基于MBD的三维装配工艺设计技术

第1章 综述 1.1 装配工艺设计技术 装配指根据技术要求将若干零件接合成部件或将若干零件和部件接合成产品的劳动过程。装配工艺的基本任务就是研究在一定的生产条件下，以高生产率和低成本装配出高质量的产品。 产品的装配工艺过程包括装配、调整、检验、实验四个过程。其中装配的主要步骤包括：①确定装配工作的具体内容，根据产品的结构和装配精度要求确定每个装配工序的具体内容；②确定装配工艺方法及设备，选择合适的装配方法及所需的设备、工具、夹具和量具等，当车间没有对应的设备、工具、夹具、量具时，还得提出设计任务书，所用的工艺参数可参照经验数据或计算确定；③确定装配顺序，各级装配单元装配时，先要确定一个基准件进行装配，然后安排其他零件、组件或部件进入装配顺序；④确定工时定额及工人的技术等级，目前装配的工时定额大都根据实际经验估计，工人的技术等级并不做严格规定。 除此之外，在装配过程中还应该保证产品的装配精度，保证装配精度的装配方法有互换装配法、修配装配法、选择装配法以及调整装配法。采用互换装配法时，被装配的每一个零件不需做任何挑选、修配与调整就能达到规定的装配精度要求，其装配精度主要取决于零件的制造精度，可分为完全互换法和部分互换法。修配装配法就是将装配尺寸链中的各组成环按经济加工精度制造，通过改变尺寸链中的某一预先确定的组成环尺寸的方法来保证装配精度。选择装配法是将装配尺寸链中组成环的公差放大到经济可行的程度，然后选择合适的零件进行装配，以保证装配精度达到要求。调整装配法通过改变调整零件在机器结构中的相对位置或选用合适的调整件来达到装配精度。 1.2 MBD技术简介 MBD(model based definition)即基于模型的定义[4]，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。MBD改变了传统由二维工程图纸来描述几何形状信息的方法，它是采用三维实体模型来定义形状、尺寸、公差和工艺信息的产品数字化方法。同时，MBD使三维实体模型成为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主而以三维实体模型为辅的制造方法。 目前，在MBD技术的应用领域中，波音公司率先在波音787飞机的设计和制造过程中应用了MBD技术，实现了真正意义上的全三维数字化和无纸化，极大地提高了飞机的生产和管理效率，充分体现了MBD技术的优越性[5]。洛克希德 马丁公司提出了3DPMI计划，通过将具有PMI的三维产品模型应用于产品研制阶段的各个环节，改善了企业的业务流程[6]。Zhu等[7]构建了一个扩展的MBD模型，使中国航空工业的集成设计和制造系统成为可能。田富军等[8]将零件制造的中间状态作为基本单元，建立了MBD工艺信息模型，模型的几何信息和工艺信息通过加工特征进行集成。田富军等[9]还基于过程模型、过程中模型和过程参考模型的定义，提出了基于MBD的三维加工工艺规划模型。赵鸣和王细洋[10]提出了基于体分解的*大加工特征识别和工艺路线生成方法，实现了MBD工艺模型的快速生成。Xiong等[11]将MBD工艺模型作为工艺规划与优化的基础，建立了评价方法。Geng等[12]利用MBD技术成功地将维护、维修和大修规划数据集成到产品3D模型中，其中，扩展的MDB数据集被认为是产品生命周期中交付文档的唯一来源。 1.3 装配关键技术 基于MBD的三维装配工艺设计技术是以产品三维模型为基础，融入工艺内容、工艺参数、工艺尺寸标注、工装模型、操作语义等信息的工艺技术，其中工艺信息不仅以三维形式表达，还关联于产品的三维模型，可在产品装配的动态演变过程中基于三维模型进行工艺信息展示，操作者能够非常直观地了解设计意图和工艺要求。基于MBD的三维装配工艺设计采用集成化三维数字模型来完整表达产品定义信息，并使其作为装配过程的唯一依据，其不仅定义了传统装配模型的三维模型、BOM信息、层次关系，还完整定义了特征、约束关系、公差信息等。为实现基于MBD的三维装配工艺设计，需要开展基于三维模型的装配工艺建模技术、三维装配工艺路径设计技术、三维装配工艺序列生成技术、三维装配工艺仿真验证技术、装配资源规划技术、工艺流程生成技术以及三维模型轻量化演示技术的研究，并基于上述方法，围绕三维装配工艺设计、装配工艺过程优化、装配工艺发布等方面开发三维装配工艺设计软件工具。 1. 装配工艺建模技术 装配工艺建模是装配工艺设计的重要环节，完整、准确地表达装配信息是装配工艺建模的首要条件。装配工艺信息模型应具备完整清晰的层次信息，零部件、机构之间的连接关系信息，以及装配操作信息。另外，构建的信息模型需要能为装配工艺的设计及评价过程提供所有**信息。信息模型的质量好坏会对CAPP(computer aided process planning)系统后续设计工作的效率产生直接影响，因此构建一个集成度丰富、信息完备的装配信息模型具有重要的意义。当前，中外学者主要研究的装配建模方式有四种：基于图的装配模型、层次模型、语义模型及混合模型等。Bourjault和Lambert[13]提出了采用二维拓扑结构来建立装配模型，该装配模型可表达为G=，其中，G表示总装配体；E为边集，表示装配体中零件之间的装配连接关系；节点集合V为非空节点集，用来表示装配体中子装配体或零件。由于该模型只包含了基础的连接关系，因此并不能完整表达装配信息。20世纪末，Homen de Mello和Sanderson和Lambert[14]在Bourjault和Lambert模型基础上提出了五维拓扑结构表达方法，该方法能够较为直观地表达装配体零部件间的接触连接关系，其表达式为G=。Lee和Yi[15]提出了在层次模型中引入虚链(virtual link)的建模方法，虚链描述了装配体的配合特征、约束条件等信息。该方法清晰地反映了父子装配体、零部件间的从属关系。Shah和Tadepalli[16]提出了一个包含5种关系、基于特征划分层次结构的装配模型，关系构成分别是从属关系、自由度、运动约束、结构关系和尺寸约束，并通过实体的类型、方向、位姿和自由度构建了一个求解表来求解*终的装配约束。语义模型是一种特殊的自定义描述性语言，是在对研究对象进行深入探究后开发的，这种语言描述了装配体和装配体结构之间的关系。宋玉银等[17]提出了广义键的理论，并通过广义键描述了零部件之间的装配关系，以此为基础构建了零部件之间装配关系模型。Zhao等[18]基于MBD建立了装配精度信息模型，模型包含装配关系层、部件连接层、特征元素层和公差信息层。该模型用于提高飞机的装配精度。中国空间技术研究院的孙连胜等[19]从航天产品数字化研制流程出发，为了提高三维模型的数据保密性及数据传输效率，建立了一种装配体模型的轻量化数据结构模型，并应用于航天装备的数字化研发过程。江苏科技大学的吴家家[20]针对装配工艺规划过程所需，分别构建了产品的装配层次模型、零件信息模型和基于矩阵表达的装配关系模型，并应用于船用柴油机的装配规划中。 2. 装配路径设计技术 装配路径设计是三维装配工艺的另一项关键技术。装配路径是指在将零件从起始位置移动到装配目标位置时无碰撞的*短路径。比较经典的装配路径规划方法有位姿空间法、单元分解法、人工势场法、可视图法等。位姿空间(configuration space)法是由Lozano-Perez和Wesley[21]提出并逐渐完善的一种无碰撞路径规划方法，实际是用空间中的一个点简化代替运动零部件的位姿。单元分解法[22]是将规划空间表示为均等的栅格网单元，并把这些单元标记为满、空和混合三种状态的方法。如果单元完全在障碍物内则标记为满，不与障碍物相交为空，否则标记为混合。该方法不能在复杂的装配环境中有效搜索到*佳装配路径。人工势场法是由Khatib[23]提出的一种虚拟力法，该方法是在一个力场运动中，目标位姿被看作规划部件的一个引力极，障碍物则是斥力面，然后基于目标位姿和所有障碍物计算人工势能总和，取*小值来规划运动路径。可视图法[24]是从球面图(spherical map)法中总结出的求解空间位姿的方法，将三维空间中的物体投影到单位球上来确定可视性，该方法求解方法简单，但计算量较大。随着计算机技术的快速发展，在路径规划领域，出现了较多的智能启发式算法，如交互式拆卸引导以及启发式算法被应用于装配路径规划中，利用四叉树或八叉树表示工作空间，使用启发式算法在单元内搜索安全路径。海军装备部的李刚等[25]提出了人机交互式拆卸引导的装配路径规划优化方法。该方法以人机交互为主导，记录在拆卸过程中不同状态下关键点时零部件的位姿信息。通过拆卸引导的方式获取各个零部件的装配路径，*终实现装配的*优路径生成。刘检华等[26]提出利用有效采样点来优化装配路径、基于几何约束实现虚拟三维空间环境下的零件运动方法，提出了包含几何约束自动识别、交互式约束定义和位置约束的零部件的精确混合定位方法。崔汉国等[27]为了避免路径*短优化方式的局限性和随机选择起始路径的缺陷，提出利用遗传算法求解多目标虚拟装配路径方法，利用大量初始化的方法得到具有代表性的初始样本，从而获取多条具有不同特点的路径，来优化装配路径。何磊等[28]针对飞机总装过程中装配路径仿真在狭窄空间存在困难的情况，将A*算法由二维平面推广到三维空间，对装配空间和零部件进行网格化表示，形成地图映射；根据零部件在三维空间中的转移成本，构建评价函数，采用改进A*算法完成启发式搜索，生成装配路径节点信息。 3. 装配序列生成技术 装配序列规划(assembly sequence planning，ASP)是产品数字制造中组装计划的关键步骤，是具有强约束的组合优化问题。装配序列规划的主要目标是基于产品的设计信息、几何信息，综合考虑装配成本、装配环境、装配过程等约束因素，生成较优且合理的零部件装配顺序，为装配路径规划、装配资源规划、装配过程仿真及实际生产等提供指导，优化的装配序列能够提高产品的装配质量和降低装配成本。用于求解装配序列规划问题的方法一般分为三种：图的方法、知识的方法和启发式算法。Bahubalendruni等[29]通过考虑装配稳定性关系来识别可并行装配的子装配体，并提出了一种高效的计算方法来生成*优装配序列。Baldwin[30]使用反汇编来解决装配问题，并通过Cut-Set求解装配关联图来生成产品的装配图。另外，Karjalainen等[31]提出了一种基于精确装配建模和邻接矩阵生成装配序列的算法。通过组件的几何建模和经验来定义组件之间的优先关系，然后基于邻接矩阵检测不同子组件来创建装配树以及其他限制因素。通过回溯算法生成可行的装配序列。魏小龙等[32]针对传统装配序列规划不考虑非单调因素的问题，提出了一种基于知识规则和几何推理相结合来推导非单调装配顺序的方法。钟艳如等[33]基于装配信息模型构建装配信息本体，以本体规则的方式表达知识和经验的语义。在此基础上，通过本体推理判断装配顺序是否合理，从而归纳自动生成装配序列的方法。随着计算机科学和人工智能的发展，启发式算法越来越多地被用来解决装配序列问题。Li等[34]提出了一种动态参数控制的和谐搜索(DPCHS)算法，用于解决ASP问题。Zhang等[35]提出了一种双种群搜索机制的离散萤火虫算法，通过使用可行解决方案和不可行解决方案的并行发展，该机制可以保证人口多样性并增强本地和全局搜索能力，提高了ASP问题的求解效率。 4. 装配工艺仿真验证技术 干涉检测是构成虚拟现实系统的基本要素，也是进行数字化装配工艺设计与仿真验证的前提。在数字化装配环境中，工艺师所设计的装配工艺应能指导实际装配生产的顺利实施，而不应该在装配的过程中出现零部件间相互阻碍装配或装配工具的可操作空间不足等问题。要实现这一点，就需要在进