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集成三维设计模型的装配顺序规划 |
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作者：刘长毅 张亚勤 |
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在产品制造过程中，装配成本占制造成本的40%-50%。因此，使用计算机辅助装配工艺设计软件系统提高装配效率是提高产品质量和生产效率、降低生产成本、增强企业竞争力的重要环节。装配顺序规划是产品装配工艺设计的核心内容，是研究和开发计算机辅助装配工艺设计系统的基础。主流三维CAD系统只能实现对装配体的几何结构设计和简单几何特征之间的干涉关系检验等功能，不能实现装配工艺设计阁。同时，集成三维装配设计模型是实现CAD/CAPP有效集成，提高工艺设计自动化、智能化程度的前提，因而集成三维装配设计模型的相关技术的研究和实现成为必需解决的问题。
1、总体研究框架
本文的总体研究框架如图1所示。
集成三维CAD模型是研究的起点。设计过程中所建立的产品三维数字化装配模型是实现装配工艺规划的前提。装配设计模型中包含了体现设计意图的产品装配关系。设计模型中的装配关系侧重于零部件之间的空间位置、姿态描述，并对零部件之间是否存在静态空间干涉进行检查。由于缺乏确定的零部件装配轨迹描述，一般不能对该轨迹上是否存在动态碰撞进行检验，因而不能直接用于指导生产装配过程。然而，设计模型中包含有精确的零部件的绝对和相对定位关系，是装配序列规划的直接依据。
通过集成装配设计模型，提取装配设计信息，将该信息以装配结构树的形式重新组织，并保存在数据库之中，考虑进一步集成其它企业应用软件的需要，该树结构被进一步转换为BOM表的形式。
装配序列的规划过程综合采用子装配体识别法和拆卸法。针对目标产品的特点，建立产品信息库;针对不同企业资源的实际情况，建立装配工装和工具库洞时建立典型产品的装配序列库，以提高装配序列规划过程的可用性。
生成装配顺序之后，通过设计基于XML的设计和工艺集成接口，将装配顺序模型中的零件和子装配体之间的装配信息以XML格式输出。XML具有强大的数据描述能力，支持当前互联网上几乎所有的数据传输协议，因此可以作为网络化集成的中性文件，提供CAD/LAPP集成的交换数据。
2相关技术研究
2. 1基于三维特征模型的装配设计信息提取技术
采用特征建模方法建立产品的三维数字化模型，并通过装配特征内在的特征关系提取产品的装配关系，生成装配关系树。采用特征建模方法建立装配设计模型，是实现设计和工艺在特征层次集成的有效手段。装配特征是一组反应相关零件间装配类型、配合关系、相互约束及装配操作方式的属性集，由零部件之间的装配关系和约束关系组成，装配关系和约束关系在装配建模中称为装配特征关系，零部件之间的装配特征关系可以分为3类:几何关系、传递关系、连接关系。
装配设计模型在CAD系统中一般以产品装配结构树的形式被存储，通过特定CAD系统所提供的二次开发编程接口，便可以提取出该装配树的信息。
装配模型由子装配体组成，子装配体又由次子装配体组成，直到分解为各个零件。所谓子装配体是一组零件的稳定组合，在其内部，零件之间有着稳定的装配关系，每个零件都能相对定位，而与其外部的零部件的配合则比较简单。子装配体又可以分解为下一层子装配体和零件的集合，如此层层拆分，直到不可拆分的零件。装配结构树的根结点是装配体，叶结点是组成装配体的各个零件，中间结点则是子装配体。装配树的层次关系体现了设计过程中形成装配体的装配顺序，同时也表达了装配体、子装配体及零件之间的父子从属关系。
2. 2基于子装配体识别法和拆卸法的装配顺序规划
本文中综合使用子装配体识别法闭和拆卸法进行产品装配顺序的排列和优化。产品中零件之间的几何关系、物理结构及功能决定了产品的装配顺序。得到装配结构树之后，可以进一步以装配结构树为起点，进行装配顺序的规划。产品装配顺序规划过程实质上是一个约束优化过程，即在产品各个零件之间的装配结构约束、装配工艺约束下，最优装配顺序的分析求解过程。
国内外对装配顺序规划的研究主要可归纳为:拆卸法、优先约束法、基于子装配体识别法的装配顺序求解方法和基于知识的求解方法等方法。子装配体识别法的特点在于先从零件关系中识别出子装配体，再由子装配体装配出更大的装配体，直到完成整个装配过程。一旦子装配体被识别出来，问题的对象就减少了，问题的难度也就降低了。拆卸法基本上分为两步，依据企业现有资源，特别是装配工装的实际水平，首先把产品拆分为可行的两个子装配体，然后对每一个子装配体再拆分为较小的子装配体，依此类推，直至拆分为单个零件。如果装配和拆卸为可逆过程，则拆卸过程的逆过程就是装配序列。本文中先采用子装配体识别法找出子装配体，再用拆卸法对整个装配进行拆分，并不拆分到零件级别，只需拆分到预先识别出的子装配体即可，这样也就降低了拆卸法的难度。
3基于CAXA的相关技术的实现
国产三维CAD平台CAXA实体设计在产品的装配建模过程中可以设置零部件的名称、编号、数量等属性。借助于CAXA二次开发接口可以提取CAXA三维设计模型提供的有用信息，包括零部件的名称、代号、父子关系等。
3. 1设计信息提取的实现
根据CAXA实体设计中的基于特征的装配模型提取装配体的零部件信息，将零件信息、装配体属性和父子关系信息存储到数据库中。程序流程如图2所示。先获取CAXA应用程序对象（IronCADA-pp}和设计环境对象(SceneDoc }，之后依次获取设计环境中所有的设计对象( Element) ;如果该设计对象存在子对象，依次获取所有子对象。这样.便获取了设计环境中所有的对象以及对象之间的关联关系，并保存到后台数据库中。
3. 2装配结构树的生成
通过读取后台数据库数据，使用数据库中的父子递归关系生成树结构，程序流程如图3所示。生成与CAD设计环境中结构一致的设计树，同时实现对设计树的添加、删除、修改、拖放等结点操作，从而具备对该树结构进行修改的能力，以满足从该树结构到装配顺序树结构的基本调整的操作。
3. 3装配顺序生成
识别子装配体，将总装配体拆卸为子装配体，子装配体的装配顺序则通过匹配典型产品中的子装配体装配序列并修改得到。
第一步综合子装配体识别法和拆卸法由层次装配树生成一个初步的装配顺序。将装配工装、工具库中的信息作为约束条件，首先识别出子装配体，之后将产品总装配逐层拆卸，直到拆卸为已识别的子装配体。依据这些子装配体的拆卸顺序，生成初始装配顺序。由总的初始装配顺序以及子装配体的初始装配顺序生成产品的初始装配顺序，算法流程图如图4所示。
第二步查找典型装配顺序库中相似产品的典型装配顺序，参考该装配顺序，对第一步所生成的初始装配顺序进行扩充和修改，最终生成新的装配顺序。
第三步通过数据输出接口，将该装配顺序保存为XML文件。
4实例
以某电机产品装配顺序的规划为例，说明本文中所研究和实现的相关技术和方法。应用特征建模技术所建立的电机三维设计模型如图5所示。
经过装配设计信息提取功能操作，生成装配结构树，见图6。树结构可以进行添加(创建)、删除穆改、拖动结点等操作。参考典型产品的装配顺序，通过前移治、后移等操作来修改产品的初始装配顺序，如图7所示。最终生产的装配顺序存储为XML文件。
图6
图7
5结束语
以数字化装配设计模型为源头生成装配顺序，是装配设计和工艺过程集成的重要功能组成。本文中主要研究了装配信息提取、装配结构树生成、综合应用子装配体识别法和拆卸法的装配顺序规划等技术，以及这些技术在CAXA平台上的实现。同时，这些方法在一定程度上也适用于集成其它CAD平台上的装配设计模型。(end)
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(3/19/2008) |
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