裝配是按照規(guī)定的技術要求，在工裝工具和輔助材料的輔助下對產品的零部件進行配合和聯(lián)系，使其成為具有某種功能產品的制造工藝過程，是產品質量和性能保證的最后環(huán)節(jié)。目前裝配工藝設計遠落后于產品設計和加工制造與管理的發(fā)展水平，已經(jīng)成為整個產品制造全生命周期中的瓶頸問題，所以數(shù)字化裝配技術的研究受到關注和重視。

    數(shù)字化裝配技術指利用仿真技術與CAPP技術，基于零部件的三維模型，對裝配過程進行工藝規(guī)劃與仿真驗證，然后進行裝配工藝詳細設計生成工藝文件以指導實際裝配操作，在裝配方面其主要內容包括裝配工藝規(guī)劃與仿真、裝配工藝詳細設計、裝配現(xiàn)場示教等。

    美國華盛頓州立大學開發(fā)了首個數(shù)字化裝配系統(tǒng)——VADE[1]，通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境來仿真裝配過程，生成裝配工藝。新加坡南洋理工大學開發(fā)了VREALISM[2]，結合了虛擬現(xiàn)實與智能拆卸算法，系統(tǒng)能自動規(guī)劃拆卸順序。國內的數(shù)字化裝配序列規(guī)劃軟件應用方面處于起步階段，主要是基于國外的CAD/CAM軟件進行二次開發(fā)，或者建立數(shù)據(jù)接口進而開發(fā)數(shù)字化裝配系統(tǒng)。而國外已開出商業(yè)化的數(shù)字化裝配軟件系統(tǒng)，如達索的Delmia[3]和Siemens公司的Tecnomatix[4]，已獲得廣泛應用。

    我國清華大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、上海交通大學、西安工業(yè)大學等高校在數(shù)字化裝配方面進行了大量的研究工作，但缺乏將基于數(shù)字化裝配技術的裝配序列規(guī)劃與仿真、工藝詳細設計與裝配示教等功能相結合的應用系統(tǒng)[5]，通常是根據(jù)用戶的實際需求進行定制開發(fā)。如清華大學以Pro/Engineer為平臺開發(fā)了VASS（虛擬裝配支持系統(tǒng)）系統(tǒng)[6]，用于裝載機的虛擬裝配；哈爾濱工業(yè)大學以SolidWorks為平臺開發(fā)了渦輪泵的裝配工藝設計和裝配示教系統(tǒng)[7]。這些系統(tǒng)尤其是裝配序列規(guī)劃與仿真的開發(fā)工作量大，對裝配工藝設計人員的要求高，且當產品模型復雜時，系統(tǒng)運行慢。

    本文結合項目研究，介紹采用商業(yè)化數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與自主開發(fā)相結合的方法實現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的設計過程。

數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)體系結構

    裝配工藝規(guī)劃主要包括裝配序列規(guī)劃與驗證、資源配置和詳細工藝設計等內容。數(shù)字化裝配技術的發(fā)展為裝配工藝的規(guī)劃提供了有效手段，如商業(yè)化的Tecnomatix、Delmia軟件系統(tǒng)提供了強大的數(shù)字化裝配支撐環(huán)境。但這些系統(tǒng)通常不能滿足國內裝配工藝規(guī)劃的業(yè)務要求，一般用戶利用商業(yè)化軟件系統(tǒng)實現(xiàn)裝配的序列規(guī)劃與驗證，再通過自主開發(fā)實現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃的資源配置和詳細工藝設計等任務。

    以某數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃項目為例，裝配序列規(guī)劃與仿真驗證由Siemens Tecnomatix實現(xiàn)，利用其強大的幾何模型管理和操作、裝配序列規(guī)劃與仿真、動畫生成等功能實現(xiàn)裝配序列的規(guī)劃與仿真、獲取產品結構樹、裝配工藝樹、資源結構樹等數(shù)據(jù)。根據(jù)項目的應用要求開發(fā)三維數(shù)字化裝配工藝詳細設計系統(tǒng)，導入Tecnomatix生成的多種數(shù)據(jù)作為裝配工藝詳細設計的基礎數(shù)據(jù)，并且通過產品結構樹和資源結構樹分別對產品、資源的輕量化三維幾何模型進行管理。在數(shù)字化裝配工藝詳細設計系統(tǒng)中，通過人機交互進行裝配工藝的詳細設計，利用文字、圖片、動畫、三維模型等充分表達工藝設計信息，工藝設計信息利用數(shù)據(jù)庫進行管理。該數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的設計方案如圖1所示，對應的體系結構如圖2所示（包含了裝配現(xiàn)場示教和管理功能）。

數(shù)字化裝配工藝詳細設計

    數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃以數(shù)字化技術來保證所規(guī)劃的裝配過程可靠，裝配工藝信息充分完整，理解無歧義，便于裝配工藝信息的多層次應用。數(shù)字化裝配工藝詳細設計是以基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃與仿真所得到的數(shù)據(jù)為基礎進行的。

1 裝配數(shù)據(jù)準備

    裝配數(shù)據(jù)準備就是為裝配工藝詳細設計的順利進行提供必要的模型、設計信息和素材等，具體包括裝配工藝樹、產品結構樹及其三維模型、資源結構樹及其三維模型、動畫、圖片、文本等，其中圖片和文本等信息可由設計人員提供，較為方便。

   （1）產品和資源結構樹及其三維模型在數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃中所操作的、與產品和資源相關的幾何模型，通常是輕量化的模型，如Tecnomatix采用的JT模型，將CAD導出的JT模型導入到Tecnomatix中進行裝配序列的規(guī)劃和仿真。產品和資源的結構樹可通Tecnomatix導出的XML數(shù)據(jù)建立，而零部件模型選用通用性強的3DPDF模型（即可通過CAD系統(tǒng)導出），方便用戶建立獨立于CAD系統(tǒng)的產品和資源模型（圖3），供數(shù)字化裝配工藝詳細設計使用。

   （2）裝配序列規(guī)劃數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃環(huán)境中，根據(jù)擬定的產品結構和裝配順序，應用工裝和工具模擬產品零部件的裝配過程，并仿真驗證裝配路徑、裝配順序和裝配空間，確定可行的裝配序列。該結構化的裝配序列可作為裝配工藝詳細設計中裝配工藝樹的主框架，在Tecnomatix中可導出為XML文件。

（3）動畫利用商業(yè)化的數(shù)字化裝配系統(tǒng)進行裝配工藝規(guī)劃，通過人機交互擬定裝配序列、裝配路徑，在仿真驗證的同時可生成動畫，為裝配工人理解裝配過程提供支持。在數(shù)字化裝配工藝設計中，可為關鍵裝配操作關聯(lián)演示裝配過程的動畫。

2 數(shù)字化裝配工藝詳細設計

    數(shù)字化裝配工藝詳細設計將工藝設計過程中所產生的（或用到的）諸多信息按裝配工藝進行集成和管理，并可轉化為直接被裝配操作人員查詢參考的格式化數(shù)據(jù)形式。圖4為裝配工藝詳細設計環(huán)境。

    數(shù)字化裝配工藝詳細設計環(huán)境包含用戶管理、數(shù)據(jù)管理、工藝設計、工藝發(fā)布等幾類功能，功能結構樹如圖5所示。

    數(shù)字化裝配工藝詳細設計中，針對工藝、工序、工步所包含的不同內容，分別設計其信息編輯界面進行編輯。在工藝設計過程中，查詢、輸入、修改、關聯(lián)等操作的數(shù)據(jù)通過底層數(shù)據(jù)庫進行管理。

3 裝配工藝發(fā)布

    裝配工藝詳細設計完成后，通過工藝發(fā)布生成工藝卡片、配套明細表、數(shù)據(jù)打包等，供裝配工人查閱參考。在本文研究項目中，將工藝設計信息分類匯總輸出到事先設計的Excel表中，生成工藝卡片、配套明細表等（圖6）。

 裝配現(xiàn)場數(shù)字化示教數(shù)字化裝配技術的另一個重要用途是為裝配現(xiàn)場指導工人提供多方面的信息幫助，使按照裝配要求正確地進行產品的裝配。裝配現(xiàn)場數(shù)字化示教通常以網(wǎng)頁瀏覽的方式體現(xiàn)，所需的數(shù)據(jù)來源于工藝設計中生成的和關聯(lián)的數(shù)據(jù)。

    圖7是一種基于Web的裝配現(xiàn)場數(shù)字化示教界面。通過該界面可在裝配現(xiàn)場實現(xiàn)裝配工人對裝配工藝信息、產品零部件信息、工裝工具信息、輔助材料信息和幫助文檔等信息的瀏覽，使其使用正確的工裝工具按照操作要求裝配正確的零部件。

結束語

    數(shù)字化裝配技術為基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃與驗證提供了有效的支撐技術，但至今仍缺乏滿足多方需求的數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)。本文針對數(shù)字化裝配工藝詳細設計，介紹了基于商業(yè)化數(shù)字化裝配系統(tǒng)Tecnomatix的數(shù)據(jù)準備、裝配工藝詳細設計、裝配示教等方面的研究工作，以上研究工作充分利用現(xiàn)有成熟的系統(tǒng)功能與針對具體要求自主開發(fā)相結合的方式實現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的主要功能，實現(xiàn)了CAD→商業(yè)裝配工藝規(guī)劃與仿真→裝配工藝詳細設計→工藝文檔生成→裝配現(xiàn)場示教的數(shù)據(jù)流與管理，為數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)和應用提供參考。