基于MBD的三維裝配工藝規劃系統的研究與應用＊

曾芬芳 杜坤鵬 王華昌

（①漢開目信息技術股份有限公司，湖北 武漢 430000；②西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710000；③華中科技大學，湖北 武漢 430073）

基于MBD的三維裝配工藝規劃，將裝配工藝以三維動畫的形式，輔以音頻和文字，直觀生動地表達裝配過程和裝配要求，工人容易理解，對提高裝配質量和效率非常有效；另一方面，工藝人員能充分利用MDB模型中的信息，快速、準確地完成裝配工藝設計，提高工藝設計的效率和質量。

近年來基于MBD技術的裝配工藝研究取得了一定成果，包括研究了基于MBD的三維裝配信息模型[1]，將制造信息和設計信息共同定義到產品的三維數字化模型中[2]，利用MBD技術進行了知識化的工藝設計方法的研究[3]，以及以同步建模技術為基礎的逆向建模為核心,研究了三維設計模型向三維工藝模型的衍化方法[4]；在三維裝配工藝應用方面，研究了基于MBD的裝配工藝數據集定義、裝配工藝規劃以及裝配工藝協同設計的具體方法和流程、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術、以及子裝配體識別算法等[5,6-8]，提出了基于裝配單元劃分的裝配工藝規劃設計流程[9]，以及利用CATIA二次開發技術開發了基于MBD的裝配工藝協同設計系統[10]。本文在上述各領域研究的基礎上，以提高三維裝配工藝規劃的質量和效率為目標，采用“拆卸定義裝配”的方式來研究三維裝配工藝過程規劃技術，并基于MBD的三維裝配工藝系統。

1 基于MBD的三維裝配工藝關鍵技術研究

基于MBD模型的裝配工藝設計的過程首先是進行產品裝配過程規劃，定義裝配工序，并為工序分配裝入件；再定義工步，為工步分配裝入件，并詳細描述零件的裝入過程，包括移動的方向、起點和終點；旋轉的方向、轉數等，最終形成完整的裝配工藝，后續用來進行裝配仿真、干涉檢查，以及指導操作工人。為提高三維裝配工藝規劃的質量和效率，本文研究了兩個關鍵技術：裝配信息建模、裝配活動規劃。

1.1 基于 MBD 的裝配信息建模

研究MBD技術可知，產品MBD模型中包含管理信息、幾何信息和非幾何信息等，其關系如圖1所示。其中管理信息包括零件名稱、代號和材料等基本屬性信息；幾何信息包括幾何體素，以及體素的類型、標識、定位數據和定形數據等信息，其中幾何體素由MBD模型中設計模型的底層數據的點、線、面等幾何元素構成；非幾何信息是MBD模型上的標注信息，包括技術要求、尺寸、粗糙度和幾何精度等信息。

圖1 基于 MBD 的模型信息

裝配工藝是描述如何將一個個零件按一定的順序、使用合適的工裝工具組裝成部件，再由部件按順序組裝成產品的過程，由此可知，裝配結構中的最小單元為零件P，它不僅包含幾何信息，還包含管理信息和非幾何信息，零件信息P可以表示為

其中：PID是零件的ID，GA為零件的幾何信息，MA為零件的管理信息，SA為零件的標注信息。基于MBD的產品裝配信息AI可用公式可以表示為

其中：WS為工步，P為零件，CA為工藝屬性，R為零件間的拓撲關系，WP為工序，AI為產品裝配。CA工藝屬性用于描述零件的加工要求，可根據關聯標注信息獲得，CA分為公共工藝屬性和私有工藝屬性。公共工藝屬性是從零件模型上繼承過來的，主要包括材料、毛坯類型和技術要求等；私有工藝屬性主要包含加工基準、加工尺寸、加工精度、表面粗糙度和幾何精度等。

基于上述邏輯，裝配基本單元為零件，裝配工藝信息按產品、工序、工步和零件4層樹狀模型（PPSP模型）來表達，如圖2所示。PPSP模型結構頂層為產品（Product）、第二層為工序（Work Process）、第三層為工步（Work Step）和最后一層為零件（Part），產品裝配過程包括一或多個工序，還可以有零件裝配而成；而工序由一個或多個工步，還可以包括零件裝配而成；工步由一個或多個零件裝配而成。

圖2 裝配工藝信息模型（PPSP 模型）

1.2 用“拆卸定義裝配”的方式來規劃裝配活動

人們搭積木都有這種體驗，將一座已搭好的房子拆散比將一堆積木搭成房子要快得多、容易得多。“拆卸定義裝配”就是利用拆比裝容易這一特點來定義產品裝配過程：產品設計者提供給工藝人員的是一個已裝好的產品模型，基于此模型，一步步將零件或部件從產品上拆下來，并記錄拆卸步驟和參數；拆卸的逆過程即為裝配過程。

1.2.1 拆卸活動的定義

經過分析和研究，產品的拆卸活動分可以歸納為以下幾類基本運動：直線運動、螺旋運動、徑向運動、平動運動、旋轉運動、牽引運動和周向運動等。由于篇幅原因，本文以直線運動和螺旋運動來闡述“拆卸定義裝配”原理。

直 線 運 動 由 起點S(XA,YA,ZA)和 終 點E(XB,YB,ZB)來定義，螺旋運動R（Rotate）由旋向Dir（左旋或右旋）和旋轉圈數Ang定義。

基于PPSP模型，產品拆卸活動流程如圖3，在拆卸過程中用拆卸活動記錄表來記錄所有拆卸活動，記錄的順序同拆卸活動的先后順序一致。圖中Tj(j,Pi,Sj,Ej)表示在拆卸活動記錄表中增加一條記錄：記錄的序號為j，活動類型為直線運動（T），移動對象是零件Pi，移動的起點為Sj，終點為Ej；圖中Rj(j,Pi,Dir,Ang)表示在拆卸活動記錄表中增加一條記錄：記錄的序號為j，活動類型為螺旋運動（R），旋轉方向為Dir（右轉或左轉），旋轉圈數為Ang。

圖3 拆卸活動流程圖

1.2.2 拆卸活動的“逆操作”

拆卸活動記錄表中順序存儲了一系列拆卸活動，包括直線運動、旋轉運動及其它運動。由拆卸活動記錄表生成裝配活動記錄表，采用逆操作。逆操作包括兩類，即活動順序的“逆”操作和拆卸活動屬性的“逆”操作，具體如下：

（1）記錄順序的顛倒，假設拆卸活動記錄表中有n條記錄，拆卸活動記錄表中的第j條（j≤n）記錄，復制為裝配活動記錄表中的第（n-j+1）記錄。

（2）平移活動的起點和終點互換，如果拆卸活動記錄表中的平移活動為Tj(j, Pi, Sj, Ej)，則轉換為裝配活動表的裝配活動為Tn-j+1(n-j+1, Pi, Ej, Sj)。

（3）旋轉活動的旋向左右互換，即拆卸活動表中如為右旋，則在裝配活動表中設為左旋；拆卸活動表中如為左旋，則在裝配活動表中設為右旋；如果拆卸活動記錄表中的旋轉活動為Rj(j, Pi, Dir,Ang)，則轉換為裝配活動表的裝配活動為Rn-j+1(n-j+1,Pi,Dir*(-1),Ang)，即右旋*(-1)=左旋，左旋*(-1)=右旋。

拆卸活動記錄表的“逆”變換過程如圖4所示，經過此流程由拆卸活動記錄表就生成了裝配活動記錄表。

圖4 拆卸活動記錄表“逆”變換流程

2 三維裝配工藝規劃系統的研究與應用

我們利用上述基于MBD的裝配信息模型PPSP和“拆卸定義裝配”來規劃裝配活動的方法，構建基于MBD的三維裝配工藝規劃系統（簡稱3DAP系統）。

2.1 3DAP 系統功能架構

三維裝配工藝規劃系統3DAP分為3層，如圖5所示，自下而上分別為：

圖5 3DAP 系統架構圖

（1）數據定義層，提供數據定義器，用于定義系統能夠被引用的元數據模型，包括屬性、資源、事件、對象、參數等元數據，以及使用元數據建立的裝配工藝對象模型，包括活動、工步、工序、零件和BOM等對象。

（2）工藝知識層，包括裝配工藝知識庫和服務引擎，知識庫包括裝配活動庫、工裝工具庫、典型工藝庫、工藝路線庫、變形活動庫（如彈簧、開口銷、卡圈等的變形活動）和特殊活動（焊接、涂膠、清洗等）。

（3）工藝設計操作層，提供三維裝配工藝設計的操作，包括與上游CAD的適配、裝配BOM管理、裝配過程規劃、裝配工序設計、工藝仿真、工藝驗證和工藝輸出等功能。

2.2 核心功能模塊

2.2.1 裝配 BOM 管理

3DAP系統接收3DCAD完成的設計模型，獲取模型的裝配結構即設計EBOM，并將模型進行輕量化處理，以降低計算機硬件的開銷來提高模型操作和顯示的流暢性；并補齊設計模型中缺少的螺釘、螺母等緊固件，對于機電產品，必要時補充線纜等。

2.2.2 裝配過程規劃

裝配過程規劃是規劃產品的裝配工藝路線，即定義出需要多少裝配工序，并分配工序中的裝入件，裝配過程規劃基于三維模型，從裝配BOM樹上采用拖拽方式，將零部件移入裝配工序中，防止漏裝。

2.2.3 裝配工序設計

裝配工序設計采用“拆卸定義裝配”的方式實現，如圖6所示為3DAP系統的界面，左邊是產品裝配信息樹，上半部是產品的裝配過程，包括工序、工步和活動，下半部屬性（見圖5左下方的“屬性”區）顯示當前裝配節點對應的基本信息、裝配對象、軌跡內容，以及在描述工序中所需的音頻、圖片或其他自定義的。

圖6 3DAP 系統界面

除了定義裝配活動之外，還可以填寫裝配工序名稱、內容、所用到的工裝工具等信息，必要時標注關鍵尺寸、零件的引出標注、BOM表或其他提示類信息。

2.3 三維裝配工藝規劃系統 3DAP 的應用驗證

以某廠油泵的裝配工藝對3DAP系統進行驗證，界面如下圖6所示。系統接收CATIA完成的三維產品設計模型，在3DAP系統中完成裝配工藝過程規劃、詳細的工序設計，并進行了工藝仿真、干涉檢查。如圖6所示，在工序“安裝齒輪條拉桿及螺塞”中可清楚看到，裝配順序從上到下對應拆卸活動的逆序，下方“軌跡內容”中顯示拆卸活動為“直線運動”，查看“直線”的屬性可顯示直線運動的起點和終點坐標。

經過驗證，三維裝配工藝規劃系統3DAP能夠較好地滿足制造企業三維裝配工藝編制的要求，并為企業的設計、工藝與制造一體化管理起到橋梁作用。

3 結語

通過對MBD技術的研究，形成了基于MBD的裝配信息模型PPSP模型；采用PPSP模型和“拆卸定義裝配”的方法研發了三維裝配工藝系統3DAP，此系統是集文字、模型、標注及動畫于一體的可視化裝配工藝設計環境，實現了裝配工藝的三維可視。該系統通過在某制造企業的應用，驗證了系統的合理性與有效性，縮短了裝配工藝設計周期，提高了裝配效率和質量。