基于三维轻模型的装配工艺与产品设计信息集成

时应超，乔立红

SHI Ying-chao1, QIAO Li-hong2

（1.航天材料及工艺研究所，北京 100076 2.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

装配工艺设计作为连接产品设计与制造的桥梁，需要与企业的各种应用系统进行集成。但是现有的CAD、CAM、工艺设计系统是在相互独立的情况下发展起来的，彼此间的模型定义、实现手段和存取方法均有差异，信息难以交换、共享。作为工艺设计的上游信息输入，由不同CAD设计软件生成的几何与非几何数据在异构平台下不兼容，没有统一的数据格式，使得CAD与工艺设计系统间三维模型及关联的属性信息交换困难。因此，实现装配工艺设计与产品设计数据的集成成为制造企业的迫切需求。

当前，国内外对工艺与产品设计系统集成的方案归纳起来主要有基于数据交换接口（STEP、IGES、ISA95、OAGIS等）的集成[1,2]、面向SOA的服务组件集成[3]、基于PDM的集成[4]等。上述方法取得一定成果，但都是面向实体几何模型的层面，未能有效解决不同CAD数模的集成和共享问题。除了集成方面的局限外，实体模型中包含的信息量很大，而且不同的三维系统产品模型的表达方法也不尽相同，这种数据获取的局限性给统一装配信息模型的建立带来了一定的困难。

随着轻量化技术的发展，三维轻模型成为一种趋势，能够支持企业间不同CAD数据传输与交换，大大提高企业间的协同设计制造能力。本文研究在轻量化标准的基础上，构建基于轻模型的装配工艺与产品设计数据集成体系，将不同的三维数模转换成统一的轻量化产品模型，由于轻模型信息只保留了几何拓扑信息[5]，在轻模型的基础上集成支持装配工艺设计的产品制造信息，建立基于轻模型的装配信息模型。重点对制造信息由实体模型向轻模型的映射[6,7]、装配工艺模型重构等关键技术进行了研究。

1 基于轻模型的装配工艺与设计集成

本文在研究轻量化标准的基础上，建立能够支持产品全生命周期的基于轻量化三维模型的集成信息模型，根据数字化装配工艺设计系统的需求构建一个统一的装配工艺信息模型，解决上游设计系统和装配工艺系统共享和交换三维模型信息的瓶颈问题。

图1 基于轻模型的装配工艺与设计集成框架

如图1所示，集成体系包括三个部分，首先在设计系统中获取装配设计信息，并补充能够支持装配工艺设计的制造信息。然后以重组织的装配信息为输入，实现制造信息由实体模型向轻模型的映射。在此基础上构建出统一的基于轻模型的装配工艺模型，进行装配工艺设计。

基于轻量化模型的装配工艺与产品设计系统集成功能模型如图2所示，主要包括CAD设计信息提取、轻量化模型生成、重构装配模型、装配工艺过程设计以及装配工艺输出几部分模块。根据产品功能需求，应用CAD系统进行产品设计信息的提取，并输出轻量化三维模型文件。该模型仅仅包含了零件的几何和拓扑信息，层次较低。而装配工艺设计系统需要的是能支持装配工艺规划的高层次制造信息。因此需要对装配工艺信息进行再组织，重构出基于轻量化三维模型的集成信息模型。工艺人员在集成信息模型的基础上进行可视化工艺设计，设计结果直接以轻量化三维模型的形式进行表达。

图2 基于轻模型的装配工艺设计系统集成功能模型

2 面向轻模型的装配工艺信息模型

2.1 面向数字化装配的工艺信息模型内容

在数字化产品设计制造环境下，如何根据产品设计三维实体模型，建立一个信息完整、结构合理、集成的装配信息模型，是实现数字化装配工艺设计所面临的重要问题。装配信息模型是产品信息模型的重要组成部分，要具有一定的完整性，它不仅要能够清晰反映出装配体内部的关系，还能够为下游装配工艺设计提供完善的信息支持。为了面向数字化装配工艺设计系统，实现装配信息与三维CAD的集成，装配信息模型内容应包括以下三个方面[8～11]，如图3所示。

图3 装配工艺信息模型内容

1）装配设计信息

装配设计信息是服务于装配设计过程的信息子模型，主要包括产品管理属性、产品几何信息、装配特征信息与装配层次信息等。

2）装配要求信息

装配要求信息是连接装配设计与装配工艺设计的重要纽带，是实现装配设计要求变为装配工艺设计指标的子模型，主要包括装配约束信息与装配技术要求信息等。

3）装配工艺信息

装配工艺信息主要为支持装配工艺设计和装配过程仿真服务，比如装配资源库信息、知识库信息、辅助设备清单等。其主要由工艺组织信息、装配资源信息等组成。

2.2 面向轻模型的装配工艺信息模型

装配模型信息的先进性和完备性直接影响装配工艺规划的实施过程，传统工艺设计中产品的信息关联性差，装配信息模型中的尺寸信息、产品制造要求信息、装配关系信息通常与三维模型分离，不能有效地支持数字化装配工艺设计。而且面向实体模型建立的装配模型包含的信息量很大，针对不同系统产品模型的表达方法也不尽相同，给通用装配信息模型的建立带来了一定的困难。

本文提出基于轻模型建立统一的装配工艺信息模型，三维轻模型作为数据的载体承载着装配设计所需的一些基本信息，如设计中形成的结构信息等。这些几何信息层次较低，不能满足装配工艺设计系统的需求。它丢失掉了零件模型的精确几何信息、拓扑信息、约束信息，缺乏装配工艺设计所需要的零组件量化信息、装配要求信息、工程语义信息等。因此，需要首先从上游CAD系统中提取出相应的装配信息，然后基于几何拓扑层的支持实现制造信息由实体模型向轻模型的映射，在轻模型基础上集成支持装配工艺设计的产品制造信息，构建出面向三维轻模型的装配工艺信息模型，如图4所示。该模型分为三个层次，分别为特征层、零件层和产品层。

1）特征层描述的是装配配合关系信息，主要表现为装配语义形式表达的连接关系。根据课题组前期的研究，可以表述为：

它由装配连接元（cm）、配合零件名称（pn）、配合几何元素（pe）、接触类型（cs）、尺寸约束（dr）以及典型装配连接元结构（ts）组成。其中装配连接元表示连接类型，如螺栓连接、焊接、铆接等；配合几何元素是装配连接元的载体，如圆柱面、平面、曲面等；接触类型表示装配连接元关联的连接元素接触方式；典型装配连接元结构表示装配连接元是否属于典型装配结构。比如对一个螺栓连接可以表示为F={螺栓连接，＜零件A、零件B＞，＜端面、端面＞，单面接触，是}。

2）零件层集成了模型信息、零组件管理属性信息、量化属性信息、制造要求信息、工艺组织信息以及装配资源信息等。可以表述为：

它由轻模型几何信息（lm）、实体模型与轻模型的映射关系（le）、装配要求信息（pi）、工装资源信息（ri）、装配连接关系集合（fc）组成。

3）产品层包括产品和其子装配体，以零件为基本节点，主要描述产品型号、类型、层次关系等工程语义信息。根据数字化装配工艺设计的需求，其节点应该包括两大属性：模型信息和关联的工程属性信息。可以表述为：

图4 基于轻模型的装配工艺信息模型

它由零件集结点（pc）、模型信息（mi）和关联的工程属性信息（ei）组成。

该模型完整地表达了设计信息、装配要求信息、工艺组织信息以及工程语义信息，实现了面向设计的产品结构到面向装配的的产品结构的调整，进而满足数字化装配工艺设计系统的信息需求。且以轻模型为载体方便不同系统间的三维模型信息交换和共享，能够支持企业间不同CAD数据传输与交换，大大提高企业间的协同设计制造能力。

3 基于统一模型的装配工艺与设计映射方法

3.1 设计信息的获取

基于数字化装配工艺设计的需求，提取装配体实体模型中所包含的零组件信息、产品BOM信息、装配约束关系信息、产品装配技术要求信息等。装配信息提取的IDEF1X模型如图5所示。

3.2 制造信息由实体模型向轻模型的映射

针对CAD和CAPP系统，需要映射的主要有三部分内容：零件制造要求信息，通常以标注信息(PMI)的形式表达，用于描述设计部门提出的制造要求；零件几何模型，用于表达零件的几何特性；装配体约束信息，用于描述零部件之间的装配关系、生成装配特征以辅助装配单元划分和路径规划等工作。因此，设计系统与装配工艺设计系统信息集成主要包括几何模型的轻量化、装配约束关系和制造要求信息三方面的集成。

1）实体模型几何拓扑层到轻模型面片层的映射

现行的轻模型软件，如3DVIA Composer、3D PDF等都已对模型的转换提供了良好的支持，用户可以方便地将普通模型转化为轻模型。但由于模型的数据结构不同，模型间的几何元素命名并不完全一致，且本文要实现制造信息由实体层向面片层的传递，因此，需要几何拓扑层的支持。目前实现实体模型几何拓扑层到轻模型面片层的映射方法主要有以下三种：参数匹配法，通过提取模型上面的参数方程来实现匹配；ID标记法，记录每个几何元素的惟一标记ID来实现几何面到面片的映射；利用方程匹配和ID标记法均可行，但计算和程序编制量都较大，颜色标志法的实质是为每个面片添加一个所属几何面的ID标志，并利用该标志实现几何面到面片的映射。

2）设计域信息向装配域信息的映射

图5 装配信息提取IDEF1X表达

有了几何拓扑层的支持后，便可将由实体模型提取出的制造要求信息、装配关系信息等与几何层面关联，在轻模型中获取到其关联的装配元素，实现设计域实体模型信息向装配域轻模型信息的映射。

设计信息域是基于产品设计结构的数字化定义和表示，是设计者设计意图的体现。它可以概括为几何特征和其关联的设计约束，表示为：

其中Gd表示设计的几何特征（点线面组成的设计特征和属性描述），Cd表示与设计特征关联的约束（如几何尺寸、公差、配合关系、设计基准）。

装配信息域是基于产品制造结构的表示，为装配工艺设计提供输入。它由装配特征及与装配过程相关的信息集表示。可以表示为：

其中Fm表示装配特征，如键联接、螺纹联接等，由设计域中的几何特征映射出来。Tm表示产品制造要求信息，包括装配关系信息和装配技术信息等。Pm表示与装配过程相关的工艺数据信息，包括装配资源库、知识库、辅助工具清单等。

设计域实体模型信息向装配域轻模型信息映射分为两步来实现，首先是设计信息域向装配信息域的映射，根据产品装配要求、工艺组织信息，利用映射函数f1把设计特征映射为装配特征。然后利用映射函数fz，基于前面论述的几何层到面片层的对应关系，实现装配特征由实体模型到轻模型的映射。

4 集成实例

本文研究所提出的基于轻模型的集成信息模型，已在针对某航天制造企业的系统集成应用中进行了验证。其中设计信息来自Pro/ENGINEER 4.0，工艺系统采用课题组自行开发的装配工艺设计系统，轻模型采用包括3DVIA Composer、3D PDF等主流软件都支持的U3D格式。利用本文介绍的方法及结合对U3D标准的研究，实现了装配工艺与产品设计之间的集成。如图6所示，通过Pro/ENGINEER的二次开发首先完成装配信息的提取，同时将Pro/ENGINEER的实体模型转换成U3D格式的文件。然后基于轻模型和提取出的装配信息进行装配工艺模型的重构，得到满足数字化装配工艺设计的信息模型。工艺人员在面向轻模型的集成信息模型基础上进行装配工艺设计。

5 结论

图6 装配工艺与产品设计的集成

基于三维模型的工艺与设计的集成是未来数字化设计制造发展的热点。本文在研究轻量化标准的基础上，提出了基于三维轻模型的集成信息体系。通过分析数字化装配工艺设计对装配模型的信息需求，构建基于轻模型的工艺信息模型，规范和完善了装配信息的表达。同时也有效解决了各系统间三维模型信息交换和集成问题。研究了装配信息提取方法、实体模型和轻模型间的映射机制以及装配工艺模型的重构方法，打通了制造信息在实体模型和轻模型之间的传递，从而为数字化装配工艺设计提供完善的信息支撑。

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