配過程模型，可以描述為：

(1)

式中k和n分別表示第i道工序下對應(yīng)的工步以及工步總數(shù)。

定義2面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型(Field Assembly-oriented Assembly Process Model, FA-APM)是指在全三維環(huán)境的數(shù)字化框架下，由產(chǎn)品的AIPM加上附加在該模型上的裝配工藝信息數(shù)據(jù)集合(Assembly Process Information Data, APID)來共同表達(dá)裝配工藝信息的模型。其中APID不僅包含產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃階段所描述的虛擬裝配信息，還涵蓋產(chǎn)品裝配工藝執(zhí)行操作階段所獲取的實(shí)際裝配信息。

從上述兩個(gè)定義可知，伴隨著裝配工藝活動的不斷累積，F(xiàn)A-APM經(jīng)歷了從單一零散零件、組部件到最終整個(gè)產(chǎn)品裝配體的動態(tài)演變過程，同時(shí)考慮到三維工藝信息模型具備幾何演進(jìn)特性與多視角屬性[11]，在引入面向現(xiàn)場裝配的實(shí)際裝配信息的基礎(chǔ)上，基于AIPM框架下的動態(tài)裝配工藝信息表達(dá)將更加符合虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用需求，這也為滿足復(fù)雜產(chǎn)品對裝配工藝信息的完整性、一致性和高效性表達(dá)與組織管理提供了前提基礎(chǔ)。

1.2 FA-APM的構(gòu)建過程分析

依據(jù)產(chǎn)品裝配工藝層級嵌套關(guān)系以及裝配工藝數(shù)據(jù)流向，構(gòu)建的面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息變遷總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常地，復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝活動包括零件組裝(工步級)、組部件部裝(工序級)和產(chǎn)品總裝(工藝級)3個(gè)階段，根據(jù)“拆裝互逆”的裝配工藝設(shè)計(jì)思想，對處于“已裝配”狀態(tài)的復(fù)雜產(chǎn)品對象，可以經(jīng)由一系列零件組裝、組部件部裝到整個(gè)產(chǎn)品總裝的自下而上的裝配工藝活動累積，實(shí)現(xiàn)最終整個(gè)產(chǎn)品的完整裝配。上述全部裝配過程的三維裝配狀態(tài)模型均可以該對象的AIPM為載體進(jìn)行裝配工藝活動過程的演示。另一方面，從復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝演變過程可以看出，經(jīng)由產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)得到的裝配工藝信息數(shù)據(jù)流，通過經(jīng)歷裝配生產(chǎn)調(diào)度、裝配工藝執(zhí)行、裝配工藝現(xiàn)場反饋等階段，可以將現(xiàn)場裝配工藝執(zhí)行數(shù)據(jù)和實(shí)測反饋數(shù)據(jù)用于更新裝配工藝信息，共同形成閉環(huán)裝配工藝信息數(shù)據(jù)集合來指導(dǎo)裝配工藝活動。

因此，F(xiàn)A-APM的構(gòu)建過程可以看作是以AIPM為三維模型表達(dá)載體，并附加以APID而匯總形成的裝配工藝演變過程。當(dāng)前，基于MBD的產(chǎn)品裝配工藝信息表達(dá)方法是實(shí)現(xiàn)FA-APM構(gòu)建最有效的手段之一，可以通過創(chuàng)建與產(chǎn)品實(shí)際裝配過程相一致的AIPM，并在該三維模型基礎(chǔ)上添加涵蓋現(xiàn)場裝配過程數(shù)據(jù)的APID，來實(shí)現(xiàn)FA-APM的模型表達(dá)與信息管理。綜上可歸納總結(jié)出本文提出的FA-APM具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

如圖2所示，F(xiàn)A-APM是在相應(yīng)的產(chǎn)品裝配工藝信息表達(dá)與管理機(jī)制下，產(chǎn)品裝配工藝信息以AIPM為表達(dá)載體，以APID為裝配工程語義內(nèi)容，創(chuàng)建并生成可以指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場裝配活動的裝配工藝模型。按照裝配工藝活動階段分類，可分為三維裝配工序級信息模型與三維裝配工步級信息模型，且所述模型都具有相同的結(jié)構(gòu)形式，而三維裝配工序級信息模型又包含三維裝配工步級信息模型。按照裝配工藝信息表達(dá)內(nèi)容分類，可分為AIPM和APID兩部分。其中，APID又可分為預(yù)規(guī)劃裝配工藝信息(Pre-planning Assembly Process Information, PAPI)和現(xiàn)場實(shí)際裝配工藝信息(Field Assembly Process Information, FAPI)，PAPI作為預(yù)規(guī)劃裝配工藝信息內(nèi)容，可以用于映射并指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際裝配活動，反過來，F(xiàn)API作為現(xiàn)場實(shí)際裝配工藝信息內(nèi)容，亦可以用于反饋并更新裝配工藝規(guī)劃內(nèi)容，通過不斷的信息物理融合與數(shù)據(jù)更新迭代，使得產(chǎn)品裝配工藝活動能夠順利高效的執(zhí)行。需要進(jìn)一步指出的是，對于裝配工序/工步的先后順序而言，某一裝配工序/工步的當(dāng)前裝配體模型，既可作為上一裝配工序/工步的裝配完成模型，也可作為當(dāng)前裝配工序/工步的裝配起始模型。因此，規(guī)定所述的AIPM是由當(dāng)前裝配工序/工步下的裝配體模型和下一道裝配工序/工步的待裝配零部件模型兩部分組成。由此可見，將上述APID合理準(zhǔn)確地添加至AIPM上，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡潔高效的表達(dá)與管理是創(chuàng)建FA-APM的關(guān)鍵。

2 FA-APM的工藝信息映射與組成

由1.2節(jié)可知，F(xiàn)A-APM的構(gòu)建過程體現(xiàn)了產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)與工藝執(zhí)行的頻繁交互與工藝數(shù)據(jù)流之間的有效整合。考慮到復(fù)雜產(chǎn)品裝配研制過程具有典型的工作流特點(diǎn)，可以運(yùn)用工作流思想，對產(chǎn)品裝配工藝活動的層級嵌套關(guān)系開展裝配工藝信息的數(shù)據(jù)管理工作[12]，進(jìn)而可以利用三維裝配工藝結(jié)構(gòu)樹與裝配工藝流程映射方法[17]，將裝配工藝流程與實(shí)例流程的演變映射問題轉(zhuǎn)化為裝配工藝結(jié)構(gòu)樹與實(shí)例結(jié)構(gòu)樹的演變映射問題，以完成靜態(tài)域的PAPI向動態(tài)域的FAPI的轉(zhuǎn)變，并且通過上述兩種信息的對比分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹的反饋優(yōu)化與迭代更新，如圖3所示。FA-APM的裝配工藝信息映射是在裝配工藝結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)映射的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)例化只是針對結(jié)構(gòu)化且需要補(bǔ)充完善現(xiàn)場實(shí)施數(shù)據(jù)的工藝信息，通過添加面向現(xiàn)場裝配的具體工藝信息屬性，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配流程/裝配節(jié)點(diǎn)/裝配要素之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

針對APID的兩類工藝信息集合(PAPI和FAPI)，均包含產(chǎn)品裝配工藝內(nèi)容、裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)以及裝配資源這3種信息，唯一的區(qū)別在于PAPI在實(shí)例化映射過程中舍棄了工藝設(shè)計(jì)屬性，在對應(yīng)的FAPI實(shí)例節(jié)點(diǎn)上添加了工藝實(shí)作執(zhí)行屬性。其中，裝配工藝內(nèi)容和裝配資源可以由產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃與仿真來進(jìn)行統(tǒng)一的信息描述；裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)往往與產(chǎn)品裝配精度信息密切相關(guān)，在產(chǎn)品預(yù)裝配階段可以通過裝配精度預(yù)測分析來進(jìn)行裝配質(zhì)量預(yù)估，而在產(chǎn)品現(xiàn)場實(shí)際裝配階段可通過數(shù)字化測量手段進(jìn)行裝配過程數(shù)據(jù)采集，用于裝配質(zhì)量反饋與工藝優(yōu)化。因此，本文可以進(jìn)一步細(xì)化APID的裝配工藝信息組成，用于泛指在產(chǎn)品裝配過程中所涉及的裝配工藝規(guī)劃信息、裝配精度信息以及裝配仿真信息的數(shù)據(jù)集合統(tǒng)稱，形式化描述為：

(2)

式中：APIi表示第i道裝配工序下對應(yīng)的裝配工藝規(guī)劃信息，包括當(dāng)前裝配工序下對應(yīng)AIPM的幾何形狀以及裝配工藝屬性信息，如工序名稱、裝配活動、標(biāo)注信息、裝配資源等信息內(nèi)容；AAIi表示第i道裝配工序下對應(yīng)的裝配精度信息，主要涉及零部件制造誤差、定位工裝夾具、裝配位置偏差、測量手段、裝配環(huán)境等綜合影響裝配精度屬性的全要素信息；ASIi表示在第i道裝配工序下對應(yīng)的裝配仿真信息，以產(chǎn)品裝配性能、功能需求、裝配質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)為綜合評價(jià)體系，主要涵蓋裝配序列與裝配路徑仿真、裝配精度仿真與預(yù)測等內(nèi)容。需要指出的是，裝配仿真信息能夠通過裝配工藝規(guī)劃信息與裝配精度信息共同分析推導(dǎo)而獲得，關(guān)于裝配仿真信息的表達(dá)與管理將由另文討論。

(1)裝配工藝規(guī)劃信息 主要涵蓋裝配工序/工步下涉及的三維設(shè)計(jì)模型信息、裝配工藝規(guī)劃生成的全要素信息及其兩者之間的工藝關(guān)聯(lián)屬性信息等內(nèi)容，如圖4所示。其中，裝配工藝規(guī)劃生成的結(jié)構(gòu)化信息要素包括裝配工藝管理信息、工藝屬性信息、裝配關(guān)系信息、工藝標(biāo)注信息等，其形式化表達(dá)可描述為：

(3)

式中：AMIj表示裝配工藝管理信息，指第j道裝配工序/工步包含的工序/工步版本號以及包含的各類零件屬性信息(如模型版本、物料清單等)；PAttIj表示第j道裝配工序/工步對應(yīng)的裝配工藝規(guī)劃生成的屬性信息，包括裝配工藝流程信息(如裝配工序/工步名稱、內(nèi)容等)、裝配序列順序、裝配路徑記錄、裝配活動內(nèi)容描述以及裝配資源信息(如裝配工裝、夾具、工具及設(shè)備類型等)；ARIj表示第j道裝配工序/工步涉及的裝配定位基準(zhǔn)以及裝配約束等裝配關(guān)系信息，如零件參與裝配的特征面信息、零件間的配合信息以及相互之間的拓?fù)潢P(guān)系等；PAnnIj表示第j道裝配工序/工步下所需要標(biāo)注的信息，包括尺寸信息{Dime}、形位公差信息{Tole}、表面粗糙度信息{Roug}以及工藝活動注釋信息{Note}四部分。

(2)裝配精度信息 主要包括與產(chǎn)品裝配精度相關(guān)聯(lián)的精度屬性信息、裝配模型信息、工裝模型信息和測量模型信息(如圖5)，所構(gòu)成的集成化裝配精度信息表達(dá)可形式化描述為：

(4)

式中：AAk表示第k道裝配工序/工步下涉及的裝配精度屬性信息，它對應(yīng)當(dāng)前裝配工序/工步下與產(chǎn)品裝配精度相關(guān)的基本屬性信息，包括零件加工制造誤差、零部件裝配過程誤差、裝配位置誤差等；AMk表示第k道裝配工序/工步下涉及的裝配模型信息，主要圍繞AIPM的幾何尺寸與特征要素進(jìn)行符合設(shè)計(jì)公差規(guī)范要求的裝配精度信息添加，同時(shí)還可依據(jù)產(chǎn)品裝配順序與裝配關(guān)系，推理得到裝配功能需求的裝配精度信息；TMk表示產(chǎn)品裝配過程中第k道裝配工序/工步使用的工裝模型信息，包括如工裝定位基準(zhǔn)元素、基準(zhǔn)偏差以及具體的定位方法等與裝配精度息息相關(guān)的因素；MMk表示第k道裝配工序/工步下用到的測量模型信息，用于實(shí)現(xiàn)裝配操作過程中的實(shí)際測量與檢驗(yàn)評定，其主要包含測量任務(wù)、測量操作和測量屬性3部分。

3 FA-APM的模型表達(dá)方法

產(chǎn)品裝配工藝信息是用于表達(dá)產(chǎn)品裝配工藝活動的唯一依據(jù)，其表達(dá)形式經(jīng)歷了二維工藝圖紙、工藝卡片、三維數(shù)字化工藝等階段。當(dāng)前，通過基于MBD技術(shù)與面向現(xiàn)場裝配過程相結(jié)合的方法，產(chǎn)品裝配工藝活動中所需的工藝信息可以與AIPM進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)，充分發(fā)揮以三維模型為核心的裝配工藝信息表達(dá)及傳遞優(yōu)勢，將裝配實(shí)施前、實(shí)施過程中、實(shí)施完成后的工藝技術(shù)狀態(tài)信息(即前文描述的APID)與對應(yīng)的AIPM模型融合，從而能夠非常直觀清楚地表達(dá)面向現(xiàn)場裝配的前后工序/工步的裝配活動對象及其最終裝配狀態(tài)，不僅讓裝配工藝設(shè)計(jì)人員可以高效無歧義地理解工藝設(shè)計(jì)意圖，方便裝配工藝仿真與裝配精度預(yù)分析等一系列活動的后續(xù)實(shí)施，還可以為現(xiàn)場裝配人員便捷地獲取裝配工藝活動過程中所需的工藝內(nèi)容信息、當(dāng)前裝配效果與裝配質(zhì)量等實(shí)際信息，從而大大提高了產(chǎn)品裝配工藝的研制效率和實(shí)施質(zhì)量。

因此，本文提出一種面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型表達(dá)方法，該方法以AIPM為載體，通過將APID與AIPM進(jìn)行統(tǒng)一封裝并關(guān)聯(lián)與之對應(yīng)的裝配工藝活動節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由AIPM直觀顯示并表達(dá)面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息，從而構(gòu)建并生成產(chǎn)品裝配工藝信息MBD表達(dá)模型，具體描述如下。

按照基于MBD的關(guān)聯(lián)映射機(jī)制與相關(guān)規(guī)則，將APID添加至AIPM上，集成并統(tǒng)一組成的模型稱為裝配工藝信息MBD表達(dá)模型(簡稱“裝配工藝MBD模型”)，其表達(dá)示意圖如圖6所示。圓圈內(nèi)部表示包含當(dāng)前裝配體模型以及下一步待裝配所需的零部件模型的AIPM，實(shí)線箭頭表示在對應(yīng)的模型上添加相關(guān)的工藝描述信息。AIPM與APID之間具體的關(guān)聯(lián)映射機(jī)制描述如下：將當(dāng)前裝配工序/工步下準(zhǔn)備就緒的裝配體模型與當(dāng)前裝配狀態(tài)下對應(yīng)的工藝信息相關(guān)聯(lián)，如裝配工裝與設(shè)備資源等屬性信息、幾何形狀尺寸與形位公差等標(biāo)注信息；將當(dāng)前裝配工序/工步對應(yīng)的待裝配對象與裝配活動對應(yīng)的工藝信息相關(guān)聯(lián)，如裝配對象的裝配順序與裝配路徑、裝配工序名稱及活動內(nèi)容描述等信息；將已裝配完成的裝配體模型與裝配完成狀態(tài)下對應(yīng)的工藝信息相關(guān)聯(lián)，如裝配完成后的測量檢驗(yàn)的裝配精度屬性信息、幾何與非幾何標(biāo)注信息；在當(dāng)前裝配工序/工步完成后，將其作為下一道裝配工序/工步的裝配體模型并不斷迭代與動態(tài)更新，直至實(shí)現(xiàn)全流程全要素的裝配工藝MBD模型創(chuàng)建為止。裝配工藝MBD模型生成完成、簽審并發(fā)布三維裝配工藝規(guī)程后，現(xiàn)場裝配人員可以非常直觀方便地獲取指導(dǎo)產(chǎn)品現(xiàn)場裝配過程的工藝信息，如裝配對象、裝配活動描述、裝配資源和精度信息等，如圖6中的虛線箭頭所示。

4 FA-APM的信息管理機(jī)制

4.1 裝配工藝信息層級嵌套管理

為便于圍繞產(chǎn)品裝配5M1E檢查以及現(xiàn)場實(shí)際裝配過程中對于人、機(jī)、法、料、環(huán)、測等信息的匯總，面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息需要建立裝配“工藝(Process)-工序(Procedure)-工步(Step)”三層級結(jié)構(gòu)關(guān)系來組織和管理產(chǎn)品裝配工藝信息內(nèi)容。根據(jù)圖1所示的FA-APM裝配工藝信息變遷時(shí)序關(guān)系以及工藝流程的嵌套關(guān)系，可以通過創(chuàng)建關(guān)聯(lián)關(guān)系以及工藝流程映射方法來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配工藝層級關(guān)系、裝配工藝結(jié)構(gòu)樹與裝配工藝流程之間的關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建一種具有自上而下的多層父子嵌套結(jié)構(gòu)的裝配工藝層級關(guān)系模型，如圖7所示。該模型的多層父子嵌套模式為產(chǎn)品裝配過程的層次化精細(xì)化管理奠定了前提基礎(chǔ)，可以通過逐層搜索與追溯任意裝配工藝/工序/工步節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行情況，而采用產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹實(shí)現(xiàn)層次清晰地?cái)?shù)據(jù)集成管理，便于工藝數(shù)據(jù)的瀏覽與查詢，從而實(shí)現(xiàn)高度集成的產(chǎn)品裝配工藝信息管理。

如圖7所示的產(chǎn)品裝配工藝層級關(guān)系模型中，第一層為裝配工藝層，表示整個(gè)產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)程；第二層為裝配工序?qū)?，涵蓋裝配工序名稱及配套描述的工藝內(nèi)容，包含對應(yīng)的裝配工序相關(guān)信息，具體內(nèi)容有裝配對象模型、工序?qū)傩孕畔⒑蜆?biāo)注信息等；第三層為裝配工步層，表明對應(yīng)的裝配工序中包含若干個(gè)裝配工步信息，類似于裝配工序?qū)拥膬?nèi)容，除了包含裝配工步名稱及配套描述的工步內(nèi)容外，還有諸如裝配活動對象的零件屬性信息、裝配資源信息、裝配精度信息、測量屬性信息等相關(guān)內(nèi)容，如果裝配工序中不包含裝配工步則不必描述。根據(jù)建立的產(chǎn)品裝配工藝信息層級關(guān)系，可以層次分明地表達(dá)每道裝配工序/工步下所需的裝配工藝信息，從而為現(xiàn)場實(shí)際裝配與測量檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)提供便捷有效的工藝信息支撐。

4.2 裝配工藝信息的組織及存儲機(jī)制

產(chǎn)品裝配工藝信息的組織和存儲主要是在裝配工藝信息層級嵌套結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對裝配工藝MBD模型的管理而提出來的。為高效有序地組織和存儲產(chǎn)品裝配工藝信息數(shù)據(jù)，本文運(yùn)用與機(jī)加工藝信息管理相類似的方法[18]，采用裝配工藝管理器來實(shí)現(xiàn)對面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息的組織和存儲，以便提供后續(xù)產(chǎn)品裝配仿真與精度預(yù)測等工藝信息基礎(chǔ)，同時(shí)還便于下游現(xiàn)場裝配過程對產(chǎn)品裝配工藝信息的提取與識別。

4.2.1 裝配對象模型信息

產(chǎn)品裝配對象模型信息是裝配工藝MBD模型的重要組成部分之一，也是作為AIPM模型演變的信息要素基礎(chǔ)。針對FA-APM的構(gòu)建過程中AIPM的演變流程，產(chǎn)品裝配對象模型的形式化組織和存儲單元表達(dá)如下：

AsmObjectUnit=(ID,PreAssembledModel,

(5)

式中：ID表示產(chǎn)品裝配對象模型的序號，可進(jìn)一步通過判斷ID數(shù)值對當(dāng)前裝配工序/工步進(jìn)行識別；PreAssembledModel用于記錄前一道裝配工序/工步的裝配對象模型信息，當(dāng)在裝配初始階段時(shí)，一般是以裝配基準(zhǔn)件作為起始裝配零件；Assembling_List是一個(gè)基于鏈表連接關(guān)系的零部件存儲列表，用于記錄當(dāng)前裝配工序/工步下待裝配零部件的模型信息，其前后關(guān)系則表示產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃的組裝順序；Assembled_Model則用于記錄當(dāng)前裝配工序/工步完成后的裝配體模型。

4.2.2 裝配工藝屬性信息

根據(jù)第3章所述的產(chǎn)品裝配工藝信息表達(dá)方法可知，產(chǎn)品裝配工藝屬性信息是伴隨著產(chǎn)品裝配進(jìn)程同AIPM保持緊密關(guān)聯(lián)關(guān)系的。針對產(chǎn)品裝配工藝流程在當(dāng)前裝配工序/工步下的不同階段，可以將裝配工藝屬性信息分為3個(gè)部分來分別進(jìn)行工藝屬性信息的組織及存儲單元形式化描述：

(1)裝配工序/工步操作前：

AsmAttribUnit=(Model_ID,

(6)

式中：Model_ID表示裝配操作活動下所涉及的零部件模型序號；Asm_Preprocess表示當(dāng)前裝配工序/工步下裝配操作準(zhǔn)備及操作注意事項(xiàng)等信息；Asm_Auxiliary表示配套輔助的裝配信息，如物料的材料屬性以及標(biāo)準(zhǔn)件的牌號、名稱和數(shù)量等；Fixture_Type表示當(dāng)前裝配工序/工步下申請的工裝夾具等信息。

(2)裝配工序/工步操作過程中：

AsmAttribUnit=(Model_ID,

(7)

式中：Asm_Method表示具體的裝配方法，包括如螺栓連接、鉚接、粘接、焊接等；Asm_Path用于記錄產(chǎn)品零部件的拆裝運(yùn)動路徑規(guī)劃的三維空間軌跡信息；Asm_Equipment用于記錄當(dāng)前裝配工序/工步需要用到的裝備工具資源等信息。

(3)裝配工序/工步操作后：

AsmAttribUnit=(Model_ID,

(8)

式中：Asm_TransMatrix表示當(dāng)前裝配工序/工步對應(yīng)的零部件模型的空間位姿調(diào)整的變換矩陣信息；Asm_Relation表示裝配零部件之間或零部件與工裝夾具之間的裝配約束關(guān)系，如面面貼合、軸孔對齊等；Asm_Measurement用于記錄測量檢驗(yàn)任務(wù)的實(shí)測屬性信息，包括具體的測量任務(wù)信息、測量操作類型以及測量設(shè)備信息等，不同的測量檢驗(yàn)任務(wù)對應(yīng)的測量操作類型屬性也不同，例如對裝配關(guān)鍵特性點(diǎn)可運(yùn)用激光跟蹤儀設(shè)備測量空間點(diǎn)的坐標(biāo)值偏差，而對于軸孔裝配則采用孔徑測量儀獲取其直徑尺寸偏差。

4.2.3 裝配工藝標(biāo)注信息

為了提高標(biāo)注信息的理解與讀取效率，裝配工藝標(biāo)注信息以三維視圖的形式與AIPM進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過在裝配操作的各個(gè)階段設(shè)置關(guān)鍵時(shí)間幀，控制裝配工藝標(biāo)注信息的顯示，從而增強(qiáng)對標(biāo)注信息的控制與管理。定義裝配工藝標(biāo)注信息的形式化描述如下：

PMIUnit=(PMI_ID,PMI_Type,

(9)

式中：PMI_ID表示當(dāng)前裝配工序/工步下與AIPM所關(guān)聯(lián)的標(biāo)注信息的唯一編號；PMI_Type表示幾何類標(biāo)注信息的種類，具體包括尺寸、公差、基準(zhǔn)等；PMI_Element表示與標(biāo)注信息相關(guān)聯(lián)的最小幾何基元(點(diǎn)、線、面)特征元素；PMI_Symbol表示標(biāo)注信息的標(biāo)識符，如直徑/半徑符號、球體符號、形位公差、公差等級、測量檢驗(yàn)評定等圖樣標(biāo)注符號；PMI_Data用于記錄幾何類標(biāo)注變量的具體數(shù)值信息，包括理論設(shè)計(jì)值和實(shí)際測量值；PMI_Info用于記錄非幾何類標(biāo)注信息的注釋內(nèi)容，具體包括裝配技術(shù)要求與規(guī)范、測量檢驗(yàn)任務(wù)描述等信息；PMI_Attribute表示該標(biāo)注信息的常規(guī)顯示屬性，例如標(biāo)注信息的顯示顏色、字體、線寬等；PMI_Show表示用于控制標(biāo)注信息顯示的布爾值。如表1所示為舉例描述的裝配工藝信息標(biāo)注實(shí)例。

表1 裝配工藝信息標(biāo)注實(shí)例

續(xù)表1

5 實(shí)例分析

以圖8所示的雙級齒輪減速器裝配模型為例，研究面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝MBD模型構(gòu)建和與之對應(yīng)的信息管理方法。在實(shí)際裝配階段，需要先分別將A1組裝形成高速軸總成，A2組裝形成中速軸總成，A3組裝形成低速軸總成，再進(jìn)一步實(shí)施裝配活動。

本課題組采用三維造型內(nèi)核ACIS、顯示渲染引擎HOOPS和編程工具M(jìn)FC，開發(fā)了基于全三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)AMT-Processer，并以圖8所示的裝配體為例，通過以下功能實(shí)施與描述，驗(yàn)證了本文提出的產(chǎn)品裝配工藝模型表達(dá)與管理方法的正確性。

如圖9a所示，將雙級齒輪減速器裝配體模型導(dǎo)入AMT-Processer系統(tǒng)中準(zhǔn)備實(shí)施產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，并通過三維模型操作與工藝信息創(chuàng)建相結(jié)合的方式完善裝配工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容，形成的裝配工藝結(jié)構(gòu)樹如圖9b所示，其中，每一道裝配工序/工步節(jié)點(diǎn)均為對應(yīng)的裝配工序/工步的名稱和內(nèi)容，且關(guān)聯(lián)與之相呼應(yīng)的AIPM模型與工藝信息數(shù)據(jù)。以裝配工序5-箱體蓋及定位銷組裝為例描述如下：該裝配工序?yàn)檠b配工藝信息的第二層級；該裝配工序包含兩個(gè)裝配工步，其對應(yīng)的名稱和內(nèi)容(即裝配工步5.1-箱體蓋安裝和裝配工步5.2-定位銷×2安裝)作為裝配工藝信息的第三層級；各裝配工步節(jié)點(diǎn)下包括裝配對象信息、工藝屬性信息、工藝標(biāo)注信息等。通過選擇裝配工藝結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)能夠獲取相對應(yīng)的裝配工藝信息，當(dāng)點(diǎn)選裝配工步5.1-箱體蓋節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)界面可以顯示該工步所對應(yīng)的AIPM模型以及具體的裝配工藝信息表達(dá)形式(如圖9c)，其中，界面左側(cè)為對應(yīng)工步下的裝配工藝MBD模型的混合視圖區(qū)，針對裝配零部件模型的拆裝運(yùn)動與標(biāo)注信息的顯示/隱藏等操作，可以根據(jù)產(chǎn)品裝配進(jìn)程設(shè)置關(guān)鍵時(shí)間幀以及關(guān)聯(lián)對應(yīng)的裝配工序/工步節(jié)點(diǎn)來控制，而針對具體的標(biāo)注信息的基本操作與管理，則可以通過標(biāo)注信息管理器來實(shí)現(xiàn)控制(如添加、刪除、隱藏/顯示等)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，為便于產(chǎn)品現(xiàn)場裝配的操作引導(dǎo)，預(yù)留了零件模型與裝配過程模型的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)接口，采用數(shù)字化設(shè)備測量和人機(jī)交互測量相混合的方式對關(guān)鍵裝配特性區(qū)域進(jìn)行組合式測量，能夠獲取關(guān)鍵裝配特性區(qū)域的實(shí)際測量值，可以通過尺寸標(biāo)注、三維點(diǎn)云渲染等方式與AIPM模型相關(guān)聯(lián)，并顯示零件實(shí)測幾何尺寸及裝配偏差值大小，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)裝配過程的實(shí)時(shí)交互與映射，為面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配精度預(yù)分析與優(yōu)化、裝配過程狀態(tài)控制等后續(xù)工作奠定了前提基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

針對面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息合理表達(dá)與高效管理的工程應(yīng)用需求，本文提出了一種以三維裝配過程模型為載體實(shí)現(xiàn)面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型表達(dá)與管理方法。根據(jù)分析面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息變遷的特點(diǎn)，定義了三維裝配過程模型與裝配工藝信息數(shù)據(jù)集合相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品裝配工藝模型；通過建立面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息演變映射方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹從預(yù)規(guī)劃裝配工藝信息向現(xiàn)場實(shí)際裝配工藝信息的實(shí)例化映射；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將產(chǎn)品裝配工藝信息數(shù)據(jù)集合分類為裝配工藝規(guī)劃信息、裝配精度信息以及裝配仿真信息，并構(gòu)建了與三維裝配過程模型之間的關(guān)聯(lián)映射機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝MBD模型的生成與表達(dá)；利用產(chǎn)品裝配工藝信息層級嵌套管理模式，通過裝配工藝層級關(guān)系與裝配工藝結(jié)構(gòu)樹的關(guān)聯(lián)關(guān)系創(chuàng)建以及裝配工藝流程映射，實(shí)現(xiàn)了面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝信息的合理組織、存儲與管理。

本文所提方法已經(jīng)集成于三維裝配工藝設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)中并得到了初步應(yīng)用驗(yàn)證，所實(shí)施的面向現(xiàn)場裝配的產(chǎn)品裝配工藝模型建模、表達(dá)與管理方法，將產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、現(xiàn)場實(shí)物測量等各類信息進(jìn)行高效整合，進(jìn)一步豐富并擴(kuò)展了三維裝配工藝信息模型，為基于全三維模型的復(fù)雜產(chǎn)品裝配精度預(yù)分析與優(yōu)化、裝配過程狀態(tài)控制與追溯等提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，并對提高裝配工藝規(guī)劃效率、縮短產(chǎn)品裝配制造周期、提升產(chǎn)品裝配質(zhì)量具有重要的工程意義。下一步將對三維環(huán)境下產(chǎn)品裝配工藝動態(tài)重構(gòu)、版本管控等方向進(jìn)行深入研究，為裝配工藝的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化提供技術(shù)支持。