CN103646154A - 三维数字化总装工艺协同设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维数字化总装工艺协同设计系统，至少包括总装工艺数据管理模块、总装工艺流程管理模块、总装工艺人员组织管理模块、总装工艺权限管理模块、总装工艺协同设计模块、总装工艺仿真与验证模块和总装工艺数据发布模块。本发明的三维数字化总装工艺协同设计系统通过二次开发和软件实施，建立了一个以数据管理为核心的集成三维数字化协同环境，使产品三维模型在整个企业内各个业务环节上充分共享和使用；实现了分布式数据、文档协同管理，通过研究产品跨域协同设计制造业务流程的过程管理方法，使得产品从设计到工艺制造快速无缝集成，有效地缩短了产品的研制周期，实现了设计、制造的三维数字化。

Description

三维数字化总装工艺协同设计系统

技术领域

本发明涉及到一种计算机集成制造领域的系统，具体地，涉及一种三维数字化总装工艺协同设计系统。

背景技术

装配工艺设计是产品装配设计的主要内容，其解决产品的零部件装配顺序、装配路径、装配工艺方法和所用工具、夹具等问题。传统的装配工艺设计都是采用人工编制，存在编制周期长，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等问题。随着计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）技术在零件加工工艺设计的成功应用，计算机辅助装配工艺规划（Computer-Aided Assembly Process Planning，CAAPP）作为解决产品装配工艺规划问题的有效工具，也孕育而生。

目前的计算机辅助装配工艺规划主要依赖于二维的CAD图纸，存在以下不足：

（1）二维CAD很难表达复杂的产品结构和曲面外形，其图形的基本元素是点、直线和曲线，从这些基本元素的拓扑结构中很难快速得到准确的产品特征信息；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，不能有效的总结设计经验和设计方法；

（2）复杂的产品以及零部件只能以二维视图显示，对装配操作工人识图能力要求较高；零件的关键特征难以用二维视图中充分表现，理解困难，从而容易增加因为错误识图而导致的废品数量；装配工艺性能的评价以及审查不能有效进行，或流于形式；

（3）设计与工艺协同能力不足，设计结果是以二维图纸为主，三维模型为辅的形式发放到制造部门，由于缺少公差尺寸等制造信息，产品三维模型还无法取代二维图纸，直接用于工艺设计和生产制造；与此同时，工艺对设计的参与和反馈也非常有限，往往是在生产实际中发现了问题后，才进行反馈；

（4）设计更改问题出现时，二维工艺设计需要通过电话、纸质更改单等处理，设计工艺协同程度低，同时，伴随着大量的纸质浪费，与航天产业倡导的无纸化生产相悖。

随着三维CAD软件的迅速发展与普及，三维CAD技术正在成为企业产品创新设计和数字化设计制造的基础平台，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；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。随着基于特征建模的三维CAD系统的广泛应用，三维辅助装配工艺设计的需求也日益增加。三维装配工序简图形象、直观，可实现“爆炸”和动画，用以指导装配现场操作，比较直观，易于理解。因此，研究三维辅助装配工艺设计具有重要意义。

目前，三维辅助装配工艺规划系统开发大体上可分为以下两个技术方案：

1、基于虚拟装配技术（Virtual Assembly，VA）进行开发。所谓虚拟装配，就是利用虚拟现实技术，在虚拟环境中由操作者交互地对产品可装配性、可拆卸性、装配过程的碰撞干涉以及装配顺序和装配路径等装配工艺进行评估和优化。采用虚拟现实的开发工具，如WorldToolKit、Multigen等，用户可以操作各种虚拟外设（头盔显示器、力反馈数据手套、立体眼镜等），交互地进行装配工艺规划。

2.基于商业三维CAD软件进行开发。现有的商业CAD软件，诸如Pro/E、Solidworks、UG等，除了提供三维建模功能，还提供了强大的二次开发工具。同时，基于一个特定的三维CAD软件进行二次开发，成本投入少，并且开发出来的CAAPP系统与该CAD系统能够实现“无缝”集成。

综上所述，目前的三维装配工艺规划系统都只是强调三维数据在装配工艺规划中的使用，缺少三维数字化装配工艺设计全过程所需的数据管理、人员管理、过程管理等管理功能，同时无法实现三维数据从设计部门到工艺部门再到现场装配的贯通。解决这些问题的关键是建立一个统一的集成的装配工艺设计平台，为三维装配工艺设计的全过程提供支撑。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维数字化总装工艺协同设计系统，实现装配工艺设计的可视化和智能化，满足现代企业提高生产效率和市场竞争力的需要。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维数字化总装工艺协同设计系统，至少包括总装工艺数据管理模块、总装工艺流程管理模块、总装工艺人员组织管理模块、总装工艺权限管理模块、总装工艺协同设计模块、总装工艺仿真与验证模块和总装工艺数据发布模块；其中：所述总装工艺数据管理模块用于提供结构化的工艺数据管理模式，便于工艺数据的分类存放和快速检索；所述总装工艺流程管理模块用于提供业务流程建模功能，通过预定义的工作流模板对总装工艺流程进行控制和追踪；所述总装工艺人员组织管理模块用于提供人员组织的添加、删除和信息编辑功能；所述总装工艺权限管理模块用于通过ACL的权限控制方式，对所有用户的权限进行控制；所述总装工艺协同设计模块用于在可视化的环境中，利用三维模型开展总装工艺设计；所述总装工艺仿真与验证模块用于构建可视化的虚拟仿真环境，利用轻量化的三维模型和数字人体模型进行装配顺序的仿真与验证、装配路径的仿真与验证、人因工程相关仿真，同时生成相关的仿真动画；所述总装工艺数据发布模块用于将所述总装工艺协同设计模块生成的结构化工艺文件和所述总装工艺仿真与验证模块生成的仿真动画以网页的方式发布。

根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：所述总装工艺数据管理模块对于工艺过程中的产品设计数据和工艺数据，以型号为依据进行分类管理，同时建立工艺过程中所需的资源库、标准表单以及设计过程中需参考的标准规范库。

根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：所述总装工艺人员组织管理模块以组-角色-用户的结构进行人员组织管理，将所有相关人员根据部门分成不同的子组，在子组下根据用户的职务划分角色，再在角色下建立用户。

进一步地，根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：建立的用户中包括用户的姓名、登录密码信息。

根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：所述总装工艺权限管理模块对所有用户的读、写、更改权限进行控制。

根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：所述总装工艺协同设计模块能够建立结构化的工艺模板、资源库和产品树；同时能够规划装配顺序、生成装配树。

根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：所述人因工程相关仿真包括舒适性仿真、可视性仿真和可达性仿真。

根据上述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其中：所述总装工艺数据发布模块能够进行工艺文件检索、配套明细统计和现场作业指导。

如上所述，本发明的三维数字化总装工艺协同设计系统，具有以下有益效果：

（1）通过二次开发和软件实施，建立了一个以数据管理为核心的集成三维数字化协同环境，使产品三维模型在整个企业内各个业务环节上充分共享和使用；

（2）实现了分布式数据、文档协同管理，通过研究产品跨域协同设计制造业务流程的过程管理方法，使得产品从设计到工艺制造快速无缝集成，有效地缩短了产品的研制周期，实现了设计、制造的三维数字化。

附图说明

图1显示为本发明的三维数字化总装工艺协同设计系统的结构示意图；

图2显示为本发明的三维数字化总装工艺协同设计系统的应用框图。

元件标号说明

11   总装工艺数据管理模块

12   总装工艺流程管理模块

13   总装工艺人员组织管理模块

14   总装工艺权限管理模块

15   总装工艺协同设计模块

16   总装工艺仿真与验证模块

17   总装工艺数据发布模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明的三维数字化总装工艺协同设计系统1包括总装工艺数据管理模块11、总装工艺流程管理模块12、总装工艺人员组织管理模块13、总装工艺权限管理模块14、总装工艺协同设计模块15、总装工艺仿真与验证模块16和总装工艺数据发布模块17。其中：

总装工艺数据管理模块11用于提供结构化的工艺数据管理模式，便于工艺数据的分类存放和快速检索。具体地，对于工艺过程中的产品设计数据和工艺数据，总装工艺数据管理模块11以型号为依据进行分类管理，同时建立工艺过程中所需的资源库、标准表单以及设计过程中需参考的标准规范库等。

总装工艺流程管理模块12用于提供业务流程建模功能，通过预定义的工作流模板对总装工艺流程进行控制和追踪。

总装工艺人员组织管理模块13用于提供人员组织的添加、删除、信息编辑等各项功能。具体地，以组-角色-用户的结构进行人员组织管理，将所有相关人员根据部门分成不同的子组，在子组下根据用户的职务划分角色，再在角色下建立用户。建立的用户包括用户的姓名、登录密码等其他信息。

总装工艺权限管理模块14用于通过访问控制列表（Access Control List，ACL）的权限控制方式，对所有用户的读、写、更改等权限进行控制。

总装工艺协同设计模块15用于在可视化的环境中，利用三维模型开展总装工艺设计。具体包括建立结构化的工艺模板、资源库和产品树，实现装配工艺的可视化、结构化设计；同时提供装配顺序规划、装配树(In Process Assembly，IPA)生成等功能。

总装工艺仿真与验证模块16用于构建可视化的虚拟仿真环境，充分利用轻量化的三维模型和数字人体模型进行装配顺序的仿真与验证、装配路径的仿真与验证、人因工程相关仿真，如舒适性仿真、可视性仿真和可达性仿真；同时还可生成相关的仿真动画。

总装工艺数据发布模块17用于将总装工艺协同设计模块生成的结构化工艺文件和总装工艺仿真与验证模块生成的仿真动画以网页的方式发布，其可通过客户端的浏览器进行查看。其中，结构化工艺文件包括结构化的工艺规程、产品结构树、相关工具、工装、辅料等。具体地，总装工艺数据发布模块7能够进行工艺文件检索、配套明细统计、现场作业指导等，能够辅助完成装配操作过程中的工艺指导，提高装配工艺文档的指导效率，提高装配质量，也可作为培训新员工的示教手段。

如图2所示，上述设计系统为基于分布式的客户端/服务器体系结构，其中：服务器2上设置有数据库21，用于存放各个模块产生的数据，包括总装工艺流程管理模块12、总装工艺人员组织管理模块13、总装工艺权限管理模块14、总装工艺协同设计模块15、总装工艺仿真与验证模块16等产生的数据。以上数据通过总装工艺数据管理模块11在数据库21中保存和维护。客户端安装三维数字化总装工艺协同设计平台，包括总装工艺数据管理模块11、总装工艺流程管理模块12、总装工艺人员组织管理模块13、总装工艺权限管理模块14、总装工艺协同设计模块15、总装工艺仿真与验证模块16、总装工艺数据发布模块17等功能模块。各个模块之间的数据，通过网络和安装在服务器2端的数据库21进行数据交换。

利用上述三维数字化总装工艺协同设计系统，本发明的三维数字化总装工艺协同设计方法，包括以下步骤：

步骤S1、将设计部门输出的三维模型导入到三维数字化总装工艺协同设计系统中，对三维模型进行轻量化保存，通过总装工艺数据管理模块对保存的三维模型和轻量化后的三维模型进行分类管理。

其中，通过集成在CAD软件中的轻量化插件，对三维模型进行轻量化保存。

步骤S2、将已保存的三维模型发送到总装工艺协同设计模块，通过该模块中的结构管理器对设计BOM（Engineering BOM，EBOM）进行重新构建，生成满足工艺规划的工艺BOM（Process BOM，PBOM）。

其中，编辑和重构的原则参照面向复杂产品的EBOM到PBOM的四种映射规则，通过在结构管理器中以手动添加和复制等方式，实现EBOM到PBOM的转换。

步骤S3、进行BOM检查，检查EBOM结构和PBOM结构之间的区别，从而确定PBOM的创建是否完整和合理。

其中，比较过程中可以选择包括单层比较、多层比较和底层比较等比较模式，并通过不同的配置，对比较结果进行解释。

步骤S4、对产品进行装配单元的划分，利用结构化装配工艺设计中的装配单元划分方法，以产品结构和装配特点为依据划分工艺分离面，将产品PBOM划分成适合独立进行装配工艺规划的装配单元。

步骤S5、基于已划分好的装配单元，对装配工艺设计任务进行分解。

其中，对装配工艺设计任务分解的依据包括工艺设计任务的要求、工艺人员的设计能力、产品装配单元特点、工艺过程类型等。

步骤S6、对分解好的装配工艺设计任务进行下发。

其中，通过调用总装工艺流程管理模块中预先配置好的工艺设计任务下发工作流模板，发起任务下发流程，并通过该模块对流程执行进行监督和控制。在发起流程时，通过总装工艺人员组织管理模块对任务接受者进行选择；而总装工艺人员组织管理模块下的用户都预先在总装工艺权限管理模块中进行了权限的配置。

步骤S7、接受任务并创建装配工艺结构。

其中，总装工艺人员在“我的工作列表”中接收到装配工艺设计任务后，在总装工艺协同设计模块的制造工艺规划器中进行工艺结构的创建，对分发下来的产品装配单元，根据该部分产品的结构特点和装配要求创建装配工艺结构树。其中，工艺结构树包含子工艺、工序、工步三层结构。

步骤S8、对工艺、工序和工步进行顺序规划。

其中，总装工艺协同设计模块提供了基于PERT图的可视化装配顺序规划，以计划评审技术（Program/Project Evaluation and Review Technique，PERT）图格式显示工艺流的图形表示，可以在图形环境中对工艺流进行编辑和操控。在最优或次优装配序列的基础上对工步及工序的顺序进行交互式规划。

步骤S9、创建车间结构，根据工作区域在车间的位置，采取分层方式将标准设备分到各工作区域。

其中，在创建车间结构的过程中，总装工艺人员要依次选择区域类型，填写区域ID、名称、数量，必要时需对工作区域进行排序。

步骤S10、关联工艺-产品-车间-资源。

具体地，通过将工艺（P）指派到车间结构（P）相应的区域下，同时将产品结构（P）中的零部件指派到相应的工序下，并在不同的工序下添加所需的资源（R），形成完整的P-P-P-R装配工艺模型。

步骤S11、责信度检查和比较。

具体地，比较产品结构和工艺结构，以确保产品组件和特征的所有事例均作为消耗零组件在工艺结构中使用。

步骤S12、装配工艺内容详细编辑。

其中，总装工艺协同设计模块提供了基于Visio开发的二维装配作业指导书，总装工艺人员在工艺设计过程中，可选择相应的作业指导书模板，在模板上进行详细的工艺内容编辑，并生成PDF文档以便打印存档。

步骤S13、装配过程数字化仿真分析。

具体地，将初步完成的装配工艺发送到装配仿真模块，工艺连同产品、资源一并构成了仿真分析的环境。在该环境下对装配顺序、装配路径等进行仿真验证，对工艺设计提出反馈；同时利用总装工艺仿真与验证模块的人因仿真功能，对装配操作的可视性、可达性、舒适性等进行分析，提供相应的分析报告。

步骤S14、根据工艺仿真的结果和报告等对装配工艺进行更改，利用总装工艺流程管理模块发起装配工艺更改流程，相应的总装工艺人员对该更改要求进行审核和实施。

步骤S15、对最终的装配工艺进行发布。

具体地，利用总装工艺数据发布模块，调用数据库中存储的结构化的装配工艺文件，进行可视化发布。

综上所述，本发明的三维数字化总装工艺协同设计系统通过二次开发和软件实施，建立了一个以数据管理为核心的集成三维数字化协同环境，使产品三维模型在整个企业内各个业务环节上充分共享和使用；实现了分布式数据、文档协同管理，通过研究产品跨域协同设计制造业务流程的过程管理方法，使得产品从设计到工艺制造快速无缝集成，有效地缩短了产品的研制周期，实现了设计、制造的三维数字化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：至少包括总装工艺数据管理模块、总装工艺流程管理模块、总装工艺人员组织管理模块、总装工艺权限管理模块、总装工艺协同设计模块、总装工艺仿真与验证模块和总装工艺数据发布模块；其中：

所述总装工艺数据管理模块用于提供结构化的工艺数据管理模式，便于工艺数据的分类存放和快速检索；

所述总装工艺流程管理模块用于提供业务流程建模功能，通过预定义的工作流模板对总装工艺流程进行控制和追踪；

所述总装工艺人员组织管理模块用于提供人员组织的添加、删除和信息编辑功能；

所述总装工艺权限管理模块用于通过权限控制列表的权限控制方式，对所有用户的权限进行控制；

所述总装工艺协同设计模块用于在可视化的环境中，利用三维模型开展总装工艺设计；

所述总装工艺仿真与验证模块用于构建可视化的虚拟仿真环境，利用轻量化的三维模型和数字人体模型进行装配顺序的仿真与验证、装配路径的仿真与验证、人因工程相关仿真，同时生成相关的仿真动画；

所述总装工艺数据发布模块用于将所述总装工艺协同设计模块生成的结构化工艺文件和所述总装工艺仿真与验证模块生成的仿真动画以网页的方式发布。

2.根据权利要求1所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：所述总装工艺数据管理模块对于工艺过程中的产品设计数据和工艺数据，以型号为依据进行分类管理，同时建立工艺过程中所需的资源库、标准表单以及设计过程中需参考的标准规范库。

3.根据权利要求1所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：所述总装工艺人员组织管理模块以组-角色-用户的结构进行人员组织管理，将所有相关人员根据部门分成不同的子组，在子组下根据用户的职务划分角色，再在角色下建立用户。

4.根据权利要求3所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：建立的用户中包括用户的姓名、登录密码信息。

5.根据权利要求1所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：所述总装工艺权限管理模块对所有用户的读、写、更改权限进行控制。

6.根据权利要求1所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：所述总装工艺协同设计模块能够建立结构化的工艺模板、资源库和产品树；同时能够规划装配顺序、生成装配树。

7.根据权利要求1所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：所述人因工程相关仿真包括舒适性仿真、可视性仿真和可达性仿真。

8.根据权利要求1所述的三维数字化总装工艺协同设计系统，其特征在于：所述总装工艺数据发布模块能够进行工艺文件检索、配套明细统计和现场作业指导。

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