蘇曉毅，胡進(jìn)壽，閆興浪

(西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

隨著新能源技術(shù)的不斷推廣，大規(guī)模定制市場(chǎng)的日益繁榮，電器行業(yè)對(duì)產(chǎn)品快速變性設(shè)計(jì)的要求越來越高。斷路器類產(chǎn)品的裝配多是將事先組裝好的部件進(jìn)行拼裝[1]，而斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、沉重，制造、裝配工藝要求高，存在裝配效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量控制和管理難等問題[2]。大量重復(fù)性的裝配工藝準(zhǔn)備和編排，降低了工作效率，延長了制造總周期，而且裝配工藝的設(shè)計(jì)仍是傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)，靠手工，無法保證一次裝配成功率。

基于上述分析，本文提出了以基于仿真復(fù)用的三維仿真為核心的典型裝配工藝的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。經(jīng)實(shí)踐證明，采用該方法，不僅實(shí)現(xiàn)了典型裝配工藝的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，保證了裝配工藝知識(shí)的高度復(fù)用，而且做到了裝配工藝的所見即所得，直觀準(zhǔn)確，并將裝配工藝完整地集成到了企業(yè)現(xiàn)有信息系統(tǒng)中。

1 基于仿真復(fù)用的典型裝配工藝總體設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用3DAST軟件進(jìn)行三維模擬裝配仿真，充分利用了企業(yè)現(xiàn)有的三維數(shù)字化條件和信息化集成平臺(tái)，以及上游的三維產(chǎn)品模型和設(shè)計(jì)物料清單(EBOM)，改變了傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計(jì)體系，建立了以三維零部件和三維工裝工具等為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化裝配工藝體系，并將工藝文件集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化[3-4]。將三維CAD設(shè)計(jì)的零件模型進(jìn)行輕量化處理，通過BOM和PDM將物料清單和模型導(dǎo)入到三維裝配環(huán)境下，通過幾何推理和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)等手段，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行裝配規(guī)劃，尤其是對(duì)典型裝配工藝進(jìn)行選擇和規(guī)劃。模擬完成后入庫，便于下次重用。

3DAST系統(tǒng)集成于企業(yè)現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了裝配工藝規(guī)劃的三維可視化，打通上游3DCAD系統(tǒng)零部件庫和下游MES系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)信息的三維傳遞，改變了傳統(tǒng)的三維、二維轉(zhuǎn)換的局面。來自三維CAD系統(tǒng)和企業(yè)內(nèi)部零部件庫的三維零部件模型，在3DAST軟件中，經(jīng)模型轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，再經(jīng)輕量化處理，變成幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系和屬性信息保留完整的輕量化模型。結(jié)合來自PDM的BOM，對(duì)產(chǎn)品需求進(jìn)行分析，進(jìn)行整體的裝配工藝規(guī)劃，確定典型裝配工藝。在企業(yè)的典型裝配工藝庫的支持下，完成對(duì)已有類似典型裝配工藝的復(fù)用或者新工藝的補(bǔ)充入庫。對(duì)整體裝配過程進(jìn)行三維模擬仿真，加入工裝工具。將生成的三維工藝文件導(dǎo)入到PDM系統(tǒng)，并簽發(fā)至MES系統(tǒng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際裝配工作。數(shù)據(jù)在企業(yè)系統(tǒng)中的流通圖如圖1所示。

圖1 基于仿真復(fù)用的三維裝配工藝數(shù)據(jù)流通圖

2 基于仿真復(fù)用的典型裝配工藝方法設(shè)計(jì)

以基于仿真復(fù)用的三維仿真為核心的典型裝配工藝的設(shè)計(jì)方法，從廣義上來講，屬于裝配工藝相似性重用?，F(xiàn)有的裝配工藝相似性重用，大體上可以分為2個(gè)層次：一是作為整體層面的裝配工藝重用，其在很大程度上解決了裝配方案和裝配順序的確定，但該方法對(duì)待裝配目標(biāo)與原裝配體相似度要求極高，所以整體裝配重用率低，應(yīng)用范圍狹窄，零部件可變動(dòng)范圍極小，柔性低；二是由局部裝配中提取出的典型裝配工藝，由于其只考慮局部的裝配工藝是否相似，而對(duì)整體不做要求，所以其使用范圍要更廣，復(fù)用更高效。

本文采用的是局部層面裝配。當(dāng)裝配目標(biāo)與典型裝配工藝完全一致時(shí)，其重用效率最高，但這種情況在實(shí)際裝配中少之又少。因?yàn)榈湫脱b配工藝數(shù)據(jù)庫既要保證搜索的準(zhǔn)確高效，又不能使數(shù)據(jù)庫過于冗余，所以在絕大多數(shù)情況下，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出的典型裝配工藝是要經(jīng)過修改才可以使用的。對(duì)典型裝配工藝的修改，尤其是對(duì)三維仿真的修改工作量是相當(dāng)大的，因?yàn)橥^的仿真修改是要重新定義的。

為了解決上述問題，保證修改更簡(jiǎn)潔，對(duì)典型裝配工藝的復(fù)用更高效，本文提出在更細(xì)的層次上運(yùn)用復(fù)用思想，即建立可復(fù)用仿真活動(dòng)的數(shù)據(jù)庫，用于存放所用的可復(fù)用仿真活動(dòng)，在編制三維仿真工藝文件時(shí)，從庫中調(diào)用仿真活動(dòng)進(jìn)行復(fù)用。

以基于仿真復(fù)用的三維仿真為核心的典型裝配工藝，按照功能和業(yè)務(wù)流程可分為4大主要模塊：典型工藝定義模塊、典型工藝庫模塊、典型工藝應(yīng)用模塊以及三維裝配仿真模塊。

2.1 典型工藝定義模塊

該模塊的主要功用是生成新的典型裝配工藝。當(dāng)劃分完總體裝配工藝，確定出典型裝配工藝，并經(jīng)過在典型裝配工藝庫中檢索，確定無類似典型裝配工藝后，應(yīng)使用典型工藝定義模塊對(duì)新的典型裝配工藝進(jìn)行規(guī)劃、描述和定義，完成典型工藝數(shù)據(jù)的生成。

典型裝配工藝的生成是完成行業(yè)內(nèi)部裝配工藝知識(shí)的整理、補(bǔ)充與積累的基礎(chǔ)，是裝配工藝復(fù)用的前提。該模塊主要完成2個(gè)任務(wù)：1)指定裝配所需的所有零部件及其相關(guān)的配合關(guān)系、裝配方式、工裝工具、標(biāo)注、圖解、屬性和管理信息等必要的信息；2)為典型裝配工藝合理命名，并在典型裝配工藝庫里為其進(jìn)行合適的分類。

2.2 典型工藝庫模塊

典型工藝庫模塊的功能是當(dāng)新的典型裝配工藝生成后，將此文件信息進(jìn)行保存；當(dāng)已有的典型裝配工藝被檢索并確認(rèn)可以復(fù)用后，將其從庫中取出。

該模塊是建立典型工藝數(shù)據(jù)庫的核心模塊，也是與數(shù)據(jù)庫直接關(guān)聯(lián)的唯一模塊。當(dāng)新的典型裝配工藝完成，并交有關(guān)專家評(píng)審?fù)ㄟ^后，該模塊要求用戶提供工藝數(shù)據(jù)文件的名稱和分類，其自動(dòng)將文件保存在數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的分類目錄下面；當(dāng)需要取出所需的典型工藝進(jìn)行復(fù)用時(shí)，用戶仍需調(diào)用該模塊。

顯然，正確而合理地將工藝文件存入數(shù)據(jù)庫是復(fù)用的前提和關(guān)鍵。為此，應(yīng)對(duì)工藝有合理的命名和分類。命名應(yīng)能體現(xiàn)出裝配工藝的屬性和范圍，既要考慮到復(fù)用時(shí)，檢索的快捷、高效和準(zhǔn)確，又要避免模糊、不確定和范圍過大。

2.2.1 裝配分類標(biāo)志選取

裝配工藝數(shù)據(jù)庫的分類按其用途可分為3類：供設(shè)計(jì)檢索用的分類系統(tǒng)、供工藝檢索用的分類系統(tǒng)、設(shè)計(jì)與工藝兼顧的分類系統(tǒng)[5]。本文根據(jù)行業(yè)需要，采用的是供工藝檢索用的分類方式，而分類標(biāo)志作為分類依據(jù)是分類的關(guān)鍵，本文分類標(biāo)志是以裝配特征作為選取對(duì)象。裝配特征是以一定的具有幾何拓?fù)潢P(guān)系，并用于裝配的形狀結(jié)構(gòu)為載體，包含與自身制造以及裝配有關(guān)的所有屬性的集合[6]。而組成產(chǎn)品的每個(gè)零件都可以提煉出一組描述與其裝配有關(guān)的工藝特征[7]，包括零件級(jí)特征、關(guān)聯(lián)功能級(jí)特征以及裝配工藝級(jí)特征(見圖2)。其中，零件級(jí)特征和關(guān)聯(lián)功能級(jí)特征決定了裝配工藝級(jí)特征，分類標(biāo)志選取的是前兩者的部分相關(guān)屬性，并由此映射出各裝配類型對(duì)應(yīng)的典型裝配工藝[8]。

圖2 裝配特征概念及分類層次

2.2.2 斷路器產(chǎn)品裝配分類

為了建立方便工藝檢索、層次分明的數(shù)據(jù)庫，需要對(duì)產(chǎn)品的裝配進(jìn)行分類。該分類按照行業(yè)的原則和經(jīng)驗(yàn)，在橫向和縱向2個(gè)方向上進(jìn)行。橫向分類便于快速縮小檢索范圍，所以是粗分，其分類標(biāo)志是產(chǎn)品總裝結(jié)構(gòu)件的類型；縱向分類是為了精細(xì)、準(zhǔn)確檢索結(jié)果，所以是細(xì)分，其分類標(biāo)志是產(chǎn)品總裝結(jié)構(gòu)件的類型，是前文提到的零件級(jí)特征和關(guān)聯(lián)功能級(jí)特征。斷路器產(chǎn)品裝配的橫向分類及其各自對(duì)應(yīng)的縱向細(xì)分標(biāo)志見表1。

2.3 典型工藝應(yīng)用模塊

用戶規(guī)劃好典型裝配工藝后，需要先在庫中檢索有無類似工藝可以復(fù)用。典型工藝應(yīng)用模塊就是專門提供檢索功能的，用戶在該模塊下選擇要用的零部件，該模塊自動(dòng)提取零部件的名稱、代號(hào)等相關(guān)屬性信息，并根據(jù)這些信息在庫中自動(dòng)進(jìn)行檢索。當(dāng)檢索結(jié)果有多個(gè)時(shí)，會(huì)將所有結(jié)果列舉在對(duì)話框中，供用戶手動(dòng)選擇最優(yōu)，完成人機(jī)交互。

表1 橫向分類及其縱向細(xì)分標(biāo)志

典型工藝在工藝庫中的檢索是一種工藝匹配過程。該過程主要是利用典型裝配工藝的固定屬性作為識(shí)別特征。該特征應(yīng)具有方便識(shí)別、不可替代的特點(diǎn)[9]。

基于三維仿真的典型裝配工藝系統(tǒng)從本質(zhì)上來講，是基于實(shí)例推理(CBR)技術(shù)[10]，更準(zhǔn)確地說是Aamodt等定義的4R推理模型[11]。實(shí)例通常由問題描述和解描述兩部分組成，其中，前者是建立實(shí)例檢索和進(jìn)行實(shí)例檢索的關(guān)鍵，后者是相應(yīng)的求解過程[12]；因此，實(shí)例的檢索實(shí)質(zhì)上是對(duì)裝配關(guān)系及其相關(guān)零件進(jìn)行比較，其重點(diǎn)是提高檢索效率和檢索準(zhǔn)確度[13]。由此，本文用相似度S表示檢索到的典型裝配工藝在目標(biāo)裝配中的可重用程度[14]。設(shè)對(duì)象x,y的相似度用sim(x,y)表示，sim(x,y)∈[0,1]，且滿足條件：1)對(duì)稱性，sim(x,y)=sim(y,x)；2)自反性，sim(x,x) = 1；3)非負(fù)性，sim(x,y)≥0[15]。其中，S越大，可重用程度越高，當(dāng)S=1時(shí)，表示可直接重用。當(dāng)檢索結(jié)果不止1個(gè)時(shí)，選用S最大的。S的計(jì)算可選用通用的最鄰近算法：

式中，n為分類標(biāo)志的屬性的個(gè)數(shù)；ωj為第j個(gè)屬性的權(quán)重值，該值由用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行指定，并滿足式1；sim(xj,yj)為x、y兩對(duì)象第j個(gè)屬性的相似程度，按屬性的定性和定量兩類別的不同，可按式2和式3分別進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

查詢時(shí)，需輸入目標(biāo)裝配工藝的各個(gè)屬性值，經(jīng)由上述公式計(jì)算出典型裝配庫中各個(gè)相似工藝的相似度。用戶可選用相似度最高的裝配工藝。

2.4 三維裝配仿真模塊

三維裝配仿真模塊是生成三維仿真工藝文件的模塊，所有仿真活動(dòng)都是由該模塊生成，包括新裝配工藝的模擬仿真、已有典型裝配工藝的仿真修改和可復(fù)用仿真活動(dòng)的定義等。對(duì)任何裝配動(dòng)作進(jìn)行模擬仿真都離不開幾何算法，本文對(duì)所有零件的裝配在其幾何實(shí)質(zhì)上進(jìn)行分類，然后對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行幾何算法規(guī)劃，得到所有所需的幾何算法，再對(duì)幾何算法進(jìn)行分析，得到描述算法的公式。

2.4.1 裝配活動(dòng)的分類

根據(jù)實(shí)際裝配過程，任何2個(gè)幾何體之間的裝配都是如下情形中的1種或幾種：

1)平面與平面相合。

a.平面1、2各自所在的平面1′、2′有夾角θ(銳角)，交線為直線L，點(diǎn)A、B分別為平面1、2的定位點(diǎn)。以L為軸線，旋轉(zhuǎn)平面1′或2′，角度為θ，使兩者重合；在平面1′內(nèi)，做點(diǎn)A、B的連線，距離為C，平面1在平面1′內(nèi)沿AB方向平移C，使點(diǎn)A、B重合。

b.平面1、2各自所在的平面1′、2′相互平行，點(diǎn)A、B分別為平面1、2的定位點(diǎn)。點(diǎn)A向平面2′投影得到點(diǎn)A′，平面1沿著投影方向平移，使點(diǎn)A與點(diǎn)A′重合；在平面1′內(nèi)，做A、B連線，距離為C，平面1在平面1′內(nèi)沿AB方向平移C，使點(diǎn)A、B重合。

c.平面1、2均在平面1′內(nèi)，點(diǎn)A、B分別為平面1、2的定位點(diǎn)。在平面1′內(nèi)，做點(diǎn)A、B連線，距離為C，平面1在平面1′內(nèi)沿AB方向平移C，使點(diǎn)A、B重合。

2)直線與直線重合。點(diǎn)A、B分別為直線1、2的端點(diǎn)，m、n分別為直線1、2的方向向量。根據(jù)m、n求出兩直線之間的角度θ(銳角)，直線1繞點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)角度θ，得到直線1′平行于直線2。做點(diǎn)A、B連線，距離為C，直線1′沿AB方向平移C，使點(diǎn)A、B重合。

3)軸與軸重合。此配合關(guān)系僅針對(duì)2個(gè)圓柱面、2個(gè)橢圓或2個(gè)圓。首先獲取2個(gè)圓柱面、橢圓或圓的軸線，然后根據(jù)直線與直線重合的計(jì)算方法，即可計(jì)算出工具或設(shè)備模型需要旋轉(zhuǎn)的角度和平移的距離。

4)直線與平面垂直。直線1、2分別為已知直線和平面的法線，點(diǎn)A、B分別為直線1、2的端點(diǎn)，m、n分別為直線1、2的方向向量。根據(jù)m、n求出兩直線之間的角度θ(銳角)，直線1繞點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)角度θ，得到直線1′平行于直線2。

2.4.2 裝配活動(dòng)的幾何算法

由上述情況可以發(fā)現(xiàn)，任何配合都可以通過空間內(nèi)的若干次平移和旋轉(zhuǎn)來完成；因此，對(duì)任何裝配動(dòng)作的仿真定義都可以分解為對(duì)零部件模型的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

三維坐標(biāo)系當(dāng)前的仿真運(yùn)動(dòng)比例為f，對(duì)平移運(yùn)動(dòng)的定義，需指定平移方向v(單位向量)、平移距離d作為輸入?yún)?shù)，可得到平移動(dòng)作的向量為：

p=dfv

對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的定義，需指定旋轉(zhuǎn)軸線方向向量v(v=(a，b，c))、軸上定位點(diǎn)O、旋轉(zhuǎn)角度θ作為輸入?yún)?shù)，可得旋轉(zhuǎn)矩陣為：

由點(diǎn)O的位置向量為o=(x，y，z，1)T，計(jì)算出三維模型的旋轉(zhuǎn)位置矩陣如下：

M=(-o)T·R(θ,v)·(o)T

2.4.3 基于仿真復(fù)用的裝配仿真

為提高新建裝配工藝的仿真和修改已有裝配工藝的仿真效率，本文提出在更細(xì)的層次上運(yùn)用復(fù)用思想，即將常見的裝配仿真動(dòng)作定義完整并存入仿真動(dòng)作庫，等到再次定義相同零件的仿真動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把該零件已有的所有仿真動(dòng)作，按推薦指數(shù)，依此從高到低進(jìn)行排列，供用戶挑選復(fù)用。

2.4.3.1 仿真動(dòng)作庫的建立

仿真動(dòng)作庫是仿真動(dòng)作復(fù)用的基礎(chǔ)。該類數(shù)據(jù)庫既要滿足新建仿真動(dòng)作的保存歸類合理，也要保證檢索的快速、準(zhǔn)確，因此，數(shù)據(jù)庫的層次關(guān)系一定要清晰。本文把該數(shù)據(jù)庫分為3層：第1層分層標(biāo)志是配合方式；第2層分層標(biāo)志是連接方式；第3層分層標(biāo)志是零部件型號(hào)和工裝工具。仿真活動(dòng)數(shù)據(jù)庫建立流程圖如圖3所示。

圖3 仿真活動(dòng)數(shù)據(jù)庫建立流程圖

現(xiàn)以型號(hào)M12的螺栓聯(lián)接為例說明仿真活動(dòng)的建立過程，具體步驟如下。

1)打開數(shù)據(jù)庫，在靜配合→螺栓聯(lián)接分類下，新建名為“M12氣動(dòng)扳手栓接”的工藝資源項(xiàng)。

2)導(dǎo)入裝配零部件M12螺栓和螺母，以及工裝工具氣動(dòng)扳手，讀取它們的三維模型數(shù)據(jù)、零部件代號(hào)和工具代號(hào)。

3)根據(jù)螺栓和螺母以及氣動(dòng)扳手的坐標(biāo)位置、幾何信息和配合關(guān)系，定義仿真活動(dòng)。氣動(dòng)扳手是套在螺栓上的，兩者的定位關(guān)系可以通過2步確定：一是兩軸線重合；二是扳手內(nèi)六角的任一平面和螺栓頭部外六角的任一平面重合。接著定義可復(fù)用的仿真動(dòng)作。對(duì)螺栓在同時(shí)段內(nèi)定義一個(gè)沿著軸線的平移運(yùn)動(dòng)和一個(gè)繞著軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。平移距離為30 mm，旋轉(zhuǎn)角度為3 600°(10圈)，則它們的運(yùn)動(dòng)可以同步進(jìn)行，看起來就像一個(gè)螺旋仿真運(yùn)動(dòng)。

4)增加三維標(biāo)注“使用氣動(dòng)扳手進(jìn)行栓接”以及相應(yīng)的技術(shù)要求等文檔。

5)在可復(fù)用工藝資源庫中保存新建的可復(fù)用仿真活動(dòng)。完成可復(fù)用仿真活動(dòng)的定義與入庫。

2.4.3.2 推薦指數(shù)算法

推薦指數(shù)作為系統(tǒng)向用戶推薦可復(fù)用仿真活動(dòng)的指標(biāo)，應(yīng)科學(xué)合理，符合實(shí)際裝配情況。考慮到該仿真庫是專用于斷路器系列產(chǎn)品裝配仿真的，對(duì)于同一零件，考慮到經(jīng)濟(jì)原因、工人操作水平等因素，其工裝工具等都是一致的。在實(shí)際裝配過程中，相同零件的裝配一般都是集中安排在同一工位，所以本次裝配活動(dòng)與上次可能是相同的。

基于上述分析，給出推薦指數(shù)Pi的計(jì)算公式：

式中，Ci表示同一零部件的第i個(gè)可復(fù)用仿真活動(dòng)的已復(fù)用次數(shù)；Qi表示該零部件的最近一次復(fù)用是否復(fù)用的第i個(gè)可復(fù)用仿真活動(dòng)，若是，Qi取1，否則，Qi取0；ω1與ω2作為權(quán)值，代表著2個(gè)因素對(duì)Pi的影響大小，滿足ω1+ω2=1，本文根據(jù)實(shí)際情況，選取ω1與ω2分別為0.8和0.2。

2.4.3.3 仿真動(dòng)作的復(fù)用

新建仿真動(dòng)作時(shí)，用零件名稱作為關(guān)鍵字在庫中進(jìn)行檢索，系統(tǒng)將所有可復(fù)用仿真動(dòng)作按照推薦指數(shù)由高到低排列。用戶根據(jù)實(shí)際情況選出欲復(fù)用的仿真活動(dòng)，并按照對(duì)應(yīng)關(guān)系將現(xiàn)有零部件、工裝工具等與復(fù)用的仿真活動(dòng)進(jìn)行匹配，系統(tǒng)根據(jù)匹配關(guān)系自動(dòng)生成新的仿真活動(dòng)。用戶根據(jù)復(fù)用的仿真活動(dòng)完善仿真活動(dòng)的標(biāo)注、屬性等信息，使之成為完整的仿真活動(dòng)。更新本次復(fù)用仿真活動(dòng)的應(yīng)用次數(shù)，并把此仿真活動(dòng)作為該零部件最近使用的仿真活動(dòng)。完成本次仿真復(fù)用后，根據(jù)實(shí)際情況，決定是否繼續(xù)復(fù)用仿真活動(dòng)。復(fù)用流程圖如圖4所示。

圖4 仿真活動(dòng)復(fù)用流程圖

基于仿真復(fù)用的三維裝配仿真，其流程圖如圖5所示。若仿真活動(dòng)庫中存在適用的仿真活動(dòng)，則進(jìn)行復(fù)用；否則，新建可復(fù)用仿真活動(dòng)，并按類別保存在仿真活動(dòng)庫，以完成該庫的完整與完善。

圖5 以仿真復(fù)用為核心的三維裝配流程圖

2.5 典型裝配工藝數(shù)據(jù)庫的建立

典型裝配工藝數(shù)據(jù)庫是典型工藝復(fù)用的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)工藝知識(shí)積累的重要手段。在產(chǎn)品裝配工藝編制時(shí)，工藝人員確定出典型裝配工藝，并完成典型工藝的編寫，經(jīng)合適的命名和分類后，存入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的類別下面。數(shù)據(jù)庫建立的流程圖如圖6所示。其中，典型裝配工藝的確定原則是此工藝不經(jīng)或少經(jīng)修改后可在不同產(chǎn)品間相互借用，或在同一產(chǎn)品全裝配周期過程中反復(fù)應(yīng)用。

圖6 典型裝配工藝數(shù)據(jù)庫的建立流程圖

3 基于仿真復(fù)用的三維裝配工藝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的三維裝配工藝設(shè)計(jì)是采用人機(jī)交互和知識(shí)導(dǎo)航相結(jié)合的方式。首先利用自動(dòng)推理機(jī)制，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹信息、工裝工具庫信息的基礎(chǔ)上，按照裝配規(guī)則，尋找到所有可行的裝配工藝方案，設(shè)計(jì)師再利用自己的裝配經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)和交互編輯，最終形成三維數(shù)字化裝配工藝[16]。本文的裝配工藝設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方法的差別在于：重視了典型工藝的復(fù)用率和以仿真動(dòng)作復(fù)用為核心的三維仿真為主的工藝文本保存形式，即在傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上增加了典型裝配工藝復(fù)用環(huán)節(jié)、仿真動(dòng)作復(fù)用環(huán)節(jié)和三維仿真環(huán)節(jié)，并根據(jù)合理的設(shè)計(jì)，使典型裝配工藝庫和可復(fù)用仿真動(dòng)作庫不斷完善。典型裝配工藝復(fù)用時(shí)，經(jīng)用戶修改可形成新的工藝。而對(duì)于新工藝是否保存，需要用戶根據(jù)行業(yè)情況決定，原則上是既要典型裝配工藝庫的不斷完善，又不能由于數(shù)據(jù)冗余而造成檢索效率下降等問題。工藝設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 工藝設(shè)計(jì)流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以斷路器裝配中極柱的固定作為典型裝配工藝實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。極柱與機(jī)架通過螺紋聯(lián)接的方式固定配合。極柱的直徑、所需個(gè)數(shù)和斷路器電壓等級(jí)的不同，會(huì)造成所需的螺釘個(gè)數(shù)、規(guī)格、分布形狀、擰緊順序、螺釘頭類型和防松類型等屬性的不同。其中，數(shù)據(jù)庫中各典型裝配工藝的屬性參數(shù)表見表2，目標(biāo)裝配工藝的屬性參數(shù)表見表3。

表2 可復(fù)用典型裝配工藝的屬性

表3 目標(biāo)裝配工藝的屬性

10項(xiàng)屬性的權(quán)值分別為0.11、0.15、0.08、0.10、0.12、0.14、0.20、0.01、0.04和0.05。極柱尺寸分為3個(gè)等級(jí)：小尺寸、中等尺寸和大尺寸，并分別賦值為0、1和2。將電壓等級(jí)按照10的指數(shù)可分為kV級(jí)和10 kV級(jí)，分別對(duì)應(yīng)0級(jí)和1級(jí)。經(jīng)計(jì)算可得：S1(0，1)=0.297；S2(0，2)=0.685；S3(0，3)=0.825，則S=max(S1，S2，S3)=0.825。選用第3個(gè)典型工藝進(jìn)行復(fù)用，并根據(jù)現(xiàn)裝配實(shí)際情況對(duì)原有典型裝配工藝進(jìn)行必要的修改。

在典型工藝的應(yīng)用模塊中，按照實(shí)際情況指定待裝配的三維零件模型與典型裝配工藝中對(duì)應(yīng)的零件的匹配關(guān)系，指定后待裝配零件會(huì)按照典型裝配工藝的定義自動(dòng)裝配工藝文件。對(duì)生成的裝配工藝文件，根據(jù)現(xiàn)裝配實(shí)際情況進(jìn)行必要的修改。

在三維仿真工藝文件中，極柱與殼體的配合按照指定匹配可以完成，而螺栓則由于型號(hào)不同，造成旋合長度、工裝工具等的不同，所以應(yīng)修改螺栓M12的緊固仿真動(dòng)作。由于本文的典型裝配是基于三維仿真的，所以裝配動(dòng)作也是典型裝配工藝的重要內(nèi)容。

在仿真庫中，根據(jù)關(guān)鍵字“螺栓M12”查詢到“活動(dòng)扳手栓接”“氣動(dòng)扳手栓接”和“呆扳手栓接”等3種仿真活動(dòng)，且分別被使用過2、5和3次，最后一次使用的是“氣動(dòng)扳手栓接”。經(jīng)計(jì)算，推薦指數(shù)分別為0.16、0.6和0.24，直接復(fù)用“氣動(dòng)扳手栓接”仿真動(dòng)作進(jìn)行裝配工藝修改，避免了重新定義。

5 結(jié)語

本文主要探討了以基于仿真復(fù)用的三維仿真為核心的典型裝配工藝的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，提出了以建立典型裝配工藝庫的方式完成行業(yè)內(nèi)裝配工藝知識(shí)的積累和派生產(chǎn)品裝配工藝的復(fù)用；在前者基礎(chǔ)上提出以裝配的三維仿真作為保存工藝文件的一種方式，完成企業(yè)內(nèi)部的數(shù)字化和集成化，以可視化方式大大提高了裝配工藝復(fù)用的直觀性和準(zhǔn)確性；而在三維仿真環(huán)節(jié)，提出了仿真活動(dòng)復(fù)用的方法，無論是定義仿真活動(dòng)還是修改仿真活動(dòng)，都大大簡(jiǎn)化了操作，提高了效率。通過在斷路器產(chǎn)品的裝配中，應(yīng)用此方法減少了裝配工藝編排的重復(fù)，提高了裝配工藝編排的效率，保證了裝配工藝文件的準(zhǔn)確、直觀，有效地提高了裝配工藝設(shè)計(jì)的效率。

[1] 陶浩明. LF—110 Ⅲ SF6斷路器裝配工藝[J]. 華通技術(shù)，1994(4)：40-44.

[2] 胡正華，丁國明. 10 kV真空斷路器裝配檢測(cè)線監(jiān)控管理系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(3)：133-135.

[3] 鄒曉明，許建新，耿俊浩. 基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃技術(shù)研究[J]. 工藝與裝備，2008(7)：97-100.

[4] 馮廷廷，金霞，王珉. 基于MBD的飛機(jī)裝配工藝模型設(shè)計(jì)[J]. 航空制造技術(shù)，2010(24)：95-98.

[5] 李春書，彭商賢，崔根群. 產(chǎn)品裝配特征的分類與表達(dá)技術(shù)的研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19(5)：770-772.

[6] 常向青，寧汝新. 面向裝配工藝規(guī)劃與評(píng)價(jià)的裝配特征建模[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)2CIMS，2001，7(12)：35-38.

[7] 蘇明，左敦穩(wěn). 基于Pro/E的三維輔助裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)研究[J]. 中國制造業(yè)信息化，2006，35(23)：62-65.

[8] 宋海薇. 基于工藝相似性的總裝工藝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[9] 邢帥，劉偉強(qiáng)，熊濤. 典型裝配工藝模塊化的應(yīng)用研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2011，28(6)：615-619.

[10] Watson I, Marir F. Case-based reasoning: A review[J]. The Knowledge Engineering Review, 1994, 9(4):21-53.

[11] Aamodt A, Plaza E. Case-based reasoning: Foundational issues, methodological variations, and system approaches[J]. AI Communications, 1994, 7(1):39-59.

[12] 許之偉. 基于事例推理的工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

[13] 吳銳. 面向工藝重用的裝配關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[14] Slonim T Y, Schneider M. Design issues in fuzzy case-based reasoning[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2001, 117(2):251-267.

[15] 薛鵬，李原，彭培林. 面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)劃分的CBR技術(shù)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，24(3)：26-28.

[16] 孫剛，萬畢樂，劉檢華，等. 基于三維模型的衛(wèi)星裝配工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17(11)：2343-2350.

*智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目(2015ZXB0702)