0 引言

    現(xiàn)在三維CAD/CAPP技術(shù)越來越發(fā)展，許多企業(yè)正在實現(xiàn)三維技術(shù)的普及與應(yīng)用并貫穿產(chǎn)品的設(shè)計、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)在對三維裝配CAPP的研究還是處在一個起步階段。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)計和自己的經(jīng)驗，沒有規(guī)范的工藝路線和工藝規(guī)程，造成工藝的隨意性，對生產(chǎn)不利；3）對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，浪費了時間，缺少創(chuàng)新的時間。針對存在的問題，本文研究了基于三維參數(shù)化模型的裝配CAPP系統(tǒng)，提供一個可視化的裝配環(huán)境，實現(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，并且實現(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)上實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動，并且通過可視化的窗口操作界面進行三維裝配工藝的設(shè)計，保證工藝決策的方便性與可靠性。

    本系統(tǒng)運用參數(shù)化技術(shù)的設(shè)計方法建立新產(chǎn)品的三維模型，然后進行裝配的工藝規(guī)劃，實現(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)，自動驅(qū)動完成生成新產(chǎn)品零件模型；2）采用派生式裝配工藝設(shè)計方案解決相似的裝配工藝設(shè)計過程，然后運用成熟的人工智能方式訪問數(shù)據(jù)庫及知識庫，以人機交互的方式對設(shè)計出的裝配工藝內(nèi)容進行添加、編輯、調(diào)整順序、保存等操作；3）按照設(shè)計出的裝配工藝順序自動進行三維模型的裝配仿真過程并形成動畫模式，實現(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，并自動生成明細表、工藝卡等裝配工藝文檔。

2 系統(tǒng)平臺總體框架及其主要模塊

    系統(tǒng)平臺分為用戶層、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)計出裝配新模型，然后在裝配模型基礎(chǔ)上進行裝配工藝規(guī)劃，實現(xiàn)自動化裝配，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，需輸入用戶名和密碼，認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)計師、主任工藝師，設(shè)計員、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)計模塊

    該模塊中的參數(shù)化設(shè)計采用了最大化建模方法。理清零部件參數(shù)化變型的特點，劃分出主從參數(shù)等級，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)動兩部分。參數(shù)設(shè)置是該模塊的核心。參數(shù)化設(shè)計使得本系統(tǒng)不僅具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。根據(jù)模塊化設(shè)計思想，把產(chǎn)品分解成各個部件分別驅(qū)動，然后組成總裝，每一個部件對應(yīng)一個VB里的.bas模塊文件，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，維護方便。

    3)裝配過程規(guī)劃模塊

    該部分是本系統(tǒng)的一個核心部分，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)系的有向圖表達方法，然后根據(jù)裝配體的模塊劃分，將裝配體進行分層處理，得到其分層有向圖，最后運用有向圖割集進行計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，進而帶入到裝配動畫中，有效的改善了裝配工人的裝配體驗。

    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)系裝配和坐標系裝配兩種裝配編程方法。對需要組裝的所有零件進行遍歷，確定具有裝配關(guān)系對象（如具體的面、軸線等），并對這些對象添加對應(yīng)的裝配關(guān)系。在人機交互環(huán)境下，用戶一般不需要考慮坐標系，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位置相對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，通過對檢索到的典型裝配工藝過程卡片、系統(tǒng)圖進行修改、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，定制了幾種表格模板，并可以根據(jù)各個工廠的實際情況，對工藝卡片進行局部樣式修改。

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子裝配體，然后對每一層進行裝配順序規(guī)劃。最后利用有向圖之間的層級關(guān)系進行組合形成整個產(chǎn)品的裝配順序。

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

圖2 主起升機構(gòu)的分層有向圖

    圖中每個結(jié)點代表一個裝配體或者是一個零件，結(jié)點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)點為父結(jié)點的裝配單元形一個新的局部分層有向圖。最頂層結(jié)點P1代表主起升機構(gòu)，中間層結(jié)點P2代表減速機部分，包括減速機與減速機座，P3結(jié)點代表電機部分，包括電機與電機座，P4代表傳動部分，P5代表起吊部分，最底層結(jié)點所代表的零部件如圖3所示。

圖3 小車主起升機構(gòu)分層有向圖各結(jié)點代表的零部件

    有向裝配連接圖可由計算機利用CAD信息自動生成，以鄰接矩陣方式表達。鄰接矩陣包含了裝配模型兩部分信息，一是結(jié)點的信息，即裝配單元的數(shù)據(jù)。二是結(jié)點之間的關(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。

    然后分別對各個層級的有向圖進行裝配順序推理，最后用有向圖之間的層級關(guān)系進行逆序組合形成整個產(chǎn)品的裝配順序。

4 系統(tǒng)的實現(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。對橋式起重機實現(xiàn)了“新建合同參數(shù)設(shè)置  模型驅(qū)動  裝配過程規(guī)劃  工藝文件輸出  自動裝配”的一體化。不同人員根據(jù)角色權(quán)限進行不同的操作。

    設(shè)計員進行參數(shù)設(shè)置，不同的設(shè)計人員設(shè)計不同的產(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)動得到新產(chǎn)品模型。

    工藝員對設(shè)計出的新產(chǎn)品進行裝配工裝規(guī)劃，可以對產(chǎn)品的某部分進行規(guī)劃，也可以對整機進行規(guī)劃。在裝配順序規(guī)劃界面上，如圖4所示，程序會自動讀出裝配樹的信息及自動規(guī)劃處裝配順序，同時在界面上可以預(yù)覽到對裝配順序規(guī)劃裝配體的整體三維模型，增加人機可視化水平，用戶還可以根據(jù)具體情況對裝配順序進行調(diào)整。

圖4 裝配順序規(guī)劃

    在確定裝配順序后可以進行工藝文件生成，如圖5所示，對選定的裝配工藝過程卡進行編輯工序的操作，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放置到固定位置，從而實現(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，實現(xiàn)了裝配CAPP與CAD的共享與集成，將產(chǎn)品設(shè)計與裝配工藝規(guī)劃有機的結(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)市場的需求。

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本文標題：基于二維參數(shù)化模型的裝配CAPP系統(tǒng)研究

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