专利名称：基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法
技术领域：
本发明属于机械工程领域，特别涉及一种基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法及装置。
背景技术：
由于装配问题的复杂性，复杂产品的装配工艺规划一直是机电产品设计制造一体化中的薄弱环节，特别是对于导弹、卫星等复杂产品，由于其具有多品种、变批量、装配精度要求高、装配填充密度大、以手工装配为主以及有时还要求安全性装配或不可逆性装配等特点，其装配工艺规划与优化问题一直是工程中的热点和难点。虚拟装配工艺规划技术的出现，为从几何、物理、过程等多方面研究装配工艺规划和改变目前复杂机械产品的装配工艺规划技术相对落后的现状提供了一条有效的途径。利用虚拟现实的交互性(Interactivity)、沉浸性(immersion)和实时性(Real-time),可为工艺人员提供一种高度逼真、自然的交互环境，在这一环境中人可以直接对虚拟原型进行交互装配仿真操作，人机协同地进行工艺规划，并实时地观察装配过程及其产生的效果。这种工作方式改变了传统的装配工艺规划工作模式，最大限度地发挥了人的智慧和创造力。虚拟装配工艺规划技术的工作流程可分为四个阶段，即模型数据获取阶段、面向生产现场的装配车间建模阶段、初始装配工艺生成阶段和装配工艺后处理阶段。I)模型数据获取阶段的任务是通过中性接口文件将Pro/E或UG等设计系统中的三维模型数据导入到虚拟环境并进行模型数据重构；2)面向生产现场的装配车间建模阶段的任务是建立与装配现场高度相似的装配工艺规划沉浸式场景，该场景中包括待装配的零部件、工具、夹具、吊具、操作台等；3)初始装配工艺生成阶段的任务是人机交互地对产品的虚拟模型进行试装操作，以分析和确定产品各零部件的装配顺序、装配路径、装配过程中的干涉及装配工、夹具的可操作性等，并形成产品的装配仿真过程信息模型(主要包括装配顺序、装配路径、装配动画、以及装配过程中用到的工夹具等工艺信息)；4)装配工艺后处理阶段的任务是对装配仿真过程中形成的装配信息进行组织、合并，在此基础上补充和完善产品的装配工艺信息，形成完善的、符合工厂要求的装配工艺文档。
发明内容
本发明提供了一种基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，可实现将装配仿真过程中形成的信息模型映射为产品装配工艺。基于装配过程仿真的产品装配工艺生成方法的工作流程如图I所示，包括产品虚拟装配过程仿真、产品装配仿真过程信息模型建立、产品装配仿真过程信息模型到产品装配工艺模型的映射、装配工艺卡和明细表输出四个步骤。步骤I :基于产品三维模型和工装三维模型，对产品装配过程进行仿真，主要包括零部件装配顺序和装配路径仿真、工装夹具的使用过程仿真等。步骤2 :在产品装配仿真过程中，通过对装配仿真过程中形成的相关工艺信息(包括产品装配顺序、装配路径、装配资源信息等)有效的组织，建立装配仿真过程信息模型。步骤3 :对装配仿真过程中形成的装配信息进行组织、合并，在此基础上补充和完善产品的装配工艺信息，形成完善的、符合工厂要求的产品装配工艺模型。步骤4:结合企业具体需求，从产品装配工艺模型中提前相关信息，可输出符合工厂要求的装配工艺卡片和明细表。基于装配过程仿真的产品装配工艺生成方法是一种以装配仿真为核心的装配工艺规划方法，其主要在三维模型的基础上，采用人机交互的方式对产品的装配过程进行实时动态仿真，并通过对装配仿真过程信息的记录形成初始的产品装配工艺，最后通过对该初始的产品装配工艺进行适应实际情况的修改，可形成满足企业实际要求的装配工艺文件。虚拟装配工艺规划技术的核心是将产品装配仿真过程信息模型映射为装配工艺。
图I基于装配过程仿真的产品装配工艺生成方法的工作流程图；图2虚拟装配过程仿真流程图；图3使用工具的装配过程仿真流程；图4产品装配仿真过程信息模型；图5产品装配过程信息模型；图6产品装配任务和装配操作链表；图7产品装配工艺模型；图8装配任务和装配工序的结合。
具体实施例方式每个步骤的具体实施方式
如下 (I)虚拟装配过程仿真流程虚拟装配过程仿真，主要通过构建一个三维的人机交互式装配工艺规划环境，使装配工艺设计人员能在三维环境下交互地对产品的三维模型进行试装，以建立和分析产品各零部件的装配顺序和装配路径，虚拟装配过程仿真流程如图2所示，主要包含以下步骤步骤I :设计人员创建装配任务。装配任务是指为完成一个或多个组件(组件是指装配过程中的当前操作对象，既可以是子部件，也可以是零件)的装调所需实施的连续过程，通常由创建装配任务、装配组件和结束装配任务组成。步骤2 :选择装配任务的对象，装配任务的对象可以是多个零部件或一个零部件。步骤3 :获得鼠标当前的位置方向信息，选取当前操作对象。如果所选择的操作对象与上一时刻的操作对象相同，那么执行步骤4。如果所选择的操作对象与上一时刻的操作对象不相同，那么结束当前的装配操作，并为所选择的操作对象创建新的装配操作，并以新创建的装配操作作为系统当前的装配操作。步骤4:获得鼠标当前的位置方向信息，并依据上一时刻的位置方向信息计算增量，以此增量作为当前操作对象的位姿变换增量。步骤5 :获得当前操作对象的自由度信息，依据自由度信息和增量信息，计算操作对象可行的位姿变换。
步骤6 :通过计算得到位姿增量，对当前操作对象进行预变换，使用碰撞检测技术进行碰撞检测。如果没有碰撞发生，那么确认该位姿变换。如果发生碰撞，那么依据外部设备类型的不同的做出不同的响应。如果该外部设备是输入设备，如虚拟手套，鼠标等，那么取消该变换，并显示提示信息。如果外设可以进行信息输出和反馈，那么依据碰撞响应规则计算碰撞响应并通过外设进行输出和反馈。步骤7 :如果设计人员只操作过一个对象，那么记录该对象的位姿变换信息和视点信息。如果设计人员操作过多个对象，那么对于每个被操作过的对象，创建相应的并行的装配操作(针对每个操作对象，都创建一个装配操作)，并记录位姿变换信息和视点信息。步骤8 :循环执行步骤3 7，直到结束装配操作。步骤9 :判断任务的类型。如果类型是装配零部件，那么把任务对象添加到装配规划结果中，并把任务对象的状态设为已装配；如果类型是调整零部件，那么执行步骤10 ;如果类型是拆卸零部件，那么把任务对象从装配规划结果中删除，并把任务对象的状态设为 未装配。步骤10 :结束装配任务。在产品装配仿真过程中，在很多情况下需要使用工具或者夹具，工夹具的使用空间检测是装配工艺规划需要考虑的内容之一。使用工具的装配仿真过程包括以下步骤，如图3所示步骤I :创建装配任务(包括装配任务、调整任务和拆卸任务)，并指定零部件作为任务对象。步骤2 :将零件移动到合适的位置，如果不需要移动零件，则直接进行步骤3。步骤3 :使用工具，选择工具模型将其添加到当前任务中。步骤4 :移动工具到合适位姿，如果不需要移动工具，则直接进行步骤5。步骤5 :将工具与零件进行定位，定位以后零件将在工具的约束下运动，即操作工具的过程同步移动零件，在此过程中进行精确碰撞检测和接触状态建模。步骤6 :零件装配到目标位置后，释放工具。步骤7 :将工具放回工作台。步骤8:结束当前任务。( 2 )装配仿真过程信息模型建立在图2所示的装配仿真过程中，通过对装配仿真过程中形成的相关工艺信息(包括产品装配顺序、装配路径、装配资源信息等)进行有效组织，建立装配仿真过程信息模型。装配仿真过程信息模型由装配任务和装配操作组成。装配任务是指为完成一个或多个组件(组件是指装配过程中的当前操作对象，既可以是子部件，也可以是零件)的装配与调整所需实施的连续过程，通常由创建装配任务、装配组件和结束装配任务组成。装配任务分为装配组件、调整组件和拆卸组件三种任务类型。装配组件任务是指对未装配的组件进行装配以形成最终装配体的过程。调整组件任务是指对已装配的组件进行位姿调整的过程。拆卸组件任务是对已装配的组件进行拆卸的过程，拆卸后该组件不属于最终装配体。每个装配任务都有一组确定的任务对象，任务对象是完成该装配任务所需的组件。一个装配任务由一系列有序的装配操作组成。装配操作是指对一个或多个操作对象实施的连续操作过程，通常由拾取操作对象、装配操作对象和释放操作对象组成。装配操作的对象是指装配过程所有可操作的实体，包括部件、零件、工具、夹具等。该对象必须是其所属装配任务的任务对象或装配任务中使用的工具和夹具等。在一个装配任务内，当设计人员切换装配操作对象时，系统会自动创建一个新的装配操作。当同时对多个零部件进行装配操作时，或者同时对组件和工夹具进行装配操作时，系统会自动对每个装配操作对象创建并行的装配操作。例如同时对零件A和零件B进行装配操作时，系统会自动针对零件A和零件B，创建两个装配操作(两个装配操作在时间序列上是并行的)。基于装配任务和装配操作，建立了一个产品装配仿真过程信息模型，如图4所示。在该模型中，产品的装配过程划分为装配任务_装配操作_状态数据三个层次，产品的装配过程是由一系列装配任务组成，每个装配任务是由一系列装配操作组成，装配操作中包含了组件在装配过程中所经历的一系列有序的状态数据(包括空间的位置和姿态、速度、加速
度等产品的装配过程通常是从底层的零件装配成部件开始，若干个部件装配完成后进入总装。为了对部件的装配过程进行建模，将子装配引入到装配过程模型中。子装配是用于描述功能和结构相对独立的部件的装配过程。子装配包含一系列有序的装配任务，子装配中可以嵌套子装配。基于上述的产品装配仿真过程信息模型，一个包含子装配的产品完整装配过程信息模型如图5所示。在进行装配过程中，第一个被装配的零部件被自动设置为整个产品的基体，后续装配的零部件是在该基体上进行装配的。因此，一个产品的装配过程是通过一系列装配任务来描述的。每个装配任务装配一个或多个零部件，当一个装配任务完成时，该任务被添加到产品所对应的装配任务历史链表中，装配任务在装配历史链表中的先后位置反映了其所装配的零部件的装配顺序。另一方面，每个装配任务由一系列的装配操作实现，装配操作详细描述了该任务的完成过程。每一个装配操作都有一个或多个操作对象，这些操作对象在外设输入信息的作用下变换位姿，并最终完成装配。每一个装配操作包含该操作的操作对象所经过的一系列路径点(NodePath,NP)及操作对象在该路径点的外力、接触力、速度、加速度等状态数据。系统的采样频率决定了得到的状态数据的精细程度，记录状态数据时采样的频率越高，得到的数据就越精细。图6是一个使用工具的多个零部件同时装配的装配任务链表，AT表示装配任务，AO表示装配操作。其中装配任务2实现了零件2、零件3的装配，其中装配操作2和装配操作3并行。(3)产品装配仿真过程信息模型到产品装配工艺模型的映射装配仿真过程信息模型建立后，产品整个装配过程信息是由一个装配任务序列来实现的，该装配任务序列直接描述了产品与装配任务之间的实现关系，即通过完成那些装配任务，可以最终完成该产品的装配，并描述了这些装配任务的先后顺序。而产品的装配工艺是由一系列的装配工序组成，装配工序又由一系列的装配工步构成，因此需要实现产品装配仿真过程信息模型到装配工艺的映射。产品装配仿真过程信息模型映射为装配工艺模型，可通过人机交互的方式实现，并建立如图7所示的产品装配工艺模型，其中产品装配工艺由一系列的装配工序组成，一道装配工序由一个或多个装配工步组成，一个装配工步是由一个或者多个相应的装配任务组成的，一个装配任务由一个或者多个相应的装配操作组成。通过人机交互方式实现产品装配仿真过程信息模型到产品装配工艺模型的映射，只需将相应的装配任务按照实际的装配工艺添加到相应的装配工步下面即可，如8所示。在进行装配任务和装配工序关联时，采用装配任务的ID来遍历到所有的装配任务，然后将找到的装配任务添加到装配工步的链表中。产品装配工艺模型的定义过程如下的步骤I和步骤2 步骤I :设计装配过程工序和工步的定义界面。在装配过程工序和工步的定义界面中，在工序名称和工序代号中可以输入工序名称(字符)和工序号(数字，如2)，点击添加工序按钮，名称和代号被刷新到工艺树中并且显示出来。在工步名称和工步代号中可以输入工步名称(字符)和工步号(数字，如2. 1)，并且在工步内容里面，可以输入该装配活动的各种信息，包括检验信息，零部件配套要求，还有装配要求等等。点击添加工步按钮，工步名称和代号被刷新到工艺树中，添加到相应工序下面，并显示出来。如果用户在定义过程中出现错误，可以通过下方的“删除”按钮，将错误的工序或者工步删除，然后继续进行添加。步骤2 :设计装配任务与装配工步的关联界面。在该界面中，点击“刷新”按钮，将 所有的装配任务显示出来。点击装配任务使其高亮，通过单击“关联”按钮，将其关联到相应的装配工步下面，零部件会按照装配的层次结构显示在下方的工艺树中。所有零部件关联完成之后，能有生成产品装配工艺模型。(4)装配工艺卡和明细表输出完成了产品装配工艺模型的建立后，可从产品装配工艺模型中提取相关信息，输出产品装配工艺卡、工艺装备明细表、材料消耗明细表和零部件配套明细表。
权利要求
1.一种基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，其特征在于，包括以下四个步骤， 第一步、基于产品三维模型和工装三维模型，对产品装配过程进行仿真；第二步、通过对装配仿真过程中形成的工艺信息，包括装配顺序、装配路径、装配资源信息有效的组织，建立装配仿真过程信息模型；第三步、对装配仿真过程中形成的装配信息进行组织、合并，并补充和完善产品的装配工艺信息，形成产品装配工艺模型；第四步、从产品装配工艺模型中提前相关信息，输出装配工艺卡片和明细表。
2.如权利要求I所述的基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，其特征在于，第一步的具体步骤为 步骤I :设计人员创建装配任务； 步骤2 :选择装配任务的对象； 步骤3 :获得鼠标当前的位置方向信息，选取当前操作对象，继续执行步骤4或结束当前操作； 步骤4 :获得鼠标当前的位置方向信息，并依据上一时刻的位置方向信息计算增量，以此增量作为当前操作对象的位姿变换增量； 步骤5 :获得当前操作对象的自由度信息，依据自由度信息和增量信息，计算操作对象可行的位姿变换； 步骤6 :通过计算得到位姿增量，对当前操作对象进行预变换，使用碰撞检测技术进行碰撞检测； 步骤7 :记录该对象的位姿变换信息和视点信息或对于每个被操作过的对象，创建相应的并行的装配操作，并记录位姿变换信息和视点信息； 步骤8 :循环执行步骤3 7，直到结束装配操作； 步骤9 :判断任务的类型； 步骤10 :结束装配任务。
3.如权利要求I所述的基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，其特征在于，第三步通过人机交互的方式实现，采用装配任务的ID来遍历到所有的装配任务，然后将找到的装配任务添加到装配工步的链表中。
4.如权利要求I所述的基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，其特征在于，在第三步形成的产品装配工艺模型中，产品的装配过程划分为装配任务、装配操作、状态数据三个层次，产品的装配过程由一系列装配任务组成，每个装配任务是由一系列装配操作组成，装配操作中包含了组件在装配过程中所经历的一系列有序的状态数据。
5.如权利要求4所述的基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，其特征在于，状态数据包括空间的位置和姿态、速度、加速度。
全文摘要
本发明提供了一种基于装配过程仿真的产品装配工艺生成的方法，可实现将装配仿真过程中形成的信息模型映射为产品装配工艺。基于装配过程仿真的产品装配工艺生成方法，包括产品虚拟装配过程仿真、产品装配仿真过程信息模型建立、产品装配仿真过程信息模型到产品装配工艺模型的映射、装配工艺卡和明细表输出四个步骤。该方法在三维模型的基础上，采用人机交互的方式对产品的装配过程进行实时动态仿真，并通过对装配仿真过程信息的记录形成初始的产品装配工艺，最后通过对该初始的产品装配工艺进行适应实际情况的修改，可形成满足企业实际要求的装配工艺文件。
文档编号G06F17/50GK102968520SQ20121041396
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者白书清, 刘检华, 蔡艳丽, 杨志猛 申请人:北京航天新风机械设备有限责任公司