CN108388146A - 一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统及运行方法，系统通过信息物理融合技术将实际装配环境与虚拟装配系统相结合，借助实体物理层的现场设备获取关键零件/组件/部件的实测数据，经由通信层将实测数据传输至虚拟信息层，将其作为产品虚实映射的数字孪生模型数据，用于虚拟装配三维工艺规划设计中，通过虚拟装配仿真模拟给出装配精度预测以及在线修正指令，对现场装配活动进行过程优化和反馈控制，从而通过不断动态更新数字孪生模型以满足产品装配设计要求，最终以三维工艺演示来指导操作人员完成产品装配任务；该发明可降低装配活动中试装、修配的时间，不仅可保证产品现场装配效率，而且还可提升产品装配准确性和装配精度。

Description

一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统及运行方法

技术领域

本发明涉及产品装配工艺的数字化和信息化技术领域，尤其涉及一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计方法。

背景技术

产品的现场装配是产品研制全生命周期过程中的必经环节之一，其装配质量在很大程度上决定了产品研制的最终质量，尤其是针对大型复杂产品（如航天器、飞机、船舶、兵器、工程机械装备等），其产品现场装配优劣程度将直接制约着产品的整体性能。据不完全统计，产品现场装配所需工时占产品生产研制总工时的30%-50%，超过40%的生产费用用于产品装配，装配的工作效率和质量对产品制造周期和最终质量都有极大的影响。因此，产品装配工艺设计在整个装配环节有着至关重要的作用，装配工艺设计好坏将直接影响产品现场装配的质量。

产品装配工艺设计目前经历了从纯二维的人工编制工艺文件卡片、二维-三维相结合的工艺规划再到全数字化的计算机辅助工艺设计阶段。随着基于模型的定义（ModelBased Definition，MBD）技术在产品研制过程中的深入研究，以三维模型作为产品全生命周期的单一数据源得到了有效传递，促进了产品从“设计-工艺-制造-装配”每个环节的数据统一，也使得基于三维模型的三维装配工艺设计越来越受到关注与重视。

从现阶段的专利公开以及文献资料显示，已有学者研究了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，实现了装配工艺设计三维可视化、快速生成无纸化三维装配工艺文件以及基于WEB的装配现场示教等，将产品三维模型融入到装配工艺建模、工艺路径规划与仿真、工装/工具管理、工艺文件浏览等过程中，以三维可视化形式用于指导产品现场装配过程。上述研究尽管开展了大量的三维装配工艺设计技术方面的研究和探索性应用，但由于只重视产品装配工艺设计方法，而忽视了产品装配工艺的现场应用，仅仅是将三维装配工艺设计的工艺文件或模拟仿真动画分发给现场操作工人，工人只能被动地浏览装配工艺文件或仿真视频动画，既不能让工人参与调整模型角度、设置模型显示属性等细节操作，也无法在产品现场实际装配任务出现异常情况时进行及时反馈与过程在线优化调整。因此在现有的工作模式下，依然会在产品现场装配过程中出现需要经过多次试装、修配、调整，甚至拆卸、返工才能装配出合格产品的现象，尤其是在零部件种类多、装配精度要求高、装配协调过程繁琐的大型复杂产品装配过程中表现更为明显，最终导致产品装配工艺设计与现场装配应用存在智能化程度低、一致性差等缺点，严重阻碍了三维装配工艺设计水平的提高和相关系统在现场的应用推广。

伴随着德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”和中国的“中国制造2025”战略的相继提出，其共同的战略核心是通过信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）实现人、设备与产品之间的实时感知、动态控制和信息服务，从而实现一种高度灵活的智能制造模式。CPS通过构建的信息空间与物理空间以及两者交互的闭环通道，实现信息虚体与物理实体之间的交互联动，而数字孪生模型正好为实现CPS提供了具体思路和实施方法。以物理实体建模产生最初的静态基础模型，通过实时感知、数据采集和监控，动态跟踪物理实体的工作状态和工作进展，将物理空间中的物理实体在信息空间进行全要素重建和更新迭代，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生模型。

因此，为实现产品的三维装配工艺设计与装配现场应用的无缝衔接，CPS为三维装配工艺设计提供了一种全新的思路，而数字孪生模型则为三维装配工艺设计提供了切实可行的技术手段，本发明正是在此基础上提出了一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有三维装配工艺设计手段的不足，在引入信息物理融合技术的基础上，提供一种更为有效的基于信息物理融合的三维装配工艺设计方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统，所述的三维装配工艺设计系统由三层信息物理融合框架结构所组成，包括实体物理层、虚拟信息层和通信层，所述的实体物理层通过通信层与虚拟信息层实现互联互通。

本发明所述的实体物理层是指产品实际装配过程中所涉及的物理实体，包括零件、组件、部件、物料、设备、工装、工具、传感器、执行器、环境、操作员以及最终装配完成的产品半成品或成品；所述的虚拟信息层是指实现产品虚拟装配过程的三维装配工艺设计系统软件平台，包括CAD建模系统、三维工艺规划模块、三维工艺仿真模块、三维工艺演示模块；所述的通信层包括面向产品装配现场的通信网络和通信网络上的数据传输设备。

本发明的虚拟信息层通过接收实体物理层的数据参数，对数据参数进行分析处理，建立基于产品实际装配过程虚实映射的数字孪生模型，通过对数字孪生模型的三维装配工艺规划与仿真模拟，依据产品装配设计要求，确定面向产品实际装配现场的过程优化和反馈控制决策，并发送控制指令，经由通信层传至实体物理层，指导各个物理实体实现人机协同作业。

本发明的通信层通过产品装配现场的通信网络和数据传输设备将各种数据信息和控制指令按一定的通信协议可在实体物理层与虚拟信息层之间传输。

本发明提供的一种所述的基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统的运行方法，所述的运行方法包括如下步骤：

1）将产品装配设计模型文件导入虚拟信息层，通过提取产品层次结构，零件、组件、部件的几何信息和标注信息，创建产品装配信息模型；

2）根据产品的装配技术文件、装配层次关系以及装配工艺知识库进行三维工艺规划，确定工序k的操作内容、操作顺序、操作方式以及所用的工艺资源信息，并将该工序的装配信息模型映射为该工序的装配工艺模型；

3）对该工序k是否需要进入装配工艺仿真模块进行判断，对于具有关键几何尺寸的零件、组件、部件均需要进行装配仿真来对装配可行性、安全性等进行验证；对于不需要进行装配工艺仿真验证的工序k，直接跳转至下一工序k+1；

4）在实体物理层面，通过装配现场设备实时感知与采集获取实测零件、组件、部件的关键几何尺寸，将该零件、组件、部件的实测尺寸传输至虚拟信息层的三维工艺仿真模块，并作为装配仿真的数据源，同时将工序k的零件、组件、部件的设计模型数据更新为该工序的数字孪生模型数据；

5）进入三维工艺仿真模块，将工序k规划的结果进行装配顺序、装配路径、装配干涉检查、装配精度等分析判断，确认针对该工序的零件、组件、部件是否需要进一步修正；

6）重复步骤2）至步骤5）的实施过程，根据产品装配工艺规划的结果，生成符合产品装配设计要求的包含所有工序k、k+1……k+n的完整装配工艺模型，并依据产品装配工艺模型生成产品装配工艺流程方案和工艺文件，最终用于产品装配三维工艺演示模块进行现场装配三维工艺可视化。

本发明所述的步骤5）中，进一步的修正操作如下：（1）如需进行修正，则根据装配仿真结果，针对发现的问题系统自动给出修正量和在线修正指令，返回至实体物理层通过人机协同作业对本工序k的零件、组件、部件进行现场调整、修配和在线修正优化，然后重新获取实测模型数据进入虚拟信息层进行仿真验证，更新实测模型数据为最新的数字孪生模型数据；（2）如不需进行修正，则可以退回到三维工艺规划模块，进行下一工序k+1的规划。

本发明的优点在于：本发明的方法使产品装配三维工艺设计不局限于虚拟数字层面，而是能够与产品实际装配过程相互关联。

通过虚拟信息层与实体物理层之间的交互，在进行产品三维装配工艺设计的同时，利用物理实体实测模型对产品装配过程进行仿真模拟，对装配工艺规划方案进行全流程全要素仿真验证，实时发现产品装配工艺规划中物理实体存在的不符合装配设计要求的问题，并及时提出切实可行的装配工艺优化方案和针对物理实体的在线修正方案。

通过反馈指令对实体物理层进行过程控制和在线修正优化，以避免在产品实际装配过程中零部件发生干涉、装配精度不达标等现象，从而实现在优化装配工艺方案和提高实际装配效率的同时，产品装配过程更加智能化。

附图说明

图1为本发明的实现基于信息物理融合的三维装配工艺设计方法的信息物理融合框架结构示意图；

图2为本发明基于信息物理融合的三维装配工艺设计方法的总体工作流程图；

图3为图1中虚拟信息层的产品装配三维工艺设计的工作流程图；

图4为图1中实体物理层的产品实际装配过程数据流向示意图；

图5为图1中的数字孪生模型生成示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：如图1、2和5所示的一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统，所述的三维装配工艺设计系统由三层信息物理融合框架所组成，包括实体物理层、虚拟信息层和通信层，所述的实体物理层通过通信层与虚拟信息层实现互联互通。

本发明所述的实体物理层是指产品实际装配过程中所涉及的物理实体，包括零件、组件、部件、物料、设备、工装、工具、传感器、执行器、环境、操作员以及最终装配完成的产品半成品或成品；所述的虚拟信息层是指实现产品虚拟装配过程的三维装配工艺设计系统软件平台，包括CAD建模系统、三维工艺规划模块、三维工艺仿真模块、三维工艺演示模块；所述的通信层包括面向产品装配现场的通信网络和通信网络上的数据传输设备。

实施例2：如图1、2和5所示的一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计方法，主要是以构建产品装配信息物理融合系统的三层框架结构为支撑，即实体物理层、虚拟信息层和通信层，适用于面向产品实际装配过程的三维装配工艺设计与现场应用。

在虚拟信息层，可根据CAD建模系统创建虚拟装配设计模型（包括产品设计模型、工装工具模型等），导入虚拟装配三维工艺设计系统进行每一步装配工序的规划，并根据需要进入产品装配三维工艺仿真模块进行该工序的装配过程模拟仿真；

在实体物理层，可依据产品装配三维工艺设计以及实际装配流程选择某一步装配工序的关键零件、组件、部件进行实时感知和数据采集，将实测模型数据通过通信层传输至虚拟信息层进行装配工艺仿真，产品装配三维工艺仿真模块可以提供多种检测和验证手段，包括装配路径显示、碰撞检测、干涉检查、模型几何尺寸评定、装配尺寸链计算、装配精度预测等，完成对产品装配该步工序规划方案的可行性和准确性等的检验验证。

若在装配工艺仿真过程中发现装配方案存在问题，则系统自动给出装配工艺优化方案以及针对物理实体的在线修正方案，并生成反馈指令通过通信层下达至实体物理层，依靠产品实际装配现场的硬件设备（如激光跟踪仪、测量加工一体机等）对物理实体进行装配过程控制和在线修正优化，然后重新获取实测模型数据并再次在虚拟装配工艺仿真模块中对装配方案进行仿真验证，反复上述过程，直至最终完成可行、优化的产品装配三维工艺设计方案，并以此生成基于工艺规划流程的产品装配工艺文件，可用于产品装配工艺演示模块进行现场装配三维工艺可视化。

实施例3：如图1、2、3、4和5所示的本发明提供的一种所述的基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统的运行方法，所述的运行方法包括如下步骤：

1）如图3所示，将产品装配设计模型文件导入虚拟信息层，通过提取产品层次结构，零件、组件、部件的几何信息和标注信息，创建产品装配信息模型。

2）根据产品的装配技术文件、装配层次关系以及装配工艺知识库进行三维工艺规划，确定某一工序k的操作内容、操作顺序、操作方式以及所用的工艺资源信息，并将该工序的装配信息模型映射为该工序的装配工艺模型。

3）对该工序k是否需要进入装配工艺仿真模块进行判断，对于具有关键几何尺寸的零件、组件、部件均需要进行装配仿真来对装配可行性、安全性等进行验证；对于不需要进行装配工艺仿真验证的工序k，直接跳转至下一工序k+1。

4）在实体物理层面，如图4所示，通过装配现场设备实时感知与采集获取实测零件、组件、部件的关键几何尺寸，将该零件、组件、部件的实测尺寸传输至虚拟信息层的三维工艺仿真模块，并作为装配仿真的数据源，同时将工序k的零件、组件、部件的设计模型数据更新为该工序的数字孪生模型数据。具体而言，数字孪生模型的生成过程如下：

如图5所示，首先通过CAD建模系统根据零件、组件、部件的设计图纸创建初始设计模型，同时可根据设计图纸加工制造出实际物理实体模型，将每个实际物理实体运用条形码、二维码或RFID标签等方法与初始设计模型进行一一映射，形成模型数据库，此时的实际物理实体的模型数据仍为初始设计数据；进入产品实际装配阶段，针对某一步装配工序的关键零件、组件、部件进行实测数据采集，现场设备（例如三坐标测量机、激光跟踪仪等）对关键零件、组件、部件进行测量，将实测数据通过统一数据接口传输至虚拟信息层，与初始设计模型进行数据清洗、过滤和融合，形成实测模型数据库，并将此时的模型作为数字孪生模型，用于产品装配三维工艺仿真模块。

5）进入三维工艺仿真模块，将工序k规划的结果进行装配顺序、装配路径、装配干涉检查、装配精度等分析判断，确认针对该工序的零件、组件、部件是否需要进一步修正；

如需进行修正，则根据装配仿真结果，针对发现的问题系统自动给出修正量和在线修正指令，返回至实体物理层通过人机协同作业对本工序k的零件、组件、部件进行现场调整、修配和在线修正优化，然后重新获取实测模型数据进入虚拟信息层进行仿真验证，更新实测模型数据为最新的数字孪生模型数据；

如不需进行修正，则可以退回到三维工艺规划模块，进行下一工序k+1的规划。

6）重复步骤2）至步骤5）的实施过程，根据产品装配工艺规划的结果，生成符合产品装配设计要求的包含所有工序k、k+1……k+n的完整装配工艺模型，并依据产品装配工艺模型生成产品装配工艺流程方案和工艺文件，最终用于产品装配三维工艺演示模块进行现场装配三维工艺可视化。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统，其特征在于，所述的三维装配工艺设计系统由三层信息物理融合框架结构所组成，包括实体物理层、虚拟信息层和通信层，所述的实体物理层通过通信层与虚拟信息层实现互联互通；

所述的实体物理层是指产品实际装配过程中所涉及的物理实体，包括零件、组件、部件、物料、设备、工装、工具、传感器、执行器、环境、操作员以及最终装配完成的产品半成品或成品；

所述的虚拟信息层是指实现产品虚拟装配过程的三维装配工艺设计系统软件平台，包括CAD建模系统、三维工艺规划模块、三维工艺仿真模块、三维工艺演示模块；

所述的通信层包括面向产品装配现场的通信网络和通信网络上的数据传输设备。

2.如权利要求1所述的基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统，其特征在于，所述的虚拟信息层通过接收实体物理层的数据参数，对数据参数进行分析处理，建立基于产品实际装配过程虚实映射的数字孪生模型，通过对数字孪生模型的三维装配工艺规划与仿真模拟，依据产品装配设计要求，确定面向产品实际装配现场的过程优化和反馈控制决策，并发送控制指令，经由通信层传至实体物理层，指导各个物理实体实现人机协同作业。

3.如权利要求1所述的基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统，其特征在于，所述的通信层通过产品装配现场的通信网络和数据传输设备将各种数据信息和控制指令按一定的通信协议可在实体物理层与虚拟信息层之间传输。

4.一种如权利要求1所述的基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统的运行方法，其特征在于，所述的运行方法包括如下步骤：

1）将产品装配设计模型文件导入虚拟信息层，通过提取产品层次结构，零件、组件、部件的几何信息和标注信息，创建产品装配信息模型；

2）根据产品的装配技术文件、装配层次关系以及装配工艺知识库进行三维工艺规划，确定工序k的操作内容、操作顺序、操作方式以及所用的工艺资源信息，并将该工序的装配信息模型映射为该工序的装配工艺模型；

3）对该工序k是否需要进入装配工艺仿真模块进行判断，对于具有关键几何尺寸的零件、组件、部件均需要进行装配仿真来对装配可行性、安全性等进行验证；对于不需要进行装配工艺仿真验证的工序k，直接跳转至下一工序k+1；

4）在实体物理层面，通过装配现场设备实时感知与采集获取实测零件、组件、部件的关键几何尺寸，将该零件、组件、部件的实测尺寸传输至虚拟信息层的三维工艺仿真模块，并作为装配仿真的数据源，同时将工序k的零件、组件、部件的设计模型数据更新为该工序的数字孪生模型数据；

5）进入三维工艺仿真模块，将工序k规划的结果进行装配顺序、装配路径、装配干涉检查、装配精度等分析判断，确认针对该工序的零件、组件、部件是否需要进一步修正；

6）重复步骤2）至步骤5）的实施过程，根据产品装配工艺规划的结果，生成符合产品装配设计要求的包含所有工序k、k+1……k+n的完整装配工艺模型，并依据产品装配工艺模型生成产品装配工艺流程方案和工艺文件，最终用于产品装配三维工艺演示模块进行现场装配三维工艺可视化。

5.如权利要求4所述的基于信息物理融合的三维装配工艺设计系统的运行方法，其特征在于，所述的步骤5）中，进一步的修正操作如下：

（1）如需进行修正，则根据装配仿真结果，针对发现的问题系统自动给出修正量和在线修正指令，返回至实体物理层通过人机协同作业对本工序k的零件、组件、部件进行现场调整、修配和在线修正优化，然后重新获取实测模型数据进入虚拟信息层进行仿真验证，更新实测模型数据为最新的数字孪生模型数据；

（2）如不需进行修正，则可以退回到三维工艺规划模块，进行下一工序k+1的规划。