專利名稱：基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械工程領域，特別涉及一種基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法及裝置。
背景技術：
由于裝配問題的復雜性，復雜產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃一直是機電產(chǎn)品設計制造一體化中的薄弱環(huán)節(jié)，特別是對于導彈、衛(wèi)星等復雜產(chǎn)品，由于其具有多品種、變批量、裝配精度要求高、裝配填充密度大、以手工裝配為主以及有時還要求安全性裝配或不可逆性裝配等特點，其裝配工藝規(guī)劃與優(yōu)化問題一直是工程中的熱點和難點。虛擬裝配工藝規(guī)劃技術的出現(xiàn)，為從幾何、物理、過程等多方面研究裝配工藝規(guī)劃和改變目前復雜機械產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃技術相對落后的現(xiàn)狀提供了一條有效的途徑。利用虛擬現(xiàn)實的交互性(Interactivity)、沉浸性(immersion)和實時性(Real-time),可為工藝人員提供一種高度逼真、自然的交互環(huán)境，在這一環(huán)境中人可以直接對虛擬原型進行交互裝配仿真操作，人機協(xié)同地進行工藝規(guī)劃，并實時地觀察裝配過程及其產(chǎn)生的效果。這種工作方式改變了傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃工作模式，最大限度地發(fā)揮了人的智慧和創(chuàng)造力。虛擬裝配工藝規(guī)劃技術的工作流程可分為四個階段，即模型數(shù)據(jù)獲取階段、面向生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配車間建模階段、初始裝配工藝生成階段和裝配工藝后處理階段。I)模型數(shù)據(jù)獲取階段的任務是通過中性接口文件將Pro/E或UG等設計系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)導入到虛擬環(huán)境并進行模型數(shù)據(jù)重構；2)面向生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配車間建模階段的任務是建立與裝配現(xiàn)場高度相似的裝配工藝規(guī)劃沉浸式場景，該場景中包括待裝配的零部件、工具、夾具、吊具、操作臺等；3)初始裝配工藝生成階段的任務是人機交互地對產(chǎn)品的虛擬模型進行試裝操作，以分析和確定產(chǎn)品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配過程中的干涉及裝配工、夾具的可操作性等，并形成產(chǎn)品的裝配仿真過程信息模型(主要包括裝配順序、裝配路徑、裝配動畫、以及裝配過程中用到的工夾具等工藝信息)；4)裝配工藝后處理階段的任務是對裝配仿真過程中形成的裝配信息進行組織、合并，在此基礎上補充和完善產(chǎn)品的裝配工藝信息，形成完善的、符合工廠要求的裝配工藝文檔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，可實現(xiàn)將裝配仿真過程中形成的信息模型映射為產(chǎn)品裝配工藝。基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成方法的工作流程如圖I所示，包括產(chǎn)品虛擬裝配過程仿真、產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型建立、產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型到產(chǎn)品裝配工藝模型的映射、裝配工藝卡和明細表輸出四個步驟。步驟I :基于產(chǎn)品三維模型和工裝三維模型，對產(chǎn)品裝配過程進行仿真，主要包括零部件裝配順序和裝配路徑仿真、工裝夾具的使用過程仿真等。步驟2 :在產(chǎn)品裝配仿真過程中，通過對裝配仿真過程中形成的相關工藝信息(包括產(chǎn)品裝配順序、裝配路徑、裝配資源信息等)有效的組織，建立裝配仿真過程信息模型。步驟3 :對裝配仿真過程中形成的裝配信息進行組織、合并，在此基礎上補充和完善產(chǎn)品的裝配工藝信息，形成完善的、符合工廠要求的產(chǎn)品裝配工藝模型。步驟4:結合企業(yè)具體需求，從產(chǎn)品裝配工藝模型中提前相關信息，可輸出符合工廠要求的裝配工藝卡片和明細表。基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成方法是一種以裝配仿真為核心的裝配工藝規(guī)劃方法，其主要在三維模型的基礎上，采用人機交互的方式對產(chǎn)品的裝配過程進行實時動態(tài)仿真，并通過對裝配仿真過程信息的記錄形成初始的產(chǎn)品裝配工藝，最后通過對該初始的產(chǎn)品裝配工藝進行適應實際情況的修改，可形成滿足企業(yè)實際要求的裝配工藝文件。虛擬裝配工藝規(guī)劃技術的核心是將產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型映射為裝配工藝。


圖I基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成方法的工作流程圖；圖2虛擬裝配過程仿真流程圖；圖3使用工具的裝配過程仿真流程；圖4產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型；圖5產(chǎn)品裝配過程信息模型；圖6產(chǎn)品裝配任務和裝配操作鏈表；圖7產(chǎn)品裝配工藝模型；圖8裝配任務和裝配工序的結合。
具體實施例方式每個步驟的具體實施方式
如下 (I)虛擬裝配過程仿真流程虛擬裝配過程仿真，主要通過構建一個三維的人機交互式裝配工藝規(guī)劃環(huán)境，使裝配工藝設計人員能在三維環(huán)境下交互地對產(chǎn)品的三維模型進行試裝，以建立和分析產(chǎn)品各零部件的裝配順序和裝配路徑，虛擬裝配過程仿真流程如圖2所示，主要包含以下步驟步驟I :設計人員創(chuàng)建裝配任務。裝配任務是指為完成一個或多個組件(組件是指裝配過程中的當前操作對象，既可以是子部件，也可以是零件)的裝調(diào)所需實施的連續(xù)過程，通常由創(chuàng)建裝配任務、裝配組件和結束裝配任務組成。步驟2 :選擇裝配任務的對象，裝配任務的對象可以是多個零部件或一個零部件。步驟3 :獲得鼠標當前的位置方向信息，選取當前操作對象。如果所選擇的操作對象與上一時刻的操作對象相同，那么執(zhí)行步驟4。如果所選擇的操作對象與上一時刻的操作對象不相同，那么結束當前的裝配操作，并為所選擇的操作對象創(chuàng)建新的裝配操作，并以新創(chuàng)建的裝配操作作為系統(tǒng)當前的裝配操作。步驟4:獲得鼠標當前的位置方向信息，并依據(jù)上一時刻的位置方向信息計算增量，以此增量作為當前操作對象的位姿變換增量。步驟5 :獲得當前操作對象的自由度信息，依據(jù)自由度信息和增量信息，計算操作對象可行的位姿變換。
步驟6 :通過計算得到位姿增量，對當前操作對象進行預變換，使用碰撞檢測技術進行碰撞檢測。如果沒有碰撞發(fā)生，那么確認該位姿變換。如果發(fā)生碰撞，那么依據(jù)外部設備類型的不同的做出不同的響應。如果該外部設備是輸入設備，如虛擬手套，鼠標等，那么取消該變換，并顯示提示信息。如果外設可以進行信息輸出和反饋，那么依據(jù)碰撞響應規(guī)則計算碰撞響應并通過外設進行輸出和反饋。步驟7 :如果設計人員只操作過一個對象，那么記錄該對象的位姿變換信息和視點信息。如果設計人員操作過多個對象，那么對于每個被操作過的對象，創(chuàng)建相應的并行的裝配操作(針對每個操作對象，都創(chuàng)建一個裝配操作)，并記錄位姿變換信息和視點信息。步驟8 :循環(huán)執(zhí)行步驟3 7，直到結束裝配操作。步驟9 :判斷任務的類型。如果類型是裝配零部件，那么把任務對象添加到裝配規(guī)劃結果中，并把任務對象的狀態(tài)設為已裝配；如果類型是調(diào)整零部件，那么執(zhí)行步驟10 ;如果類型是拆卸零部件，那么把任務對象從裝配規(guī)劃結果中刪除，并把任務對象的狀態(tài)設為 未裝配。步驟10 :結束裝配任務。在產(chǎn)品裝配仿真過程中，在很多情況下需要使用工具或者夾具，工夾具的使用空間檢測是裝配工藝規(guī)劃需要考慮的內(nèi)容之一。使用工具的裝配仿真過程包括以下步驟，如圖3所示步驟I :創(chuàng)建裝配任務(包括裝配任務、調(diào)整任務和拆卸任務)，并指定零部件作為任務對象。步驟2 :將零件移動到合適的位置，如果不需要移動零件，則直接進行步驟3。步驟3 :使用工具，選擇工具模型將其添加到當前任務中。步驟4 :移動工具到合適位姿，如果不需要移動工具，則直接進行步驟5。步驟5 :將工具與零件進行定位，定位以后零件將在工具的約束下運動，即操作工具的過程同步移動零件，在此過程中進行精確碰撞檢測和接觸狀態(tài)建模。步驟6 :零件裝配到目標位置后，釋放工具。步驟7 :將工具放回工作臺。步驟8:結束當前任務。( 2 )裝配仿真過程信息模型建立在圖2所示的裝配仿真過程中，通過對裝配仿真過程中形成的相關工藝信息(包括產(chǎn)品裝配順序、裝配路徑、裝配資源信息等)進行有效組織，建立裝配仿真過程信息模型。裝配仿真過程信息模型由裝配任務和裝配操作組成。裝配任務是指為完成一個或多個組件(組件是指裝配過程中的當前操作對象，既可以是子部件，也可以是零件)的裝配與調(diào)整所需實施的連續(xù)過程，通常由創(chuàng)建裝配任務、裝配組件和結束裝配任務組成。裝配任務分為裝配組件、調(diào)整組件和拆卸組件三種任務類型。裝配組件任務是指對未裝配的組件進行裝配以形成最終裝配體的過程。調(diào)整組件任務是指對已裝配的組件進行位姿調(diào)整的過程。拆卸組件任務是對已裝配的組件進行拆卸的過程，拆卸后該組件不屬于最終裝配體。每個裝配任務都有一組確定的任務對象，任務對象是完成該裝配任務所需的組件。一個裝配任務由一系列有序的裝配操作組成。裝配操作是指對一個或多個操作對象實施的連續(xù)操作過程，通常由拾取操作對象、裝配操作對象和釋放操作對象組成。裝配操作的對象是指裝配過程所有可操作的實體，包括部件、零件、工具、夾具等。該對象必須是其所屬裝配任務的任務對象或裝配任務中使用的工具和夾具等。在一個裝配任務內(nèi)，當設計人員切換裝配操作對象時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建一個新的裝配操作。當同時對多個零部件進行裝配操作時，或者同時對組件和工夾具進行裝配操作時，系統(tǒng)會自動對每個裝配操作對象創(chuàng)建并行的裝配操作。例如同時對零件A和零件B進行裝配操作時，系統(tǒng)會自動針對零件A和零件B，創(chuàng)建兩個裝配操作(兩個裝配操作在時間序列上是并行的)?；谘b配任務和裝配操作，建立了一個產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型，如圖4所示。在該模型中，產(chǎn)品的裝配過程劃分為裝配任務_裝配操作_狀態(tài)數(shù)據(jù)三個層次，產(chǎn)品的裝配過程是由一系列裝配任務組成，每個裝配任務是由一系列裝配操作組成，裝配操作中包含了組件在裝配過程中所經(jīng)歷的一系列有序的狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括空間的位置和姿態(tài)、速度、加速
度等產(chǎn)品的裝配過程通常是從底層的零件裝配成部件開始，若干個部件裝配完成后進入總裝。為了對部件的裝配過程進行建模，將子裝配引入到裝配過程模型中。子裝配是用于描述功能和結構相對獨立的部件的裝配過程。子裝配包含一系列有序的裝配任務，子裝配中可以嵌套子裝配?；谏鲜龅漠a(chǎn)品裝配仿真過程信息模型，一個包含子裝配的產(chǎn)品完整裝配過程信息模型如圖5所示。在進行裝配過程中，第一個被裝配的零部件被自動設置為整個產(chǎn)品的基體，后續(xù)裝配的零部件是在該基體上進行裝配的。因此，一個產(chǎn)品的裝配過程是通過一系列裝配任務來描述的。每個裝配任務裝配一個或多個零部件，當一個裝配任務完成時，該任務被添加到產(chǎn)品所對應的裝配任務歷史鏈表中，裝配任務在裝配歷史鏈表中的先后位置反映了其所裝配的零部件的裝配順序。另一方面，每個裝配任務由一系列的裝配操作實現(xiàn)，裝配操作詳細描述了該任務的完成過程。每一個裝配操作都有一個或多個操作對象，這些操作對象在外設輸入信息的作用下變換位姿，并最終完成裝配。每一個裝配操作包含該操作的操作對象所經(jīng)過的一系列路徑點(NodePath,NP)及操作對象在該路徑點的外力、接觸力、速度、加速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的采樣頻率決定了得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)的精細程度，記錄狀態(tài)數(shù)據(jù)時采樣的頻率越高，得到的數(shù)據(jù)就越精細。圖6是一個使用工具的多個零部件同時裝配的裝配任務鏈表，AT表示裝配任務，AO表示裝配操作。其中裝配任務2實現(xiàn)了零件2、零件3的裝配，其中裝配操作2和裝配操作3并行。(3)產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型到產(chǎn)品裝配工藝模型的映射裝配仿真過程信息模型建立后，產(chǎn)品整個裝配過程信息是由一個裝配任務序列來實現(xiàn)的，該裝配任務序列直接描述了產(chǎn)品與裝配任務之間的實現(xiàn)關系，即通過完成那些裝配任務，可以最終完成該產(chǎn)品的裝配，并描述了這些裝配任務的先后順序。而產(chǎn)品的裝配工藝是由一系列的裝配工序組成，裝配工序又由一系列的裝配工步構成，因此需要實現(xiàn)產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型到裝配工藝的映射。產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型映射為裝配工藝模型，可通過人機交互的方式實現(xiàn)，并建立如圖7所示的產(chǎn)品裝配工藝模型，其中產(chǎn)品裝配工藝由一系列的裝配工序組成，一道裝配工序由一個或多個裝配工步組成，一個裝配工步是由一個或者多個相應的裝配任務組成的，一個裝配任務由一個或者多個相應的裝配操作組成。通過人機交互方式實現(xiàn)產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型到產(chǎn)品裝配工藝模型的映射，只需將相應的裝配任務按照實際的裝配工藝添加到相應的裝配工步下面即可，如8所示。在進行裝配任務和裝配工序關聯(lián)時，采用裝配任務的ID來遍歷到所有的裝配任務，然后將找到的裝配任務添加到裝配工步的鏈表中。產(chǎn)品裝配工藝模型的定義過程如下的步驟I和步驟2 步驟I :設計裝配過程工序和工步的定義界面。在裝配過程工序和工步的定義界面中，在工序名稱和工序代號中可以輸入工序名稱(字符)和工序號(數(shù)字，如2)，點擊添加工序按鈕，名稱和代號被刷新到工藝樹中并且顯示出來。在工步名稱和工步代號中可以輸入工步名稱(字符)和工步號(數(shù)字，如2. 1)，并且在工步內(nèi)容里面，可以輸入該裝配活動的各種信息，包括檢驗信息，零部件配套要求，還有裝配要求等等。點擊添加工步按鈕，工步名稱和代號被刷新到工藝樹中，添加到相應工序下面，并顯示出來。如果用戶在定義過程中出現(xiàn)錯誤，可以通過下方的“刪除”按鈕，將錯誤的工序或者工步刪除，然后繼續(xù)進行添加。步驟2 :設計裝配任務與裝配工步的關聯(lián)界面。在該界面中，點擊“刷新”按鈕，將 所有的裝配任務顯示出來。點擊裝配任務使其高亮，通過單擊“關聯(lián)”按鈕，將其關聯(lián)到相應的裝配工步下面，零部件會按照裝配的層次結構顯示在下方的工藝樹中。所有零部件關聯(lián)完成之后，能有生成產(chǎn)品裝配工藝模型。(4)裝配工藝卡和明細表輸出完成了產(chǎn)品裝配工藝模型的建立后，可從產(chǎn)品裝配工藝模型中提取相關信息，輸出產(chǎn)品裝配工藝卡、工藝裝備明細表、材料消耗明細表和零部件配套明細表。
權利要求
1.一種基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，其特征在于，包括以下四個步驟， 第一步、基于產(chǎn)品三維模型和工裝三維模型，對產(chǎn)品裝配過程進行仿真；第二步、通過對裝配仿真過程中形成的工藝信息，包括裝配順序、裝配路徑、裝配資源信息有效的組織，建立裝配仿真過程信息模型；第三步、對裝配仿真過程中形成的裝配信息進行組織、合并，并補充和完善產(chǎn)品的裝配工藝信息，形成產(chǎn)品裝配工藝模型；第四步、從產(chǎn)品裝配工藝模型中提前相關信息，輸出裝配工藝卡片和明細表。
2.如權利要求I所述的基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，其特征在于，第一步的具體步驟為 步驟I :設計人員創(chuàng)建裝配任務； 步驟2 :選擇裝配任務的對象； 步驟3 :獲得鼠標當前的位置方向信息，選取當前操作對象，繼續(xù)執(zhí)行步驟4或結束當前操作； 步驟4 :獲得鼠標當前的位置方向信息，并依據(jù)上一時刻的位置方向信息計算增量，以此增量作為當前操作對象的位姿變換增量； 步驟5 :獲得當前操作對象的自由度信息，依據(jù)自由度信息和增量信息，計算操作對象可行的位姿變換； 步驟6 :通過計算得到位姿增量，對當前操作對象進行預變換，使用碰撞檢測技術進行碰撞檢測； 步驟7 :記錄該對象的位姿變換信息和視點信息或對于每個被操作過的對象，創(chuàng)建相應的并行的裝配操作，并記錄位姿變換信息和視點信息； 步驟8 :循環(huán)執(zhí)行步驟3 7，直到結束裝配操作； 步驟9 :判斷任務的類型； 步驟10 :結束裝配任務。
3.如權利要求I所述的基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，其特征在于，第三步通過人機交互的方式實現(xiàn)，采用裝配任務的ID來遍歷到所有的裝配任務，然后將找到的裝配任務添加到裝配工步的鏈表中。
4.如權利要求I所述的基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，其特征在于，在第三步形成的產(chǎn)品裝配工藝模型中，產(chǎn)品的裝配過程劃分為裝配任務、裝配操作、狀態(tài)數(shù)據(jù)三個層次，產(chǎn)品的裝配過程由一系列裝配任務組成，每個裝配任務是由一系列裝配操作組成，裝配操作中包含了組件在裝配過程中所經(jīng)歷的一系列有序的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
5.如權利要求4所述的基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，其特征在于，狀態(tài)數(shù)據(jù)包括空間的位置和姿態(tài)、速度、加速度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于裝配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成的方法，可實現(xiàn)將裝配仿真過程中形成的信息模型映射為產(chǎn)品裝配工藝?；谘b配過程仿真的產(chǎn)品裝配工藝生成方法，包括產(chǎn)品虛擬裝配過程仿真、產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型建立、產(chǎn)品裝配仿真過程信息模型到產(chǎn)品裝配工藝模型的映射、裝配工藝卡和明細表輸出四個步驟。該方法在三維模型的基礎上，采用人機交互的方式對產(chǎn)品的裝配過程進行實時動態(tài)仿真，并通過對裝配仿真過程信息的記錄形成初始的產(chǎn)品裝配工藝，最后通過對該初始的產(chǎn)品裝配工藝進行適應實際情況的修改，可形成滿足企業(yè)實際要求的裝配工藝文件。
文檔編號G06F17/50GK102968520SQ20121041396
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2012年10月25日
發(fā)明者白書清, 劉檢華, 蔡艷麗, 楊志猛 申請人:北京航天新風機械設備有限責任公司