面向汽車驅(qū)動橋裝配的集成化模型技術(shù)的研究與應用*

曹文鋼，余 浪，姜 康, 張紅旗

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009; 2.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

面向汽車驅(qū)動橋裝配的集成化模型技術(shù)的研究與應用*

曹文鋼1，余 浪1，姜 康1, 張紅旗2

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009; 2.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

為提高汽車驅(qū)動橋裝配效率對裝配信息與三維模型集成的方法進行了研究。研究內(nèi)容包括：驅(qū)動橋裝配信息模型的構(gòu)建，裝配工藝信息與裝配體模型進行集成的方式，裝配資源信息在裝配體模型上表達的方法。最后設計開發(fā)了三維裝配工藝原型系統(tǒng)，并與實例結(jié)合驗證了集成化模型技術(shù)的可行性。

裝配信息模型；信息標注；集成化模型

Abstract: The integration of 3D model and assembly information are researched to improve the efficiency of automotive drive axle assembly. Research content including the building of drive axle assembly information mode, integrating of assembly process information and assembly model, expressing of assembly resource information on the assembly model. At last， a 3D assembly process prototype system is designed and developed，and the feasibility of integrated model technology is verified with examples.

Key words: assembly information model; information annotation; integrated model

0 引 言

現(xiàn)代機械制造業(yè)中，裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，雖然三維裝配工藝規(guī)劃(CAPP)已在部分制造企業(yè)得到了應用，但是在某些部件的裝配過程中，仍主要依靠傳統(tǒng)的二維圖紙指導人員進行裝配。

目前對于三維裝配工藝系統(tǒng)的研究主要集中在動畫仿真和裝配路徑優(yōu)化方面，而對于最基本的三維裝配模型信息的表達的研究卻缺乏足夠的重視[1]。例如，某汽車三維裝配工藝系統(tǒng)中驅(qū)動橋部件的裝配，就因為裝配模型的不夠完善導致還需要通過二維圖紙來指導裝配。其主要的原因是驅(qū)動橋設計時的三維模型所承載的裝配信息不夠完善，再加上某些資源信息也與現(xiàn)實中的裝配操作難以做到同步，導致系統(tǒng)被一線裝配操作人員所排斥。

基于此，筆者設計了一種三維裝配工藝子系統(tǒng)來構(gòu)建信息集成化裝配模型，該子系統(tǒng)在裝配信息模型的建立、裝配工藝信息與模型的集成、裝配資源信息在模型的表達等方面做出了新的設計，從而使產(chǎn)品裝配模型包含的信息更加完善且易于檢索和調(diào)用，從而提高企業(yè)裝配的效率。

1 構(gòu)建三維裝配信息模型

三維裝配工藝系統(tǒng)利用三維CAD軟件作為工藝規(guī)劃平臺，包含了三維模型設計構(gòu)建、裝配序列和裝配路徑規(guī)劃與仿真、裝配資源規(guī)劃以及裝配規(guī)劃后期處理等方面功能。而構(gòu)建包含驅(qū)動橋裝配信息的三維模型會直接關(guān)系到驅(qū)動橋裝配工藝規(guī)劃的質(zhì)量和效率，因此，對構(gòu)建的三維模型所包含的信息提出了以下要求。

(1) 信息要完整。裝配信息不僅需要包含零部件本身的三維模型尺寸信息，而且還需要描述零部件之間的裝配關(guān)系、所需資源、操作方式等信息。

(2) 數(shù)據(jù)要一致。模型中所包含的裝配信息需要與所有裝配環(huán)節(jié)中的驅(qū)動橋設計參數(shù)保持一致，只有這樣才能支持對于該部件的并行設計。

(3) 模型要獨立。利用商用CAD軟件構(gòu)建的包含驅(qū)動橋裝配信息的三維模型，同時這些模型所含信息又要獨立于這些三維建模軟件，以便于跨平臺的信息調(diào)用。

(4) 設計要開放。當驅(qū)動橋零部件信息發(fā)生變化的時候，能夠通過修改包含產(chǎn)品裝配信息的三維模型從而便捷地更新產(chǎn)品設計方案來適應新的需求[2]。

為了保證構(gòu)建的三維模型能夠滿足這些要求，所包含的信息完整且不會冗余，并且與后續(xù)的裝配工藝規(guī)劃所需信息保持一致性，從而更有效地生成裝配工藝文件，筆者采用了將關(guān)系型模型和層次型模型結(jié)合的方式來構(gòu)建裝配信息模型，并且對模型中封裝的信息進行改進，具體方法如下。

(1) 以層次樹的結(jié)構(gòu)來劃分裝配體和零件，這樣可以清晰的表達總裝配體、子裝配體和零件之間的關(guān)系，并且讓產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)簡單明朗。

(2) 同一個裝配體下的多個子裝配體或零件之間采用關(guān)系模型，這樣可以方便零部件之間信息的訪問和調(diào)用。

(3) 三維模型的構(gòu)建中需要涉及到管理信息、模型本身的幾何信息以及與其他模型裝配時產(chǎn)生的裝配關(guān)系信息、所需資源信息、操作方式信息等，如果將所有信息都封裝到每一個三維模型中，必然會導致信息冗余甚至發(fā)生沖突，為了精簡模型信息，并且讓后續(xù)的裝配工藝規(guī)劃環(huán)節(jié)便捷地調(diào)用這些信息，需要對這些裝配信息進行有選擇封裝：將幾何信息即模型構(gòu)建尺寸信息封裝到零件中，裝配體中不再出現(xiàn)；裝配所需資源信息包括工裝夾具等和操作方式信息包括擰緊、裝夾、復檢等都封裝到裝配體中，零件中不再出現(xiàn)[3]。最后構(gòu)建的驅(qū)動橋裝配信息模型示意圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動橋裝配信息模型示意圖

2 裝配工藝信息集成

目前驅(qū)動橋設計階段的三維模型僅僅作為一個實體參考和進行裝配過程的動態(tài)仿真，而裝配工藝信息與三維模型是分開的，這些信息通常是以二維圖紙的方式進入制造車間指導裝配。隨著三維裝配工藝系統(tǒng)在汽車制造領域的廣泛運用，二維信息載體與三維工藝系統(tǒng)之間的信息不對稱，更新延遲等問題日益突出，已經(jīng)成為三維裝配工藝系統(tǒng)在實際應用中一個亟待解決的難題[4]。

部分應用了三維裝配工藝系統(tǒng)企業(yè)解決此問題的做法是：利用三維CAD軟件將二維工程圖與裝配模型發(fā)布作為一個單位裝配體在系統(tǒng)中運行。這樣不但可以保證信息的完整性與獨立性，而且方法簡單容易實現(xiàn)。但是弊端在于會導致單位裝配體的信息量過大，在裝配體過多的時候會出現(xiàn)信息檢索緩慢，不利于后期的裝配工藝規(guī)劃的生成[5]。該研究根據(jù)裝配工藝信息多為文字信息描述這一特點，提出并設計開發(fā)了一種將裝配工藝信息以標注的形式與裝配模型集成的方法，將工程圖中包含的裝配工藝信息直接以標注的方式存儲到裝配體中。這樣在保證單位裝配體變化不大的基礎上，使得承載的信息量可大大增加，并且這些信息可以和模型同步更新。

為了保證信息的完整性，同時又不會增加信息的檢索難度，需要標注的信息還包括了與二維工程圖類似的明細表、球標以及相應的輔助操作等信息，圖2是設計開發(fā)的裝配工藝子系統(tǒng)標注信息文件中所包含的條目(僅截取部分)。

圖2 系統(tǒng)標注信息文件條目

3 裝配資源信息集成

裝配資源信息是指在產(chǎn)品裝配具體實施的過程中涉及到的資源信息(包括工夾具、工作臺等)，通常以專門的工序工步卡來表達裝配中使用到的工夾具和工作臺的類別、形狀、型號、尺寸大小、比例值以及裝配中需要用到的輔材、工時定額等信息。傳統(tǒng)的工序工步卡片與三維模型是分開的，當裝配模型發(fā)生變化時相應的工藝卡片無法做到即時改變，造成信息延遲甚至信息斷層[6]。

在三維工藝系統(tǒng)中將資源信息與模型集成主要有兩種方法：一是將編輯好的信息文檔導入到模型中與模型一起放到系統(tǒng)中[7]；二是以后臺記錄的方式在裝配工藝系統(tǒng)中邊做邊存，虛擬裝配規(guī)劃完成后匯總生成的信息文檔再與模型結(jié)合指導裝配[8]。前者的弊端在于后期的裝配序列和裝配路徑規(guī)劃中信息提取與現(xiàn)實出現(xiàn)偏差時文檔無法同步修改；后者得到的信息符合現(xiàn)實操作，包含的資源信息更加完善易于提取使用，但是裝配規(guī)劃結(jié)束后匯總資源信息并與數(shù)據(jù)庫信息進行同步會耗費大量時間。該研究將兩種方法擇優(yōu)組合提出了在模型中建立交互式文檔編輯界面記錄裝配規(guī)劃時的資源信息，而且在文檔編輯時可以進行相應的裝配路徑動畫仿真和干涉檢測，這樣既可以保證信息的完整又可以節(jié)省匯總信息的時間。

如圖3所示系統(tǒng)以層次模型樹的形式對三維裝配工藝中涉及的資源信息進行分類，頂層是三維裝配工藝系統(tǒng)，然后總的BOM表和工序分為一層，工序由編輯人員進行添加和修改，每一個工序下分為各個工步，每一個工步作為一個裝配單元包含了該工步所需的裝配資源，包括裝配零部件、工時定額、裝配工夾具、裝配設備、輔材等。

圖3 交互式三維裝配工藝編輯界面

通過與企業(yè)內(nèi)部工藝資源庫進行連接，在三維裝配工藝編輯的過程中，編輯人員可以直接對裝配時所需的裝配資源信息進行選擇和調(diào)用，避免了手工輸入的繁瑣和耗時，還可以調(diào)用的工夾具、工作臺等模型參與裝配路徑規(guī)劃和動畫仿真，編輯完成的三維裝配工藝規(guī)程還可以保存到企業(yè)數(shù)據(jù)庫中，方便遇到類似裝配件的時候可以直接進行檢入[9]。

4 應用實例

利用三維CAD軟件的二次開發(fā)工具包以及Oracle數(shù)據(jù)庫和Visual C++集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了三維裝配工藝原型系統(tǒng)。系統(tǒng)基于三維數(shù)字化裝配模型，構(gòu)建了裝配信息模型，將與模型有關(guān)的裝配工藝信息和裝配資源信息與模型集成到一起，在模型按要求構(gòu)建完成后可生成明細表、球標標注和三維裝配工藝規(guī)程界面，該系統(tǒng)已應用到汽車驅(qū)動橋的裝配中，其生成的集成化三維模型如圖4所示。

圖4 生成的驅(qū)動橋裝配信息集成化模型

5 結(jié) 語

將制造信息和設計信息集成在產(chǎn)品三維模型上是實現(xiàn)三維裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的前提。本文通過構(gòu)建裝配信息模型對需要封裝到三維模型中的信息進行精簡，提高對模型信息的撿取效率；通過將裝配工藝信息和裝配資源信息集成到模型中的方式，提高了后期裝配工藝規(guī)劃的效率和質(zhì)量。設計開發(fā)的系統(tǒng)以汽車驅(qū)動橋裝配模型為例驗證了集成化模型技術(shù)的可行性。

[1] 楊 錕，劉繼紅. 面向虛擬裝配的裝配建模技術(shù)[J]. 機械科學與技術(shù)，2001，20(2)：305-308.

[2] 楊 冰，張林鍹. 面向裝配工藝規(guī)劃的集成式裝配模型研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2006，18(2)：533-536.

[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]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2008(7)：97-100.

[4] 邱 鵬，喬立紅. 裝配工藝信息建模技術(shù)在信息集成中的應用[J]. 信息化技術(shù)，2009，26(3)： 54-58.

[5] S Gupta, C Paredis, R Sinha. Intelligent Assembly Modeling and Simulation[J]. Assembly Automation, 2001, 21(3)：215-235.

[6] 董天陽. 智能裝配規(guī)劃中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[7] 宋玉銀，蔡復之，張伯鵬. 面向并行工程的產(chǎn)品裝配模型[J].清華大學學報(自然科學版)，1999，39(4)：49- 52.

[8] 張 金，邱金江. 面向三維裝配工藝系統(tǒng)的CATIA模型信息提取與應用[J].計算機系統(tǒng)應用，2012,21(12)：125-128.

[9] 潘洋宇，王拴虎，龔光榮. 計算機輔助裝配工藝設計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機械，2003，30(2)：52-55.

Research and Application of Integrated Model Technology for Automobile Drive Axle Assembly

CAO Wen-gang1, YU Lang1， JIANG Kang1， ZHNAG Hong-qi2

(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhui230009，China; 2.ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,No.38ResearchInstitute,HefeiAnhui230031，China)

2014-06-03

國防基礎科研計劃資助(編號：A1120110003 );國防技術(shù)基礎計劃資助(編號：Z312011B003 );國防技術(shù)基礎計劃資助(編號：Z312012B001);國防技術(shù)基礎計劃資助(編號：B3120110500)

曹文鋼( 1957-)，男，河北淶源人，教授，碩士生導師，研究方向: 數(shù)字化設計與制造，CAD/CAE /CAM 等。

TP391.72

A

1007-4414(2014)04-0216-03