基于仿真复用的三维装配工艺的应用*

苏晓毅，胡进寿，闫兴浪

(西安西电电气研究院有限责任公司，陕西 西安 710075)

随着新能源技术的不断推广，大规模定制市场的日益繁荣，电器行业对产品快速变性设计的要求越来越高。断路器类产品的装配多是将事先组装好的部件进行拼装[1]，而断路器结构复杂、沉重，制造、装配工艺要求高，存在装配效率低、劳动强度大、质量控制和管理难等问题[2]。大量重复性的装配工艺准备和编排，降低了工作效率，延长了制造总周期，而且装配工艺的设计仍是传统的凭经验，靠手工，无法保证一次装配成功率。

基于上述分析，本文提出了以基于仿真复用的三维仿真为核心的典型装配工艺的参数化设计方法。经实践证明，采用该方法，不仅实现了典型装配工艺的参数化驱动设计，保证了装配工艺知识的高度复用，而且做到了装配工艺的所见即所得，直观准确，并将装配工艺完整地集成到了企业现有信息系统中。

1 基于仿真复用的典型装配工艺总体设计

本文应用3DAST软件进行三维模拟装配仿真，充分利用了企业现有的三维数字化条件和信息化集成平台，以及上游的三维产品模型和设计物料清单(EBOM)，改变了传统的装配工艺设计体系，建立了以三维零部件和三维工装工具等为基础的三维数字化装配工艺体系，并将工艺文件集成到现有系统中，实现了三维装配工艺设计仿真与产品设计并行，真正实现了数字化设计制造一体化[3-4]。将三维CAD设计的零件模型进行轻量化处理，通过BOM和PDM将物料清单和模型导入到三维装配环境下，通过几何推理和行业经验等手段，对整个产品进行装配规划，尤其是对典型装配工艺进行选择和规划。模拟完成后入库，便于下次重用。

3DAST系统集成于企业现有的信息化系统中，实现了装配工艺规划的三维可视化，打通上游3DCAD系统零部件库和下游MES系统，完成了数据信息的三维传递，改变了传统的三维、二维转换的局面。来自三维CAD系统和企业内部零部件库的三维零部件模型，在3DAST软件中，经模型转换接口转换为统一格式，再经轻量化处理，变成几何关系、拓扑关系和属性信息保留完整的轻量化模型。结合来自PDM的BOM，对产品需求进行分析，进行整体的装配工艺规划，确定典型装配工艺。在企业的典型装配工艺库的支持下，完成对已有类似典型装配工艺的复用或者新工艺的补充入库。对整体装配过程进行三维模拟仿真，加入工装工具。将生成的三维工艺文件导入到PDM系统，并签发至MES系统，指导现场的实际装配工作。数据在企业系统中的流通图如图1所示。

图1 基于仿真复用的三维装配工艺数据流通图

2 基于仿真复用的典型装配工艺方法设计

以基于仿真复用的三维仿真为核心的典型装配工艺的设计方法，从广义上来讲，属于装配工艺相似性重用。现有的装配工艺相似性重用，大体上可以分为2个层次：一是作为整体层面的装配工艺重用，其在很大程度上解决了装配方案和装配顺序的确定，但该方法对待装配目标与原装配体相似度要求极高，所以整体装配重用率低，应用范围狭窄，零部件可变动范围极小，柔性低；二是由局部装配中提取出的典型装配工艺，由于其只考虑局部的装配工艺是否相似，而对整体不做要求，所以其使用范围要更广，复用更高效。

本文采用的是局部层面装配。当装配目标与典型装配工艺完全一致时，其重用效率最高，但这种情况在实际装配中少之又少。因为典型装配工艺数据库既要保证搜索的准确高效，又不能使数据库过于冗余，所以在绝大多数情况下，从数据库中调出的典型装配工艺是要经过修改才可以使用的。对典型装配工艺的修改，尤其是对三维仿真的修改工作量是相当大的，因为往往所谓的仿真修改是要重新定义的。

为了解决上述问题，保证修改更简洁，对典型装配工艺的复用更高效，本文提出在更细的层次上运用复用思想，即建立可复用仿真活动的数据库，用于存放所用的可复用仿真活动，在编制三维仿真工艺文件时，从库中调用仿真活动进行复用。

以基于仿真复用的三维仿真为核心的典型装配工艺，按照功能和业务流程可分为4大主要模块：典型工艺定义模块、典型工艺库模块、典型工艺应用模块以及三维装配仿真模块。

2.1 典型工艺定义模块

该模块的主要功用是生成新的典型装配工艺。当划分完总体装配工艺，确定出典型装配工艺，并经过在典型装配工艺库中检索，确定无类似典型装配工艺后，应使用典型工艺定义模块对新的典型装配工艺进行规划、描述和定义，完成典型工艺数据的生成。

典型装配工艺的生成是完成行业内部装配工艺知识的整理、补充与积累的基础，是装配工艺复用的前提。该模块主要完成2个任务：1)指定装配所需的所有零部件及其相关的配合关系、装配方式、工装工具、标注、图解、属性和管理信息等必要的信息；2)为典型装配工艺合理命名，并在典型装配工艺库里为其进行合适的分类。

2.2 典型工艺库模块

典型工艺库模块的功能是当新的典型装配工艺生成后，将此文件信息进行保存；当已有的典型装配工艺被检索并确认可以复用后，将其从库中取出。

该模块是建立典型工艺数据库的核心模块，也是与数据库直接关联的唯一模块。当新的典型装配工艺完成，并交有关专家评审通过后，该模块要求用户提供工艺数据文件的名称和分类，其自动将文件保存在数据库相应的分类目录下面；当需要取出所需的典型工艺进行复用时，用户仍需调用该模块。

显然，正确而合理地将工艺文件存入数据库是复用的前提和关键。为此，应对工艺有合理的命名和分类。命名应能体现出装配工艺的属性和范围，既要考虑到复用时，检索的快捷、高效和准确，又要避免模糊、不确定和范围过大。

2.2.1 装配分类标志选取

装配工艺数据库的分类按其用途可分为3类：供设计检索用的分类系统、供工艺检索用的分类系统、设计与工艺兼顾的分类系统[5]。本文根据行业需要，采用的是供工艺检索用的分类方式，而分类标志作为分类依据是分类的关键，本文分类标志是以装配特征作为选取对象。装配特征是以一定的具有几何拓扑关系，并用于装配的形状结构为载体，包含与自身制造以及装配有关的所有属性的集合[6]。而组成产品的每个零件都可以提炼出一组描述与其装配有关的工艺特征[7]，包括零件级特征、关联功能级特征以及装配工艺级特征(见图2)。其中，零件级特征和关联功能级特征决定了装配工艺级特征，分类标志选取的是前两者的部分相关属性，并由此映射出各装配类型对应的典型装配工艺[8]。

图2 装配特征概念及分类层次

2.2.2 断路器产品装配分类

为了建立方便工艺检索、层次分明的数据库，需要对产品的装配进行分类。该分类按照行业的原则和经验，在横向和纵向2个方向上进行。横向分类便于快速缩小检索范围，所以是粗分，其分类标志是产品总装结构件的类型；纵向分类是为了精细、准确检索结果，所以是细分，其分类标志是产品总装结构件的类型，是前文提到的零件级特征和关联功能级特征。断路器产品装配的横向分类及其各自对应的纵向细分标志见表1。

2.3 典型工艺应用模块

用户规划好典型装配工艺后，需要先在库中检索有无类似工艺可以复用。典型工艺应用模块就是专门提供检索功能的，用户在该模块下选择要用的零部件，该模块自动提取零部件的名称、代号等相关属性信息，并根据这些信息在库中自动进行检索。当检索结果有多个时，会将所有结果列举在对话框中，供用户手动选择最优，完成人机交互。

表1 横向分类及其纵向细分标志

典型工艺在工艺库中的检索是一种工艺匹配过程。该过程主要是利用典型装配工艺的固定属性作为识别特征。该特征应具有方便识别、不可替代的特点[9]。

基于三维仿真的典型装配工艺系统从本质上来讲，是基于实例推理(CBR)技术[10]，更准确地说是Aamodt等定义的4R推理模型[11]。实例通常由问题描述和解描述两部分组成，其中，前者是建立实例检索和进行实例检索的关键，后者是相应的求解过程[12]；因此，实例的检索实质上是对装配关系及其相关零件进行比较，其重点是提高检索效率和检索准确度[13]。由此，本文用相似度S表示检索到的典型装配工艺在目标装配中的可重用程度[14]。设对象x,y的相似度用sim(x,y)表示，sim(x,y)∈[0,1]，且满足条件：1)对称性，sim(x,y)=sim(y,x)；2)自反性，sim(x,x) = 1；3)非负性，sim(x,y)≥0[15]。其中，S越大，可重用程度越高，当S=1时，表示可直接重用。当检索结果不止1个时，选用S最大的。S的计算可选用通用的最邻近算法：

式中，n为分类标志的属性的个数；ωj为第j个属性的权重值，该值由用户根据实际情况进行指定，并满足式1；sim(xj,yj)为x、y两对象第j个属性的相似程度，按属性的定性和定量两类别的不同，可按式2和式3分别进行计算。

(1)

(2)

(3)

查询时，需输入目标装配工艺的各个属性值，经由上述公式计算出典型装配库中各个相似工艺的相似度。用户可选用相似度最高的装配工艺。

2.4 三维装配仿真模块

三维装配仿真模块是生成三维仿真工艺文件的模块，所有仿真活动都是由该模块生成，包括新装配工艺的模拟仿真、已有典型装配工艺的仿真修改和可复用仿真活动的定义等。对任何装配动作进行模拟仿真都离不开几何算法，本文对所有零件的装配在其几何实质上进行分类，然后对分类结果进行几何算法规划，得到所有所需的几何算法，再对几何算法进行分析，得到描述算法的公式。

2.4.1 装配活动的分类

根据实际装配过程，任何2个几何体之间的装配都是如下情形中的1种或几种：

1)平面与平面相合。

a.平面1、2各自所在的平面1′、2′有夹角θ(锐角)，交线为直线L，点A、B分别为平面1、2的定位点。以L为轴线，旋转平面1′或2′，角度为θ，使两者重合；在平面1′内，做点A、B的连线，距离为C，平面1在平面1′内沿AB方向平移C，使点A、B重合。

b.平面1、2各自所在的平面1′、2′相互平行，点A、B分别为平面1、2的定位点。点A向平面2′投影得到点A′，平面1沿着投影方向平移，使点A与点A′重合；在平面1′内，做A、B连线，距离为C，平面1在平面1′内沿AB方向平移C，使点A、B重合。

c.平面1、2均在平面1′内，点A、B分别为平面1、2的定位点。在平面1′内，做点A、B连线，距离为C，平面1在平面1′内沿AB方向平移C，使点A、B重合。

2)直线与直线重合。点A、B分别为直线1、2的端点，m、n分别为直线1、2的方向向量。根据m、n求出两直线之间的角度θ(锐角)，直线1绕点A旋转角度θ，得到直线1′平行于直线2。做点A、B连线，距离为C，直线1′沿AB方向平移C，使点A、B重合。

3)轴与轴重合。此配合关系仅针对2个圆柱面、2个椭圆或2个圆。首先获取2个圆柱面、椭圆或圆的轴线，然后根据直线与直线重合的计算方法，即可计算出工具或设备模型需要旋转的角度和平移的距离。

4)直线与平面垂直。直线1、2分别为已知直线和平面的法线，点A、B分别为直线1、2的端点，m、n分别为直线1、2的方向向量。根据m、n求出两直线之间的角度θ(锐角)，直线1绕点A旋转角度θ，得到直线1′平行于直线2。

2.4.2 装配活动的几何算法

由上述情况可以发现，任何配合都可以通过空间内的若干次平移和旋转来完成；因此，对任何装配动作的仿真定义都可以分解为对零部件模型的平移运动和旋转运动。

三维坐标系当前的仿真运动比例为f，对平移运动的定义，需指定平移方向v(单位向量)、平移距离d作为输入参数，可得到平移动作的向量为：

p=dfv

对旋转运动的定义，需指定旋转轴线方向向量v(v=(a，b，c))、轴上定位点O、旋转角度θ作为输入参数，可得旋转矩阵为：

由点O的位置向量为o=(x，y，z，1)T，计算出三维模型的旋转位置矩阵如下：

M=(-o)T·R(θ,v)·(o)T

2.4.3 基于仿真复用的装配仿真

为提高新建装配工艺的仿真和修改已有装配工艺的仿真效率，本文提出在更细的层次上运用复用思想，即将常见的装配仿真动作定义完整并存入仿真动作库，等到再次定义相同零件的仿真动作时，系统会把该零件已有的所有仿真动作，按推荐指数，依此从高到低进行排列，供用户挑选复用。

2.4.3.1 仿真动作库的建立

仿真动作库是仿真动作复用的基础。该类数据库既要满足新建仿真动作的保存归类合理，也要保证检索的快速、准确，因此，数据库的层次关系一定要清晰。本文把该数据库分为3层：第1层分层标志是配合方式；第2层分层标志是连接方式；第3层分层标志是零部件型号和工装工具。仿真活动数据库建立流程图如图3所示。

图3 仿真活动数据库建立流程图

现以型号M12的螺栓联接为例说明仿真活动的建立过程，具体步骤如下。

1)打开数据库，在静配合→螺栓联接分类下，新建名为“M12气动扳手栓接”的工艺资源项。

2)导入装配零部件M12螺栓和螺母，以及工装工具气动扳手，读取它们的三维模型数据、零部件代号和工具代号。

3)根据螺栓和螺母以及气动扳手的坐标位置、几何信息和配合关系，定义仿真活动。气动扳手是套在螺栓上的，两者的定位关系可以通过2步确定：一是两轴线重合；二是扳手内六角的任一平面和螺栓头部外六角的任一平面重合。接着定义可复用的仿真动作。对螺栓在同时段内定义一个沿着轴线的平移运动和一个绕着轴线的旋转运动。平移距离为30 mm，旋转角度为3 600°(10圈)，则它们的运动可以同步进行，看起来就像一个螺旋仿真运动。

4)增加三维标注“使用气动扳手进行栓接”以及相应的技术要求等文档。

5)在可复用工艺资源库中保存新建的可复用仿真活动。完成可复用仿真活动的定义与入库。

2.4.3.2 推荐指数算法

推荐指数作为系统向用户推荐可复用仿真活动的指标，应科学合理，符合实际装配情况。考虑到该仿真库是专用于断路器系列产品装配仿真的，对于同一零件，考虑到经济原因、工人操作水平等因素，其工装工具等都是一致的。在实际装配过程中，相同零件的装配一般都是集中安排在同一工位，所以本次装配活动与上次可能是相同的。

基于上述分析，给出推荐指数Pi的计算公式：

式中，Ci表示同一零部件的第i个可复用仿真活动的已复用次数；Qi表示该零部件的最近一次复用是否复用的第i个可复用仿真活动，若是，Qi取1，否则，Qi取0；ω1与ω2作为权值，代表着2个因素对Pi的影响大小，满足ω1+ω2=1，本文根据实际情况，选取ω1与ω2分别为0.8和0.2。

2.4.3.3 仿真动作的复用

新建仿真动作时，用零件名称作为关键字在库中进行检索，系统将所有可复用仿真动作按照推荐指数由高到低排列。用户根据实际情况选出欲复用的仿真活动，并按照对应关系将现有零部件、工装工具等与复用的仿真活动进行匹配，系统根据匹配关系自动生成新的仿真活动。用户根据复用的仿真活动完善仿真活动的标注、属性等信息，使之成为完整的仿真活动。更新本次复用仿真活动的应用次数，并把此仿真活动作为该零部件最近使用的仿真活动。完成本次仿真复用后，根据实际情况，决定是否继续复用仿真活动。复用流程图如图4所示。

图4 仿真活动复用流程图

基于仿真复用的三维装配仿真，其流程图如图5所示。若仿真活动库中存在适用的仿真活动，则进行复用；否则，新建可复用仿真活动，并按类别保存在仿真活动库，以完成该库的完整与完善。

图5 以仿真复用为核心的三维装配流程图

2.5 典型装配工艺数据库的建立

典型装配工艺数据库是典型工艺复用的基础，是实现工艺知识积累的重要手段。在产品装配工艺编制时，工艺人员确定出典型装配工艺，并完成典型工艺的编写，经合适的命名和分类后，存入数据库相应的类别下面。数据库建立的流程图如图6所示。其中，典型装配工艺的确定原则是此工艺不经或少经修改后可在不同产品间相互借用，或在同一产品全装配周期过程中反复应用。

图6 典型装配工艺数据库的建立流程图

3 基于仿真复用的三维装配工艺设计

传统的三维装配工艺设计是采用人机交互和知识导航相结合的方式。首先利用自动推理机制，在设计结构树信息、工装工具库信息的基础上，按照装配规则，寻找到所有可行的装配工艺方案，设计师再利用自己的装配经验知识对规划结果进行确认和交互编辑，最终形成三维数字化装配工艺[16]。本文的装配工艺设计与传统方法的差别在于：重视了典型工艺的复用率和以仿真动作复用为核心的三维仿真为主的工艺文本保存形式，即在传统工艺设计流程的基础上增加了典型装配工艺复用环节、仿真动作复用环节和三维仿真环节，并根据合理的设计，使典型装配工艺库和可复用仿真动作库不断完善。典型装配工艺复用时，经用户修改可形成新的工艺。而对于新工艺是否保存，需要用户根据行业情况决定，原则上是既要典型装配工艺库的不断完善，又不能由于数据冗余而造成检索效率下降等问题。工艺设计流程图如图7所示。

图7 工艺设计流程图

4 应用实例

本文以断路器装配中极柱的固定作为典型装配工艺实例进行验证。极柱与机架通过螺纹联接的方式固定配合。极柱的直径、所需个数和断路器电压等级的不同，会造成所需的螺钉个数、规格、分布形状、拧紧顺序、螺钉头类型和防松类型等属性的不同。其中，数据库中各典型装配工艺的属性参数表见表2，目标装配工艺的属性参数表见表3。

表2 可复用典型装配工艺的属性

表3 目标装配工艺的属性

10项属性的权值分别为0.11、0.15、0.08、0.10、0.12、0.14、0.20、0.01、0.04和0.05。极柱尺寸分为3个等级：小尺寸、中等尺寸和大尺寸，并分别赋值为0、1和2。将电压等级按照10的指数可分为kV级和10 kV级，分别对应0级和1级。经计算可得：S1(0，1)=0.297；S2(0，2)=0.685；S3(0，3)=0.825，则S=max(S1，S2，S3)=0.825。选用第3个典型工艺进行复用，并根据现装配实际情况对原有典型装配工艺进行必要的修改。

在典型工艺的应用模块中，按照实际情况指定待装配的三维零件模型与典型装配工艺中对应的零件的匹配关系，指定后待装配零件会按照典型装配工艺的定义自动装配工艺文件。对生成的装配工艺文件，根据现装配实际情况进行必要的修改。

在三维仿真工艺文件中，极柱与壳体的配合按照指定匹配可以完成，而螺栓则由于型号不同，造成旋合长度、工装工具等的不同，所以应修改螺栓M12的紧固仿真动作。由于本文的典型装配是基于三维仿真的，所以装配动作也是典型装配工艺的重要内容。

在仿真库中，根据关键字“螺栓M12”查询到“活动扳手栓接”“气动扳手栓接”和“呆扳手栓接”等3种仿真活动，且分别被使用过2、5和3次，最后一次使用的是“气动扳手栓接”。经计算，推荐指数分别为0.16、0.6和0.24，直接复用“气动扳手栓接”仿真动作进行装配工艺修改，避免了重新定义。

5 结语

本文主要探讨了以基于仿真复用的三维仿真为核心的典型装配工艺的参数化设计方法，提出了以建立典型装配工艺库的方式完成行业内装配工艺知识的积累和派生产品装配工艺的复用；在前者基础上提出以装配的三维仿真作为保存工艺文件的一种方式，完成企业内部的数字化和集成化，以可视化方式大大提高了装配工艺复用的直观性和准确性；而在三维仿真环节，提出了仿真活动复用的方法，无论是定义仿真活动还是修改仿真活动，都大大简化了操作，提高了效率。通过在断路器产品的装配中，应用此方法减少了装配工艺编排的重复，提高了装配工艺编排的效率，保证了装配工艺文件的准确、直观，有效地提高了装配工艺设计的效率。

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*智能制造综合标准化与新模式应用项目(2015ZXB0702)