基于MBD的三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的研究與應(yīng)用＊

曾芬芳 杜坤鵬 王華昌

（①漢開目信息技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000；②西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；③華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430073）

基于MBD的三維裝配工藝規(guī)劃，將裝配工藝以三維動(dòng)畫的形式，輔以音頻和文字，直觀生動(dòng)地表達(dá)裝配過程和裝配要求，工人容易理解，對(duì)提高裝配質(zhì)量和效率非常有效；另一方面，工藝人員能充分利用MDB模型中的信息，快速、準(zhǔn)確地完成裝配工藝設(shè)計(jì)，提高工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

近年來基于MBD技術(shù)的裝配工藝研究取得了一定成果，包括研究了基于MBD的三維裝配信息模型[1]，將制造信息和設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中[2]，利用MBD技術(shù)進(jìn)行了知識(shí)化的工藝設(shè)計(jì)方法的研究[3]，以及以同步建模技術(shù)為基礎(chǔ)的逆向建模為核心,研究了三維設(shè)計(jì)模型向三維工藝模型的衍化方法[4]；在三維裝配工藝應(yīng)用方面，研究了基于MBD的裝配工藝數(shù)據(jù)集定義、裝配工藝規(guī)劃以及裝配工藝協(xié)同設(shè)計(jì)的具體方法和流程、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術(shù)、以及子裝配體識(shí)別算法等[5,6-8]，提出了基于裝配單元?jiǎng)澐值难b配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)流程[9]，以及利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了基于MBD的裝配工藝協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)[10]。本文在上述各領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，以提高三維裝配工藝規(guī)劃的質(zhì)量和效率為目標(biāo)，采用“拆卸定義裝配”的方式來研究三維裝配工藝過程規(guī)劃技術(shù)，并基于MBD的三維裝配工藝系統(tǒng)。

1 基于MBD的三維裝配工藝關(guān)鍵技術(shù)研究

基于MBD模型的裝配工藝設(shè)計(jì)的過程首先是進(jìn)行產(chǎn)品裝配過程規(guī)劃，定義裝配工序，并為工序分配裝入件；再定義工步，為工步分配裝入件，并詳細(xì)描述零件的裝入過程，包括移動(dòng)的方向、起點(diǎn)和終點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)的方向、轉(zhuǎn)數(shù)等，最終形成完整的裝配工藝，后續(xù)用來進(jìn)行裝配仿真、干涉檢查，以及指導(dǎo)操作工人。為提高三維裝配工藝規(guī)劃的質(zhì)量和效率，本文研究了兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：裝配信息建模、裝配活動(dòng)規(guī)劃。

1.1 基于 MBD 的裝配信息建模

研究MBD技術(shù)可知，產(chǎn)品MBD模型中包含管理信息、幾何信息和非幾何信息等，其關(guān)系如圖1所示。其中管理信息包括零件名稱、代號(hào)和材料等基本屬性信息；幾何信息包括幾何體素，以及體素的類型、標(biāo)識(shí)、定位數(shù)據(jù)和定形數(shù)據(jù)等信息，其中幾何體素由MBD模型中設(shè)計(jì)模型的底層數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面等幾何元素構(gòu)成；非幾何信息是MBD模型上的標(biāo)注信息，包括技術(shù)要求、尺寸、粗糙度和幾何精度等信息。

圖1 基于 MBD 的模型信息

裝配工藝是描述如何將一個(gè)個(gè)零件按一定的順序、使用合適的工裝工具組裝成部件，再由部件按順序組裝成產(chǎn)品的過程，由此可知，裝配結(jié)構(gòu)中的最小單元為零件P，它不僅包含幾何信息，還包含管理信息和非幾何信息，零件信息P可以表示為

其中：PID是零件的ID，GA為零件的幾何信息，MA為零件的管理信息，SA為零件的標(biāo)注信息。基于MBD的產(chǎn)品裝配信息AI可用公式可以表示為

其中：WS為工步，P為零件，CA為工藝屬性，R為零件間的拓?fù)潢P(guān)系，WP為工序，AI為產(chǎn)品裝配。CA工藝屬性用于描述零件的加工要求，可根據(jù)關(guān)聯(lián)標(biāo)注信息獲得，CA分為公共工藝屬性和私有工藝屬性。公共工藝屬性是從零件模型上繼承過來的，主要包括材料、毛坯類型和技術(shù)要求等；私有工藝屬性主要包含加工基準(zhǔn)、加工尺寸、加工精度、表面粗糙度和幾何精度等。

基于上述邏輯，裝配基本單元為零件，裝配工藝信息按產(chǎn)品、工序、工步和零件4層樹狀模型（PPSP模型）來表達(dá)，如圖2所示。PPSP模型結(jié)構(gòu)頂層為產(chǎn)品（Product）、第二層為工序（Work Process）、第三層為工步（Work Step）和最后一層為零件（Part），產(chǎn)品裝配過程包括一或多個(gè)工序，還可以有零件裝配而成；而工序由一個(gè)或多個(gè)工步，還可以包括零件裝配而成；工步由一個(gè)或多個(gè)零件裝配而成。

圖2 裝配工藝信息模型（PPSP 模型）

1.2 用“拆卸定義裝配”的方式來規(guī)劃裝配活動(dòng)

人們搭積木都有這種體驗(yàn)，將一座已搭好的房子拆散比將一堆積木搭成房子要快得多、容易得多?！安鹦抖x裝配”就是利用拆比裝容易這一特點(diǎn)來定義產(chǎn)品裝配過程：產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供給工藝人員的是一個(gè)已裝好的產(chǎn)品模型，基于此模型，一步步將零件或部件從產(chǎn)品上拆下來，并記錄拆卸步驟和參數(shù)；拆卸的逆過程即為裝配過程。

1.2.1 拆卸活動(dòng)的定義

經(jīng)過分析和研究，產(chǎn)品的拆卸活動(dòng)分可以歸納為以下幾類基本運(yùn)動(dòng)：直線運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、平動(dòng)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、牽引運(yùn)動(dòng)和周向運(yùn)動(dòng)等。由于篇幅原因，本文以直線運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)來闡述“拆卸定義裝配”原理。

直 線 運(yùn) 動(dòng) 由 起點(diǎn)S(XA,YA,ZA)和 終 點(diǎn)E(XB,YB,ZB)來定義，螺旋運(yùn)動(dòng)R（Rotate）由旋向Dir（左旋或右旋）和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)Ang定義。

基于PPSP模型，產(chǎn)品拆卸活動(dòng)流程如圖3，在拆卸過程中用拆卸活動(dòng)記錄表來記錄所有拆卸活動(dòng)，記錄的順序同拆卸活動(dòng)的先后順序一致。圖中Tj(j,Pi,Sj,Ej)表示在拆卸活動(dòng)記錄表中增加一條記錄：記錄的序號(hào)為j，活動(dòng)類型為直線運(yùn)動(dòng)（T），移動(dòng)對(duì)象是零件Pi，移動(dòng)的起點(diǎn)為Sj，終點(diǎn)為Ej；圖中Rj(j,Pi,Dir,Ang)表示在拆卸活動(dòng)記錄表中增加一條記錄：記錄的序號(hào)為j，活動(dòng)類型為螺旋運(yùn)動(dòng)（R），旋轉(zhuǎn)方向?yàn)镈ir（右轉(zhuǎn)或左轉(zhuǎn)），旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為Ang。

圖3 拆卸活動(dòng)流程圖

1.2.2 拆卸活動(dòng)的“逆操作”

拆卸活動(dòng)記錄表中順序存儲(chǔ)了一系列拆卸活動(dòng)，包括直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其它運(yùn)動(dòng)。由拆卸活動(dòng)記錄表生成裝配活動(dòng)記錄表，采用逆操作。逆操作包括兩類，即活動(dòng)順序的“逆”操作和拆卸活動(dòng)屬性的“逆”操作，具體如下：

（1）記錄順序的顛倒，假設(shè)拆卸活動(dòng)記錄表中有n條記錄，拆卸活動(dòng)記錄表中的第j條（j≤n）記錄，復(fù)制為裝配活動(dòng)記錄表中的第（n-j+1）記錄。

（2）平移活動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)互換，如果拆卸活動(dòng)記錄表中的平移活動(dòng)為Tj(j, Pi, Sj, Ej)，則轉(zhuǎn)換為裝配活動(dòng)表的裝配活動(dòng)為Tn-j+1(n-j+1, Pi, Ej, Sj)。

（3）旋轉(zhuǎn)活動(dòng)的旋向左右互換，即拆卸活動(dòng)表中如為右旋，則在裝配活動(dòng)表中設(shè)為左旋；拆卸活動(dòng)表中如為左旋，則在裝配活動(dòng)表中設(shè)為右旋；如果拆卸活動(dòng)記錄表中的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)為Rj(j, Pi, Dir,Ang)，則轉(zhuǎn)換為裝配活動(dòng)表的裝配活動(dòng)為Rn-j+1(n-j+1,Pi,Dir*(-1),Ang)，即右旋*(-1)=左旋，左旋*(-1)=右旋。

拆卸活動(dòng)記錄表的“逆”變換過程如圖4所示，經(jīng)過此流程由拆卸活動(dòng)記錄表就生成了裝配活動(dòng)記錄表。

圖4 拆卸活動(dòng)記錄表“逆”變換流程

2 三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

我們利用上述基于MBD的裝配信息模型PPSP和“拆卸定義裝配”來規(guī)劃裝配活動(dòng)的方法，構(gòu)建基于MBD的三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)（簡稱3DAP系統(tǒng)）。

2.1 3DAP 系統(tǒng)功能架構(gòu)

三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DAP分為3層，如圖5所示，自下而上分別為：

圖5 3DAP 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)定義層，提供數(shù)據(jù)定義器，用于定義系統(tǒng)能夠被引用的元數(shù)據(jù)模型，包括屬性、資源、事件、對(duì)象、參數(shù)等元數(shù)據(jù)，以及使用元數(shù)據(jù)建立的裝配工藝對(duì)象模型，包括活動(dòng)、工步、工序、零件和BOM等對(duì)象。

（2）工藝知識(shí)層，包括裝配工藝知識(shí)庫和服務(wù)引擎，知識(shí)庫包括裝配活動(dòng)庫、工裝工具庫、典型工藝庫、工藝路線庫、變形活動(dòng)庫（如彈簧、開口銷、卡圈等的變形活動(dòng)）和特殊活動(dòng)（焊接、涂膠、清洗等）。

（3）工藝設(shè)計(jì)操作層，提供三維裝配工藝設(shè)計(jì)的操作，包括與上游CAD的適配、裝配BOM管理、裝配過程規(guī)劃、裝配工序設(shè)計(jì)、工藝仿真、工藝驗(yàn)證和工藝輸出等功能。

2.2 核心功能模塊

2.2.1 裝配 BOM 管理

3DAP系統(tǒng)接收3DCAD完成的設(shè)計(jì)模型，獲取模型的裝配結(jié)構(gòu)即設(shè)計(jì)EBOM，并將模型進(jìn)行輕量化處理，以降低計(jì)算機(jī)硬件的開銷來提高模型操作和顯示的流暢性；并補(bǔ)齊設(shè)計(jì)模型中缺少的螺釘、螺母等緊固件，對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品，必要時(shí)補(bǔ)充線纜等。

2.2.2 裝配過程規(guī)劃

裝配過程規(guī)劃是規(guī)劃產(chǎn)品的裝配工藝路線，即定義出需要多少裝配工序，并分配工序中的裝入件，裝配過程規(guī)劃基于三維模型，從裝配BOM樹上采用拖拽方式，將零部件移入裝配工序中，防止漏裝。

2.2.3 裝配工序設(shè)計(jì)

裝配工序設(shè)計(jì)采用“拆卸定義裝配”的方式實(shí)現(xiàn)，如圖6所示為3DAP系統(tǒng)的界面，左邊是產(chǎn)品裝配信息樹，上半部是產(chǎn)品的裝配過程，包括工序、工步和活動(dòng)，下半部屬性（見圖5左下方的“屬性”區(qū)）顯示當(dāng)前裝配節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基本信息、裝配對(duì)象、軌跡內(nèi)容，以及在描述工序中所需的音頻、圖片或其他自定義的。

圖6 3DAP 系統(tǒng)界面

除了定義裝配活動(dòng)之外，還可以填寫裝配工序名稱、內(nèi)容、所用到的工裝工具等信息，必要時(shí)標(biāo)注關(guān)鍵尺寸、零件的引出標(biāo)注、BOM表或其他提示類信息。

2.3 三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng) 3DAP 的應(yīng)用驗(yàn)證

以某廠油泵的裝配工藝對(duì)3DAP系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，界面如下圖6所示。系統(tǒng)接收CATIA完成的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，在3DAP系統(tǒng)中完成裝配工藝過程規(guī)劃、詳細(xì)的工序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了工藝仿真、干涉檢查。如圖6所示，在工序“安裝齒輪條拉桿及螺塞”中可清楚看到，裝配順序從上到下對(duì)應(yīng)拆卸活動(dòng)的逆序，下方“軌跡內(nèi)容”中顯示拆卸活動(dòng)為“直線運(yùn)動(dòng)”，查看“直線”的屬性可顯示直線運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。

經(jīng)過驗(yàn)證，三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DAP能夠較好地滿足制造企業(yè)三維裝配工藝編制的要求，并為企業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝與制造一體化管理起到橋梁作用。

3 結(jié)語

通過對(duì)MBD技術(shù)的研究，形成了基于MBD的裝配信息模型PPSP模型；采用PPSP模型和“拆卸定義裝配”的方法研發(fā)了三維裝配工藝系統(tǒng)3DAP，此系統(tǒng)是集文字、模型、標(biāo)注及動(dòng)畫于一體的可視化裝配工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了裝配工藝的三維可視。該系統(tǒng)通過在某制造企業(yè)的應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性與有效性，縮短了裝配工藝設(shè)計(jì)周期，提高了裝配效率和質(zhì)量。