1 引言

    傳統(tǒng)的裝配工藝文件以文字描述方式為主，操作人員在裝配時(shí)需要按照工藝文件的要求，同時(shí)參照?qǐng)D紙，理解空間裝配關(guān)系。對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配，需要大量的識(shí)圖、理解工藝要求的時(shí)間；另外，圖紙、工藝附圖采用的三視圖對(duì)某些特殊產(chǎn)品的安裝形式很難描述清楚，保證產(chǎn)品裝配一致非常困難。

    三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了一個(gè)集文字、圖片、動(dòng)畫于一體的可視化裝配工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，裝配工藝規(guī)劃人員利用產(chǎn)品的三維CAD模型，對(duì)產(chǎn)品的裝配工藝過程進(jìn)行交互式的定義和分析。該系統(tǒng)以動(dòng)畫加文字說明的形式規(guī)定出產(chǎn)品的裝配順序、方法及其工藝裝備、裝配注意事項(xiàng)等信息，可視化地指導(dǎo)操作人員裝配或者進(jìn)行崗前培訓(xùn)。按產(chǎn)品實(shí)際裝配順序?qū)⒚總�(gè)工步的裝配信息（包括裝配過程動(dòng)畫文件、裝入件清單、工藝裝備、注意事項(xiàng)等信息）展示給操作人員，操作人員按該系統(tǒng)的要求一步步操作即能完成產(chǎn)品裝配。

    在各式機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中，減速機(jī)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，從交通工具的船舶、汽車、機(jī)車，建筑用的重型機(jī)具，機(jī)械工業(yè)所用的加工機(jī)具及自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，到日常生活中常見的家電、鐘表等，其應(yīng)用從大動(dòng)力的傳輸工作，到小負(fù)荷、精確的角度傳輸，都可以見到減速機(jī)的蹤跡。其中蝸輪蝸桿減速機(jī)十分常見，其基本結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)零件蝸輪蝸桿、軸、軸承、箱體及其附件構(gòu)成，主要作用傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，軸承與軸主要作用是動(dòng)力傳遞、運(yùn)轉(zhuǎn)并提高效率。

    筆者通過開目公司的3DCAPP-A系統(tǒng)進(jìn)行減速機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)，以三維工藝來指導(dǎo)裝配，使裝配人員能更加直觀、準(zhǔn)確、高效地完成裝配工作，為企業(yè)提高裝配質(zhì)量和效率，降低裝配時(shí)間和成本，帶來革命性進(jìn)步。

2 三維裝配工藝設(shè)計(jì)

2.1 裝配模型導(dǎo)入

    三維產(chǎn)品模型是實(shí)現(xiàn)裝配工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)與前提。三維CAD模型中包含了產(chǎn)品的各種信息，如管理屬性信息、層次結(jié)構(gòu)信息、零部件幾何信息、裝配關(guān)系信息、空間位置和姿態(tài)描述信息等，在定義產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)時(shí)，首先將三維產(chǎn)品模型讀入系統(tǒng)，提取相應(yīng)的信息，并以裝配結(jié)構(gòu)樹的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中；其次，對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，如根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系，通過人機(jī)交互的方式選取子裝配體；此外，對(duì)于像螺栓、螺母、墊圈等緊固件連接，其裝配順序是固定的，因此對(duì)裝配順序固定的某些小裝配體可以在產(chǎn)品BOM中合并為一個(gè)零件，以此達(dá)到簡(jiǎn)化模型的目的；最后，根據(jù)獲得的裝配體裝配關(guān)系，生成裝配結(jié)構(gòu)，并以裝配關(guān)聯(lián)矩陣的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

    通過裝配結(jié)構(gòu)定義，將設(shè)計(jì)模型調(diào)整為裝配模型。定義好的裝配結(jié)構(gòu)中，裝配體分解為不同層次的子裝配體，子裝配體又可以分解成若干子裝配體和零件，表現(xiàn)為一定的層次性。通常用裝配樹來直觀的表達(dá)裝配體之間的這種層次關(guān)系，如下圖所示。

圖1 減速機(jī)設(shè)計(jì)BOM到裝配BOM的調(diào)整

2.2 裝配過程規(guī)劃

    根據(jù)裝配的工藝性原則，將設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整為滿足裝配工藝要求的工藝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后，開始規(guī)劃整個(gè)裝配的具體過程和細(xì)節(jié)。通過裝配過程定義及管理功能，規(guī)劃裝配的每一道裝配工序或檢測(cè)工序（也稱“裝配步驟”），指定每一道工序裝配的零部件清單（也稱“裝配對(duì)象”），定義工序的各個(gè)工步（也稱“裝配活動(dòng)”），按照拆卸的方式，為裝配對(duì)象定義直線、旋轉(zhuǎn)、螺旋、平動(dòng)、牽引、徑向六種運(yùn)動(dòng)，并支持典型運(yùn)動(dòng)。

    在拆卸產(chǎn)品的過程中，使用如扳手、螺絲刀等工藝裝備，并定義使用工藝裝備拆卸產(chǎn)品零部件的詳細(xì)細(xì)節(jié)，指定工序的工序名稱、內(nèi)容，通過自定義屬性定義裝配的各種信息，包括裝配方法、注意事項(xiàng)、檢驗(yàn)方法等等，產(chǎn)生完善的裝配數(shù)據(jù)信息。

2.2.1 裝配工序定義

    在產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)上進(jìn)行裝配過程規(guī)劃時(shí)，先定義當(dāng)前的裝配工序。開始一個(gè)工序的定義，首先選定本工序要裝哪些件，除了產(chǎn)品的直屬件外，還有前面工序裝配后的結(jié)果（工序合件）。合件是在上個(gè)步驟中已經(jīng)裝好的零部件對(duì)象，一般作為整體參與下個(gè)步驟的裝配活動(dòng)，若需要合件中的零件參與下個(gè)步驟裝配時(shí)，也可以添加合件中的零部件作為后續(xù)某工序的裝配對(duì)象。已經(jīng)裝過了的不會(huì)被重復(fù)選中。

    選定本工序的裝配件后，定義零部件的裝配過程。一個(gè)零部件的裝配過程分為多個(gè)活動(dòng)。零部件的裝配活動(dòng)可以有多種，可以沿著一個(gè)坐標(biāo)軸線移動(dòng)，可以在一個(gè)坐標(biāo)面內(nèi)平動(dòng)，可以繞著一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以定義繞一個(gè)坐標(biāo)軸做螺旋運(yùn)動(dòng)（螺釘、螺帽的運(yùn)動(dòng)），可以是拉著零部件的一個(gè)點(diǎn)在指定的座標(biāo)平面內(nèi)作拖曳運(yùn)動(dòng)，可以指定零部件上的一根軸線做徑向運(yùn)動(dòng)，或垂直這根軸線做周向運(yùn)動(dòng)（放射狀）�；顒�(dòng)由一個(gè)或多個(gè)軌跡組成，軌跡按照運(yùn)動(dòng)方式的不同分為：直線運(yùn)動(dòng)、平動(dòng)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、牽引運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、周向運(yùn)動(dòng)、典型運(yùn)動(dòng)。組合起來表示出零部件的安裝軌跡。例如某螺帽，安裝時(shí)可能是先平動(dòng)到螺栓上，然后螺旋運(yùn)動(dòng)到壓緊狀態(tài)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如下所示。

圖2 定義裝配動(dòng)作

2.2.2 裝配節(jié)拍規(guī)劃與調(diào)整

    為了更加真實(shí)的仿真裝配的實(shí)際過程，輔助計(jì)算裝配過程各工序的實(shí)際時(shí)間，系統(tǒng)提供了調(diào)整裝配活動(dòng)順序及時(shí)間功能，該功能將步驟中的每一個(gè)活動(dòng)視為一個(gè)任務(wù)，以甘特圖的形式展示給用戶，用戶可以調(diào)整每個(gè)活動(dòng)的開始時(shí)間，結(jié)束時(shí)間，定義各活動(dòng)的先后關(guān)聯(lián)順序，達(dá)到模擬并行裝配場(chǎng)景的目的，并輔助用戶進(jìn)行裝配節(jié)拍計(jì)算。

    這樣，對(duì)于一些關(guān)鍵的裝配活動(dòng)可以適當(dāng)延長(zhǎng)其仿真時(shí)間以供仔細(xì)查看，而對(duì)于一些重復(fù)性的裝配活動(dòng)，如連續(xù)裝配數(shù)個(gè)相同零件時(shí)，可以適當(dāng)加快仿真時(shí)間，為了達(dá)到更加智能的活動(dòng)順序調(diào)整，系統(tǒng)還支持調(diào)整幾個(gè)活動(dòng)同時(shí)開始或同時(shí)結(jié)束。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如下圖所示。

圖3 調(diào)整裝配活動(dòng)順序及時(shí)間

2.2.3 技術(shù)圖解

    在以往的裝配工藝中，裝配說明性文字是放在工序說明欄里面的。而在三維環(huán)境中，可以在仿真播放時(shí)隨著零部件的裝配過程，同時(shí)顯示裝配說明和注意事項(xiàng)等內(nèi)容（例如安裝螺帽時(shí)要求的扳手力矩值，稱為注釋），以增強(qiáng)裝配過程的描述，提高裝配仿真的實(shí)用性。

    技術(shù)圖解功能集可實(shí)現(xiàn)多種類型的注釋，包括各類標(biāo)簽、標(biāo)記、文本、圖像、序號(hào)標(biāo)注、BOM表格、尺寸測(cè)量、局部放大，這些注釋顯示的時(shí)機(jī)可以定義，既可以在整道工序中出現(xiàn)，也可以在安裝某零件時(shí)出現(xiàn)。序號(hào)標(biāo)注、BOM表格的實(shí)現(xiàn)界面如下圖所示。

圖4 序號(hào)標(biāo)注、BOM表格

2.2.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

    機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真能夠可視化展示三維模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，并能驗(yàn)證復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)干涉情況。主要包括連桿運(yùn)動(dòng)仿真、齒輪運(yùn)動(dòng)仿真及凸輪運(yùn)動(dòng)仿真。

    以齒輪運(yùn)動(dòng)仿真為例，定義齒輪運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，首先定義工作件（傳動(dòng)軸）與齒輪的約束關(guān)系、主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的約束關(guān)系，然后定義齒輪運(yùn)動(dòng)中工作件繞固定軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。齒輪運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)界面如下圖所示。

圖5 定義齒輪運(yùn)動(dòng)仿真

2.2.5 裝配仿真功能

    當(dāng)裝配過程定義完成后，可以通過仿真播放功能進(jìn)行減速機(jī)裝配和拆卸的仿真播放。仿真播放過程中，還可以錄像，錄像生成錄像片段后，通過播放工具進(jìn)行減速機(jī)裝配工藝的播放。

2.2.6 三維工藝裝備

    減速機(jī)裝配過程仿真，不僅可以模擬減速機(jī)的零部件如何被裝配的完整過程，還能夠模擬如何借助工藝裝備進(jìn)行減速機(jī)裝配的過程。首先需要在工藝資源管理器中，建立一些在減速機(jī)裝配過程中需要用到的三維工藝裝備模型庫（包括：工具、夾具、量具等），然后在可視化裝配活動(dòng)定義過程中，引入這些工藝裝備，安裝工藝裝備，定義裝備的活動(dòng)（使用工藝裝備拆卸產(chǎn)品零部件），最后拆除工藝裝備，這樣系統(tǒng)就能夠模仿使用工藝裝備裝配減速機(jī)零部件的完整過程了。三維工藝資源庫如下圖所示。

圖6 三維工藝資源庫

    3DCAPP-A提供常用的標(biāo)準(zhǔn)工具工裝、以及標(biāo)準(zhǔn)件庫，比如扳手、起子等。企業(yè)的專用工具或工裝可以通過交互操作進(jìn)行模型的入庫操作，通過開目的三維工藝資源管理器提供的功能進(jìn)行工具工裝庫的自維護(hù)。

2.2.7 裝配工藝性評(píng)價(jià)

    減速機(jī)裝配仿真的過程中，通過系統(tǒng)提供的動(dòng)態(tài)干涉檢查功能，檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配工藝規(guī)劃的合理性，幫助在產(chǎn)品生命周期早期，發(fā)現(xiàn)減速機(jī)設(shè)計(jì)缺陷及裝配工藝設(shè)計(jì)缺陷，縮短設(shè)計(jì)周期。

    統(tǒng)支持減速機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)干涉檢查（即進(jìn)行裝配過程定義時(shí)，用戶可以檢查某個(gè)活動(dòng)是否發(fā)生干涉），仿真時(shí)動(dòng)態(tài)干涉檢查以及靜態(tài)干涉檢查。

2.2.8 裝配工藝文檔填寫

    減速機(jī)裝配工序定義完成后，在屬性區(qū)顯示工序名稱，可輸入文字性的工序內(nèi)容說明。減速機(jī)裝配活動(dòng)內(nèi)容填寫在活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的屬性區(qū)中填寫，同步驟內(nèi)容填寫。

2.3 工藝信息發(fā)布

    減速機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)完成后，KM3DCAPP-A提供了幾種發(fā)布輸出的方式：

    1）三維輕量化裝配工藝文件

    2）AVI文件

    3）PDF文件

    4）二維CAPP卡片文件，系統(tǒng)根據(jù)配置可以自動(dòng)產(chǎn)生二維工藝卡片文件，自動(dòng)填寫工序號(hào)、工序名稱、工序內(nèi)容、工步名稱、工步內(nèi)容、配套件清單、工藝簡(jiǎn)圖以及其它自定義的屬性數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 減速機(jī)裝配工藝文件瀏覽

3 結(jié)束語

    三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)3DCAPP是三維CAD在企業(yè)的深化應(yīng)用，提高了筆者進(jìn)行減速機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)的效率，減速機(jī)圖形化的裝配文件深受使用者的喜愛。系統(tǒng)加快了新型減速機(jī)產(chǎn)品上市速度，增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力。三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于機(jī)械制造行業(yè)而言，是一種裝配工藝設(shè)計(jì)模式的創(chuàng)新。 

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（3DCAPP）在減速機(jī)行業(yè)的應(yīng)用

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