0 引言

    裝配工藝信息模型(簡(jiǎn)稱裝配信息模型)是裝配工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)。它是裝配工藝序列規(guī)劃、裝配工藝路徑規(guī)劃以及裝配工藝規(guī)劃后處理數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。良好的裝配模型不僅能夠表達(dá)零件的幾何信息，零部件可見(jiàn)的層次關(guān)系信息，還應(yīng)該表達(dá)裝配關(guān)系信息，以及不同層次的裝配體中的裝配設(shè)計(jì)參數(shù)的約束和傳遞關(guān)系信息，而且更重要的能夠?yàn)檠b配工藝序列規(guī)劃、路徑規(guī)劃等裝配過(guò)程信息的表達(dá)提供良好的框架基礎(chǔ)。

    裝配信息模型的建立主要有兩個(gè)需要解決的問(wèn)題，即數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)的表示。

    目前裝配信息模型主要有圖模型、層次模型和混合模型3種經(jīng)典表示。無(wú)論是圖模型、層次模型還是混合模型都是對(duì)裝配工藝規(guī)劃結(jié)果的表示，僅表示零件的幾何信息，幾何約束形式表達(dá)的裝配關(guān)系或配合關(guān)系，不能反映零件之間的裝配順序以及完成零件裝配所需的裝配動(dòng)作。它不能完整的反映裝配過(guò)程，丟失了虛擬裝配環(huán)境中裝配序列、裝配路徑以及裝配約束等過(guò)程信息。

    裝配信息模型的數(shù)據(jù)來(lái)源目前主要的方法是通過(guò)CAD接口直接獲取三維CAD模型的數(shù)據(jù)。由于在三維CAD系統(tǒng)中，產(chǎn)品模型中包含的信息量很大，而且不同的三維系統(tǒng)產(chǎn)品模型的表達(dá)方法也不盡相同，這種數(shù)據(jù)獲取的局限性也在一定程度上給通用裝配信息模型的建立帶來(lái)了一定的困難。

    隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，輕量化三維產(chǎn)品模型成為一種趨勢(shì)。輕量化技術(shù)能夠支持企業(yè)間不同CAD數(shù)據(jù)傳輸與交換，在沒(méi)有數(shù)據(jù)損失的情況下將產(chǎn)品模型輕量化，大大提高了企業(yè)之間的協(xié)同與網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。作者基于輕量化三維產(chǎn)品模型建立裝配工藝信息模型，將各種不同的三維產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的輕量化產(chǎn)品模型，由于輕量化模型過(guò)濾了非幾何信息，保留了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和幾何拓?fù)潢P(guān)系，在輕量化產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上通過(guò)集成接口或后置處理實(shí)現(xiàn)制造工藝信息的添加，建立面向三維的輕量化裝配工藝信息模型。

1 輕量化裝配工藝信息模型整體框架

    裝配信息怎樣完整的合理的表示出來(lái)是裝配信息建模的關(guān)鍵所在，也是裝配工藝規(guī)劃需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于模型需要表達(dá)的數(shù)據(jù)信息多，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難找到一個(gè)合適的單一的模型表達(dá)其所有的數(shù)據(jù)，考慮用混合模型或者多個(gè)模型的集合這種形式表達(dá)裝配工藝信息。作者通過(guò)分析裝配模型信息的類型，分類用不同的模型表達(dá)不同的裝配信息�；�于輕量化三維產(chǎn)品模型的裝配工藝信息模型中表達(dá)的信息包括下列3個(gè)部分：

    (1)對(duì)象信息。表達(dá)裝配對(duì)象的基本信息，如幾何特征信息、對(duì)象的位置、材質(zhì)、管理信息以及裝配資源信息等。

    (2)約束信息。描述了裝配體之間以及內(nèi)部的約束，包括產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)、零部件之間的配合關(guān)系等。

    (3)過(guò)程信息。描述了裝配過(guò)程中產(chǎn)生的信息，如零部件的裝配順序，操作路徑等虛擬裝配過(guò)程和結(jié)果信息。

    如圖l所示。首先將產(chǎn)品的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為三維輕量化模型，由于模型的輕量化過(guò)濾了非幾何信息，所以要通過(guò)交互式或接口方式輸入裝配工藝規(guī)劃所需要的條件信息，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，裝配工藝規(guī)劃的過(guò)程信息包括裝配序列、裝配路徑等信息，這些也是裝配建模要考慮的主要內(nèi)容。

    圖1 輕量化裝配信息模型結(jié)構(gòu)圖

2 信息分類與表示

    裝配工藝信息模型數(shù)據(jù)的具體分類如圖2所示。

    圖2 裝配工藝信息模型數(shù)據(jù)

2．1 對(duì)象信息表示

    對(duì)象信息模型是虛擬裝配信息模型表示的基礎(chǔ)。目前大多數(shù)虛擬裝配模型都是通過(guò)獲取三維CAD模型中的數(shù)據(jù)作為模型零件信息的。輕量化裝配信息模型首先通過(guò)支持輕量化產(chǎn)品模型的瀏覽器導(dǎo)入商用三維產(chǎn)品模型，將商用三維模型轉(zhuǎn)換成輕量化模型。輕量化模型中只包含產(chǎn)品的幾何信息、幾何約束信息，所以需要在輕量化模型的基礎(chǔ)上通過(guò)后置處理添加裝配工藝規(guī)劃需要的相關(guān)對(duì)象信息。例如裝配資源信息可以通過(guò)導(dǎo)人產(chǎn)品三維模型的形式添加到輕量化模型中去，通過(guò)這種方式得到輕量化裝配模型中對(duì)象模型的信息數(shù)據(jù)。

    輕量化虛擬裝配模型的對(duì)象可以分為兩種：(1)輕量化虛擬裝配資源對(duì)象。它是不包含任何產(chǎn)品信息的實(shí)體，包括虛擬場(chǎng)景、虛擬裝配工裝夾具、虛擬手(鼠標(biāo))等。(2)裝配對(duì)象。攜帶產(chǎn)品信息的輕量化三維模型。這些對(duì)象都是通過(guò)對(duì)象信息模型表示的。

    對(duì)象信息模型以零件為基本節(jié)點(diǎn)，采用層次模型表示。層次模型中每個(gè)節(jié)點(diǎn)主要包括了零件的名稱、幾何特征、狀態(tài)、位置以及運(yùn)動(dòng)信息。采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)對(duì)象包含的屬性。如圖3所示。

    圖3 零部件對(duì)象的物理屬性結(jié)構(gòu)圖

2．2 約束信息表示

    裝配體零部件之間關(guān)系通過(guò)表示成約束信息才能使系統(tǒng)所理解和采用。零部件之間的約束信息主要包括幾何約束、裝配層次約束、裝配與資源之間的約束、以及其它的軟約束和物理約束。其中幾何約束在商用三維模型轉(zhuǎn)化成輕量化模型時(shí)就保留了幾何約束信息，所以直接可以從輕量化模型得到。裝配層次關(guān)系是在裝配工藝規(guī)劃過(guò)程中形成的，如產(chǎn)品分為子裝配，子裝配又分為零部件等。軟約束和物理約束是指裝配體外部對(duì)裝配體的約束，如企業(yè)的裝配設(shè)備條件，生產(chǎn)技術(shù)要求等等，往往這些約束對(duì)裝配過(guò)程影響很大。這些約束只有通過(guò)規(guī)則和公式等表示出來(lái)才能被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所理解。

    以圖4的裝配模型為例，其約束模型可表示如下：

    圖4 裝配體模型

2．3 過(guò)程信息表示

    裝配過(guò)程信息是在裝配過(guò)程中產(chǎn)生的，主要包括零部件的裝配操作、裝配路徑、整個(gè)產(chǎn)品的裝配序列等信息。具體包含：(1)單個(gè)零部件在裝配過(guò)程中從初始位置運(yùn)動(dòng)到最終裝配目標(biāo)位置的裝配路徑。(2)裝配過(guò)程中零部件的定位夾緊等操作信息。(3)整個(gè)產(chǎn)品的裝配序列。

    裝配路徑的表示。在虛擬裝配過(guò)程中將零部件的位置和方向以離散節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行記錄，通過(guò)鏈表的形式組織這些節(jié)點(diǎn)，可以得到該零部件的裝配路徑。裝配路徑節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表達(dá)為：

    采用四元組(x，y，z，w)表達(dá)零部件的空間方向。其中，(x，y，z)表示空間一矢量，w表示繞空間矢量(x，y，z)的轉(zhuǎn)角。四元組(x，y，z，w)表達(dá)零件的空間方向比旋轉(zhuǎn)矩陣更為簡(jiǎn)潔。

    對(duì)于一些規(guī)則的軌跡，可以采用參數(shù)軌跡來(lái)描述，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

    裝配層次關(guān)系的形成。在裝配過(guò)程中，形成的產(chǎn)品層次裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系，如通過(guò)子裝配劃分技術(shù)產(chǎn)生的子裝配體、零件、組件、產(chǎn)品等層次。這種層次關(guān)系通過(guò)樹(shù)結(jié)構(gòu)表示。

    產(chǎn)品裝配序列的表示。裝配序列表明了產(chǎn)品所有零件在組成產(chǎn)品時(shí)的安裝順序，裝配序列的形成是基于裝配層次關(guān)系的，所以裝配序列的表示也是結(jié)合裝配層次關(guān)系，在層次模型中添加先后順序來(lái)表示裝配序列。

    采用有序樹(shù)表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。在有序樹(shù)中，樹(shù)的層次關(guān)系表達(dá)了裝配層次關(guān)系，對(duì)于每一層樹(shù)的節(jié)點(diǎn)按照一定的順序排列，節(jié)點(diǎn)的先后順序表達(dá)了這層零部件和子裝配體的裝配順序。如圖5所示。產(chǎn)品由子裝配體1、子裝配體2、零件1和零件2組成，子裝配體1又是由零件3、4和5組成，子裝配體2由子裝配體3和零件8組成，子裝配3又是由零件6和零件7組成。

    圖5 裝配序列樹(shù)形結(jié)構(gòu)

    零件的排列是有順序的，安裝的時(shí)候如圖5箭頭所示，每一層自底向上安裝，所以產(chǎn)品的裝配序列為：零件2、零件1、子裝配體2(零件8、子裝配體3(零件7、零件6))、子裝配體1(零件5、零件4、零件3)。

    每一顆有序樹(shù)對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的一個(gè)裝配序列，而產(chǎn)品的裝配路徑與裝配序列是相對(duì)應(yīng)的。一顆有序樹(shù)作為一個(gè)裝配方案，關(guān)聯(lián)相應(yīng)零部件的裝配路徑，將路徑與有序樹(shù)的節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)組成一顆既能表示序列又能表示路徑的有序樹(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

    在Windows XP系統(tǒng)環(huán)境下，以Visual C#2005集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于Spin Fire Professional8.3的裝配工藝規(guī)劃原型系統(tǒng)。系統(tǒng)基于三維產(chǎn)品裝配模型，實(shí)現(xiàn)了基于輕量化模型的裝配建模、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑生成與裝配過(guò)程仿真等功能。如圖6為裝配體零部件屬性信息顯示界面，通過(guò)輕量化模型直接提取和通過(guò)接口外部輸入裝配工藝規(guī)劃相關(guān)屬性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能樹(shù)轉(zhuǎn)化為包含裝配序列的有序樹(shù)的功能。通過(guò)手工或自動(dòng)化算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，將零部件的順序表示在一棵有序的裝配樹(shù)上。圖7為動(dòng)畫仿真界面，樹(shù)節(jié)點(diǎn)上關(guān)聯(lián)了裝配路徑，通過(guò)遍歷節(jié)點(diǎn)，搜索節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的零部件的路徑實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫。

    圖6 裝配體零部件屬性信息

    圖7 裝配序列、路徑與仿真動(dòng)畫輸出

4 結(jié)論

    通過(guò)對(duì)商用三維產(chǎn)品模型的輕量化得到產(chǎn)品的輕量化模型，在輕量化模型的基礎(chǔ)上建立裝配工藝信息模型。對(duì)裝配模型包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類總結(jié)，對(duì)不同的數(shù)據(jù)對(duì)象采用不同的建模方式，通過(guò)對(duì)這些模型的集成提出了一種通用的輕量化裝配模型。對(duì)裝配工藝規(guī)劃前驅(qū)需要的信息，裝配工藝規(guī)劃過(guò)程中產(chǎn)生的信息以及結(jié)果信息都可以在模型中很好地表示，并且通過(guò)這種方式可以把裝配工藝規(guī)劃過(guò)程及結(jié)果保存在輕量化模型里面，最終得到的是保存有工藝信息的輕量化三維裝配工藝信息模型。由于輕量化和通用3D格式的特點(diǎn)，使得模型能夠方便快捷地被瀏覽并在網(wǎng)絡(luò)之間傳輸。

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本文標(biāo)題：基于輕量化三維產(chǎn)品模型的裝配建模技術(shù)研究

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