面向汽车驱动桥装配的集成化模型技术的研究与应用*

曹文钢，余 浪，姜 康, 张红旗

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009; 2.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

面向汽车驱动桥装配的集成化模型技术的研究与应用*

曹文钢1，余 浪1，姜 康1, 张红旗2

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009; 2.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230031)

为提高汽车驱动桥装配效率对装配信息与三维模型集成的方法进行了研究。研究内容包括：驱动桥装配信息模型的构建，装配工艺信息与装配体模型进行集成的方式，装配资源信息在装配体模型上表达的方法。最后设计开发了三维装配工艺原型系统，并与实例结合验证了集成化模型技术的可行性。

装配信息模型；信息标注；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

现代机械制造业中，装配是产品生产过程中的重要环节，虽然三维装配工艺规划(CAPP)已在部分制造企业得到了应用，但是在某些部件的装配过程中，仍主要依靠传统的二维图纸指导人员进行装配。

目前对于三维装配工艺系统的研究主要集中在动画仿真和装配路径优化方面，而对于最基本的三维装配模型信息的表达的研究却缺乏足够的重视[1]。例如，某汽车三维装配工艺系统中驱动桥部件的装配，就因为装配模型的不够完善导致还需要通过二维图纸来指导装配。其主要的原因是驱动桥设计时的三维模型所承载的装配信息不够完善，再加上某些资源信息也与现实中的装配操作难以做到同步，导致系统被一线装配操作人员所排斥。

基于此，笔者设计了一种三维装配工艺子系统来构建信息集成化装配模型，该子系统在装配信息模型的建立、装配工艺信息与模型的集成、装配资源信息在模型的表达等方面做出了新的设计，从而使产品装配模型包含的信息更加完善且易于检索和调用，从而提高企业装配的效率。

1 构建三维装配信息模型

三维装配工艺系统利用三维CAD软件作为工艺规划平台，包含了三维模型设计构建、装配序列和装配路径规划与仿真、装配资源规划以及装配规划后期处理等方面功能。而构建包含驱动桥装配信息的三维模型会直接关系到驱动桥装配工艺规划的质量和效率，因此，对构建的三维模型所包含的信息提出了以下要求。

(1) 信息要完整。装配信息不仅需要包含零部件本身的三维模型尺寸信息，而且还需要描述零部件之间的装配关系、所需资源、操作方式等信息。

(2) 数据要一致。模型中所包含的装配信息需要与所有装配环节中的驱动桥设计参数保持一致，只有这样才能支持对于该部件的并行设计。

(3) 模型要独立。利用商用CAD软件构建的包含驱动桥装配信息的三维模型，同时这些模型所含信息又要独立于这些三维建模软件，以便于跨平台的信息调用。

(4) 设计要开放。当驱动桥零部件信息发生变化的时候，能够通过修改包含产品装配信息的三维模型从而便捷地更新产品设计方案来适应新的需求[2]。

为了保证构建的三维模型能够满足这些要求，所包含的信息完整且不会冗余，并且与后续的装配工艺规划所需信息保持一致性，从而更有效地生成装配工艺文件，笔者采用了将关系型模型和层次型模型结合的方式来构建装配信息模型，并且对模型中封装的信息进行改进，具体方法如下。

(1) 以层次树的结构来划分装配体和零件，这样可以清晰的表达总装配体、子装配体和零件之间的关系，并且让产品的装配结构简单明朗。

(2) 同一个装配体下的多个子装配体或零件之间采用关系模型，这样可以方便零部件之间信息的访问和调用。

(3) 三维模型的构建中需要涉及到管理信息、模型本身的几何信息以及与其他模型装配时产生的装配关系信息、所需资源信息、操作方式信息等，如果将所有信息都封装到每一个三维模型中，必然会导致信息冗余甚至发生冲突，为了精简模型信息，并且让后续的装配工艺规划环节便捷地调用这些信息，需要对这些装配信息进行有选择封装：将几何信息即模型构建尺寸信息封装到零件中，装配体中不再出现；装配所需资源信息包括工装夹具等和操作方式信息包括拧紧、装夹、复检等都封装到装配体中，零件中不再出现[3]。最后构建的驱动桥装配信息模型示意图如图1所示。

图1 驱动桥装配信息模型示意图

2 装配工艺信息集成

目前驱动桥设计阶段的三维模型仅仅作为一个实体参考和进行装配过程的动态仿真，而装配工艺信息与三维模型是分开的，这些信息通常是以二维图纸的方式进入制造车间指导装配。随着三维装配工艺系统在汽车制造领域的广泛运用，二维信息载体与三维工艺系统之间的信息不对称，更新延迟等问题日益突出，已经成为三维装配工艺系统在实际应用中一个亟待解决的难题[4]。

部分应用了三维装配工艺系统企业解决此问题的做法是：利用三维CAD软件将二维工程图与装配模型发布作为一个单位装配体在系统中运行。这样不但可以保证信息的完整性与独立性，而且方法简单容易实现。但是弊端在于会导致单位装配体的信息量过大，在装配体过多的时候会出现信息检索缓慢，不利于后期的装配工艺规划的生成[5]。该研究根据装配工艺信息多为文字信息描述这一特点，提出并设计开发了一种将装配工艺信息以标注的形式与装配模型集成的方法，将工程图中包含的装配工艺信息直接以标注的方式存储到装配体中。这样在保证单位装配体变化不大的基础上，使得承载的信息量可大大增加，并且这些信息可以和模型同步更新。

为了保证信息的完整性，同时又不会增加信息的检索难度，需要标注的信息还包括了与二维工程图类似的明细表、球标以及相应的辅助操作等信息，图2是设计开发的装配工艺子系统标注信息文件中所包含的条目(仅截取部分)。

图2 系统标注信息文件条目

3 装配资源信息集成

装配资源信息是指在产品装配具体实施的过程中涉及到的资源信息(包括工夹具、工作台等)，通常以专门的工序工步卡来表达装配中使用到的工夹具和工作台的类别、形状、型号、尺寸大小、比例值以及装配中需要用到的辅材、工时定额等信息。传统的工序工步卡片与三维模型是分开的，当装配模型发生变化时相应的工艺卡片无法做到即时改变，造成信息延迟甚至信息断层[6]。

在三维工艺系统中将资源信息与模型集成主要有两种方法：一是将编辑好的信息文档导入到模型中与模型一起放到系统中[7]；二是以后台记录的方式在装配工艺系统中边做边存，虚拟装配规划完成后汇总生成的信息文档再与模型结合指导装配[8]。前者的弊端在于后期的装配序列和装配路径规划中信息提取与现实出现偏差时文档无法同步修改；后者得到的信息符合现实操作，包含的资源信息更加完善易于提取使用，但是装配规划结束后汇总资源信息并与数据库信息进行同步会耗费大量时间。该研究将两种方法择优组合提出了在模型中建立交互式文档编辑界面记录装配规划时的资源信息，而且在文档编辑时可以进行相应的装配路径动画仿真和干涉检测，这样既可以保证信息的完整又可以节省汇总信息的时间。

如图3所示系统以层次模型树的形式对三维装配工艺中涉及的资源信息进行分类，顶层是三维装配工艺系统，然后总的BOM表和工序分为一层，工序由编辑人员进行添加和修改，每一个工序下分为各个工步，每一个工步作为一个装配单元包含了该工步所需的装配资源，包括装配零部件、工时定额、装配工夹具、装配设备、辅材等。

图3 交互式三维装配工艺编辑界面

通过与企业内部工艺资源库进行连接，在三维装配工艺编辑的过程中，编辑人员可以直接对装配时所需的装配资源信息进行选择和调用，避免了手工输入的繁琐和耗时，还可以调用的工夹具、工作台等模型参与装配路径规划和动画仿真，编辑完成的三维装配工艺规程还可以保存到企业数据库中，方便遇到类似装配件的时候可以直接进行检入[9]。

4 应用实例

利用三维CAD软件的二次开发工具包以及Oracle数据库和Visual C++集成开发环境，开发了三维装配工艺原型系统。系统基于三维数字化装配模型，构建了装配信息模型，将与模型有关的装配工艺信息和装配资源信息与模型集成到一起，在模型按要求构建完成后可生成明细表、球标标注和三维装配工艺规程界面，该系统已应用到汽车驱动桥的装配中，其生成的集成化三维模型如图4所示。

图4 生成的驱动桥装配信息集成化模型

5 结 语

将制造信息和设计信息集成在产品三维模型上是实现三维装配工艺规划系统的前提。本文通过构建装配信息模型对需要封装到三维模型中的信息进行精简，提高对模型信息的捡取效率；通过将装配工艺信息和装配资源信息集成到模型中的方式，提高了后期装配工艺规划的效率和质量。设计开发的系统以汽车驱动桥装配模型为例验证了集成化模型技术的可行性。

[1] 杨 锟，刘继红. 面向虚拟装配的装配建模技术[J]. 机械科学与技术，2001，20(2)：305-308.

[2] 杨 冰，张林鍹. 面向装配工艺规划的集成式装配模型研究[J]. 系统仿真学报，2006，18(2)：533-536.

[3] 邹晓明，许建新，耿俊浩. 基于三维模型的装配工艺规划技术研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2008(7)：97-100.

[4] 邱 鹏，乔立红. 装配工艺信息建模技术在信息集成中的应用[J]. 信息化技术，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] 董天阳. 智能装配规划中的若干关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[7] 宋玉银，蔡复之，张伯鹏. 面向并行工程的产品装配模型[J].清华大学学报(自然科学版)，1999，39(4)：49- 52.

[8] 张 金，邱金江. 面向三维装配工艺系统的CATIA模型信息提取与应用[J].计算机系统应用，2012,21(12)：125-128.

[9] 潘洋宇，王拴虎，龚光荣. 计算机辅助装配工艺设计关键技术研究[J].机械，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

国防基础科研计划资助(编号：A1120110003 );国防技术基础计划资助(编号：Z312011B003 );国防技术基础计划资助(编号：Z312012B001);国防技术基础计划资助(编号：B3120110500)

曹文钢( 1957-)，男，河北涞源人，教授，硕士生导师，研究方向: 数字化设计与制造，CAD/CAE /CAM 等。

TP391.72

A

1007-4414(2014)04-0216-03