三維可視化裝配工藝設計系統及應用

李 偉， 侯 凱， 俞玉澄， 葛紅豆

（1.上海無線電設備研究所，上海200090；2.上海神添實業有限公司，上海200438）

0 引言

隨著航天產品向小型化、輕量化、精密化方向發展，其裝配密度和裝配精度的要求越來越高，裝調的難度也越來越大［1］。三維CAD/CAM軟件和相應數字化裝配技術的出現，為提高航天復雜產品初次裝配成功率和裝配質量提供了新的突破點，其應用價值也受到越來越多的重視。

裝配作為產品生命周期的重要環節，在現代機械制造業中，占用超過了40%以上的生產費用，所需工時占產品生產制造總工時的40%～60%［2］。并且對于結構復雜的產品，這些比例將更高。裝配過程中，裝配順序、裝配路徑、裝配方式、裝配布局決定著裝配質量和裝配效率。傳統的裝配由于無虛擬裝配仿真，只能在完成零件生產之后，利用裝配人員固有的經驗知識進行試裝，導致整個研制周期較長。而且，目前現場工藝文件以二維圖表格式為主，操作人員不易理解設計意圖，易造成錯裝、漏裝等裝配質量問題。隨著國內航天行業發射密度提高、研制任務增多、研制周期急需縮短，全三維設計工藝協同已成為發展趨勢。而三維可視化軟件、MPM系統集成應用將為產品設計提供可視化審查評估依據，并可提高產品的可裝配性、降低試裝及設計更改次數，將為全三維設計工藝協同、并行工程提供支撐，最終為完成全三維從設計、工藝到裝配現場的技術路線提供基礎。

因而，亟需進行三維可視化裝配仿真技術、三維可視化軟件與MPM系統軟件集成技術的相關研究。這已成為企業縮短研制周期、提高裝配質量和效率、降低生產成本的迫切需要。

1 三維可視化裝配工藝設計現狀

對于包含剛性和電纜等柔性零部件的復雜航天機電產品，具有裝配質量要求高、裝配周期短的特點。因而，急需通過三維可視化工藝設計表達其裝配過程，提高裝配效率及質量。目前國內企業主要采取的三維可視化裝配工藝設計方法主要包含下列兩種。

（1）軟件法

軟件法主要運用軟件制作可視化裝配工藝。該措施主要包含兩方面的內容：

a）將來自設計師的三維裝配模型轉換為通用格式，然后進行裝配仿真分析驗證裝配過程是否干涉，最終制作裝配動畫用于指導生產；

b）利用CAPP軟件將三維虛擬裝配過程中截取的圖片制作成二維裝配工藝卡片，作為三維裝配動畫的補充，用于指導實際生產。

軟件法形成的三維可視化裝配工藝示意圖如圖1所示。

軟件法制作的動畫視頻、三維工藝文件相對于二維圖表式工藝卡片更加形象、直觀，指導性增強。但該方法存在以下問題：

a）軟件對裝配模型不做輕量化處理，占用內存較大，易導致動畫制作效率降低，甚至無法制作動畫；

b）用到的通用格式模型在轉換過程中易丟失原模型裝配信息；

c）基礎庫不全，缺少必備的工具、工裝庫，無法驗證操作空間干涉情況，造成制作的動畫展示度較低；

d）軟件操作界面復雜，輸出動畫質量差，且占用內存大；

e）離線進行操作，可傳遞性差，且無法進行交互操作。

（2）拍照法

拍照法利用拍攝裝配過程視頻及圖片制作可視化裝配工藝，以拍電影形式拍攝裝配視頻。該方法制作的視頻、工藝文件相對于傳統二維圖表式工藝卡片更加形象、直觀，指導性更強。然而這種方法存在以下缺點：

a）耗費人力成本較高；

b）制作的工藝文件（示意圖如圖2所示）為彩色圖，打印后可視化效果較差；

c）無法在設計階段進行裝配過程工藝審查；

d）離線進行操作，可傳遞性差，且無法進行交互操作。

上述兩種方法，主要以圖表式工藝文件為主，視頻動畫為輔形式，但將文件與動畫集成為一個界面并可在線瀏覽的裝配工藝表現方式仍處于探索階段。隨著產品結構功能增多，布局密度增大，設計工藝協同、并行工程開展也隨之增多，三維可視化表達規范形式及其與MPM系統集成方面仍需進一步研究，為其提供技術支撐。

從裝配動畫制作效率提升、工藝與動畫集成表達、在線瀏覽等角度，提出了一種三維可視化裝配工藝設計系統。

2 三維可視化裝配工藝設計系統

利用Pro/E5.0軟件設計平臺、基于APDTools的三維可視化裝配仿真平臺、基于Avidm5（以下簡稱A5）的MPM系統進行集成研究，構建了三維可視化裝配工藝設計系統。該系統的流程及集成框架如如圖3所示。

系統的工作流程如下：

a）通過A5與Pro/E集成開發，設計師可在Pro/E平臺離線進行方案設計，并將設計圖紙、三維模型、BOM資源等信息上傳至基于A5的MPM系統進行顯示、設計會簽、下載操作；

b）工藝師從MPM系統下載裝配模型，并執行輕量化處理，然后導入APD Tools離線進行工藝審查、裝配仿真驗證，最后對合格方案制作裝配規程、關鍵工序裝配動畫、輸出裝配規程及動畫，同時進行工裝設計；

c）通過A5與Smart View集成開發，工藝師上傳裝配規程及動畫至MPM系統，并創建工藝資源、文字工藝、動畫關聯，最終發布三維可視化裝配工藝；

d）現場操作人員通過MPM系統在線瀏覽三維可視化裝配工藝，用于指導現場實際生產。

3 三維可視化裝配仿真

三維可視化裝配仿真是進行設計方案工藝審查、建立三維可視化裝配工藝的基礎。作為三維可視化裝配工藝設計系統中關鍵技術，它需經過三維裝配工藝建模、裝配序列和裝配路徑規劃、裝配仿真驗證、裝配動畫輸出四個過程。

3.1 三維裝配工藝建模

三維裝配工藝模型是裝配工藝規劃的基礎，其優劣直接決定著裝配工藝規劃的效率，為此對建模技術進行研究，并對裝配工藝模型提出了以下要求。

（1）完整性要求

三維裝配工藝模型不僅應描述零部件結構本身完整信息，還需描述裝配工藝設計所需工裝、工具、工藝組合件等裝配資源、操作信息。即要求產品裝配模型信息、工藝資源、工藝方案等信息較為齊全，這些資源為后期產品裝配仿真驗證提供基礎。

（2）層次性要求

對于典型復雜產品，由于其涉及的零部件種類、數量眾多，因此對裝配過程仿真的簡化顯得尤為重要，同時這也符合實際生產裝配過程。裝配工藝模型應根據產品物理結構及功能特性進行分層，劃分子裝配體。同時將關聯的標準件、工具、工裝等集成到同一層次，產生一個初步的分層裝配工藝模型，以降低裝配規劃求解的空間難度。

（3）輕量化要求

由于結構復雜產品設計數據占用內存較大，直接用于裝配仿真易導致電腦卡頓，降低仿真效率，且不利于數據傳輸。因而，裝配仿真對三維裝配工藝模型的輕量化提出要求。三維可視化裝配仿真平臺利用自主開發的數據處理模塊Smart-Adapter插件將設計數據轉換為SVF格式文件。轉換過程操作方便，且使轉換后文件占用空間縮小至原文件的1/10～1/20，裝配信息保留完整。

（4）開放性要求

在產品設計模型及相應裝配資源發生變化時，通過修改裝配工藝模型可以快速實現裝配工藝的更新。

對于結構復雜產品，直接進行裝配規劃難度較大，因此，對裝配模型進行層次劃分和重構顯得尤為重要。其具體操作過程：首先將產品信息模型、裝配資源（包括工裝夾具、工具、地面設備等三維模型）導入到Pro/E中；然后利用CAD模塊并結合工藝總方案，在原產品設計層次基礎上重構模型，劃分子裝配體；最后將裝配資源裝配到相應層次，形成重構后的裝配工藝模型結構樹。裝配工藝層次模型示意，如圖4所示。

其中，三維裝配工藝模型中的工裝庫和工具庫應隨裝配產品不同而不斷得到更新，進行更改、增添或刪除一些內容。

3.2 裝配序列規劃

裝配序列規劃是根據既得信息，通過推理生成幾何不干涉，裝配過程中工具和工裝能進行預定操作，且裝配操作符合一定的工廠習慣和技術要求的可行的裝配序列［3］。

國內外對裝配序列規劃的研究可歸納為：拆卸法、優先約束法、基于子裝配體識別法的裝配序列求解方法以及基于知識的求解等方法。基于實際資源及可行性原則，綜合采用子裝配體識別法和人機交互仿真拆卸法進行裝配序列規劃及評估。

該解決方案的基本操作步驟如下：

a）利用子裝配體識別法，并結合仿真拆卸法，由層次裝配樹生成一個初步總的裝配順序；

b）應用層次化的虛擬裝配工藝模型，以集成于模型中的裝配資源作為約束條件，識別出子裝配體，將產品總裝配逐層拆卸，直至拆卸為已識別的子裝配體，依據這些子裝配體拆卸順序，生成其初始裝配順序；

c）結合裝配工藝知識對識別出的子裝配體進行虛擬裝配，規劃出子裝配體裝配序列，并由總的和子裝配體的初始裝配順序生成產品的初始裝配順序；

d）以“可拆即可裝”的思想為前提，在三維可視化環境中，以人機交互仿真拆卸方式對前三步形成的產品初始裝配順序進行全面逐層動態仿真評估，以得到最優或較優的拆卸序列；

e）仿真拆卸的同時進行路徑可行性檢測，即裝配過程干涉檢測，記錄拆卸順序和拆卸路徑，然后對其取逆，即得到產品裝配序列；

f）通過經驗豐富的裝配人員核驗操作可行性，并經設計師核驗符合設計要求的為最終產品裝配序列。

基于子裝配體識別法和人機交互仿真拆卸法的裝配序列規劃流程如圖5所示。

3.3 裝配動畫制作解決方案

裝配動畫是面向裝配工人的直觀演示裝配文件。它是以裝配工藝模型、裝配序列、配套明細表為基礎，在計算機仿真裝配環境中對產品實際裝配過程的真實模擬。其中，需對零部件模型賦予運動自由度、對其運動路徑/運動的類型（旋轉、平移和拉伸）/時間作約束處理、定義裝配資源和操作語義信息等操作實現。

采用APD Tools軟件構建裝配仿真平臺，以位置關鍵幀的形式記錄裝配順序和裝配路徑，并輔以路徑規劃和交互式動態檢測技術來生成裝配仿真動畫。

APDTools中的裝配仿真動畫制作主要包括以下幾個方面：

a）照相機視圖的切換，模型能縮放、平移和旋轉；

b）位置的改變，幾何角色能爆炸，協同角色能從視圖區移動；

c）屬性的改變，幾何角色能改變顏色、材質、不透明度、尺寸、顯示狀態；

d）模型的編輯，模型的二次導入、復制、粘貼、刪除等；

e）其它操作，添加一些標注、標記信息、樹狀工藝視圖、配音、文本，進行碰撞檢測等。

基于裝配工藝模型、裝配序列、裝入件信息，利用上述五種方式選取位置關鍵幀制作裝配仿真動畫。關鍵幀的選取原則應結合3.2節中初步制定的裝配序列并不斷優化，且要求每道工步至少有起始和終止兩個位置關鍵幀。對于非直線裝配運動，或多個零件的聯動，除起始、終止關鍵幀外，應添加一定數量的中間過程插值關鍵幀，使運動盡量真實。裝配仿真動畫制作界面如圖6所示。

3.4 裝配動畫輸出格式

APD Tools支持輸出JPG/BMP格式圖片、可自定義輸出尺寸的AVI格式文件和內存占用小的SVF格式文件。從降低內存占有率、保證動畫質量、利于交互操作、便于與A5系統集成角度，采用SVF格式輸出裝配動畫。SVF格式文件可在Smart Viewer平臺進行在線瀏覽，該平臺可進行交互操作，但無編輯功能。Smart Viewer平臺瀏覽界面如圖7所示。

4 三維可視化裝配工藝設計系統應用

將Pro/E5.0設計平臺、三維可視化裝配仿真平臺、基于A5的MPM系統三者進行開發集成，對應用流程梳理，最終得到實際應用流程如圖8所示。

通過對基于A5的MPM系統集成開發，開發后的在線輸出界面如圖9所示。以某航天產品為例進行應用驗證，裝配現場應用方式為在線瀏覽模式。現場利用雙屏顯示，一個屏幕顯示可交互操作的三維裝配動畫，另一個屏幕顯示文字補充工藝。

在此過程，設計人員的設計數據直接上傳至MPM系統；工藝人員下載設計數據，線下進行裝配仿真審查，將審查意見在線反饋，對于合格方案在線制作三維可視化裝配工藝并同時設計工裝；操作人員在線瀏覽三維可視化裝配工藝并進行交互式操作。

上述方案，打通了基于全三維從設計、工藝到現場的技術路線，觀察應用效果，具有以下優點：

a）實現了設計與工藝協同，產品設計與工藝設計、工裝設計達到并行開展，縮短了產品的研制周期，降低了產品的開發成本；

b）產品設計階段，工藝通過裝配仿真驗證，能及早發現設計缺陷，同時進行工裝設計及驗證、裝配方法規劃驗證，減少了產品設計反復修改次數，保證了產品裝配質量；

c）數據可傳遞性、可記錄統計性增強；

d）三維可視化裝配工藝更加形象直觀，指導性更強，降低了操作人員理解難，緩解了錯裝、漏裝等人為差錯發生現象，提高了裝配效率及裝配質量。

但上述方案仍存在以下不足：

a）目前裝配動畫制作較耗時，但可僅對復雜關鍵工序制作仿真動畫解決，其它的做指示性動畫；

b）針對航天產品中的線纜等柔性部件，該系統做剛性處理，需后期進行深入研究柔性化處理加以解決。

5 結束語

首先，分析了三維可視化裝配工藝設計現狀，提出了基于Pro/E5.0軟件設計平臺、基于APDTools的三維可視化裝配仿真平臺、基于A5的MPM系統三者集成構建三維可視化裝配工藝設計系統方案。然后，闡述了三維可視化裝配仿真技術、系統集成表達應用方式。最終以某航天產品為例進行應用驗證。此過程，打通了基于全三維從設計、工藝到現場應用的技術路線，縮短了研發生產周期，提升了裝配工藝指導性，提高了產品裝配效率及質量。