專利名稱：無紙化三維裝配工藝文件的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)品裝配工藝的生成方法，尤其是三維裝配工藝文件的 獲取、生成方法，具體地說是一種無紙化三維裝配工藝文件的實現(xiàn)方法。
技術(shù)背景眾所周知，裝配是產(chǎn)品生命周期中的重要環(huán)節(jié)，是根據(jù)確定的精度標(biāo)準(zhǔn) 和技術(shù)要求，將一組零散的零件通過合理的工藝流程及各種必要的方式聯(lián)結(jié) 組合起來，使之成為產(chǎn)品的過程；是影響產(chǎn)品性能、質(zhì)量、開發(fā)周期和成本 的主要因素之一。所以裝配工藝的設(shè)計及實施質(zhì)量決定著產(chǎn)品的競爭力。隨 著三維CAD軟件的迅速發(fā)展與普及，三維CAD技術(shù)正在代替二維CAD 系統(tǒng)成為企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和數(shù)字化設(shè)計制造的基礎(chǔ)平臺。目前的裝配工藝設(shè)計都是針對二維圖紙采用人工編制，編制周期長，過 分依賴工藝人員的技術(shù)水平和裝配經(jīng)驗，裝配工藝設(shè)計繁瑣且不規(guī)范。而計 算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)系統(tǒng)只是提供一個進行人工編制工藝卡片的計算 機平臺，基于二維視圖的裝配工藝設(shè)計知識的表達、生成、組織與管理比較 困難，并無法直觀地，交互地對裝配過程進行仿真和評估，另外二維紙質(zhì)工 藝文件無法直觀反映裝配細節(jié)與要求，給工藝技術(shù)狀態(tài)控制、操作人員理解、 使用帶來困難。目前對于三維裝配技術(shù)的研究集中在利用計算機對產(chǎn)品的空間幾何、拓 撲結(jié)構(gòu)和裝配約束關(guān)系進行自動分析和推理，建立零部件間的裝配順序優(yōu)先 約束，從而找出所有幾何上可行的裝配序列，并通過某種評價機制(如最短 裝配時間和最小裝配成本)進行優(yōu)選。但據(jù)申請人所知，目前尚無一個完整 的，用于三維裝配工藝規(guī)劃并生成三維工藝卡片和裝配過程動畫的三維裝配 工藝設(shè)計方法可供人們借鑒使用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)的基于二維CAD的CAAPP系統(tǒng)將難以完全滿足 企業(yè)CAD/CAPP/CAM集成的需要以及傳統(tǒng)的基于手工的裝配工藝設(shè)計方法不 能滿足制造系統(tǒng)高效率、信息高度集成的要求，不能滿足瞬息萬變的市場對 產(chǎn)品開發(fā)周期的要求的問題，發(fā)明一種基于三維CAD基礎(chǔ)設(shè)計平臺的、可由 工藝設(shè)計人員直接調(diào)用產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)庫，快速完成無紙化三維裝配工藝文件 的實現(xiàn)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種無紙化三維裝配工藝文件的實現(xiàn)方法，其特征是它包括以下步驟首先，由工藝設(shè)計人員從產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)庫中調(diào)取待裝配產(chǎn)品的CAD裝配 文件，利用CAD二次開發(fā)接口程序讀取CAD裝配模型文件的層次信息、約束 信息，建立約束鏈表，并由程序重新進行組織生成零件的拓?fù)湫畔⒑脱b配信 息，存入裝配信息數(shù)據(jù)庫ASSEMBLY一DB中；其次，利用CAD軟件對零件的CAD設(shè)計模型進行三角面片分割，生成三 角面片文件(如STL、 VRML等文件格式)，然后建立零件模型的各種幾何特征 (軸線，平面，圓柱面等)與面片之間的映射關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程 序生成包含這些面片信息的虛擬現(xiàn)實文檔一~NFF格式文件，獲得能夠利用 虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)包World Toolkit顯示的裝配模型的幾何信息；第三，由系統(tǒng)根據(jù)零件的裝配約束和接觸數(shù)目推薦各子裝配體的基礎(chǔ) 件，并高亮顯示與之有裝配約束和接觸關(guān)系的其他零件，然后由工藝設(shè)計人 員確定各個子裝配體，通過軟件建立初步的層次裝配結(jié)構(gòu)和子裝配體的裝配 順序；第四，以上述層次裝配結(jié)構(gòu)和子裝配體的裝配順序為基礎(chǔ)，在虛擬裝配 環(huán)境中選取工裝/工具模型依次對裝配單元進行裝配，實時進行碰撞干涉檢 測，驗證裝配順序的可行性及裝配的合理性，得到可行的零件裝配工步序列 表。同時由軟件記錄所有可行性裝配的路徑結(jié)點信息；第五，工藝人員將上述工步順序以及裝配路徑結(jié)點信息按照生產(chǎn)線實際 工位進行組合，得到每個工序的三維立體圖文件和裝配動畫效果文件，同時 生成工藝卡片，其中工藝卡片主要包括二個部分文字表格區(qū)域和三維裝配動畫區(qū)域，由工藝人員對文字表格部分進行編輯，根據(jù)四中產(chǎn)生的裝配路徑 結(jié)點信息生成三維裝配動畫，并嵌入到工藝卡片中；最后，將上述生成的每個工序的三維立體圖文件、裝配動畫效果文件及 工藝卡片保存到裝配數(shù)據(jù)庫中，由裝配人員根據(jù)工位編號査詢數(shù)據(jù)庫調(diào)用本 工位的工藝卡片及三維立體圖文件、裝配動畫效果文件在工位顯示器中顯示， 并能根據(jù)裝配人員的要求反復(fù)演示示教。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明解決了二維紙制工藝文件無法直觀反映裝配細節(jié)與要求，不利于 操作人員理解和使用的問題，具有直觀性、交互性好的特點，通過它，工藝人員可以通過導(dǎo)入的CAD設(shè)計模型，方便的編制三維裝配工藝文件，也可以 對裝配現(xiàn)場的操作人員起到示教的作用。以便于降低裝配設(shè)計成本、縮短裝 配周期和提高運行效率。


圖1是裝配三維工藝設(shè)計系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。 圖2是裝配信息層次結(jié)構(gòu)模型。圖3是STL文檔格式與中性文件格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖。圖4是裝配模型信息轉(zhuǎn)換模塊流程圖。圖5是裝配工藝路徑規(guī)劃模塊流程圖。圖6是裝配工序卡片設(shè)計模塊流程圖。圖7本發(fā)明實例中的裝配三維工藝設(shè)計系統(tǒng)主界面示意圖。圖8是本明實例中的裝配三維工藝設(shè)計系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化界面圖。圖9為本明實例中的工藝卡片設(shè)計界面圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-5所示。一種無紙化三維裝配工藝文件的實現(xiàn)方法，它包括以下步驟首先，由工藝設(shè)計人員從產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)庫中調(diào)取待裝配產(chǎn)品的CAD裝配 文件，利用CAD二次開發(fā)接口程序讀取CAD裝配模型文件的層次信息、約束 信息，建立約束鏈表，并由程序重新進行組織生成零件的拓?fù)湫畔⒑脱b配信息，存入裝配信息數(shù)據(jù)庫ASSEMBLY_DB中，如圖2所示；其次，利用CAD軟件對零件的CAD設(shè)計模型進行三角面片分割，生成三 角面片文件(如STL、 VRML等文件格式)，然后建立零件模型的各種幾何特征 (軸線，平面，圓柱面等)與面片之間的映射關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程 序生成包含這些面片f息的虛擬現(xiàn)實文檔——NFF格式文件，獲得能夠利用 虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)包World Toolkit顯示的裝配模型的幾何信息，如圖3所 示；第三，由系統(tǒng)根據(jù)零件的裝配約束和接觸數(shù)目推薦各子裝配體的基礎(chǔ) 件，并高亮顯示與之有裝配約束和接觸關(guān)系的其他零件，然后由工藝設(shè)計人 員確定各個子裝配體，通過軟件建立初步的層次裝配結(jié)構(gòu)和子裝配體的裝配 順序；第四，以上述層次裝配結(jié)構(gòu)和子裝配體的裝配順序為基礎(chǔ)，在虛擬裝配 環(huán)境中選取工裝/工具模型依次對裝配單元進行裝配，實時進行碰撞干涉檢 測，驗證裝配順序的可行性及裝配的合理性，得到可行的零件裝配工步序列 表。同時由軟件記錄所有可行性裝配的路徑結(jié)點信息；如圖5所示；第五，工藝人員將上述工步順序以及裝配路徑結(jié)點信息按照生產(chǎn)線實際 工位進行組合，得到每個工序的三維立體圖文件和裝配動畫效果文件，同時 生成工藝卡片，其中工藝卡片主要包括二個部分:文字表格區(qū)域和三維裝配 動畫區(qū)域，由工藝人員對文字表格部分進行編輯，根據(jù)四中產(chǎn)生的裝配路徑結(jié)點信息生成三維裝配動畫，并嵌入到工藝卡片中，如圖6所示；最后，將上述生成的每個工序的三維立體圖文件、裝配動畫效果文 件及工藝卡片保存到裝配數(shù)據(jù)庫中，由裝配人員根據(jù)工位編號查詢數(shù)據(jù)庫調(diào) 用本工位的工藝卡片及三維立體圖文件、裝配動畫效果文件在工位顯示器中 顯示，并能根據(jù)裝配人員的要求及復(fù)演示示教。具體地說本發(fā)明是通過五個模塊來實現(xiàn)的，它們是(l)模型信息轉(zhuǎn)換模 塊、(2)裝配工藝路徑規(guī)劃模塊、(3)裝配工序卡片設(shè)計模塊、(4)裝配工藝文件 瀏覽模塊和(5)工裝/工具管理模塊。以下分別加以介紹(1) 模型信息轉(zhuǎn)換模塊從CAD系統(tǒng)提取裝配模型的幾何信息、拓?fù)湫畔⒑脱b配信息，并且在虛擬裝配環(huán)境下建立零件層次模型和信息映射，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配模型信息從CAD平臺到虛擬現(xiàn)實環(huán)境平臺的轉(zhuǎn)換。它包括以下步驟a、 用戶登錄處理，工藝設(shè)計人員登陸成功進入下一模塊，登陸不成功退 出模塊，裝配操作人員登錄成功進入裝配工藝文件瀏覽模塊，登錄不成功退 出模塊；b、 用戶成功登陸后，系統(tǒng)通過CAD二次開發(fā)接口讀取CAD裝配模型的層 次信息(包括裝配體、零件、特征、幾何面等信息)、約束信息(包括貼合、 對齊、相切等定位關(guān)系和各種配合關(guān)系)等，并重新進行組織生成拓?fù)湫畔?和裝配信息，存入裝配數(shù)據(jù)庫ASSEMBLY一DB中；c、 對CAD設(shè)計模型進行三角面片分割，然后建立各種幾何特征與面片之 間的映射關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口生成包含這些面片信息的虛擬現(xiàn)實文檔 ——NFF格式文件，獲得裝配模型的幾何信息；裝配體主要的裝配幾何特征為直線、平面、圓柱面、球面。具體信息的 表達為〈面片〉〈P,，P2，P3，n〉，其中Pl， P2， P3表示三角面片的3個頂點，n表示三角面片的法矢量；〈軸線〉〈P，n〉，其中P表示軸線上一點，n表示軸線單位矢量； 〈平面〉〈P，e,，其中P表示平面上一點，en表示平面單位矢量； 〈圓柱面〉〈P，n, R〉，其中P表示中心軸上一點，n表示軸線單位矢量，R表示半徑；〈球面〉〈0，R〉，其中0表示球心，R表示球半徑；d、 在虛擬裝配環(huán)境中顯示裝配零件模型。(2) 裝配工藝路徑規(guī)劃模塊本模塊用于實現(xiàn)對產(chǎn)品零部件裝配序列以及裝配路徑的生成和優(yōu)化，它包括以下步驟a、根據(jù)裝配數(shù)據(jù)庫中的約束信息和子裝配體判斷規(guī)則，用戶對裝配件劃分出子裝配體，生出初步的層次裝配模型和子裝配集的裝配順序；對于子裝配體的判斷存在以下的假設(shè)①一個安裝過程只安裝2個裝配體(或者零件)；②由n個零件組成的裝配體，其子裝配的零件數(shù)目m存在關(guān) 系2《m<n;③1個零件同時只能屬于1個子裝配體；④子裝配體的結(jié)構(gòu)是 穩(wěn)定的，即組成子裝配體的零件之間的約束是完整的；⑤子裝配體中的零件 至少與同裝配體中的其他一個零件有裝配或者接觸關(guān)系。由系統(tǒng)根據(jù)零件的 裝配約束和接觸數(shù)目推薦各子裝配體的基礎(chǔ)件，并高亮顯示與之有裝配約束 和接觸關(guān)系的其他零件，然后由用戶確定各個子裝配體。b、 在虛擬裝配環(huán)境中選取工裝/工具模型依次對裝配單元進行裝配，實 時進行碰撞干涉檢測，驗證裝配順序的可行性及裝配的合理性。當(dāng)裝配單元 發(fā)生干涉，則回到a，對裝配順序重新劃分；c、 記錄所有可行性裝配的順序和裝配路徑，直至裝配完畢；(3) 裝配工序卡片設(shè)計模塊本模塊的主要作用是實現(xiàn)三維裝配工藝卡片的創(chuàng)建和編輯功能，它包 括以下步驟a、 創(chuàng)建新的工藝卡片文檔，用戶可以根據(jù)需求對工藝卡片進行更改和重 新設(shè)計，工藝卡片主要包括二個部分文字表格區(qū)域和三維裝配動畫區(qū)域。 文字表格區(qū)域包括裝配工藝號、裝配零件明細、裝配操作說明等文字說明內(nèi) 容，三維裝配動畫區(qū)域用來顯示可以進行縮放、轉(zhuǎn)變視角、播放、暫停、后 退等操作的三維裝配動畫；b、 系統(tǒng)將(2)中記錄的最終裝配順序轉(zhuǎn)化成裝配工藝路線，填寫到工序卡片的工序號和工步內(nèi)容欄中，并由工藝設(shè)計人員對工藝卡片其他內(nèi)容進行編 輯；c、 根據(jù)(2)中記錄的裝配路徑信息對三維模型進行仿真，并根據(jù)生成的每 個工步內(nèi)容創(chuàng)建裝配過程動畫來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維工藝示圖；d、 建立b中工步與c中三維裝配動畫幀的映射關(guān)系。(4) 裝配工藝文件瀏覽模塊用于實現(xiàn)三維工藝卡片和裝配動畫的瀏覽功能。其特征是，對(3)中建立的裝配工藝文件文檔進行瀏覽，其中裝配動畫嵌入三維工藝卡片中，并且根 據(jù)(3)中所建立的工序號與裝配動畫幀的映射關(guān)系顯示各步工序的裝配動畫， 對有裝配關(guān)系的零件高亮顯示。包括三維工藝文件打開、關(guān)閉、翻頁、頁面 滾動等操作功能以及裝配動畫的縮放、轉(zhuǎn)變視角、播放、暫停、后退等功能。(5)工裝/工具管理模塊用于實現(xiàn)工裝/工具的信息添加，刪除和查詢功能。下面結(jié)合一個實例作進一步的說明用戶在Windows 2000/xp環(huán)境下運行本軟件。首先顯示的是版本信息及 制作單位信息，然后進入主界面，主界面如圖7 (已經(jīng)將模型導(dǎo)入)。圖8為模型轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入界面，用戶在對話框中選擇CAD設(shè)計模型，點擊導(dǎo) 入按鈕，同時啟動Pro/Engineering軟件以及二次開發(fā)接口程序，利用二次 開發(fā)接口將零件的裝配信息和拓?fù)湫畔⒈４娴胶笈_的裝配數(shù)據(jù)庫，并將零件 的幾何信息以中性文件導(dǎo)出到默認(rèn)文件夾。然后進入裝配工藝路徑規(guī)劃模塊，由用戶根據(jù)提示交互的劃分子裝配體， 生成裝配層次樹，并在裝配窗口對零件進行模擬裝配，系統(tǒng)實時的進行碰撞 干涉檢測，來驗證裝配順序和路徑的合理性。裝配成功后，點擊確定，由系 統(tǒng)記錄裝配的次序和裝配路徑，并顯示出構(gòu)建的裝配順序樹。圖9為工藝卡片設(shè)計界面。
權(quán)利要求
1、一種無紙化三維裝配工藝文件的實現(xiàn)方法，其特征是它包括以下步驟首先，由工藝設(shè)計人員從產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)庫中調(diào)取待裝配產(chǎn)品的CAD裝配文件，利用CAD二次開發(fā)接口程序讀取CAD裝配模型文件的層次信息、約束信息，建立約束鏈表，并由程序重新進行組織生成零件的拓?fù)湫畔⒑脱b配信息，存入裝配信息數(shù)據(jù)庫ASSEMBLY_DB中；其次，利用CAD軟件對零件的CAD設(shè)計模型進行三角面片分割，生成三角面片文件，然后建立零件模型的各種幾何特征與面片之間的映射關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序生成包含這些面片信息的虛擬現(xiàn)實文檔——NFF格式文件，獲得能夠利用虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)包World Toolkit顯示的裝配模型的幾何信息；第三，由系統(tǒng)根據(jù)零件的裝配約束和接觸數(shù)目推薦各子裝配體的基礎(chǔ)件，并高亮顯示與之有裝配約束和接觸關(guān)系的其他零件，然后由工藝設(shè)計人員確定各個子裝配體，通過軟件建立初步的層次裝配結(jié)構(gòu)和子裝配體的裝配順序；第四，以上述層次裝配結(jié)構(gòu)和子裝配體的裝配順序為基礎(chǔ)，在虛擬裝配環(huán)境中選取工裝/工具模型依次對裝配單元進行裝配，實時進行碰撞干涉檢測，驗證裝配順序的可行性及裝配的合理性，得到可行的零件裝配工步序列表；同時由軟件記錄所有可行性裝配的路徑結(jié)點信息；第五，工藝人員將上述工步順序以及裝配路徑結(jié)點信息按照生產(chǎn)線實際工位進行組合，得到每個工序的三維立體圖文件和裝配動畫效果文件，同時生成工藝卡片，其中工藝卡片主要包括二個部分文字表格區(qū)域和三維裝配動畫區(qū)域，由工藝人員對文字表格部分進行編輯，根據(jù)四中產(chǎn)生的裝配路徑結(jié)點信息生成三維裝配動畫，并嵌入到工藝卡片中；最后，將上述生成的每個工序的三維立體圖文件、裝配動畫效果文件及工藝卡片保存到裝配數(shù)據(jù)庫中，由裝配人員根據(jù)工位編號查詢數(shù)據(jù)庫調(diào)用本工位的工藝卡片及三維立體圖文件、裝配動畫效果文件在工位顯示器中顯示，并能根據(jù)裝配人員的要求反復(fù)演示示教。
全文摘要
本發(fā)明針對目前對三維裝配系統(tǒng)的需求以及二維紙質(zhì)工藝文件無法直觀反映裝配細節(jié)與要求的缺點，公開了一種可直觀，交互地對型號產(chǎn)品裝配資源進行三維裝配工藝規(guī)劃并生成三維工藝卡片和裝配過程動畫的無紙化三維裝配工藝文件設(shè)計方法，該軟件是由(1)模型信息轉(zhuǎn)換模塊、(2)裝配工藝路徑規(guī)劃模塊、(3)裝配工序卡片設(shè)計模塊、(4)裝配工藝文件瀏覽模塊和(5)工裝/工具管理模塊五大部分組成。解決了二維紙制工藝文件無法直觀反映裝配細節(jié)與要求，不利于操作人員理解和使用的問題，具有直觀性、交互性好的特點，通過它，工藝人員可以通過導(dǎo)入的CAD設(shè)計模型，方便的編制三維裝配工藝文件，也可以對裝配現(xiàn)場的操作人員起到示教的作用。
文檔編號G06F17/50GK101216862SQ20081001920
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者周華林, 左敦穩(wěn), 丹 張, 楊發(fā)春, 焦光明, 薛善良, 靜 閆 申請人:南京航空航天大學(xué);南京晨光集團有限責(zé)任公司