基于某产品的三维装配工艺指导软件的开发与研究

合肥工业大学交通运输工程学院 姜 康 贾 坤 王 婷

上海交通大学机械与动力工程学院 何其昌

装配是产品研制生产中一个非常重要的环节，并且对产品质量、性能、开发成本和周期的影响日益加重，在工业制造中的工作量比重已占40%～60%。良好的装配设计和装配性能，对保证产品质量和可靠性，降低产品成本和提高竞争力具有十分重要的意义[1]。

目前，现场装配过程中所使用的装配工艺文件大多以文字说明、CAD图纸或装配实体照片等组成的工艺卡片来指导实际生产，卡片所包含的信息不仅内容繁复，而且不能直观地展示产品的各部分装配关系，必须依靠经验才能快速读懂，将严重影响产品的装配周期[2]。近几年来，虚拟现实技术迅速发展，为替代传统的装配工艺指导方法提供了有效的解决途径。虚拟现实技术具有交互性和沉浸性，基于该技术开发交互式的三维装配工艺指导系统软件，不仅可以使装配工艺信息更具有直观性，而且还保证了工艺信息传递的准确性和高效性。从项目实际出发，目前很多3D仿真引擎选择OSG作为系统3D开发平台。OSG是一个基于工业标准OpenGL接口的跨平台、开源的高层C++图形渲染引擎，采用一系列机制管理场景模型、状态和内存，实时渲染，运行效率高且开发成本低。综合考虑，基于某航天产品生产需求，决定采用三维图像渲染引擎OSG开发系统。

1 交互式三维装配工艺指导软件的结构设计

交互式三维装配工艺指导软件遵循面向对象的设计方法，呈现层次化、模块化特点，并达到结构合理化的要求。其结构如图1所示，分为3个模块：产品信息处理模块、三维装配工艺规划设计模块和三维装配工艺指导模块。

（1）产品信息处理模块。

利用PDM（Product data management）系统对产品数据信息和工艺信息进行管理。作为信息管理的集成平台，PDM系统管理了产品设计属性信息、三维模型、CAD图纸信息、产品结构信息和工装设备资源等信息。这些信息经过整合处理，通过 WebService接口，依托WebService技术可跨平台的稳定数据交互能力[3]，被提取转化，记录为XML数据并传递给三维装配工艺规划设计模块，作为装配工艺设计以及构成PBOM树的重要参考和信息基础。

（2）三维装配工艺规划设计模块。

接收PDM系统传递的信息数据生成EBOM，对三维产品模型进行部组件工艺分离面的划分，结合工艺要求确定装配工艺所需的装配组件和零件项目，重构产品装配单元，生成产品的PBOM；接收工装设备信息，建立资源节点，对装配工艺过程中所用到的资源进行管理。以产品的PBOM为基础，设计者依据产品的工艺信息装配要求以及自身经验，对装配工艺进行编辑；增加工序及其下属工步，并为工序工步添加内容信息，包括名称、编号、CAD图纸信息、此过程所用零部件信息、资源信息（工装和设备信息）、AVI装配动画等。随着装配工艺设计工作的完成确认，软件将自动读取数据并生成完整的PPR树，同时将PPR树结构信息转化为XML中间数据交换格式，利用WebService接口解析XML数据，转化为PDM内部数据格式，提交到 PDM系统中进行统一的管理维护。

图1 三维装配工艺指导软件的结构Fig.1 Instructional software structure of three-dimensional assembly process

（3）三维装配工艺指导模块。

三维装配工艺指导模块面向装配工人，其功能是对装配过程进行可视化的指导。该模块分为装配工艺信息显示和Scene Viewer两个部分。装配工艺信息显示部分显示的是工序及其下属工步、零部件属性和工装设备属性等文字描述类信息。Scene Viewer是软件的交互式操作窗口，它不但可以显示CAD图纸和AVI装配动画，代替了不具直观性的纸质文件，允许操作者根据需求缩放图纸和播放视频动画，还能够显示零部件及工装、设备等三维模型，允许使用者对模型进行交互式操作，从而更加直观地了解装配工程，提高了工作效率。

2 装配工艺数据模型与装配工艺数据的交换传输

装配工艺数据是指在装配工艺设计过程中所使用和产生的数据。装配工艺数据是装配工艺信息的核心部分，不但是装配工艺设计过程的信息基础，也是装配工艺指导过程所要展示的重要内容。

2.1 装配工艺数据模型

装配工艺数据在装配工艺中非常重要，良好的数据模型不仅应该能够准确表达装配工艺信息，而且应该有利于数据信息的提取。装配工艺数据应该体现以下两方面内容。

（1）装配工艺数据应与产品属性相关联。数据应体现与产品的几何、材料、编号、性能、精度等相关的属性信息，并包含三维模型、图档等信息。工艺设计部门在装配过程中能发现装配产品的结构工艺性缺陷，及时反馈给产品设计部门并做出相应调整。

（2）装配工艺数据应与装配工艺过程相关联，应该包含装配工序信息、设备参数、工装参数、装配图纸及动画等工艺数据信息。这些信息是装配工艺数据信息的核心，是装配工艺过程的数据体现，将对装配操作者起直接的指导作用。

参考以上内容，并结合项目的实际要求，装配工艺数据应该包含以下内容：

（1）装配单元的准确划分；

（2）装配过程中的工序及下属工步内容，以及整体的装配顺序的描述；

（3）装配过程中所使用的设备、工装及其参数信息的反映；

（4）装配过程中所使用的零件、标准件等参数信息的描述；（5）CAD图纸以及装配动画示例。装配工艺数据模型如图2所示。

2.2 装配工艺数据的交换传输

图2 装配工艺数据模型结构Fig.2 Model structure of assembly process data

目前存在的装配工艺设计指导软件有很多，但是不同软件系统所用的数据格式大多不同，若建立统一的中间数据库则实现起来比较复杂，数据信息可移植性比较差。因此，提供一个通用的中间数据格式来实现各个软件系统之间的信息集成，可以提高传递效率[4]。

XML（Extensible Markup Language）是一种基于文本的可扩展标记语言,可进行不同数据格式之间的交互操作。类似于超文本标记语言HTML，XML也是由标准通用语言SGML发展而来。但是，XML关注的是数据的内容，被设计用来传输和储存数据[5]。XML作为数据传输的格式，有以下优点。

（1）独立性。它主要注重描述数据而不是显示数据，完全独立于操作系统、平台、编程语言等。

（2）可移植性。XML的数据是以纯文本格式存储的，任何有能力处理纯文本的系统和软件都可以处理XML的数据。XML出色的可移植性可以真正让数据格式做到跨平台以及跨系统的交换传输。

（3）数据的自描述性。XML文档自身的标记可以描述文档本身的结构，体现数据元素之间的关联关系，更具层次性，有利于特定数据的精确提取和处理。

（4）可扩展性。XML只提供基础的字符，根据实际需求，开发者可以利用这些字符开发自己的数据标签和结构，这样可以使数据的描述更为容易。

基于以上众多优点，XML非常适合作为描述和传输装配工艺信息的中间数据格式。本文结合实际项目需求，按照装配工艺系统的PPR结构树，构造了一个基于XML的装配工艺信息的描述结构，包括工序信息、产品信息和资源信息3个重要部分，每个部分又包含附属信息，具体如图3所示。根据装配工艺信息的描述结构，定义了装配工艺数据信息在XML文档中的描述格式，直观地反映了装配工艺数据信息的层次性，如图4所示。

3 交互式装配作业指导软件的展示

依照上述三维装配工艺指导软件的结构设计，针对用户需要，设计了两个界面：装配工艺设计界面和装配工艺作业指导界面。

（1）装配工艺设计界面。

图3 基于XML的装配工艺信息的描述结构Fig.3 Description structure of assembly process information based on XML

图4 装配工艺数据信息的XML描述格式Fig.4 Description format of assembly process data in formation based on XML

接收PDM系统传递的信息数据生成EBOM，包括工序、产品和资源。工序为空时，设计者可以根据实际的装配方法对工序进行添加和修改，为工序添加零件、设备、工装、图纸、动画等，设计界面如图5所示。

（2）装配工艺作业指导界面。

设计工作完成之后，将生成完整的PBOM，见图6界面左侧生成的三维工艺树。操作者可以根据需要点击相应的工序、零件或资源查看所需要的信息，并且可以点击查看CAD图纸信息，观看多媒体的装配动画，在指导下完成装配工作。

图5 装配工艺设计界面Fig.5 Interface of assembly process design

图6 装配工艺作业指导界面Fig.6 Interface of assembly process guidance

4 结论

文中介绍了一个交互式三维工艺装配作业指导软件，展示了软件的3个模块：产品信息处理模块、三维装配工艺规划设计模块和三维装配工艺指导模块，并描述了工作流程。主要介绍了装配工艺数据模型信息，以及中间交换传输格式XML的应用，并描述了基于XML的装配工艺数据的组织。本软件是根据项目实际需求开发的，针对特定产品的装配生产，在应用方面尚需要进一步的完善。

总体来说，交互式三维装配作业指导软件能够代替装配中使用的二维图样和纸质工艺资料，可以比较直观有效地在现场指导工人进行装配操作，对提高装配效率有重要的意义。

[1] 梅泽高，俞涛，王栋，等. 虚拟装配仿真系统相关技术的研究.计算机仿真，2007,24(11)：231-234，261.

[2] 王海波. 交互式三维装配工艺发布系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[3] 张伟. 基于PBOM的工艺管理研究与实施. CAD/CAM与制造业信息化，2012(9)：21-23.

[4] 程铮. 基于PBOM的飞机工艺信息管理研究与应用[D].西安：西北工业大学，2007.

[5] 杜骆骆. 基于OSG的虚拟设施布局系统的研究与设计[D].济南：山东大学，2011.