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基于轻量化模型的三维装配工艺文件生成方法 |
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作者： |
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在制造业产品全生命周期管理中，工艺文件作为连接工艺规划和一线生产制造之间的信息载体，是一线工作人员的工作指导，具有十分重要的地位。目前制造企业所使用的工艺文件的主要格式可以分为2种，一种是基于图形平台的CAD图形格式，如CAPPFramework的cxp和txp格式，一种是基于办公软件平台的DOC文档格式，如Excel等。然而，这2种格式只能包含文字、图片等静态的二维工艺信息，无法包含三维工艺过程仿真信息，同时需要在客户端安装专用的工艺信息系统，导致企业的应用成本较高。因此一种低成本轻量化可交互式的工艺文档形式成为了当下制造企业的需求，而结合国家863重点项目“基于三维产品模型的集成化CAPP系统”，基于Aspose.pdf和PDF核心库等平台开发一个根据工艺规划结果，以计算机推理为主，人机交互为辅，以PDF为显示终端并包含三维模型动态仿真信息的工艺卡片格式生成模块就成为了上述问题的解决方案之一。
PDF文件格式是一种通用文件格式。其跨平台、跨语言、跨软件的特性，可以使其运行于不同的操作系统和不同的程序语言版本中。它可以将文字、字型、格式、颜色及与设备和分辨率相独立的图形图像等封装在一个文件中，该格式文件还可以包含超文本链接、声音和动态影像等电子信息，最新版本支持U3D模型。其信息集成度和安全可靠性都较高，相对于别的文件格式具有很多优势。以下将以飞机装配工艺指令规划应用为例进行技术论述，本技术同样也适用于机械加工工艺规划。
1 三维装配工艺文件生成总体框架
图1为工艺卡片生成模块结构示意图。装配工艺信息处理系统处于计算机辅助三维装配工艺规划系统(3D CAPP系统)的下游，是3D CAPP系统的延续。按照装配工艺文件生成的流程该功能模块主要由3个部分组成，即装配工艺文件初始生成、文件编辑和文件输入输出。
图1 轻量化交互式三维工艺卡片生成模块结构示意图
在产品全生命周期中，CAD、3D CAPP系统和工艺信息后处理系统以共同的装配信息模型为基础。在产品的设计阶段，产品的设计者使用商用CAD软件对产品进行实体建模，并把设计出的实体模型和其他相关设计信息储存在装配信息模型中。在3D CAPP阶段，装配工艺设计者借助计算机辅助手段，在装配信息模型的支持下进行三维装配工艺规划，并把得到的产品装配方案也储存在装配工艺信息模型中。接下来，工艺卡片生成模块首先根据用户的要求创建装配工艺文件的模板，然后以装配信息模型为信息源头，从中提取出相关信息进行处理，进而生成装配工艺文件。用户在文件编辑环节激活三维模型动画并对三维模型动画、特写视图、相关工序步骤及零件明细表进行关联操作，使用户可以进行三维模型的交互式操作。该模块使用C#及C++编程实现，生成的工艺文档具有轻量化、便携性和可跨平台查看的特点。本文以下部分将对装配工艺文件自动生成中的关键技术加以论述。
2 关键技术
2.1 装配工艺文档模板个性化设计
工艺文档存在的目的就是将工艺数据通过遵守一定的行业规范和企业规范显示给一线工人作为工作指导。除了要遵守规范外，厂家还可以根据需求定制工艺文件模板。三维装配工艺文件的内容大体由3个部分组成，即装配操作细则、装配元件明细表和三维装配工艺演示，其中前2项以表格的形式表达，所以装配工艺文件模板在结构上可以分为2个部分，即表格区域和三维装配工艺演示区域。
为了使本工艺文件生成更具有灵活性和面对复杂装配体案例更具有通用性，实现装配工艺文件自动生成，建议使用可扩展表格的形式，即在设计工艺文件模板时，工艺人员仅仅给出表格的表头，规定输出工艺信息内容及格式，系统按照表头输出信息。比如在输出装配操作细则时，表头包括工步号、操作内容和必要信息栏，系统即以装配工艺步骤为单位输出行，并附属必要操作信息。
2.2 工艺信息处理
装配工艺设计人员借助3D CAPP系统设计出一套产品装配方案，譬如：产品元件的装配顺序和装配路径、工装夹具的选择和使用以及对装配操作的要求等等，然而这些信息是以符号或参数的形式零散地储存在装配信息模型中，操作人员难以直接读取。装配工艺信息处理指的是在生成装配工艺文件的过程中，通过综合分析装配信息模型中的信息，在工艺文件模板表格中填写以语言文字表述的装配操作细则和装配元件明细表，将工艺信息以结构化的方式显示出来。
装配工艺信息处理系统首先分析装配信息模型中的装配过程信息，装配过程信息是在装配过程中产生的，主要包括零部件的装配操作、装配路径、整个产品的装配序列等信息。具体包含：
(1)单个零部件在装配过程中从初始位置运动到最终装配目标位置的装配路径；
(2)装配过程中零部件的定位夹紧等操作信息；
(3)整个产品的装配序列，如图2所示。然后借助预先定义的术语，把装配工艺信息表述成各种装配操作，进而生成装配工艺文件中的用语言描述的装配操作细则。
图2 装配工艺过程信息
在3D CAPP系统中，机械产品是以结构树的形式存在的，用于装配序列和装配层次的划分。树的根节点是装配体，叶节点是组成装配体的各个零件，中间节点是部件或子装配体。装配元件明细表的生成则是通过先读取三维模型结构树叶节点，然后读取相关零件信息如名称、代号、材料等进而自动生成装配元件明细栏。
2.3 三维模型的嵌入
此功能基于Acrobat core API组件开发。Acrobat core API是一个ANSI C/C++类库，由用于操作PDF文件对象的方法组成。图3所示为Acrobat core API的层次结构。
如图3所示，其中Acrobat Viewer层(AV层)用于修改Acrobat界面；Portable Document层(PD层)对页对象和注释提供接口；COS层提供用于建立构成PDF文件块的接口，可以用于操作低层次的数据结构，如字典、数据流等。其中PD层包括2个方法类：PDFEdit方法处理物理性的PDF文件描述；PDSEdit方法处理PDF的逻辑结构。
图3 Acrobat core API层次结构
将3D CAPP系统生成的三维工艺模型写入PDF中包括以下几个流程：
(1)新建注释，说明注释所加到的PDF文件名、页数及所加入的矩形框界面尺寸。
(2)声明3D数据流，并建立包含有U3D格式工艺模型的3D数据流对象，然后将流对象加入注释字典，创建特征字典并声明用于模型控制的JavaScript脚本代码。
(3)设定默认视图，包括指定了3D模型的初始视图、方位、位置、坐标转换、背景、渲染模式、光照、节点等参数信息。
(4)设定注释外观，提供一个没有激活3D模型的注释外观用于不支持3D模型的场景。这里使用合适的三维模型截图用于工艺文档的打印，三维工艺文档随时可以变为二维传统工艺文件格式。
(5)设定激活字典，声明在何种方式下3D模型会被激活。
2.4 三维模型动画仿真及交互功能的实现
U3D文件格式是由Intel公司联合其他多家公司组成的工作组即3D工业论坛(3DIF)研发并推出的一种轻量级的可视化三维技术和Ecma标准。目前，已经被Adobe及Actify Inc公司的软件支持。
在三维环境中有零件坐标系和全局坐标系。零件坐标系在全局坐标系中的位置和姿态用4×4的位姿矩阵[P]表示，其中X，Y，Z分别代表坐标系的3个坐标轴向量；v1，v2，v3分别代表向量的3个分量；Xs，Ys，Zs坐标系的原点坐标。每个装配模型同样关联一个变换矩阵[T]，其中Xv1到Zv3产生比例、旋转、错切等几何变换；Mx，My，Mz产生平移变换；这样零件由起始位置和姿态到达下一个位置和姿态就可以表示成矩阵运算的形式：[P]end=[P]start·[T]。
在3D CAPP系统生成的轻量化U3D模型中并不包含装配工艺规划过程，仅仅包含装配最终位置即装配体形态和爆炸后的位置即装配初始形态，装配路径规划结果以XML格式另外保存。装配规划过程就是将零件经过上述一系列平移旋转等矩阵变换送达指定位置的过程。
如图4所示，在生成三维模型装配动画仿真中，系统依据模型装配路径中各零件关键位姿矩阵，生成装配动画关键帧A、B、C，再经过对中间过程进行线性插值生成过渡帧D、E等进而生成完整的动画，一般情况下，需要24帧/s才能保证画面连续。在本实验中，采用关键路径拐点为单位时间节点演示动画，图4中，路径L1比路径L2长，但是所用的时间相同，这就导致动画在L1段模型运行速度较快。
图4 过渡帧与关键帧
在进行仿真动画查看时，运行相应控制脚本，就会将所需演示的时间区间传递到3D注释中，进行函数调用，演示对应的装配工艺步骤。
交互式功能实现装配操作细则及零件明细栏与三维模型的交互，如在工序中点击相关按钮或者零件名称，界面将跳至三维模型界面给出相关工序三维模型动画演示或者相关零件视图并以高亮显示。操作人员看完之后可以点击“返回”直接返回装配操作细则页面。
3 实例验证
图5为某飞机制造公司定制的机翼装配工艺文件示例，左图为三维模型交互界面用于三维模型实体动画演示装配过程，右图为装配操作细则页，该页集成了三维工艺附图和AVI格式的装配仿真视频，点击即可播放，用于跟三维模型配合使用，更全面地进行信息传达。
图5 机翼装配工艺文件示例
4 结束语
在面向大型、复杂的产品加工与装配过程时，该方法所生成的工艺文件能够将复杂的装配、加工等过程直观地表达出来，提供交互的手段，表达详细、真实、全面的制造指令信息和制造过程细节，能够快捷、清晰地指导制造过程或者维修过程；能够面向产品的整个生命周期，以便携的形式进行工艺指令信息的共享和工艺指令支持，并确保工艺指令的精确性和完整性；同时基于标准的PDF文档格式，不需要专用的工艺信息系统支持，能够有效地降低制造企业工艺信息化的应用成本。
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(2/17/2012) |
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