合肥工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 姜 康 賈 坤 王 婷

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 何其昌

裝配是產(chǎn)品研制生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，并且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、性能、開發(fā)成本和周期的影響日益加重，在工業(yè)制造中的工作量比重已占40%～60%。良好的裝配設(shè)計(jì)和裝配性能，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本和提高競爭力具有十分重要的意義[1]。

目前，現(xiàn)場裝配過程中所使用的裝配工藝文件大多以文字說明、CAD圖紙或裝配實(shí)體照片等組成的工藝卡片來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，卡片所包含的信息不僅內(nèi)容繁復(fù)，而且不能直觀地展示產(chǎn)品的各部分裝配關(guān)系，必須依靠經(jīng)驗(yàn)才能快速讀懂，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的裝配周期[2]。近幾年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅速發(fā)展，為替代傳統(tǒng)的裝配工藝指導(dǎo)方法提供了有效的解決途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性和沉浸性，基于該技術(shù)開發(fā)交互式的三維裝配工藝指導(dǎo)系統(tǒng)軟件，不僅可以使裝配工藝信息更具有直觀性，而且還保證了工藝信息傳遞的準(zhǔn)確性和高效性。從項(xiàng)目實(shí)際出發(fā)，目前很多3D仿真引擎選擇OSG作為系統(tǒng)3D開發(fā)平臺(tái)。OSG是一個(gè)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL接口的跨平臺(tái)、開源的高層C++圖形渲染引擎，采用一系列機(jī)制管理場景模型、狀態(tài)和內(nèi)存，實(shí)時(shí)渲染，運(yùn)行效率高且開發(fā)成本低。綜合考慮，基于某航天產(chǎn)品生產(chǎn)需求，決定采用三維圖像渲染引擎OSG開發(fā)系統(tǒng)。

1 交互式三維裝配工藝指導(dǎo)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交互式三維裝配工藝指導(dǎo)軟件遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，呈現(xiàn)層次化、模塊化特點(diǎn)，并達(dá)到結(jié)構(gòu)合理化的要求。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為3個(gè)模塊：產(chǎn)品信息處理模塊、三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊和三維裝配工藝指導(dǎo)模塊。

（1）產(chǎn)品信息處理模塊。

利用PDM（Product data management）系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息和工藝信息進(jìn)行管理。作為信息管理的集成平臺(tái)，PDM系統(tǒng)管理了產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性信息、三維模型、CAD圖紙信息、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和工裝設(shè)備資源等信息。這些信息經(jīng)過整合處理，通過 WebService接口，依托WebService技術(shù)可跨平臺(tái)的穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互能力[3]，被提取轉(zhuǎn)化，記錄為XML數(shù)據(jù)并傳遞給三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊，作為裝配工藝設(shè)計(jì)以及構(gòu)成PBOM樹的重要參考和信息基礎(chǔ)。

（2）三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊。

接收PDM系統(tǒng)傳遞的信息數(shù)據(jù)生成EBOM，對(duì)三維產(chǎn)品模型進(jìn)行部組件工藝分離面的劃分，結(jié)合工藝要求確定裝配工藝所需的裝配組件和零件項(xiàng)目，重構(gòu)產(chǎn)品裝配單元，生成產(chǎn)品的PBOM；接收工裝設(shè)備信息，建立資源節(jié)點(diǎn)，對(duì)裝配工藝過程中所用到的資源進(jìn)行管理。以產(chǎn)品的PBOM為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)者依據(jù)產(chǎn)品的工藝信息裝配要求以及自身經(jīng)驗(yàn)，對(duì)裝配工藝進(jìn)行編輯；增加工序及其下屬工步，并為工序工步添加內(nèi)容信息，包括名稱、編號(hào)、CAD圖紙信息、此過程所用零部件信息、資源信息（工裝和設(shè)備信息）、AVI裝配動(dòng)畫等。隨著裝配工藝設(shè)計(jì)工作的完成確認(rèn)，軟件將自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并生成完整的PPR樹，同時(shí)將PPR樹結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化為XML中間數(shù)據(jù)交換格式，利用WebService接口解析XML數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為PDM內(nèi)部數(shù)據(jù)格式，提交到 PDM系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一的管理維護(hù)。

圖1 三維裝配工藝指導(dǎo)軟件的結(jié)構(gòu)Fig.1 Instructional software structure of three-dimensional assembly process

（3）三維裝配工藝指導(dǎo)模塊。

三維裝配工藝指導(dǎo)模塊面向裝配工人，其功能是對(duì)裝配過程進(jìn)行可視化的指導(dǎo)。該模塊分為裝配工藝信息顯示和Scene Viewer兩個(gè)部分。裝配工藝信息顯示部分顯示的是工序及其下屬工步、零部件屬性和工裝設(shè)備屬性等文字描述類信息。Scene Viewer是軟件的交互式操作窗口，它不但可以顯示CAD圖紙和AVI裝配動(dòng)畫，代替了不具直觀性的紙質(zhì)文件，允許操作者根據(jù)需求縮放圖紙和播放視頻動(dòng)畫，還能夠顯示零部件及工裝、設(shè)備等三維模型，允許使用者對(duì)模型進(jìn)行交互式操作，從而更加直觀地了解裝配工程，提高了工作效率。

2 裝配工藝數(shù)據(jù)模型與裝配工藝數(shù)據(jù)的交換傳輸

裝配工藝數(shù)據(jù)是指在裝配工藝設(shè)計(jì)過程中所使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。裝配工藝數(shù)據(jù)是裝配工藝信息的核心部分，不但是裝配工藝設(shè)計(jì)過程的信息基礎(chǔ)，也是裝配工藝指導(dǎo)過程所要展示的重要內(nèi)容。

2.1 裝配工藝數(shù)據(jù)模型

裝配工藝數(shù)據(jù)在裝配工藝中非常重要，良好的數(shù)據(jù)模型不僅應(yīng)該能夠準(zhǔn)確表達(dá)裝配工藝信息，而且應(yīng)該有利于數(shù)據(jù)信息的提取。裝配工藝數(shù)據(jù)應(yīng)該體現(xiàn)以下兩方面內(nèi)容。

（1）裝配工藝數(shù)據(jù)應(yīng)與產(chǎn)品屬性相關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)應(yīng)體現(xiàn)與產(chǎn)品的幾何、材料、編號(hào)、性能、精度等相關(guān)的屬性信息，并包含三維模型、圖檔等信息。工藝設(shè)計(jì)部門在裝配過程中能發(fā)現(xiàn)裝配產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝性缺陷，及時(shí)反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門并做出相應(yīng)調(diào)整。

（2）裝配工藝數(shù)據(jù)應(yīng)與裝配工藝過程相關(guān)聯(lián)，應(yīng)該包含裝配工序信息、設(shè)備參數(shù)、工裝參數(shù)、裝配圖紙及動(dòng)畫等工藝數(shù)據(jù)信息。這些信息是裝配工藝數(shù)據(jù)信息的核心，是裝配工藝過程的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，將對(duì)裝配操作者起直接的指導(dǎo)作用。

參考以上內(nèi)容，并結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際要求，裝配工藝數(shù)據(jù)應(yīng)該包含以下內(nèi)容：

（1）裝配單元的準(zhǔn)確劃分；

（2）裝配過程中的工序及下屬工步內(nèi)容，以及整體的裝配順序的描述；

（3）裝配過程中所使用的設(shè)備、工裝及其參數(shù)信息的反映；

（4）裝配過程中所使用的零件、標(biāo)準(zhǔn)件等參數(shù)信息的描述；（5）CAD圖紙以及裝配動(dòng)畫示例。裝配工藝數(shù)據(jù)模型如圖2所示。

2.2 裝配工藝數(shù)據(jù)的交換傳輸

圖2 裝配工藝數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Model structure of assembly process data

目前存在的裝配工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)軟件有很多，但是不同軟件系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)格式大多不同，若建立統(tǒng)一的中間數(shù)據(jù)庫則實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)信息可移植性比較差。因此，提供一個(gè)通用的中間數(shù)據(jù)格式來實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟件系統(tǒng)之間的信息集成，可以提高傳遞效率[4]。

XML（Extensible Markup Language）是一種基于文本的可擴(kuò)展標(biāo)記語言,可進(jìn)行不同數(shù)據(jù)格式之間的交互操作。類似于超文本標(biāo)記語言HTML，XML也是由標(biāo)準(zhǔn)通用語言SGML發(fā)展而來。但是，XML關(guān)注的是數(shù)據(jù)的內(nèi)容，被設(shè)計(jì)用來傳輸和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)[5]。XML作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，有以下?yōu)點(diǎn)。

（1）獨(dú)立性。它主要注重描述數(shù)據(jù)而不是顯示數(shù)據(jù)，完全獨(dú)立于操作系統(tǒng)、平臺(tái)、編程語言等。

（2）可移植性。XML的數(shù)據(jù)是以純文本格式存儲(chǔ)的，任何有能力處理純文本的系統(tǒng)和軟件都可以處理XML的數(shù)據(jù)。XML出色的可移植性可以真正讓數(shù)據(jù)格式做到跨平臺(tái)以及跨系統(tǒng)的交換傳輸。

（3）數(shù)據(jù)的自描述性。XML文檔自身的標(biāo)記可以描述文檔本身的結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更具層次性，有利于特定數(shù)據(jù)的精確提取和處理。

（4）可擴(kuò)展性。XML只提供基礎(chǔ)的字符，根據(jù)實(shí)際需求，開發(fā)者可以利用這些字符開發(fā)自己的數(shù)據(jù)標(biāo)簽和結(jié)構(gòu)，這樣可以使數(shù)據(jù)的描述更為容易。

基于以上眾多優(yōu)點(diǎn)，XML非常適合作為描述和傳輸裝配工藝信息的中間數(shù)據(jù)格式。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求，按照裝配工藝系統(tǒng)的PPR結(jié)構(gòu)樹，構(gòu)造了一個(gè)基于XML的裝配工藝信息的描述結(jié)構(gòu)，包括工序信息、產(chǎn)品信息和資源信息3個(gè)重要部分，每個(gè)部分又包含附屬信息，具體如圖3所示。根據(jù)裝配工藝信息的描述結(jié)構(gòu)，定義了裝配工藝數(shù)據(jù)信息在XML文檔中的描述格式，直觀地反映了裝配工藝數(shù)據(jù)信息的層次性，如圖4所示。

3 交互式裝配作業(yè)指導(dǎo)軟件的展示

依照上述三維裝配工藝指導(dǎo)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)用戶需要，設(shè)計(jì)了兩個(gè)界面：裝配工藝設(shè)計(jì)界面和裝配工藝作業(yè)指導(dǎo)界面。

（1）裝配工藝設(shè)計(jì)界面。

圖3 基于XML的裝配工藝信息的描述結(jié)構(gòu)Fig.3 Description structure of assembly process information based on XML

圖4 裝配工藝數(shù)據(jù)信息的XML描述格式Fig.4 Description format of assembly process data in formation based on XML

接收PDM系統(tǒng)傳遞的信息數(shù)據(jù)生成EBOM，包括工序、產(chǎn)品和資源。工序?yàn)榭諘r(shí)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際的裝配方法對(duì)工序進(jìn)行添加和修改，為工序添加零件、設(shè)備、工裝、圖紙、動(dòng)畫等，設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

（2）裝配工藝作業(yè)指導(dǎo)界面。

設(shè)計(jì)工作完成之后，將生成完整的PBOM，見圖6界面左側(cè)生成的三維工藝樹。操作者可以根據(jù)需要點(diǎn)擊相應(yīng)的工序、零件或資源查看所需要的信息，并且可以點(diǎn)擊查看CAD圖紙信息，觀看多媒體的裝配動(dòng)畫，在指導(dǎo)下完成裝配工作。

圖5 裝配工藝設(shè)計(jì)界面Fig.5 Interface of assembly process design

圖6 裝配工藝作業(yè)指導(dǎo)界面Fig.6 Interface of assembly process guidance

4 結(jié)論

文中介紹了一個(gè)交互式三維工藝裝配作業(yè)指導(dǎo)軟件，展示了軟件的3個(gè)模塊：產(chǎn)品信息處理模塊、三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊和三維裝配工藝指導(dǎo)模塊，并描述了工作流程。主要介紹了裝配工藝數(shù)據(jù)模型信息，以及中間交換傳輸格式XML的應(yīng)用，并描述了基于XML的裝配工藝數(shù)據(jù)的組織。本軟件是根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求開發(fā)的，針對(duì)特定產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)，在應(yīng)用方面尚需要進(jìn)一步的完善。

總體來說，交互式三維裝配作業(yè)指導(dǎo)軟件能夠代替裝配中使用的二維圖樣和紙質(zhì)工藝資料，可以比較直觀有效地在現(xiàn)場指導(dǎo)工人進(jìn)行裝配操作，對(duì)提高裝配效率有重要的意義。

[1] 梅澤高，俞濤，王棟，等. 虛擬裝配仿真系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究.計(jì)算機(jī)仿真，2007,24(11)：231-234，261.

[2] 王海波. 交互式三維裝配工藝發(fā)布系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[3] 張偉. 基于PBOM的工藝管理研究與實(shí)施. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2012(9)：21-23.

[4] 程錚. 基于PBOM的飛機(jī)工藝信息管理研究與應(yīng)用[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 杜駱駱. 基于OSG的虛擬設(shè)施布局系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.