基于三维模型的装配工艺优化与计算机集成系统研究*

陶小刚，郝 博

(1.沈阳理工大学 机械工程学院， 沈阳 110159；2.辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)

基于三维模型的装配工艺优化与计算机集成系统研究*

陶小刚1，郝 博2

(1.沈阳理工大学 机械工程学院， 沈阳 110159；2.辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)

针对齿轮泵装配工艺规划中三维建模与装配工艺信息素脱节，且二维计算机辅助装配工艺过程设计不能动态反映零部件装配工艺过程与干涉性等问题，提出了一种基于3DCAPP-A的装配工艺优化方法。通过对齿轮泵三维建模分析和装配信息素提取，完成3DCAPP-A与UG集成系统创建；其次在3DCAPP-A环境中对齿轮泵装配信息素进行完善添加，建立三维装配工艺知识库，为装配工艺专家系统设计提供知识来源；最后利用UG二次开发工具，对装配工艺专家系统进行开发技术研究。结合实例表明，运用专家系统和UG集成开发技术，可以实现装配工艺信息素的流动，并能动态反映零部件装配工艺过程与干涉性等问题；减少二维视角带给技术人员的模糊装配设计，从而降低生产成本，提高效率。

齿轮泵；三维建模；装配工艺；UG二次开发；专家系统

0 引言

在产品的整个生产阶段，装配工作成本约占总制造成本的40%～60%左右，装配活动在产品整个生产过程中任务最繁重，要求也最高，在很大程度上影响了制造过程的效率、质量和成本[1]，所以合理优化装配工艺过程可以减少产品研发与制造的周期[2]。建立合理的装配工艺信息模型不仅是对装配过程出现的问题和解决措施的模拟，实现计算机辅助工艺设计系统的基础，同时对于各软件间的计算机集成制造系统(CIMS)的信息集成以及信息传递也至关重要。

随着机械行业信息化、网络化程度的不断提高，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺设计(CAPP)等作为CIMS的关键组成部分也得到了快速发展[3-4]，作为机械信息自动化领域内高端技术CIMS，对于提高产品生产自动化程度和产品质量，缩短生产周期等具有极其重要的意义[5]。目前国内外对CAD/CAPP集成方法与关键技术研究已经取得了相当大的突破，如基于中间格式文件(IGEC[6]，STEP，STEP-NC[7-8])的系统集成等都取得了一定的成果，但是这些机械类软件只简单作用于某些各自相关领域，并没有相互间形成信息化交流，这明显降低了制造业发展的速度，而现阶段CAD的发展已经脱离传统二维图纸设计，进入一个新的3D领域，但是相比较CAD的发展，CAPP、CIMS的发展显然滞后很多，主要原因是由于零件的装配体的一些关键件的多样性，即使同一装配体，零件的形状也因为用户的需求而产生差异，导致后续工艺编制随之变化[9]。

所以在当前高信息水平的CIMS环境下，在CAD已经充分运用到智能装配行业时，合理建立含有装配工艺信息的产品3DCAPP以及具有读取和储存的数据库，并以此为基础建立装配CAD/CAPP集成一体化系统，对于降低装配成本、缩短装配周期、提高装配效率、以及产品质量具有相当大的意义。

1 传统装配2DCAPP-A与现代3DCAPP-A的现状对比

图1 传统2DCAPP-A与现代3DCAPP-A的现状对比

计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)是指借助计算机软件硬件以及开发的平台，利用计算机进行数值演算、逻辑推理和判断等功能来制定机械零件加工或装配工艺过程。借助于CAPP软件系统，可以解决因传统手工绘制工艺规程带来模糊错误、设计不准确、设计效率低下，周期长、修改困难等一系列问题。也是利用计算机技术辅助完成零件从毛坯到成品的设计和制造过程，完成部件到装配体设计和装配的过程[10]。如图1所示为传统2DCAPP-A与现代3DCAPP-A的现状对比。

1.1 传统2DCAPP-A现状

传统的2DCAPP-A是通过对零件进行装配分析，通过专家审核最后确定生成二维的图纸型装配工艺规程等技术性文件，以便供设计装配技术人员参照，辅助完成装配工艺设计。如图1上所示，具体步骤如下：

Step1：二维零件图纸创建；

Step2：分析零件加工工艺，如加工工序，各阶段工步等加工要素，建立零件机械加工工艺路线；

部分出露型孤石的受力情况如图9所示，计算的假定与完全出露型孤石基本相同，只是部分出露的孤石四周与周边土体之间的接触界面存在挤压作用力。

Step3：编写二维加工工艺卡片，同时为二维加工工艺模型完善工艺信息，便于分析加工工艺的完整性；

Step4：审核判断零件加工工艺路线是否满足加工要求，合格执行Step5，不合格转到Step2；

}

(2)应收账款单据造假。因为是两方签订的合同，债权的真实性不能保证。存在造假的可能性，不能保证真实，不能实现追溯。

Step5：二维零件机械加工工艺规程输出，零件加工完成；

Step6：三维零件库的创建；

Step7：二维装配图纸创建；

Step8：分析装配工艺，如装配顺序，装配零件，零件间装配特征，建立零件装配工艺路线；

Step9：编写二维装配工艺卡片，同时为三维装配工艺模型添加装配工艺信息；

Step10：创建三维模型装配，并少量投入工厂进行制造装配，模拟干涉性检查；

2.3 生态旅游的教育功能缺失 生态旅游与普通的观光旅游的最大区别是生态旅游具有明显的教育功能。生态教育的目的有二，一是让游客学习生态旅游目的地的地质地貌等专业性内容；二是通过与自然的互动让游客形成保护自然的自觉。生态教育功能的实现主要依靠景区内的讲解系统。目前，张家界景区内部讲解系统存在以下问题：管理维护工作不到位，解说牌字迹模糊；解说内容以传说、俗语等为主，不能给游客提供专业的生态知识。

Step11：通过干涉性检查审核判断零件装配工艺路线是否合格；不合格转到Step8；

Step12：二维装配工艺规程文献生成，接着投入生产。

传统的2DCAPP-A虽然突破了二维CAD零件装配的模式，建立了附有三维装配图的静态工艺技术文件，为装配技术人员解决了一定装配问题，但是脱离不了二维视角带给装配技术人员的模糊装配设计，在装配设计过程中，由于技术性文件的局限性，通常会造成装配零件缺失、装配精度不高或装配干涉等一系列问题。

会上，蚯蚓测土实验室正式揭牌，与会代表在会议中途共同参观了实验室。“这是我见过最好的测土实验室。”高祥照说。

1.2 现代3DCAPP-A现状

现代3DCAPP-A技术是将传统二维装配工艺设计图纸中所体现的技术内容反应到三维动态装配过程中，通过对零件进行装配分析，在三维数字化实体模型的基础上，建立三维动态装配工艺设计过程和三维动态模拟仿真干涉检查，最后通过专家审核确定生成三维动态装配工艺规程等技术性文件是否可行；它是利用现代计算机网络技术、信息自动化技术和人工智能技术，借助于计算机虚拟仿真技术等人机交互手段来规划与仿真产品的设计装配过程，并可以指导现场生产。如图1下所示，具体步骤如下：

Step2：通过对加工工艺分析，运用三维CAM建立零件机械加工工艺路线仿真；

Step1：三维CAD零件模型创建；

Step3：编写二维加工工艺卡片，同时为二维加工工艺模型添加工艺信息；

1.取消政府采购代理机构资质管理。2014年8月31日第十二届全国人民代表大会常务委员会第十次会议决定，自2014年8月31日起，取消财政部及省级人民政府财政部门负责实施的政府采购代理机构资格认定行政许可事项。根据《财政部关于废止部分规章和规范性文件的决定》，从2015年2月11日起正式废止《政府采购代理机构资格认定办法》，即财政部门将取消对代理机构的资格管理。自2014年8月31日起，政府采购代理机构执业将不再需要资格证书，已取得的政府采购代理机构甲、乙级资格证书自动失效。

Step4：审核判断零件加工工艺路线是否满足加工要求，合格执行Step5，不合格转到Step2；

m_pdatabase->Open(_T(“shujuyuan”),FALSE,FALSE,_T(“ODBC;DSN=biao”),FALSE);

Step6：三维零件库的创建；

Step7：三维CAD装配模型创建；

Step8：分析三维装配工艺，如装配顺序，装配零件，零件间装配特征，建立零件三维装配工艺路线；

Step9：运用3DCAPP编写三维动态装配工艺卡片，同时为三维装配工艺模型添加工艺信息；

Step10：对装配体进行3D干涉性检查审核判断零件装配工艺路线是否合格；不合格转到Step8；

Step11：三维装配工艺规程文献生成，PDM、EPR连接一线，接着投入生产装配。

新生3DCAPP-A由于突破二维视角的局限性，装配技术人员可以参照动态的装配工艺流程和仿真，确定装配中所出现的一系列技术性问题；它可以克服传统装配工艺设计中主要依赖于人的装配经验和知识，以及设计难度大、设计效率低、优化程度低等问题。从而实现装配效率的最优化，提高成本，缩短装配周期。

2 装配工艺集成系统的框架构建

在装配过程中，当技术人员的技术能力确定时，合理的装配工艺规划过程以及对装配工艺系统集成是降低装配成本、缩短装配周期、提高装配效率的主要途径；装配工艺集成系统分别由UG NX与3DCAPP、UG NX与专家系统、3DCAPP与专家系统以及专家系统与数据库四部分组成的集成，四部分之间都存在相互之间的联系。如图2所示为智能装配工艺路线系统集成与开发示意图。

图2 智能装配工艺路线系统集成与开发示意图

(1)UG NX与3DCAPP的集成研究

}

(2)UG NX与专家系统的集成研究

专家系统(Expert System，ES)是人工智能应用研究的主要领域，专家系统的一般结构是由知识库、全局数据库、推理机、解释器和人机接口等组成，其中知识库和推理机是专家系统的最主要模块，而本文所述知识库是指装配工艺知识库，推理机是指形成装配可执行性的装配特征。通过UG自带二次开发工具UG/Open Menuscript 和UG/Open UIstyler以及Visual Studio MFC开发向导对装配工艺路线专家系统的界面进行开发，生成菜单以及人机交互对话框[11]，对装配工艺知识库和已经形成的推理机制进行可执行文件编写，完成UG NX与专家系统的集成。

(3)3DCAPP与专家系统的集成研究

3个模块的相关代码都采用C++语言编制，模块之间的调用和相关的数据转换等都在程序内部实现，无需额外生成外部文件进行频繁的输入/输出操作。

传统CAPP系统利用工艺决策算法(如决策树、决策表等)和逻辑推理方法进行工艺决策，但存在着算法死板、结果唯一、系统不透明等弱点；且程序编制工作量大，修改困难。利用UG二次开发形成的智能装配工艺路线专家系统人机交互可以解决这类问题。在3DCAPP中显示的装配工艺知识，储存于装配工艺知识库中，通过推理方式和控制决策，对知识库的相关知识的推论，利用UG二次开发技术实现人机交互界面，完成3DCAPP与专家系统的集成。

(4)专家系统与数据库的集成研究

专家系统与数据库的集成类似于人机交互窗口与数据的连接，用于储存和提取装配工艺知识，对于连接外部数据库，UG提供了ODBC界面的访问功能，通过开发工具UG/Open UIstyler 生成的具有读取和写入的数据库控件的对话框调用外部数据库。以下是与数据库连接的主要程序：

CDatabase *m_pdatabase;

CRecorder *m_pset;

1.2.1 调查对象抽取方法:向当地40岁以上所有高血压患者宣传、解释后,采取自愿参加,随机抽样方法获得样本。

m_pdatabase=new CDatabase();m_pst=new CRecordset();

四是，承诺相同错误行为不再发生在自己身上。例如：“很是抱歉，今后我工作不会再迟到早退了。”这种致歉策略可以让对方给自己一次机会，从而弥补这次犯下的错误。

Step5：二维零件机械加工工艺规程输出，投入生产，完成零件加工；

上海合作组织的灵魂和基础是“上海精神”，它具有互信、互利、平等、协商、尊重多元文明、谋求共同发展的特点。精神抛弃自以为是的自以为是，面向亚洲国家的传统价值观和共同利益，捏造特色，塑造上海合作组织的声望。“上海精神”不仅是上海合作组织成员的纽带，而且对国际社会对阿富汗问题的回应具有现实意义，是培育新型国际关系、建设具有人类共同未来的共同体的积极尝试。由中国主办的上海合作组织青岛峰会将是一个内容广泛、参与广泛、具有突出进取精神的多亮点的历史盛会。

m_pset->m_pDatabase=m_pdatabase;

用UG NX生成齿轮泵各零件图以及三维模型装配图，保存*.prt格式的文件，并把零件和装配体保存在同一路径的文件夹内；然后通过3DCAPP软件，把装配体GearPump.prt格式的文件转化为GearPump.xml格式的文件；在3DCAPP中，直接打开GearPump.xml。

catch(CDBException*e)

try{

{

e->ReportError();

e->Delete();

恩哥解答：大部分情况下孕期能运动，但也有特殊情况下孕期不能运动，比如有较严重的心脏病、宫颈机能不全者、中晚孕期持续出血、早产、26周以后的前置胎盘、重度贫血等疾病的妈妈，做运动很有可能会伤害自己和宝宝的健康。

delete m_pset;

delete m_pdatabase;

return TRUE;

“在中山文化下，中山医院多学科诊疗模式（MDT）最初都是医生自觉开展的，并不是医院领导要求的，而且在历史发展的过程中，我们逐步体会到MDT对患者带来的好处，对于提升和推进医疗质量和诊疗水平，以及带给患者的益处，应该是最大化的。”他说。

3 装配工艺集成系统子模块分解研究

3.1 基于UG的三维装配建模与装配顺序知识提取

三维装配建模是将机械行业内物体及其属性转化为计算机内部可数字化表示、分析、控制和输出的几何形体的方法，在机械的设计与制造过程中，装配建模过程是至关重要的，它是连接设计与制造可行性与可靠性的桥梁。如图3所示为齿轮泵的装配模型；齿轮泵是由螺母(Nuts)、填料压盖(Packing Gland)、泵体(Pump Body)、石棉垫(Asbestos Pads)、输入齿轮(Input Gear)、输出齿轮(Output Gear)、泵盖(Pump Cover)、定位销(Positioning Sleeve)、垫圈(Gaskets)和螺栓(Bolt)组成；如图4所示为齿轮泵装配爆炸图。

图3 齿轮泵装配爆炸图

图4 齿轮泵装配爆炸图

装配顺序知识的提取是通过UG软件对装配过程中对出现的零件装配顺序以及装配约束等信息素进行归纳罗列，为后续的基于3DCAPP-A的装配工艺规划做准备，如图5所示为齿轮泵装配信息素，这些信息素包括零件的信息以及在装配过程中出现的装配关系和约束等情况。

图5 齿轮泵装配信息素

3.2 基于3DCAPP-A的装配工艺路线设计与装配工艺信息添加

产品装配设计和规划是智能装配过程重要的阶段，合理优化装配工艺规划可缩短产品研发周期、减少装配工艺成本、提高装配效率[12]。如图6所示为3DCAPP-A装配工艺路线设计过程，主要分为三部分研究，即装配结构、工艺过程和工艺管理3DCAPP、PDM集成管理，本文主要描述装配结构以及工艺过程。

拾取UG装配信息素，通过UG NX与3DCAPP的集成，导入GearPump.prt装配文件到3DCAPP-A软件中生成GearPump.xml，并把该文件保存为GearPump.kmapd的文件。如图7所示为齿轮泵装配工艺路线设计，工艺工作人员可以通过3DCAPP-A，在三维模型的基础上进行可视化装配模型工艺设计，并根据模型，能快速的分析和理解装配体的结构，特征以及功能等方面的特点，更加迅速的对装配工艺进行系统的规划。

这次改革，首次提出了“转变政府职能是机构改革的关键”这一命题。国务院共撤销计委、经委、机械委、电子部、航天部、航空部、石油部、煤炭部、水电部、核工业部、城建部、劳动人事部等12个部委，新组建国家计委、机械电子部、航天航空部、能源部、水利部、建设部、人事部、劳动部、物资部（同时撤销国家物资局）等9个部委。将农牧渔业部更名为农业部。新华社改为国务院直属事业单位，不再列入国务院行政机构序列。通过这次改革，国务院部委由原来的45个减为41个。

图6 3DCAPP-A装配工艺路线设计

图7 齿轮泵装配工艺路线设计

3.3 装配工艺路线专家系统设计与装配工艺信息输出

专家系统是一个通过计算机语言控制的智能计算机程序设计系统，其系统内部具有某些专业领域高级水平的知识与经验，能利用人类的知识和经验去解决某专业领域的问题。以解决那些需要专家决定的复杂问题。本文基于UG二次开发，建立装配工艺路线专家系统，通过对构成专家系统的知识库、全局数据库、推理机、解释器、人机交互界面等五大要素分析，建立专家系统对话框，从而对装配工艺路线进行系统分析，输出装配工艺信息。

(3)北平的洋车夫有许多派：年轻力壮，腿脚灵利的，讲究赁漂亮的车，拉“整天儿”，爱什么时候出车与收车都有自由；拉出车来，在固定的“车口”或宅门一放，专等坐快车的主儿；弄好了，也许一下子弄个一块两块的；碰巧了，也许白耗一天，连“车份儿”也没着落，但也不在乎。这一派哥儿们的希望大概有两个：或是拉包车；或是自己买上辆车，有了自己的车，再去拉包月或散座就没大关系了，反正车是自己的。(老舍《骆驼祥子》)

4 基于三维模型的装配工艺系统的设计

三维模型的装配工艺系统设计是对零部件装配可行性的系统分析，通过上述装配工艺路线集成系统的分解研究，初步建立三维装配工艺设计型专家系统模型信息；利用UG二次开发技术，在CAD/CAPP集成系统框架下，开发了基于三维模型的装配工艺专家系统，三维模型CAD/CAPP集成系统流程图如图8所示。在UG界面载入所需要的零件模型，对零部件进行装配建模，模型导入3DCAPP-A中，接着对装配信息素进行添加和完善，建立专家系统知识库，在UG二次开发界面创建装配工艺设计型专家系统并载入信息素，形成专家系统推理机制，最后在WORD界面输出三维装配工艺规程文件。

图8 基于三维模型CAD/CAPP集成系统流程图

图9所示为装配工艺专家系统设计，从该图可以看出提取的三维零件的工艺信息素，如零件名称、零件编号、零件面片信息以及包含的所有关于零件装配特征信息，并开发有写入和读取数据库的作用，便于工作人员储存和查看零件信息，也防止零件的信息素流失，通过对比传统装配设计，基于三维模型的装配工艺专家系统设计实现CAD/CAPP的集成式更合理也是更有效。

图9 装配工艺专家系统设计

图10所示为装配工艺WORD文件输出，从该图能直观反映装配的顺序，方便信息交流和传递，同时也便于装配人员的查看。

图10 装配工艺WORD文件输出

5 总结

本文针对传统装配工艺信息不完善，而且不能有

效集成装配所需建模、工艺分析、以及优化装配方法等技术，创新性的提出基于三维模型的装配工艺优化与计算机集成系统研究，通过对装配模型工艺信息素进行完善提取，建立CAD/CAPP集成装配工艺系统；在UG界面获取装配模型，提取装配工艺信息素，通过集成装配系统添加到3DCAPP-A中，对装配工艺信息素进行补充和完善，建立装配工艺知识库；利用UG二次开发技术和专家系统推理机制完成对装配工艺专家系统设计，最后实现装配工艺文件输出；结合齿轮泵装配实例分析，验证研究的可行性，为装配行业提供了一种新的解决方法。

[1] 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.[2] 张磊，褚学宁，刘振华，等.航天产品装配工艺规划技术研究[J].机械设计与制造，2014(2)：265-268.

[3] 李洲洋，田锡天，耿俊浩，等.基于轻量化三维模型的CAD/CAPP/CNC系统集成技术研究[J].西北工业大学学报，2011，29(4)：503-508.

[4] 田富君，田锡天，李洲洋，等.基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成技术研究[J].计算机集成制造系统，2010,16(3)：521-526.

[5] 范晓斌，陈桦.基于特征的三维CAD/CAPP集成系统设计技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2009(12)：86-89.

[6] Behnam Malakooti ，Nima R Malakooti，Ziyong Yang.Integrated group technology，cell formation，process planning，and production planning with application to the emergency room[J].International Journal of Production Research，2004，42(9)：1769-1786.

[7] JG Campos ，LR Miguez.Standard process monitoring and traceability programming in collaborative CAD/CAM/CNC manufacturing scenarios[J].Computers in Industry，2011，62(3)：311-322.

[8] 富宏亚，胡泊，韩德东.STEP-NC数控技术研究进展[J].计算机集成制造系统，2014，20(3)：569-578.

[9] 张圣文，丁玉玲，王贵成，等.基于特征相似的船用柴油机关键件CAD/CAPP/CAM集成技术[J].计算机集成制造系统，2012，18(2)：291-297.

[10] 彭义兵，袁惠敏，许济友，等.开目3DCAPP三维装配工艺设计基础教程[M].北京：机械工业出版社，2014.

[11] 周临震，李青祝，秦柯，等.基于UG NX系统的二次开发[M].镇江：江苏大学出版社，2014.

[12] 刘翊.刚柔混合产品的装配工艺规划技术与应用研究[D].武汉:华中科技大学，2014.

(编辑 李秀敏)

Research on Assembly Process Optimization and Computer Integrated System Based on 3D Model

TAO Xiao-gang1，HAO Bo2

(1.School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2.Liaoning Jidian Polytechnic，Dandong Liaoning 118009，China)

This Thesis has put forward an assembly process optimization method which is based on 3DCAPP-A for problems that the 3D modeling in gear pump assembly process planning is divorced from assembly process information elements and the 2DCAPP fails to dynamically reflect the assembly process of components and parts and its interference. By analyzing the 3D modeling of gear pump and collecting assembly information elements, the thesis has firstly completed the establishment of 3DCAPP-A and UG integrated system; secondly, it has improved and added assembly information elements for gear pump in 3DCAPP-A environment and built a knowledge base of 3D assembly process which can provide knowledge source for assembly process expert system planning; and lastly, it has carried out technological development research on assembly process expert system by making use of UG secondary development tools. Combined with examples, it shows that by applying expert system and UG integrated development technology, the mobility of assembly process information elements can be realized and the assembly process of components and parts and its interference can also be reflected dynamically; meanwhile, it can reduce fuzzy assembly design that two-dimension view brings to technicians so as to lower production costs and improve production efficiency.

gear pump；3D modeling；assembly process；UG secondary development；expert system

1001-2265(2017)05-0118-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.031

2017-01-03；

2017-01-18

国家自然基金资助项目(61170146)；国家自然科学基金(61672360)

陶小刚(1993—)，男，安徽芜湖人，沈阳理工大学硕士研究生，研究方向为数字化网络化设计与制造技术，(E-mail)txglove248@163.com。

TH166；TG506

A