基于Solid Works的CAPP系統的可視化裝配決策*

趙海兵

(蘇州阿爾斯通高壓電氣開關有限公司，江蘇 蘇州 215129)

1 引言

SolidWorks三維設計軟件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統，是當今市場上份額增長最快、技術發展最快、市場前景最好、性能價格比最優的軟件。除少數行業需UG、PRO/E、CATIA等高檔CAD軟件外，中檔的SolidWorks軟件完全可以滿足中小企業的應用，其裝配分析基本滿足中小企業的要求。而計算機輔助的三維可視化裝配技術是在三維設計軟件的平臺上，對零部件模型按約束關系進行重新定位，并對其裝配工藝過程進行參數化模擬仿真，檢驗產品工藝裝配的可行性及正確性。

筆者主要是在SolidWorks平臺上，針對三維可視化裝配CAPP系統的工藝裝配決策做了6點關鍵技術的分析和研究，為基于SolidWorks的可視化裝配CAPP系統的開發提供技術基礎。

2 三維裝配工藝順序規劃的決策

裝配順序規劃主要研究裝配順序的生成及其幾何可行性分析，而幾何可行性就是避免裝配操作過程中裝配單元發生幾何干涉。筆者根據“可拆即可裝”的原理，即“以拆卸順序的逆序作為產品的裝配順序”進行分析研究。并規定限制零部件拆卸的主要因素是物理裝配約束，通常情況下物理裝配約束可歸結為面貼合約束和軸配合約束兩種約束，并簡化零部件的自由度為12個方向［1］，即沿+X，+Y，+Z，-X，-Y與-Z 6個方向的平動，和繞上述3個軸的轉動(遵從右手法則，左轉為負)，提出了基于鄰接約束圖的方法來描述產品零部件間的物理裝配約束關系。

鄰接約束圖(Connectivity Constraints Graph)CCG，是一種表達裝配體零件裝配約束關系和支撐關系的多重部分有向圖，其形式為:

假設某產品有n個零件組成時，其中上式P為節點集，P={p1，p2，…，pn}，C為邊集，C={c1，c2，…，cn}}，i，j∈{p1，p2，…，pn}，其中k∈{1，2，…，}，mij為在零件Pi和零件Pj之間的裝配特征矩陣數目，每一個裝配特征對應一個裝配約束，n為在CCG中的裝配特征的總數。

根據“可拆即可裝”的原則，通過記錄零件被拆卸的順序來描述裝配體的拆卸序列，繼而確定該裝配體的裝配工藝順序，通過裝配空間中各零部件的位姿描述矩陣和裝配空間中各零部件的位姿變換矩陣來表達、記錄及規劃裝配過程工藝順序。

3 三維裝配工藝路徑規劃的決策

在裝配工藝規劃中，裝配順序規劃確定了零部件的裝配順序，但具體的裝配路徑需要裝配路徑規劃分析與求解。裝配路徑規劃的基本依據是，零件的運動包絡體在不和周圍物體發生干涉的情況下，裝配路徑盡量最短［2］。裝配路徑規劃在實現方式上主要是通過裝配元件配合面的裝配關系以及裝配順序自動計算路徑規劃，即“可拆即可裝”的原則，以及空間方位求解的可視圖法，將裝配體拆卸路徑的逆序作為裝配路徑，通過記錄裝配體拆卸過程中各零部件的空間位姿、記錄它們在空間中運動的軌跡點來描述整個過程的拆卸路徑，繼而確定該裝配體的整個裝配路徑。

4 三維裝配過程的干涉檢查

在虛擬可視化裝配過程中，干涉檢查按檢查層次上的不同，可分為靜態干涉檢查、動態干涉檢查和機構運動干涉檢查三個應用層次，體現了產品裝配性能的逐步提高。靜態干涉檢查的目標是裝配體自身的干涉檢查和公差分析;動態干涉檢查是發現和排除裝配過程中的干涉，在產品裝配過程中根據零部件的裝配路徑、裝配關系和約束條件進行裝配姿態調整、修改，保證零部件能按照一定的順序和路徑裝配成具體的產品;機構運動干涉是分析機構運動性能，仿真機構運動，保證產品的運動構件工作時不與周圍零部件發生碰撞干涉［3］。根據SolidWorks提供的AssemlyDoc.ToolsCheckInterference2，通過干涉檢查算法和干涉檢查矩陣來判斷裝配過程中兩個SLDWorks.Solid實體之間是否存在相互干涉的部分，從而提前對可能出現的問題做出準確的預測和改進［4］。

5 三維裝配過程的幾何推理

三維裝配過程的幾何推理主要是通過基于集成裝配干涉矩陣的裝配方向自動推理方法［5］，即根據集成干涉檢查矩陣，在某一裝配狀態，某個零件的可行裝配方向可以被推導出來，并以此判別整個裝配過程是不是可行的。而零件的可裝配方向推理可以分為3個步驟:

(1)建立待裝配零件相對于已裝配零件的干涉向量。假設零件Ci是待裝配零件，Assembly是在當前裝配狀態下由m個已裝配好的零件組成的臨時子裝配體，Assembly={p1，p2，…，pm}。?Cj∈Assembly，?αij{Iijx，Iijy，Iijz}，αij就是零件Ci相對于零件Cj的裝配干涉向量，裝配干涉向量中的元素都可以在裝配體集成干涉矩陣中得到。用這種方法，針對待裝配零件Ci，建立其相對臨時子裝配Assembly中所有零件的裝配干涉向量。

(2)推導待裝配零件的可行裝配方向［6］。根據零件的裝配方向向量βi，βi={+Iix，+Iiy，+Iiz，-Iix，-Iiy，-Iiz}，βi中的每個元素就分別表達該零件在+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z方向上是否是可裝配的。某元素的值為0就表示待裝配零件在該方向是可裝配的，若為1則表示待裝配零件在該方向上裝配將發生干涉。

(3)在需要判別的裝配序列中，如果存在一個沒有可行的裝配方向的零部件，則該序列整為不可行;若序列中存在多個沒有可行裝配方向的零部件，就會發生多次干涉。

6 三維裝配過程優化及評價

對于系統裝配過程的優化和評價，主要通過基于并行多層次演化算法的方法來確保優化的正確執行。而為了得到最優解，需要調整各個演化控制參數，并需要給出部分可行的裝配序列作為演化的起點。首先將可視化拆卸模塊產生的拆卸序列逆轉為可行的裝配序列，該裝配序列只是根據人的經驗得到的，根據裝配過程評價模型的指標有可能不是最優的。但裝配過程優化子系統可將這些可行裝配序列和一些隨機產生的序列合并在一起作為初始種群，并以裝配過程評價模型中的裝配成本最小化為目標再次參與演化計算，經過演化算法的若干代進化計算，該系統可以在可行裝配序列的基礎上得到最優的或次最優的裝配過程［7］。已經被優化的裝配過程，可以再次輸入虛擬拆卸/裝配環境進行拆卸/裝配，以驗證優化結果的真實有效性。

7 三維裝配過程可視化仿真

三維可視化裝配仿真就是在計算機上模擬產品的實際裝配過程，直觀展示產品的裝配過程和裝配方法，且具有多種操作選擇方式，如全過程裝配或拆卸、單個裝配或拆卸操作、單個裝配或拆卸操作中的某次運動等;裝配過程仿真的關鍵在于仿真模型能夠支持產品開發人員的思維、想象和駕馭能力。設計人員如果能在仿真進行的過程中實時地改變參數，觀察仿真結果，并深入了解產品的結構和性能，就能減少參數的修改次數，提高仿真效率。

裝配仿真的實質［8］就是沿裝配順序規劃的路徑，對零部件的空間位置進行連續的操作。在裝配仿真過程中，主要通過三維圖形幾何變換矩陣來實現，即:平移矩陣，繞X軸、Y軸、Z軸旋轉矩陣以及復合變換矩陣(既有平動變換又有轉動變換)。在裝配仿真過程中，還要重點考慮零部件由初始位置經空間矩陣變換移動到裝配終了位置的過程。

8 結語

綜上所述，基于SolidWorks的三維可視化裝配工藝CAPP系統的工藝裝配決策技術，能夠使設計人員在可視化的環境下使用計算機對產品的三維模型進行試裝，從而建立和分析產品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配干涉情況和裝配空間合理性，并以此形成裝配工藝的主體內容，繼而形成對實際裝配操作有指導意義的裝配工藝卡片，使裝配工人更加明確裝配的任務和過程，從而減少錯裝，提高裝配的速度和一次性成功率。

［1］ Van Brussel H.Planning and Scheduling of Assembly System［J］.Ands of the CIRP，1990，39(2):637-644.

［2］ 朱海燕.基于WEB的繼電器裝配工藝CAPP系統研究［D］.福州大學，2005.

［3］ 朱 強.基于Solid Works的二次開發在裝配干涉檢查中的應用［J］.機械工人·冷加工，2004(3):65-66.

［4］ 江 洪，魏 征，王濤威.Solid Works二次開發實例解析［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［5］ 朱永慶.繼電器裝配CAPP系統平臺及裝配過程模擬研究［D］.福州大學，2001.

［6］ 伍 濤，謝慶生.用Delphi對SolidWorks進行二次開發［J］.貴州工業大學學報，1999，12(6):36-38.

［7］ 顧建鈞.敏捷制造環境下裝配CAPP與虛擬裝配技術研究［D］.東南大學，2000.

［8］ Wiendahl H.Modeling and Simulation of Assembly System［J］.Annals of the CIRP，1991，40(2):577-585.