基于三维参数化模型的装配CAPP系统研究

I 匐 化基于三维参数化模型的装配CAPP系统研究The research on assembly CAPP system based on 3D parameter m odels李群力，王宗彦，郑 江，李学忠LI Qun—li，WANG Zong．yan，ZHENG Jiang，LI Xue—zhong(中北大学 机械工程与自动化学院，太原030051)摘 要：针对当前三维CAD／CAPP技术的不断普及与应用，为了提高装配的质量、克服工艺的随意性、减少重复性劳动、提升装配效率，构建了基于三维参数化模型的装~BOAPP系统，并介绍了系统的总体框架及其主要的功能模块，在三维参数化设计技术、可视化装配技术的基础上实现了装配工艺设计与工艺规划。实现了产品的参数化设计与三维装配工艺规划的一体化。

根据装配分层有向图的表达研究了装配序列规划的方法，实现了装配序列的优化。最后以桥式起重机小车装配为例进行了验证。

关键词：参数化模型；装~2,CAPP；装配序列规划中图分类号：TH1 32．46；TP391．9 文献标识码 ：A 文章编号：1 009—01 34(201 3)1 0(上)一01 20-03Doi：1 0．3969／J．tssn．1 009-01 34．201 3．1 0(上)．350 引言现在三维CAD／CAPP技术越来越发展，许多企业正在实现三维技术的普及与应用并贯穿产品的设计、分析、制造、装配、售后及维修的全生命周期。装配是产品生产中的重要一步，但现在对三维装~P,CAPP的研究还是处在一个起步阶段 。装配CAPP在企业中存在的主要问题有：1)大多基本还是采用传统的生产方法，只重视装配工艺，对装配顺序没有规划 ，容易造成零件的库存积压，影响产品的生产周期；2)依靠传统的工艺设计和 自己的经验，没有规范的工艺路线和工艺规程，造成工艺的随意性，对生产不利；3)对于相似零件的工艺规程，由于缺少工艺的编制或者很难找到以前的工艺文件，造成重复的设计，浪费了时间，缺少创新的时间。针对存在的问题，本文研究了基于三维参数化模型的装~?,CAPP系统，提供一个可视化的装配环境，实现数字化预装配的工艺规划 ，优化装配方案，提高装配效率，缩短产品交付期。

1 系统的特点与功能本系统是顺应了CAPP三维化的发展方向与趋势，并且实现了与三维CAD的无缝集成，无需从外部重新导入模型，直接利用软件的API函数在三维软件solid edge的基础上实现参数化驱动，并且通过可视化的窗口操作界面进行三维装配工艺的设计，保证工艺决策的方便性与可靠性 。

本系统运用参数化技术的设计方法建立新产品的三维模型，然后进行装配的工艺规划，实现以下功能：1)以VB软件、Access数据库以及SolidEdge~维软件为支撑，根据产品的设计规则及相应的约束条件，通过参数化输入界面，确定尺寸参数，自动驱动完成生成新产品零件模型：2)采用派生式装配工艺设计方案解决相似的装配工艺设计过程，然后运用成熟的人工智能方式访问数据库及知识库，以人机交互的方式对设计出的装配工艺内容进行添加、编辑、调整顺序、保存等操作；3)按照设计出的装配工艺顺序自动进行三维模型的装配仿真过程并形成动画模式，实现按工序和工步的控制播放功能；4)按照零部件的属性名称配置装配工序的名称、内容等信息，并 自动生成明细表、工艺卡等装配工艺文档。

2 系统平台总体框架及其主要模块系统平台分为用户层、管理层、功能层、技术层、支撑层五层结构形式。具体如图1N示。基本流程是首先是通过参数化设计出装配新模型，然后在装配模型基础上进行装配工艺规划，实现自动化装配，最后输出装配录像与工艺文件。

1)角色权限管理模块本系统平台的角色权限管理模块，采用了类似RBAC (Role—Based Access C0ntrol一基于角色的访问控制)模型结构，这种模型的基本概念是把权限与角色联系在一起，用户通过充当合适角收稿日期：2013-06-24作者简介：李群力 (1988一)，男，山东潍坊人，硕士，研究方向为计算机集成制造。

11201 第35卷 第10期 2013-10(上)务I lI8 出产品参数化建模装配过程规划 f l蠹藤 霎l嘉藿 顺序l程卡、工序l l最赫规划系统图I。L1图1 系统体系结构}鳘i色的成员而获得该角色的许可权。在登录本装配CAPP系统时，需输入用户名和密码，认证其是否具有使用本系统的权限，或者具有使用本系统哪些功能的权限。角色主要分为管理员，主任设计师、主任工艺师，设计员、工艺员。不同角色的用户具有不同的操作权限。

2)参数设计模块该模块中的参数化设计采用了最大化建模方法。理清零部件参数化变型的特点，划分出主从参数等级，通过调用Solid Edge／API函数编制代码完成模型参数提交和模型驱动两部分。参数设置是该模块的核心。参数化设计使得本系统不仅具有交互式绘图功能，还具有 自动绘图的功能。根据模块化设计思想，把产品分解成各个部件分别驱动，然后组成总装，每一个部件对应一个VB里的．bas模块文件，使得程序结构清晰，维护方便 。

3)装配过程规划模块该部分是本系统的一个核心部分，其中又具体分为装配顺序规划、装配要求技术图解、装配BOM清单、装配过程仿真四部分内容。

装配序列规划方法是将装配体层次化后再利用割集法求解装配序列的方法。首先研究了装配关系的有向图表达方法，然后根据装配体的模块划分，将装配体进行分层处理，得到其分层有向图，最后运用有向图割集进行计算得到装配序列的规划 。

装配要求技术图解是利用Solid Edge软件PMI(Product＆ Manufacturing Information)功能，把装配说明固定于装配零件特定的位置，进而带入到装配动画中，有效的改善了装配工人的装配体验。

装配BOM清单首先是将Solid Edge的装配BOM信息输入到Access数据库，然后将Access数据库中数据写入Excel中，作为装配BOM清单。

装配过程仿真采用根据装配关系装配和坐标系装配两种装配编程方法。对需要组装的所有零件进行遍历，确定具有装配关系对象 (如具体的面、轴线等)，并对这些对象添加对应的装配关系。在人机交互环境下，用户一般不需要考虑坐标系，根据零部件的关系就可以确定等待加入的零部件的位置，而在编程过程中确定新零部件要装入的坐标位置相对于重新定义新零部件与已装零部件之间的关系更加容易。

4)工艺卡片生成模块该模块按照相似性原理 ，用关键词检索系统的典型工艺资源库，通过对检索到的典型装配工艺过程卡片、系统图进行修改、编辑，成为所需的二维的装配工艺文件 。本系统根据JB／T9165．1—9165．4—1998推荐的表格式样，结合三维装~CAPP软件的特点，定制了几种表格模板，并可以根据各个工厂的实际情况，对工艺卡片进行局部样式修改 。

3 装配顺序规划原理及方法为了降低装配顺序规划的难度，提高规划效率，利用模块化的思想，采用了一种基于分层有向图模型的装配顺序规划方法 。在分层有向图模型中，首先利用模块化方法将复杂装配体分解成多个子装配体，然后对每一层进行装配顺序规划。最后利用有向图之间的层级关系进行组合形成整个产品的装配顺序 。

桥式起重机小车可以分为小车架、运行机构、主起升机构和副起升机构，以桥式起重机小车的主起升机构为例，其分层有向图的结构如图2所示。

图2 主起升机构的分层有向图图中每个结点代表一个装配体或者是一个零件，结点之间的有向连接为装配关系，无向连接为父子关系。所有以某结点为父结点的装配单元第35卷 第1O期 2013—10(上) [1211十书上 主 、l lI5 化形一个新的局部分层有向图。最顶层结点P1代表主起升机构，中间层结点P2代表减速机部分，包括减速机与减速机座，P3结点代表电机部分，包括电机与电机座，P4代表传动部分，P5代表起吊部分，最底层结点所代表的零部件如图3所示。

有向装配连接图可由计算机利用CAD信息自动生成，以邻接矩阵方式表达。邻接矩阵包含了装配模型两部分信息，一是结点的信息，即装配单元的数据。二是结点之间的关系，即装配单元之间的从属关系和定位关系。

图3 小车主起升机构分层有向图各结点代表的零部件上三角矩阵 [f] ]的创建方法如式：{2 当 f】【 ]之间为父子关系时，父子取2【 ]={±1当 [f][，]彼此存在有向关系时，正向取1，反向取一11 0 当 [f][ 】之间没有父子关系和有向关系时取0根据分层有向图原理，拆解后各层级有向图的邻接矩阵第二层，如B1，第三层如式C2l、C22、 C23、 C24。

=N；： 0- 1：]。j l 。 j然后分别对各个层级的有向图进行装配顺序推理，最后用有向图之间的层级关系进行逆序组[122] 第35卷 第1O期 2013-10(上)合形成整个产品的装配顺序 J。

4 系统的实现本装~jfCAPP系统利用VB、Access数据库、solid edge~．维软件通过二次开发完成CAD与装配CAPP的集成。对桥式起重机实现了 “新建合同一参数设置一模型驱动一装配过程规划一工艺文件输出一 自动装配”的一体化。不同人员根据角色权限进行不同的操作。

设计员进行参数设置，不同的设计人员设计不同的产品部件，根据输入的不同的参数确定新产品或新部件的尺寸与外形，通过模型驱动得到新产品模型。

工艺员对设计出的新产品进行装配工装规划，可以对产品的某部分进行规划，也可以对整机进行规划 。在装配顺序规划界面上，如图4所示，程序会自动读出装配树的信息及自动规划处装配顺序，同时在界面上可以预览到对装配顺序规划装配体的整体三维模型，增加人机可视化水平，用户还可以根据具体情况对装配顺序进行调整。

图4 装配顺序规划在确定装配顺序后可以进行工艺文件生成，如图5所示，对选定的装配工艺过程卡进行编辑工序的操作，从而生成想要的装配工艺过程卡片。

在所有工艺过程完成后，调用Excel接口程序将装配工艺内容输入到Excel表格中相应的位置，并将此Excel保存在设定的路径下成为生成的装配工艺文件。

最后根据规划出的装配顺序依次调入需要装配的零部件，并参照此零件数据表中的位置跟角度坐标放置到固定位置，从而实现了装配过程的仿真。

5 结束语综合三维参数化技术与装配CAPP技术，利用VB在三维软件Solid Edge基础上开发了 “基于三维参数化模型的装~,CAPP系统”，并建立了系统【下转第130页】 有限元数值模拟方法所得模态未计及阻尼，所以实际上只是实模态分析；而实验模态分析中涉及粘性阻尼，所以是复模态分析，这点上实验模态分析占优势；由于数值仿真模拟的特殊优点，可以允许将网格细化，所以计算模态节点数理论上可以无穷多，而实验模态分析由于其人工操作的局限，节点数必须有限制，所以是不完整的模态估计，这点上有限元数值仿真模拟占优势；总之，从结果来看，两种方法各有优势，互相验证。本文所建有限元计算模型 (数学模型、力学模型、边界条件)是有效和可信的。

4 结束语模态子结构法对复杂结构在复杂工况下的动力学分析比传统模态分析更能接近于现实，这从与实验模态分析测得的结果的对比中可以得到验证。这种方法可以广泛应用与航空航天及兵工行业相对复杂的产品的研制过程中，有助于用较小的代价获得相对较精确的动态响应特性，从而提高其运行过程中的稳定性。

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＆● 出‘ {＆● {重‘ ．出 ． 矗‘ 矗● 矗‘ 出I {出‘ {国● 童‘ 岛● 岛‘ 蠢● ． I． 童‘ {量‘ 出‘ {＆● 蠡‘ 童‘ 矗‘ { ‘【上接第122页】图5 装配工艺文件的体系结构和主要功能模块，实现了装配CAPP与CAD的共享与集成，将产品设计与装配工艺规划有机的结合，下游的装配规划充分利用上游的参数化模型，在装配工艺的基础上又加入自动装配仿真模拟以及生产工艺卡片，形成信息化的连贯性。通过应用表明，该成果大大提高了起重机的装配效率与质量，缩短产品交货期，提高企业的三维技术的信息化水平，满足了企业快速响应市[1301 第35卷 第1O期 2013-10(上)场的需求。

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