CN101216862A - 无纸化三维装配工艺文件的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前对三维装配系统的需求以及二维纸质工艺文件无法直观反映装配细节与要求的缺点，公开了一种可直观，交互地对型号产品装配资源进行三维装配工艺规划并生成三维工艺卡片和装配过程动画的无纸化三维装配工艺文件设计方法，该软件是由(1)模型信息转换模块、(2)装配工艺路径规划模块、(3)装配工序卡片设计模块、(4)装配工艺文件浏览模块和(5)工装/工具管理模块五大部分组成。解决了二维纸制工艺文件无法直观反映装配细节与要求，不利于操作人员理解和使用的问题，具有直观性、交互性好的特点，通过它，工艺人员可以通过导入的CAD设计模型，方便的编制三维装配工艺文件，也可以对装配现场的操作人员起到示教的作用。

Description

无纸化三维装配工艺文件的实现方法

技术领域

本发明涉及一种产品装配工艺的生成方法，尤其是三维装配工艺文件的获取、生成方法，具体地说是一种无纸化三维装配工艺文件的实现方法。

背景技术

众所周知，装配是产品生命周期中的重要环节，是根据确定的精度标准和技术要求，将一组零散的零件通过合理的工艺流程及各种必要的方式联结组合起来，使之成为产品的过程；是影响产品性能、质量、开发周期和成本的主要因素之一。所以装配工艺的设计及实施质量决定着产品的竞争力。随着三维CAD软件的迅速发展与普及，三维CAD技术正在代替二维CAD系统成为企业产品创新设计和数字化设计制造的基础平台。

目前的装配工艺设计都是针对二维图纸采用人工编制，编制周期长，过分依赖工艺人员的技术水平和装配经验，装配工艺设计繁琐且不规范。而计算机辅助工艺规划(CAPP)系统只是提供一个进行人工编制工艺卡片的计算机平台，基于二维视图的装配工艺设计知识的表达、生成、组织与管理比较困难，并无法直观地，交互地对装配过程进行仿真和评估，另外二维纸质工艺文件无法直观反映装配细节与要求，给工艺技术状态控制、操作人员理解、使用带来困难。

目前对于三维装配技术的研究集中在利用计算机对产品的空间几何、拓扑结构和装配约束关系进行自动分析和推理，建立零部件间的装配顺序优先约束，从而找出所有几何上可行的装配序列，并通过某种评价机制(如最短装配时间和最小装配成本)进行优选。但据申请人所知，目前尚无一个完整的，用于三维装配工艺规划并生成三维工艺卡片和装配过程动画的三维装配工艺设计方法可供人们借鉴使用。

发明内容

本发明的目的是针对传统的基于二维CAD的CAAPP系统将难以完全满足企业CAD/CAPP/CAM集成的需要以及传统的基于手工的装配工艺设计方法不能满足制造系统高效率、信息高度集成的要求，不能满足瞬息万变的市场对产品开发周期的要求的问题，发明一种基于三维CAD基础设计平台的、可由工艺设计人员直接调用产品CAD数据库，快速完成无纸化三维装配工艺文件的实现方法。

本发明的技术方案是：

一种无纸化三维装配工艺文件的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，由工艺设计人员从产品设计数据库中调取待装配产品的CAD装配文件，利用CAD二次开发接口程序读取CAD装配模型文件的层次信息、约束信息，建立约束链表，并由程序重新进行组织生成零件的拓扑信息和装配信息，存入装配信息数据库ASSEMBLY_DB中；

其次，利用CAD软件对零件的CAD设计模型进行三角面片分割，生成三角面片文件(如STL、VRML等文件格式)，然后建立零件模型的各种几何特征(轴线，平面，圆柱面等)与面片之间的映射关系，并通过数据转换接口程序生成包含这些面片信息的虚拟现实文档——NFF格式文件，获得能够利用虚拟现实软件开发包World Toolkit显示的装配模型的几何信息；

第三，由系统根据零件的装配约束和接触数目推荐各子装配体的基础件，并高亮显示与之有装配约束和接触关系的其他零件，然后由工艺设计人员确定各个子装配体，通过软件建立初步的层次装配结构和子装配体的装配顺序；

第四，以上述层次装配结构和子装配体的装配顺序为基础，在虚拟装配环境中选取工装/工具模型依次对装配单元进行装配，实时进行碰撞干涉检测，验证装配顺序的可行性及装配的合理性，得到可行的零件装配工步序列表。同时由软件记录所有可行性装配的路径结点信息；

第五，工艺人员将上述工步顺序以及装配路径结点信息按照生产线实际工位进行组合，得到每个工序的三维立体图文件和装配动画效果文件，同时生成工艺卡片，其中工艺卡片主要包括二个部分：文字表格区域和三维装配动画区域，由工艺人员对文字表格部分进行编辑，根据四中产生的装配路径结点信息生成三维装配动画，并嵌入到工艺卡片中；

最后，将上述生成的每个工序的三维立体图文件、装配动画效果文件及工艺卡片保存到装配数据库中，由装配人员根据工位编号查询数据库调用本工位的工艺卡片及三维立体图文件、装配动画效果文件在工位显示器中显示，并能根据装配人员的要求反复演示示教。

本发明的有益效果：

本发明解决了二维纸制工艺文件无法直观反映装配细节与要求，不利于操作人员理解和使用的问题，具有直观性、交互性好的特点，通过它，工艺人员可以通过导入的CAD设计模型，方便的编制三维装配工艺文件，也可以对装配现场的操作人员起到示教的作用。以便于降低装配设计成本、缩短装配周期和提高运行效率。

附图说明

图1是装配三维工艺设计系统软件结构图。

图2是装配信息层次结构模型。

图3是STL文档格式与中性文件格式数据转换流程图。

图4是装配模型信息转换模块流程图。

图5是装配工艺路径规划模块流程图。

图6是装配工序卡片设计模块流程图。

图7本发明实例中的装配三维工艺设计系统主界面示意图。

图8是本明实例中的装配三维工艺设计系统模型转化界面图。

图9为本明实例中的工艺卡片设计界面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种无纸化三维装配工艺文件的实现方法，它包括以下步骤：

首先，由工艺设计人员从产品设计数据库中调取待装配产品的CAD装配文件，利用CAD二次开发接口程序读取CAD装配模型文件的层次信息、约束信息，建立约束链表，并由程序重新进行组织生成零件的拓扑信息和装配信息，存入装配信息数据库ASSEMBLY_DB中，如图2所示；

其次，利用CAD软件对零件的CAD设计模型进行三角面片分割，生成三角面片文件(如STL、VRML等文件格式)，然后建立零件模型的各种几何特征(轴线，平面，圆柱面等)与面片之间的映射关系，并通过数据转换接口程序生成包含这些面片信息的虚拟现实文档——NFF格式文件，获得能够利用虚拟现实软件开发包World Toolkit显示的装配模型的几何信息，如图3所示；

第三，由系统根据零件的装配约束和接触数目推荐各子装配体的基础件，并高亮显示与之有装配约束和接触关系的其他零件，然后由工艺设计人员确定各个子装配体，通过软件建立初步的层次装配结构和子装配体的装配顺序；

第四，以上述层次装配结构和子装配体的装配顺序为基础，在虚拟装配环境中选取工装/工具模型依次对装配单元进行装配，实时进行碰撞干涉检测，验证装配顺序的可行性及装配的合理性，得到可行的零件装配工步序列表。同时由软件记录所有可行性装配的路径结点信息；如图5所示；

第五，工艺人员将上述工步顺序以及装配路径结点信息按照生产线实际工位进行组合，得到每个工序的三维立体图文件和装配动画效果文件，同时生成工艺卡片，其中工艺卡片主要包括二个部分：文字表格区域和三维装配动画区域，由工艺人员对文字表格部分进行编辑，根据四中产生的装配路径结点信息生成三维装配动画，并嵌入到工艺卡片中，如图6所示；

最后，将上述生成的每个工序的三维立体图文件、装配动画效果文件及工艺卡片保存到装配数据库中，由装配人员根据工位编号查询数据库调用本工位的工艺卡片及三维立体图文件、装配动画效果文件在工位显示器中显示，并能根据装配人员的要求反复演示示教。

具体地说本发明是通过五个模块来实现的，它们是：(1)模型信息转换模块、(2)装配工艺路径规划模块、(3)装配工序卡片设计模块、(4)装配工艺文件浏览模块和(5)工装/工具管理模块。以下分别加以介绍：

(1)模型信息转换模块：

从CAD系统提取装配模型的几何信息、拓扑信息和装配信息，并且在虚拟装配环境下建立零件层次模型和信息映射，实现产品装配模型信息从CAD平台到虚拟现实环境平台的转换。它包括以下步骤：

a、用户登录处理，工艺设计人员登陆成功进入下一模块，登陆不成功退出模块，装配操作人员登录成功进入装配工艺文件浏览模块，登录不成功退出模块；

b、用户成功登陆后，系统通过CAD二次开发接口读取CAD装配模型的层次信息(包括装配体、零件、特征、几何面等信息)、约束信息(包括贴合、对齐、相切等定位关系和各种配合关系)等，并重新进行组织生成拓扑信息和装配信息，存入装配数据库ASSEMBLY_DB中；

c、对CAD设计模型进行三角面片分割，然后建立各种几何特征与面片之间的映射关系，并通过数据转换接口生成包含这些面片信息的虚拟现实文档——NFF格式文件，获得装配模型的几何信息；

装配体主要的装配几何特征为直线、平面、圆柱面、球面。具体信息的表达为：

<面片>::<P₁，P₂，P₃，n>，其中P1，P2，P3表示三角面片的3个顶点，n表示三角面片的法矢量；

<轴线>::<P，n>，其中P表示轴线上一点，n表示轴线单位矢量；

<平面>::<P，e_n>，其中P表示平面上一点，e_n表示平面单位矢量；

<圆柱面>::<P，n，R>，其中P表示中心轴上一点，n表示轴线单位矢量，R表示半径；

<球面>::<O，R>，其中O表示球心，R表示球半径；

d、在虚拟装配环境中显示装配零件模型。

(2)装配工艺路径规划模块：

本模块用于实现对产品零部件装配序列以及装配路径的生成和优化，它包括以下步骤：

a、根据装配数据库中的约束信息和子装配体判断规则，用户对装配件划分出子装配体，生出初步的层次装配模型和子装配集的装配顺序；

对于子装配体的判断存在以下的假设：①一个安装过程只安装2个装配体(或者零件)；②由n个零件组成的装配体，其子装配的零件数目m存在关系：2≤m＜n；③1个零件同时只能属于1个子装配体；④子装配体的结构是稳定的，即组成子装配体的零件之间的约束是完整的；⑤子装配体中的零件至少与同装配体中的其他一个零件有装配或者接触关系。由系统根据零件的装配约束和接触数目推荐各子装配体的基础件，并高亮显示与之有装配约束和接触关系的其他零件，然后由用户确定各个子装配体。

b、在虚拟装配环境中选取工装/工具模型依次对装配单元进行装配，实时进行碰撞干涉检测，验证装配顺序的可行性及装配的合理性。当装配单元发生干涉，则回到a，对装配顺序重新划分；

c、记录所有可行性装配的顺序和装配路径，直至装配完毕；

(3)装配工序卡片设计模块：

本模块的主要作用是：实现三维装配工艺卡片的创建和编辑功能，它包括以下步骤：

a、创建新的工艺卡片文档，用户可以根据需求对工艺卡片进行更改和重新设计，工艺卡片主要包括二个部分：文字表格区域和三维装配动画区域。文字表格区域包括装配工艺号、装配零件明细、装配操作说明等文字说明内容，三维装配动画区域用来显示可以进行缩放、转变视角、播放、暂停、后退等操作的三维装配动画；

b、系统将(2)中记录的最终装配顺序转化成装配工艺路线，填写到工序卡片的工序号和工步内容栏中，并由工艺设计人员对工艺卡片其他内容进行编辑；

c、根据(2)中记录的装配路径信息对三维模型进行仿真，并根据生成的每个工步内容创建装配过程动画来代替传统的二维工艺示图；

d、建立b中工步与c中三维装配动画帧的映射关系。

(4)装配工艺文件浏览模块：

用于实现三维工艺卡片和装配动画的浏览功能。其特征是，对(3)中建立的装配工艺文件文档进行浏览，其中装配动画嵌入三维工艺卡片中，并且根据(3)中所建立的工序号与装配动画帧的映射关系显示各步工序的装配动画，对有装配关系的零件高亮显示。包括三维工艺文件打开、关闭、翻页、页面滚动等操作功能以及装配动画的缩放、转变视角、播放、暂停、后退等功能。

(5)工装/工具管理模块：用于实现工装/工具的信息添加，删除和查询功能。

下面结合一个实例作进一步的说明：

用户在Windows 2000/xp环境下运行本软件。首先显示的是版本信息及制作单位信息，然后进入主界面，主界面如图7(已经将模型导入)。

图8为模型转换及导入界面，用户在对话框中选择CAD设计模型，点击导入按钮，同时启动Pro/Engineering软件以及二次开发接口程序，利用二次开发接口将零件的装配信息和拓扑信息保存到后台的装配数据库，并将零件的几何信息以中性文件导出到默认文件夹。

然后进入装配工艺路径规划模块，由用户根据提示交互的划分子装配体，生成装配层次树，并在装配窗口对零件进行模拟装配，系统实时的进行碰撞干涉检测，来验证装配顺序和路径的合理性。装配成功后，点击确定，由系统记录装配的次序和装配路径，并显示出构建的装配顺序树。

图9为工艺卡片设计界面。

Claims (1)

1.一种无纸化三维装配工艺文件的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，由工艺设计人员从产品设计数据库中调取待装配产品的CAD装配文件，利用CAD二次开发接口程序读取CAD装配模型文件的层次信息、约束信息，建立约束链表，并由程序重新进行组织生成零件的拓扑信息和装配信息，存入装配信息数据库ASSEMBLY_DB中；

其次，利用CAD软件对零件的CAD设计模型进行三角面片分割，生成三角面片文件，然后建立零件模型的各种几何特征与面片之间的映射关系，并通过数据转换接口程序生成包含这些面片信息的虚拟现实文档——NFF格式文件，获得能够利用虚拟现实软件开发包World Toolkit显示的装配模型的几何信息；

第三，由系统根据零件的装配约束和接触数目推荐各子装配体的基础件，并高亮显示与之有装配约束和接触关系的其他零件，然后由工艺设计人员确定各个子装配体，通过软件建立初步的层次装配结构和子装配体的装配顺序；

第四，以上述层次装配结构和子装配体的装配顺序为基础，在虚拟装配环境中选取工装/工具模型依次对装配单元进行装配，实时进行碰撞干涉检测，验证装配顺序的可行性及装配的合理性，得到可行的零件装配工步序列表；同时由软件记录所有可行性装配的路径结点信息；

第五，工艺人员将上述工步顺序以及装配路径结点信息按照生产线实际工位进行组合，得到每个工序的三维立体图文件和装配动画效果文件，同时生成工艺卡片，其中工艺卡片主要包括二个部分：文字表格区域和三维装配动画区域，由工艺人员对文字表格部分进行编辑，根据四中产生的装配路径结点信息生成三维装配动画，并嵌入到工艺卡片中；

最后，将上述生成的每个工序的三维立体图文件、装配动画效果文件及工艺卡片保存到装配数据库中，由装配人员根据工位编号查询数据库调用本工位的工艺卡片及三维立体图文件、装配动画效果文件在工位显示器中显示，并能根据装配人员的要求反复演示示教。

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