0 引言
現在三維CAD/CAPP技術越來越發展，許多企業正在實現三維技術的普及與應用并貫穿產品的設計、分析、制造、裝配、售后及維修的全生命周期。裝配是產品生產中的重要一步，但現在對三維裝配CAPP的研究還是處在一個起步階段。裝配CAPP在企業中存在的主要問題有：1）大多基本還是采用傳統的生產方法，只重視裝配工藝，對裝配順序沒有規劃，容易造成零件的庫存積壓，影響產品的生產周期；2）依靠傳統的工藝設計和自己的經驗，沒有規范的工藝路線和工藝規程，造成工藝的隨意性，對生產不利；3）對于相似零件的工藝規程，由于缺少工藝的編制或者很難找到以前的工藝文件，造成重復的設計，浪費了時間，缺少創新的時間。針對存在的問題，本文研究了基于三維參數化模型的裝配CAPP系統，提供一個可視化的裝配環境，實現數字化預裝配的工藝規劃，優化裝配方案，提高裝配效率，縮短產品交付期。
1 系統的特點與功能
本系統是順應了CAPP三維化的發展方向與趨勢，并且實現了與三維CAD的無縫集成，無需從外部重新導入模型，直接利用軟件的API函數在三維軟件solid edge的基礎上實現參數化驅動，并且通過可視化的窗口操作界面進行三維裝配工藝的設計，保證工藝決策的方便性與可靠性。
本系統運用參數化技術的設計方法建立新產品的三維模型，然后進行裝配的工藝規劃，實現以下功能：1）以VB軟件、Access數據庫以及Solid Edge三維軟件為支撐，根據產品的設計規則及相應的約束條件，通過參數化輸入界面，確定尺寸參數，自動驅動完成生成新產品零件模型；2）采用派生式裝配工藝設計方案解決相似的裝配工藝設計過程，然后運用成熟的人工智能方式訪問數據庫及知識庫，以人機交互的方式對設計出的裝配工藝內容進行添加、編輯、調整順序、保存等操作；3）按照設計出的裝配工藝順序自動進行三維模型的裝配仿真過程并形成動畫模式，實現按工序和工步的控制播放功能；4）按照零部件的屬性名稱配置裝配工序的名稱、內容等信息，并自動生成明細表、工藝卡等裝配工藝文檔。
2 系統平臺總體框架及其主要模塊
系統平臺分為用戶層、管理層、功能層、技術層、支撐層五層結構形式。具體如圖1所示。基本流程是首先是通過參數化設計出裝配新模型，然后在裝配模型基礎上進行裝配工藝規劃，實現自動化裝配，最后輸出裝配錄像與工藝文件。
1)角色權限管理模塊
本系統平臺的角色權限管理模塊，采用了類似RBAC（Role-Based Access Control 基于角色的訪問控制）模型結構，這種模型的基本概念是把權限與角色聯系在一起，用戶通過充當合適角色的成員而獲得該角色的許可權。在登錄本裝配CAPP系統時，需輸入用戶名和密碼，認證其是否具有使用本系統的權限，或者具有使用本系統哪些功能的權限。角色主要分為管理員，主任設計師、主任工藝師，設計員、工藝員。不同角色的用戶具有不同的操作權限。
圖1 系統體系結構圖
2)參數設計模塊
該模塊中的參數化設計采用了最大化建模方法。理清零部件參數化變型的特點，劃分出主從參數等級，通過調用Solid Edge/API函數編制代碼完成模型參數提交和模型驅動兩部分。參數設置是該模塊的核心。參數化設計使得本系統不僅具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。根據模塊化設計思想，把產品分解成各個部件分別驅動，然后組成總裝，每一個部件對應一個VB里的.bas模塊文件，使得程序結構清晰，維護方便。
3)裝配過程規劃模塊
該部分是本系統的一個核心部分，其中又具體分為裝配順序規劃、裝配要求技術圖解、裝配BOM清單、裝配過程仿真四部分內容。
裝配序列規劃方法是將裝配體層次化后再利用割集法求解裝配序列的方法。首先研究了裝配關系的有向圖表達方法，然后根據裝配體的模塊劃分，將裝配體進行分層處理，得到其分層有向圖，最后運用有向圖割集進行計算得到裝配序列的規劃。
裝配要求技術圖解是利用Solid Edge軟件PMI(Product&Manufacturing Information)功能，把裝配說明固定于裝配零件特定的位置，進而帶入到裝配動畫中，有效的改善了裝配工人的裝配體驗。
裝配BOM清單首先是將Solid Edge的裝配BOM信息輸入到Access數據庫，然后將Access數據庫中數據寫入Excel中，作為裝配BOM清單。
裝配過程仿真采用根據裝配關系裝配和坐標系裝配兩種裝配編程方法。對需要組裝的所有零件進行遍歷，確定具有裝配關系對象（如具體的面、軸線等），并對這些對象添加對應的裝配關系。在人機交互環境下，用戶一般不需要考慮坐標系，根據零部件的關系就可以確定等待加入的零部件的位置，而在編程過程中確定新零部件要裝入的坐標位置相對于重新定義新零部件與已裝零部件之間的關系更加容易。
4)工藝卡片生成模塊
該模塊按照相似性原理，用關鍵詞檢索系統的典型工藝資源庫，通過對檢索到的典型裝配工藝過程卡片、系統圖進行修改、編輯，成為所需的二維的裝配工藝文件。本系統根據JB/T9165.1-9165.4-1998推薦的表格式樣，結合三維裝配CAPP軟件的特點，定制了幾種表格模板，并可以根據各個工廠的實際情況，對工藝卡片進行局部樣式修改。
3 裝配順序規劃原理及方法
為了降低裝配順序規劃的難度，提高規劃效率，利用模塊化的思想，采用了一種基于分層有向圖模型的裝配順序規劃方法。在分層有向圖模型中，首先利用模塊化方法將復雜裝配體分解成多個子裝配體，然后對每一層進行裝配順序規劃。最后利用有向圖之間的層級關系進行組合形成整個產品的裝配順序。
橋式起重機小車可以分為小車架、運行機構、主起升機構和副起升機構，以橋式起重機小車的主起升機構為例，其分層有向圖的結構如圖2所示。
圖2 主起升機構的分層有向圖
圖中每個結點代表一個裝配體或者是一個零件，結點之間的有向連接為裝配關系，無向連接為父子關系。所有以某結點為父結點的裝配單元形一個新的局部分層有向圖。最頂層結點P1代表主起升機構，中間層結點P2代表減速機部分，包括減速機與減速機座，P3結點代表電機部分，包括電機與電機座，P4代表傳動部分，P5代表起吊部分，最底層結點所代表的零部件如圖3所示。
圖3 小車主起升機構分層有向圖各結點代表的零部件
有向裝配連接圖可由計算機利用CAD信息自動生成，以鄰接矩陣方式表達。鄰接矩陣包含了裝配模型兩部分信息，一是結點的信息，即裝配單元的數據。二是結點之間的關系，即裝配單元之間的從屬關系和定位關系。
上三角矩陣A[i][j]的創建方法如式：
根據分層有向圖原理，拆解后各層級有向圖的鄰接矩陣第二層，如B1，第三層如式C21、C22、C23、C24。
然后分別對各個層級的有向圖進行裝配順序推理，最后用有向圖之間的層級關系進行逆序組合形成整個產品的裝配順序。
4 系統的實現
本裝配CAPP系統利用VB、Access數據庫、solid edge三維軟件通過二次開發完成CAD與裝配CAPP的集成。對橋式起重機實現了“新建合同參數設置 模型驅動 裝配過程規劃 工藝文件輸出 自動裝配”的一體化。不同人員根據角色權限進行不同的操作。
設計員進行參數設置，不同的設計人員設計不同的產品部件，根據輸入的不同的參數確定新產品或新部件的尺寸與外形，通過模型驅動得到新產品模型。
工藝員對設計出的新產品進行裝配工裝規劃，可以對產品的某部分進行規劃，也可以對整機進行規劃。在裝配順序規劃界面上，如圖4所示，程序會自動讀出裝配樹的信息及自動規劃處裝配順序，同時在界面上可以預覽到對裝配順序規劃裝配體的整體三維模型，增加人機可視化水平，用戶還可以根據具體情況對裝配順序進行調整。
圖4 裝配順序規劃
在確定裝配順序后可以進行工藝文件生成，如圖5所示，對選定的裝配工藝過程卡進行編輯工序的操作，從而生成想要的裝配工藝過程卡片。在所有工藝過程完成后，調用Excel接口程序將裝配工藝內容輸入到Excel表格中相應的位置，并將此Excel保存在設定的路徑下成為生成的裝配工藝文件。
圖5 裝配工藝文件
最后根據規劃出的裝配順序依次調入需要裝配的零部件，并參照此零件數據表中的位置跟角度坐標放置到固定位置，從而實現了裝配過程的仿真。
5 結束語
綜合三維參數化技術與裝配CAPP技術，利用VB在三維軟件Solid Edge基礎上開發了“基于三維參數化模型的裝配CAPP系統”，并建立了系統的體系結構和主要功能模塊，實現了裝配CAPP與CAD的共享與集成，將產品設計與裝配工藝規劃有機的結合，下游的裝配規劃充分利用上游的參數化模型，在裝配工藝的基礎上又加入自動裝配仿真模擬以及生產工藝卡片，形成信息化的連貫性。通過應用表明，該成果大大提高了起重機的裝配效率與質量，縮短產品交貨期，提高企業的三維技術的信息化水平，滿足了企業快速響應市場的需求。
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本文標題：基于二維參數化模型的裝配CAPP系統研究
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