三維裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)研究

摘要：為加快實現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化制造模式，滿足現(xiàn)場作業(yè)人員對三維裝配工藝信息的需求，提高產(chǎn)品裝配的質(zhì)量和效率，文章研究了三維裝配的工藝規(guī)劃與相關(guān)技術(shù)，設(shè)計面向裝配現(xiàn)場的三維裝配工藝規(guī)劃與仿真驗證的總體流程，詳細探討和分析裝配結(jié)構(gòu)層次調(diào)整、裝配場景構(gòu)建、裝配過程可視化和裝配工藝發(fā)布等與三維裝配工藝規(guī)劃相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。該研究可為三維虛擬環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：三維裝配；工藝規(guī)劃；智能制造；虛擬裝配

中圖分類號：TP391" " " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）05-0078-04

0 引言

隨著計算機技術(shù)、智能計算、VR（虛擬現(xiàn)實）、AR（增強現(xiàn)實）等技術(shù)的迅速發(fā)展，三維裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)為解決產(chǎn)品的裝配規(guī)劃問題提供了新的技術(shù)手段。國外已推出一些面向制造行業(yè)的商品化的數(shù)字化裝配規(guī)劃系統(tǒng)，如ICIDO（虛擬現(xiàn)實解決方案和工程虛擬樣機仿真分析協(xié)同決策平臺）、Visualization Mockup和Tecnomatix等。國內(nèi)針對數(shù)字化智能裝配的研究中，Wang等［1］開發(fā)基于AR技術(shù)的線束裝配指導(dǎo)系統(tǒng)，采用知識圖譜方法統(tǒng)一描述裝配過程，實現(xiàn)裝配流程的可視化；徐張桓［2］基于數(shù)字化裝配平臺構(gòu)建航空發(fā)動機虛擬裝配仿真環(huán)境，制定基于MBD（模型定義）技術(shù)的裝配工藝仿真研究方案與流程；毛玲等［3］研發(fā)一種針對復(fù)雜層次化模型的在線通用虛擬裝配系統(tǒng)，滿足了不同機械產(chǎn)品的裝配需求。從長遠來看，虛擬裝配技術(shù)將在提高擬實化程度［4］、引入人工智能［5］、降低勞動強度［6］等方面獲得更大的發(fā)展，從而更適應(yīng)實際工業(yè)生產(chǎn)的需要。

在三維虛擬環(huán)境下進行裝配工藝過程的設(shè)計，可以實現(xiàn)零部件裝配順序的設(shè)計和路徑定義、裝配過程干涉檢查、裝配資源合理性驗證，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝存在的問題，并輸出合理可行的裝配工藝［7-8］。有效的裝配工藝規(guī)劃可以顯著地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高裝配質(zhì)量，降低裝配成本。本文將從裝配結(jié)構(gòu)層次調(diào)整、裝配場景構(gòu)建、裝配過程可視化和裝配工藝發(fā)布等方面詳細分析三維裝配工藝規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)。

1 三維裝配工藝規(guī)劃總體流程設(shè)計

三維裝配工藝規(guī)劃的總體思路如下：以裝配知識和工藝規(guī)劃為基礎(chǔ)，搭建基于工位制的裝配工藝結(jié)構(gòu)；在虛擬環(huán)境中，通過人機交互的方法仿真和驗證產(chǎn)品的裝配工藝過程，從而生成優(yōu)化、可行的裝配工藝?；谝陨纤悸穭澐秩S裝配工藝規(guī)劃總體流程，該流程主要由以下幾個重要的功能模塊組成。

（1）裝配數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。準(zhǔn)備產(chǎn)品、工裝、工具等的三維輕量化模型，整理和制定裝配知識和工藝技術(shù)規(guī)范，為三維裝配工藝規(guī)劃提供數(shù)據(jù)和規(guī)則支持。

（2）裝配結(jié)構(gòu)定義。導(dǎo)入產(chǎn)品和相關(guān)資源數(shù)據(jù)，生成初始的裝配層次結(jié)構(gòu)，并根據(jù)劃分的裝配單元和裝配規(guī)則，對裝配結(jié)構(gòu)進行修改、刪除、新建和調(diào)整等操作，輸出適用于指導(dǎo)生產(chǎn)的裝配結(jié)構(gòu)。

（3）裝配環(huán)境搭建。通過設(shè)置虛擬裝配場景的背景，導(dǎo)入裝配資源的三維模型，布局線纜和管路的位置，調(diào)整各類物體在場景中的位置，控制物體的顯示精度，構(gòu)建一個合理的虛擬裝配場景。

（4）裝配過程規(guī)劃。在虛擬裝配場景中，定義產(chǎn)品零部件的裝配序列，規(guī)劃產(chǎn)品零部件的裝配路徑和仿真裝配資源的使用情況，疊加裝配引導(dǎo)輔助信息并反復(fù)檢查，最終得到合理、可行的三維裝配工藝。

（5）裝配工藝發(fā)布。制定裝配工藝發(fā)布流程，實現(xiàn)三維裝配工藝文件和現(xiàn)場裝配工位的關(guān)聯(lián)，以合適的方式展現(xiàn)動態(tài)的三維裝配作業(yè)指導(dǎo)書，幫助現(xiàn)場工人更好地理解產(chǎn)品的裝配過程、裝配要點等。

2 裝配結(jié)構(gòu)層次調(diào)整

在產(chǎn)品的全生命周期中，BOM（物料清單）結(jié)構(gòu)反映了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在產(chǎn)品的不同階段，BOM具有不同的結(jié)構(gòu)視圖，因此在裝配工藝規(guī)劃前，將復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐層拆分，調(diào)整為符合裝配現(xiàn)場的裝配結(jié)構(gòu)，這對產(chǎn)品的三維裝配工藝規(guī)劃具有重要意義。

2.1 BOM的分類

在產(chǎn)品的不同階段，BOM根據(jù)產(chǎn)品的功能需求和技術(shù)特點進行設(shè)計，較少考慮裝配現(xiàn)場工位布局的EBOM（工程物料清單）結(jié)構(gòu)。工藝人員需根據(jù)實際的裝配需求，對產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點進行刪、 增、改等操作，形成指導(dǎo)裝配的PBOM（計劃物料清單）結(jié)構(gòu)；制造部門以PBOM為基礎(chǔ)，進行產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃，形成包含零組件配套、裝配順序、工序定額等信息的MBOM（制造物料清單）結(jié)構(gòu)。

2.2 裝配結(jié)構(gòu)調(diào)整策略

以軌道交通裝備的研制為例，在研制過程中，BOM作為產(chǎn)品信息的載體，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和產(chǎn)品制造的全過程。設(shè)計部門產(chǎn)生的 EBOM 只能反映產(chǎn)品功能的設(shè)計結(jié)構(gòu)，不能直接指導(dǎo)軌道交通裝備的生產(chǎn)制造，因此產(chǎn)品的裝配層次結(jié)構(gòu)只有經(jīng)過轉(zhuǎn)換，才能用于軌道交通裝備的實際裝配任務(wù)。BOM結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換流程見圖1。

（1）EBOM轉(zhuǎn)換為PBOM。設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，完成產(chǎn)品裝配設(shè)計并輸出EBOM存放到數(shù)據(jù)庫；工藝人員從數(shù)據(jù)庫讀取EBOM數(shù)據(jù)，并根據(jù)裝配需求對裝配結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點進行刪、增、改等操作，形成PBOM數(shù)據(jù)。

（2）PBOM轉(zhuǎn)換為MBOM。事業(yè)部的工藝人員基于PBOM數(shù)據(jù)，結(jié)合公司的生產(chǎn)組織形式、可利用的制造資源及相關(guān)的工藝規(guī)范等，通過三維裝配仿真技術(shù)規(guī)劃和驗證每一道工序的詳細裝配過程并輸出MBOM。

3 裝配場景構(gòu)建

三維裝配場景為用戶提供了可視化的虛擬裝配環(huán)境，裝配場景管理產(chǎn)品資源、裝配資源、可視化信息等各種資源，并且為用戶提供交互式的裝配操作與驗證等多種仿真化體驗。能否在計算機中有效地表達、組織和存儲各種場景對象模型，直接關(guān)系到裝配場景構(gòu)建的實用性和合理性。

3.1 裝配場景的結(jié)構(gòu)

為有效地管理和組織裝配場景，本文采用了如圖2所示的裝配場景結(jié)構(gòu)。其中，產(chǎn)品節(jié)點主要負責(zé)管理產(chǎn)品的裝配信息，并為工藝節(jié)點提供三維工藝規(guī)劃的對象；工藝節(jié)點中，工序節(jié)點為裝配工藝的基本管理單元，工步節(jié)點提供詳細的裝配工藝信息，可視化信息節(jié)點負責(zé)豐富場景中裝配過程的表達；資源節(jié)點主要負責(zé)管理裝配過程中需要使用的工裝、工具和輔料資源信息；場景渲染節(jié)點將相機、光照、幾何對象、幾何屬性、變換矩陣和事件消息等有機地組織起來并協(xié)調(diào)它們的相互關(guān)系，實現(xiàn)裝配場景的快速渲染和操作響應(yīng)。以上的裝配場景組織模型為后續(xù)的三維裝配仿真提供了基礎(chǔ)。

3.2 轉(zhuǎn)向架三維裝配場景

圖3為轉(zhuǎn)向架三維裝配場景，場景包含轉(zhuǎn)向架裝配模型、線纜模型、裝配工具、可視化輔助信息、裝配背景等多種信息，為用戶提供了良好的裝配交互環(huán)境。

4 裝配過程可視化

在三維裝配場景中，通過多類信息的可視化，從視覺、信息和操作等方面改善虛擬裝配環(huán)境下人機交互的效率，豐富場景中裝配過程的表達，增強引導(dǎo)作業(yè)人員裝配的效果。

4.1 可視化仿真動素

三維裝配工藝規(guī)劃的一個重要目標(biāo)是通過各種動畫效果，形象地表達場景中的裝配過程。本文采用一系列可視化仿真動素組織裝配過程的可視化表達。常用的仿真動素的功能與參數(shù)詳述如下。

（1）視點動素：變換場景觀察視角，以達到最佳的裝配觀察效果，記錄參數(shù)為相機位置。

（2）閃爍動素：讓場景物體以高亮的方式閃爍，以達到提醒用戶的作用，記錄參數(shù)為閃爍次數(shù)和閃爍顏色。

（3）運動動素：物體在場景中做平移、旋轉(zhuǎn)或螺旋運動，模擬真實的裝配過程，記錄參數(shù)為運動類型和位姿變換矩陣。

（4）暫停動素：讓場景中的物體暫停運動，控制仿真運動的節(jié)奏，記錄參數(shù)為暫停時間。

（5）透明動素：讓場景中的物體表現(xiàn)出透明效果，以觀察復(fù)雜物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記錄參數(shù)為透明度值。

（6）隱藏動素：通過隱藏場景中的物體，觀察被物體遮擋的其他物體，記錄參數(shù)為隱藏時間。

（7）變色動素：通過改變場景物體的外觀顏色，達到提醒和強調(diào)的作用，記錄參數(shù)為顏色RGB（紅、綠、藍）值。

（8）警告動素：通過在場景中彈出對話框，強調(diào)裝配需要注意的地方，記錄參數(shù)為對話框資源和警告信息。

（9）文本動素：通過在場景中疊加裝配操作輔助文字說明，達到裝配引導(dǎo)的目的，記錄參數(shù)為文本信息和文本位置。

（10）爆炸圖動素：通過在場景中生成裝配爆炸圖，達到快速瀏覽裝配體結(jié)構(gòu)的目的，記錄參數(shù)為爆炸方向和零部件距離。

4.2 裝配信息可視化

在三維裝配場景中，需要對不同的信息進行可視化展現(xiàn)。為了便于管理裝配場景中的各種可視化信息，本文將裝配信息歸納為場景幾何信息、場景事件信息及場景文本信息，并設(shè)計了相應(yīng)的可視化方式。場景幾何信息主要包括裝配場景中產(chǎn)品、工裝、工具等對象的三維模型，其可視化方式為三維模型顯示、隱藏和特效處理，主要提供裝配操作環(huán)境、操作對象及裝配資源，輔助裝配指導(dǎo)工作。場景事件信息是指選擇、操作和刪除裝配場景對象產(chǎn)生的事件消息。場景文本信息主要包括引導(dǎo)、注釋和警告信息，以文本引導(dǎo)裝配人員注意當(dāng)前步驟、對象及裝配要點，并對不可行操作或錯誤操作做出警告。裝配信息可視化應(yīng)用示例見圖4。

5 三維裝配工藝發(fā)布

三維裝配工藝發(fā)布的主要任務(wù)是從裝配工藝數(shù)據(jù)庫將產(chǎn)品的輕量化模型、裝配仿真動畫、工序操作細則、BOM數(shù)據(jù)、裝配資源等數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，輸出特定格式的裝配作業(yè)指導(dǎo)書，使用戶可以通過交互的方式查閱每一道工序的裝配引導(dǎo)過程。

5.1 三維裝配工藝發(fā)布內(nèi)容

三維裝配工藝發(fā)布的內(nèi)容包含工藝概要信息、工藝要求、BOM數(shù)據(jù)、工藝資源、工序和裝配工藝過程（見圖5），三維裝配工藝發(fā)布效果圖見圖6。

5.2 三維裝配工藝發(fā)布與應(yīng)用流程

三維裝配工藝發(fā)布通過引用設(shè)計的三維輕量化模型，讀取設(shè)計和工藝BOM，關(guān)聯(lián)編制完成的三維裝配工藝，并且通過制造執(zhí)行系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至特定的現(xiàn)場終端設(shè)備，為現(xiàn)場工人提供可交互的、動態(tài)的、直觀的、易于理解的三維作業(yè)指導(dǎo)。三維裝配工藝發(fā)布與應(yīng)用流程見圖7，其中ESB（Enterprise Service Bus）即企業(yè)服務(wù)總線，MES（Manufacturing Execution System）即制造執(zhí)行系統(tǒng)。

6 結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的出現(xiàn)，智能制造成為重要的發(fā)展趨勢，在智能制造的需求下，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計逐漸演變?yōu)橹悄芑娜S工藝設(shè)計。傳統(tǒng)的裝配技術(shù)已經(jīng)不能滿足智能制造行業(yè)的需求。為此，本文設(shè)計了面向裝配現(xiàn)場的三維裝配工藝規(guī)劃與仿真驗證的總體流程，解決了裝配結(jié)構(gòu)調(diào)整、裝配場景構(gòu)建、裝配過程可視化、裝配工藝發(fā)布等各個環(huán)節(jié)的技術(shù)難題，有助于推動制造行業(yè)向智能化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型，進而提升企業(yè)的核心競爭力和推動產(chǎn)業(yè)的整體升級。

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*湖南省重點研發(fā)計劃項目“軌道車輛軸承監(jiān)測用壓電薄膜傳感器”（2023GK2026）。

【作者簡介】羅嘉欣，女，湖南婁底人，在讀碩士研究生，研究方向：智能制造技術(shù)；劉翊，男，湖南衡陽人，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向：智能制造技術(shù)、工業(yè)智能。

【引用本文】羅嘉欣，劉翊.三維裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（5）：78-81.