0 引言

    現(xiàn)在三維CAD/CAPP技術(shù)越來越發(fā)展，許多企業(yè)正在實(shí)現(xiàn)三維技術(shù)的普及與應(yīng)用并貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、制造、裝配、售后及維修的全生命周期。裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要一步，但現(xiàn)在對(duì)三維裝配CAPP的研究還是處在一個(gè)起步階段。裝配CAPP在企業(yè)中存在的主要問題有：1）大多基本還是采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，只重視裝配工藝，對(duì)裝配順序沒有規(guī)劃，容易造成零件的庫存積壓，影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；2）依靠傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和自己的經(jīng)驗(yàn)，沒有規(guī)范的工藝路線和工藝規(guī)程，造成工藝的隨意性，對(duì)生產(chǎn)不利；3）對(duì)于相似零件的工藝規(guī)程，由于缺少工藝的編制或者很難找到以前的工藝文件，造成重復(fù)的設(shè)計(jì)，浪費(fèi)了時(shí)間，缺少創(chuàng)新的時(shí)間。針對(duì)存在的問題，本文研究了基于三維參數(shù)化模型的裝配CAPP系統(tǒng)，提供一個(gè)可視化的裝配環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化預(yù)裝配的工藝規(guī)劃，優(yōu)化裝配方案，提高裝配效率，縮短產(chǎn)品交付期。

1 系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能

    本系統(tǒng)是順應(yīng)了CAPP三維化的發(fā)展方向與趨勢(shì)，并且實(shí)現(xiàn)了與三維CAD的無縫集成，無需從外部重新導(dǎo)入模型，直接利用軟件的API函數(shù)在三維軟件solid edge的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，并且通過可視化的窗口操作界面進(jìn)行三維裝配工藝的設(shè)計(jì)，保證工藝決策的方便性與可靠性。

    本系統(tǒng)運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)的設(shè)計(jì)方法建立新產(chǎn)品的三維模型，然后進(jìn)行裝配的工藝規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)以下功能：1）以VB軟件、Access數(shù)據(jù)庫以及Solid Edge三維軟件為支撐，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)則及相應(yīng)的約束條件，通過參數(shù)化輸入界面，確定尺寸參數(shù)，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)完成生成新產(chǎn)品零件模型；2）采用派生式裝配工藝設(shè)計(jì)方案解決相似的裝配工藝設(shè)計(jì)過程，然后運(yùn)用成熟的人工智能方式訪問數(shù)據(jù)庫及知識(shí)庫，以人機(jī)交互的方式對(duì)設(shè)計(jì)出的裝配工藝內(nèi)容進(jìn)行添加、編輯、調(diào)整順序、保存等操作；3）按照設(shè)計(jì)出的裝配工藝順序自動(dòng)進(jìn)行三維模型的裝配仿真過程并形成動(dòng)畫模式，實(shí)現(xiàn)按工序和工步的控制播放功能；4）按照零部件的屬性名稱配置裝配工序的名稱、內(nèi)容等信息，并自動(dòng)生成明細(xì)表、工藝卡等裝配工藝文檔。

2 系統(tǒng)平臺(tái)總體框架及其主要模塊

    系統(tǒng)平臺(tái)分為用戶層、管理層、功能層、技術(shù)層、支撐層五層結(jié)構(gòu)形式。具體如圖1所示�；�本流程是首先是通過參數(shù)化設(shè)計(jì)出裝配新模型，然后在裝配模型基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，最后輸出裝配錄像與工藝文件。

    1)角色權(quán)限管理模塊

    本系統(tǒng)平臺(tái)的角色權(quán)限管理模塊，采用了類似RBAC（Role-Based Access Control  基于角色的訪問控制）模型結(jié)構(gòu)，這種模型的基本概念是把權(quán)限與角色聯(lián)系在一起，用戶通過充當(dāng)合適角色的成員而獲得該角色的許可權(quán)。在登錄本裝配CAPP系統(tǒng)時(shí)，需輸入用戶名和密碼，認(rèn)證其是否具有使用本系統(tǒng)的權(quán)限，或者具有使用本系統(tǒng)哪些功能的權(quán)限。角色主要分為管理員，主任設(shè)計(jì)師、主任工藝師，設(shè)計(jì)員、工藝員。不同角色的用戶具有不同的操作權(quán)限。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

    2)參數(shù)設(shè)計(jì)模塊

    該模塊中的參數(shù)化設(shè)計(jì)采用了最大化建模方法。理清零部件參數(shù)化變型的特點(diǎn)，劃分出主從參數(shù)等級(jí)，通過調(diào)用Solid Edge/API函數(shù)編制代碼完成模型參數(shù)提交和模型驅(qū)動(dòng)兩部分。參數(shù)設(shè)置是該模塊的核心。參數(shù)化設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)不僅具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，把產(chǎn)品分解成各個(gè)部件分別驅(qū)動(dòng)，然后組成總裝，每一個(gè)部件對(duì)應(yīng)一個(gè)VB里的.bas模塊文件，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，維護(hù)方便。

    3)裝配過程規(guī)劃模塊

    該部分是本系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，其中又具體分為裝配順序規(guī)劃、裝配要求技術(shù)圖解、裝配BOM清單、裝配過程仿真四部分內(nèi)容。

    裝配序列規(guī)劃方法是將裝配體層次化后再利用割集法求解裝配序列的方法。首先研究了裝配關(guān)系的有向圖表達(dá)方法，然后根據(jù)裝配體的模塊劃分，將裝配體進(jìn)行分層處理，得到其分層有向圖，最后運(yùn)用有向圖割集進(jìn)行計(jì)算得到裝配序列的規(guī)劃。

    裝配要求技術(shù)圖解是利用Solid Edge軟件PMI(Product&Manufacturing Information)功能，把裝配說明固定于裝配零件特定的位置，進(jìn)而帶入到裝配動(dòng)畫中，有效的改善了裝配工人的裝配體驗(yàn)。

    裝配BOM清單首先是將Solid Edge的裝配BOM信息輸入到Access數(shù)據(jù)庫，然后將Access數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)寫入Excel中，作為裝配BOM清單。

    裝配過程仿真采用根據(jù)裝配關(guān)系裝配和坐標(biāo)系裝配兩種裝配編程方法。對(duì)需要組裝的所有零件進(jìn)行遍歷，確定具有裝配關(guān)系對(duì)象（如具體的面、軸線等），并對(duì)這些對(duì)象添加對(duì)應(yīng)的裝配關(guān)系。在人機(jī)交互環(huán)境下，用戶一般不需要考慮坐標(biāo)系，根據(jù)零部件的關(guān)系就可以確定等待加入的零部件的位置，而在編程過程中確定新零部件要裝入的坐標(biāo)位置相對(duì)于重新定義新零部件與已裝零部件之間的關(guān)系更加容易。

    4)工藝卡片生成模塊

    該模塊按照相似性原理，用關(guān)鍵詞檢索系統(tǒng)的典型工藝資源庫，通過對(duì)檢索到的典型裝配工藝過程卡片、系統(tǒng)圖進(jìn)行修改、編輯，成為所需的二維的裝配工藝文件。本系統(tǒng)根據(jù)JB/T9165.1-9165.4-1998推薦的表格式樣，結(jié)合三維裝配CAPP軟件的特點(diǎn)，定制了幾種表格模板，并可以根據(jù)各個(gè)工廠的實(shí)際情況，對(duì)工藝卡片進(jìn)行局部樣式修改。

3 裝配順序規(guī)劃原理及方法

    為了降低裝配順序規(guī)劃的難度，提高規(guī)劃效率，利用模塊化的思想，采用了一種基于分層有向圖模型的裝配順序規(guī)劃方法。在分層有向圖模型中，首先利用模塊化方法將復(fù)雜裝配體分解成多個(gè)子裝配體，然后對(duì)每一層進(jìn)行裝配順序規(guī)劃。最后利用有向圖之間的層級(jí)關(guān)系進(jìn)行組合形成整個(gè)產(chǎn)品的裝配順序。

    橋式起重機(jī)小車可以分為小車架、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、主起升機(jī)構(gòu)和副起升機(jī)構(gòu)，以橋式起重機(jī)小車的主起升機(jī)構(gòu)為例，其分層有向圖的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主起升機(jī)構(gòu)的分層有向圖

    圖中每個(gè)結(jié)點(diǎn)代表一個(gè)裝配體或者是一個(gè)零件，結(jié)點(diǎn)之間的有向連接為裝配關(guān)系，無向連接為父子關(guān)系。所有以某結(jié)點(diǎn)為父結(jié)點(diǎn)的裝配單元形一個(gè)新的局部分層有向圖。最頂層結(jié)點(diǎn)P1代表主起升機(jī)構(gòu)，中間層結(jié)點(diǎn)P2代表減速機(jī)部分，包括減速機(jī)與減速機(jī)座，P3結(jié)點(diǎn)代表電機(jī)部分，包括電機(jī)與電機(jī)座，P4代表傳動(dòng)部分，P5代表起吊部分，最底層結(jié)點(diǎn)所代表的零部件如圖3所示。

圖3 小車主起升機(jī)構(gòu)分層有向圖各結(jié)點(diǎn)代表的零部件

    有向裝配連接圖可由計(jì)算機(jī)利用CAD信息自動(dòng)生成，以鄰接矩陣方式表達(dá)。鄰接矩陣包含了裝配模型兩部分信息，一是結(jié)點(diǎn)的信息，即裝配單元的數(shù)據(jù)。二是結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，即裝配單元之間的從屬關(guān)系和定位關(guān)系。

    上三角矩陣A[i][j]的創(chuàng)建方法如式：

    根據(jù)分層有向圖原理，拆解后各層級(jí)有向圖的鄰接矩陣第二層，如B1，第三層如式C21、C22、C23、C24。

    然后分別對(duì)各個(gè)層級(jí)的有向圖進(jìn)行裝配順序推理，最后用有向圖之間的層級(jí)關(guān)系進(jìn)行逆序組合形成整個(gè)產(chǎn)品的裝配順序。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

    本裝配CAPP系統(tǒng)利用VB、Access數(shù)據(jù)庫、solid edge三維軟件通過二次開發(fā)完成CAD與裝配CAPP的集成。對(duì)橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了“新建合同參數(shù)設(shè)置  模型驅(qū)動(dòng)  裝配過程規(guī)劃  工藝文件輸出  自動(dòng)裝配”的一體化。不同人員根據(jù)角色權(quán)限進(jìn)行不同的操作。

    設(shè)計(jì)員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，不同的設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品部件，根據(jù)輸入的不同的參數(shù)確定新產(chǎn)品或新部件的尺寸與外形，通過模型驅(qū)動(dòng)得到新產(chǎn)品模型。

    工藝員對(duì)設(shè)計(jì)出的新產(chǎn)品進(jìn)行裝配工裝規(guī)劃，可以對(duì)產(chǎn)品的某部分進(jìn)行規(guī)劃，也可以對(duì)整機(jī)進(jìn)行規(guī)劃。在裝配順序規(guī)劃界面上，如圖4所示，程序會(huì)自動(dòng)讀出裝配樹的信息及自動(dòng)規(guī)劃處裝配順序，同時(shí)在界面上可以預(yù)覽到對(duì)裝配順序規(guī)劃裝配體的整體三維模型，增加人機(jī)可視化水平，用戶還可以根據(jù)具體情況對(duì)裝配順序進(jìn)行調(diào)整。

圖4 裝配順序規(guī)劃

    在確定裝配順序后可以進(jìn)行工藝文件生成，如圖5所示，對(duì)選定的裝配工藝過程卡進(jìn)行編輯工序的操作，從而生成想要的裝配工藝過程卡片。在所有工藝過程完成后，調(diào)用Excel接口程序?qū)⒀b配工藝內(nèi)容輸入到Excel表格中相應(yīng)的位置，并將此Excel保存在設(shè)定的路徑下成為生成的裝配工藝文件。

圖5 裝配工藝文件

    最后根據(jù)規(guī)劃出的裝配順序依次調(diào)入需要裝配的零部件，并參照此零件數(shù)據(jù)表中的位置跟角度坐標(biāo)放置到固定位置，從而實(shí)現(xiàn)了裝配過程的仿真。

5 結(jié)束語

    綜合三維參數(shù)化技術(shù)與裝配CAPP技術(shù)，利用VB在三維軟件Solid Edge基礎(chǔ)上開發(fā)了“基于三維參數(shù)化模型的裝配CAPP系統(tǒng)”，并建立了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和主要功能模塊，實(shí)現(xiàn)了裝配CAPP與CAD的共享與集成，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與裝配工藝規(guī)劃有機(jī)的結(jié)合，下游的裝配規(guī)劃充分利用上游的參數(shù)化模型，在裝配工藝的基礎(chǔ)上又加入自動(dòng)裝配仿真模擬以及生產(chǎn)工藝卡片，形成信息化的連貫性。通過應(yīng)用表明，該成果大大提高了起重機(jī)的裝配效率與質(zhì)量，縮短產(chǎn)品交貨期，提高企業(yè)的三維技術(shù)的信息化水平，滿足了企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。

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本文標(biāo)題：基于二維參數(shù)化模型的裝配CAPP系統(tǒng)研究

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