三維裝配CAPP產(chǎn)品和技術(shù)研究

1、三維裝配CAPP產(chǎn)品和技術(shù)研究發(fā)表時間：2011-12-9 作者：黃娟王麗瀏覽量：2 關(guān)鍵字： CAPP技術(shù) 三維裝配 輔助設(shè)計 來源：開目本文介紹了隨著產(chǎn)品設(shè)計手段二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)變，工藝設(shè)計由二維CAPP向三維CAPP轉(zhuǎn)換也成為CAPP發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史趨勢。本文結(jié)合企業(yè)裝配應(yīng)用實際，對三維裝配CAPP技術(shù)和產(chǎn)品進行深入探討。1.前言 制造業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展近二十年來，在工業(yè)實踐需求的帶動下發(fā)生了翻天覆地的變化。 CAD是我國制造行業(yè)應(yīng)用最普遍的計算機輔助設(shè)計技術(shù)，它改造了傳統(tǒng)手工設(shè)計的落后現(xiàn)狀，為后續(xù)的企業(yè)信息化建設(shè)打下了堅實基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)的二維CAD只能起到電子圖版的作用，不能

2、直觀地表達產(chǎn)品的造型和結(jié)構(gòu)。近年來，隨著制造業(yè)信息化步伐的加快，為了進一步提高設(shè)計能力和產(chǎn)品創(chuàng)新能力，一些企業(yè)開始逐步引入三維CAD系統(tǒng)，以縮短設(shè)計和分析時間、縮短制造周期，并已取得了巨大經(jīng)濟效益。實踐證明，從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，已成為企業(yè)深化CAD應(yīng)用的方向，也是CAD發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史趨勢。與此同時，作為企業(yè)信息化集成系統(tǒng)中重要一環(huán)的CAPP，還大多還停留在解決工藝設(shè)計中的事務(wù)性、管理工作的階段，在應(yīng)用方面仍然薄弱，尤其在與三維CAD的集成上，基于三維CAD的裝配關(guān)系檢查與仿真、裝配工藝爆炸圖的編輯、產(chǎn)品工藝性評價與審核等功能都無從實現(xiàn)。如果說零件的加工可以CAD/CAM一體化來解

3、決工藝問題，但裝配卻無法實現(xiàn)，尤其是復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計，因此基于三維CAD的裝配CAPP技術(shù)成為近階段需求熱點。 三維裝配CAPP技術(shù)最早出現(xiàn)于上世紀九十年代后期，代表了一種全新的制造體系和模式，因可以與三維CAD技術(shù)相結(jié)合，解決設(shè)計與裝配對象在和研制過程中難以實現(xiàn)的動態(tài)性能而引起了人們的普遍重視，并得到迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)航空航天、船舶、汽車、兵器等行業(yè)也已逐步展開相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。2.裝配CAPP的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 CAPP(Computer Aided Process Planning，計算機輔助工藝設(shè)計)自20世紀60年代提出以來，在廣度和深度上都取得了長足的發(fā)展，但其研究幾乎都集

4、中在零件的加工上，對于裝配型CAPP的研究，目前尚處于起步階段。 現(xiàn)有的裝配CAPP主要有檢索式和創(chuàng)成式兩種。檢索式裝配CAPP是指將典型產(chǎn)品的裝配工藝文件存儲在系統(tǒng)中，當(dāng)進行某一產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計時，檢索相似產(chǎn)品的裝配工藝，若檢索到，便在此基礎(chǔ)上進行修改，從而生產(chǎn)新產(chǎn)品的裝配工藝文件。而創(chuàng)成式裝配CAPP是預(yù)先在知識庫中存入一系列與裝配工藝設(shè)計有關(guān)的決策規(guī)則，再利用計算機的邏輯推理功能生成新產(chǎn)品的裝配工藝。但由于裝配工藝設(shè)計復(fù)雜，經(jīng)驗性強，目前還沒有完全的創(chuàng)成式裝配CAPP系統(tǒng)。 基于3D虛擬技術(shù)的創(chuàng)成式裝配CAPP三維裝配CAPP是現(xiàn)在主要發(fā)展趨勢，在該系統(tǒng)中，裝配工藝設(shè)計人員直接操作虛擬

5、場景中的零部件模擬裝配過程，驗證零部件的可裝配性、進行裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、裝配過程仿真等。 三維裝配CAPP作為專業(yè)的裝配工藝規(guī)劃軟件，相比傳統(tǒng)三維CAD裝配功能主要有以下區(qū)別： 目前，三維裝配CAPP技術(shù)已經(jīng)在裝配路徑規(guī)劃、工藝規(guī)劃、裝配仿真、裝配工藝驗證分析等方面取得了一定的成果，未來還將向以下幾個方面發(fā)展： 1)深度系統(tǒng)集成。系統(tǒng)集成化是數(shù)字化制造發(fā)展的重要趨勢，包括裝配CAPP自身內(nèi)部的集成，以及與PLM以及其它上下游系統(tǒng)的深度集成，數(shù)字化制造領(lǐng)域內(nèi)的每個廠商都在朝著這一方向努力。 2)可視化裝配工藝評價體系。當(dāng)幾何可行性的裝配工藝集合生成后，需要應(yīng)用有關(guān)的裝配評價方法對裝配工

6、藝方案進行評價，從而找出最為合適的產(chǎn)品裝配方案。目前評價體系在學(xué)術(shù)上研究有余而應(yīng)用不足，特別是在裝配綠色性上的評價仍需要不斷發(fā)展。 3)提高系統(tǒng)的智能性。在充分集成的基礎(chǔ)上，有效的歸納和管理工藝專家的經(jīng)驗和知識并合理利用，提高裝配順序規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃的智能性。 4)更加專業(yè)化。裝配CAPP未來將更傾向于提供基于行業(yè)、基于專業(yè)的方案，針對行業(yè)特定需求，提供更多專業(yè)化工具，讓用戶使用更便利，回報更豐厚。3.三維裝配CAPP關(guān)鍵技術(shù) 三維裝配CAPP是將傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃中所體現(xiàn)的內(nèi)容以虛擬仿真的形式表達出來的一種新的技術(shù)。是在產(chǎn)品零部件三維數(shù)字化實體模型的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、信息技術(shù)和人

7、工智能技術(shù)，借助于虛擬現(xiàn)實等人機交互手段，來規(guī)劃與仿真產(chǎn)品的設(shè)計裝配過程，并指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。它可以克服傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計中主要依賴于人的裝配經(jīng)驗和知識，以及設(shè)計難度大、設(shè)計效率低、優(yōu)化程度低等問題。 基于三維模型的裝配CAPP主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)： 1)裝配信息三維實體建模。通過建立零部件和工裝工具的三維實體數(shù)字化模型，提取裝配特征信息和空間位置信息，建立產(chǎn)品的裝配模型。裝配信息建模是數(shù)字化裝配的基礎(chǔ)。 圖1 裝配信息三維實體建模 2)裝配順序規(guī)劃。根據(jù)產(chǎn)品裝配模型提供的結(jié)構(gòu)信息，采用幾何推理和人工指導(dǎo)拆卸相結(jié)合的方法進行裝配序列規(guī)劃，得到產(chǎn)品的最佳裝配順序。 圖2 裝配順序規(guī)劃 3)裝配路徑及

8、工藝規(guī)劃。在三維環(huán)境下進行交互式工藝規(guī)劃及碰撞測試，確定裝配路徑，選取合適的工裝工具和裝配方法，擬定工藝路線，編排工序工步，確定每道工序的質(zhì)量控制內(nèi)容和檢測方法，最終輸出優(yōu)化的裝配工藝方案。 4)裝配仿真。數(shù)字化裝配仿真是在產(chǎn)品的設(shè)計階段，通過裝配過程的仿真實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品的預(yù)裝配，驗證和改進產(chǎn)品的裝配工藝，生動直觀地展示產(chǎn)品的可裝配性，從而提高產(chǎn)品的裝配效率，減少裝配時間和費用。 5)裝配工藝輸出。輸出裝配仿真動畫，方便用戶在裝配現(xiàn)場，清晰直觀地查看產(chǎn)品的裝配過程及裝配要求，以指導(dǎo)現(xiàn)場裝配。根據(jù)需要，還可以輸出成各種裝配工藝卡片用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。 圖3 裝配工藝輸出 通過以上關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，可

9、以幫助用戶規(guī)劃產(chǎn)品的完整裝配過程，仿真、驗證裝配工藝規(guī)程的合理性，通過裝配規(guī)劃、仿真和驗證，可以在虛擬環(huán)境中探索和優(yōu)化新的流程和技術(shù)，有利于加快企業(yè)產(chǎn)品上市速度，增強企業(yè)對市場的快速反應(yīng)能力。4.三維裝配CAPP產(chǎn)品特點 三維裝配CAPP軟件是在三維產(chǎn)品裝配模型的基礎(chǔ)上，重新組織產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，用戶參照真實感的三維產(chǎn)品模型，規(guī)劃產(chǎn)品裝配的所有工序，選擇每個裝配工序的裝配對象，并定義工序中每一個工步需要完成的裝配活動，引入裝配過程中用到的制造資源并定義在裝配過程中的活動，最后完成整個產(chǎn)品核心零部件的完整裝配過程，并可生成裝配工藝文檔及裝配過程錄像。 圖4 三維裝配CAPP設(shè)計模式 三維裝配CAP

10、P軟件主要特點如下： (1)面向復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程規(guī)劃：通過裝配結(jié)構(gòu)規(guī)劃、方法規(guī)劃、節(jié)拍規(guī)劃、路徑規(guī)劃等方式，實現(xiàn)產(chǎn)品整個裝配過程的工藝規(guī)劃。 (2)多樣、全面的技術(shù)圖解：通過裝配BOM清單和零部件序號標(biāo)注、零部件裝配要求文字說明、標(biāo)簽等多樣、全面的技術(shù)圖解，幫助用戶準(zhǔn)確理解裝配過程。 圖5 全面的技術(shù)圖解 (3)裝配工藝評價：在裝配仿真播放過程中可進行實時干涉檢查、靜態(tài)干涉檢查、干涉檢查報告輸出等；支持裝配尺寸鏈計算和裝配尺寸測量，包括各類距離、角度、直徑、半徑的測量。 (4)制造資源規(guī)劃：將工具、量具、工裝、使用頻度較高的三維模型等定義到工藝裝備資源庫中，在三維裝配過程中用以模仿使用工藝裝

11、備裝配產(chǎn)品零部件的完整過程。 圖6 制造資源規(guī)劃分頁 (5)靈活的裝配工藝輸出：不僅可以支持裝配過程仿真及錄像輸出、各種用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)的裝配工藝卡片輸出，還可以結(jié)合MES系統(tǒng)將裝配工藝進行電子化發(fā)布。 圖7 結(jié)合MES系統(tǒng)裝配工藝電子化發(fā)布 目前，數(shù)字化制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍者西門子Siemens PLM Software、Dassault Systemes、PTC等公司都已形成自己的三維裝配工藝規(guī)劃解決方案，武漢開目信息技術(shù)有限責(zé)任公司作為國內(nèi)數(shù)字化工藝與制造的領(lǐng)先者，經(jīng)過7年的精耕細作也于2011年3月正式推出了國內(nèi)首創(chuàng)的開目三維裝配CAPP軟件。與國外的同類產(chǎn)品相比，國內(nèi)三維裝配CAPP軟件具

12、有能支持多種主流三維CAD模型、裝配過程技術(shù)圖解全面、裝配工藝規(guī)劃更符合企業(yè)實際，以及成本低、服務(wù)響應(yīng)速度快等優(yōu)點。5.三維裝配CAPP在企業(yè)應(yīng)用價值 西方發(fā)達國家對三維裝配CAPP技術(shù)已經(jīng)有了深入的研究和應(yīng)用，并已經(jīng)取得了世人矚目的效果。美國波音飛機的研制就是數(shù)字化應(yīng)用的典范，通過在設(shè)計階段建立三維數(shù)字化模型，采用數(shù)字化預(yù)裝配，建立了裝配工藝規(guī)劃；同時，在現(xiàn)場實際裝配中，裝配操作人員可以清晰地按照裝配工藝和看板提供的示例進行裝配，使得裝配效率和裝配質(zhì)量得到了大大提高。 目前，國內(nèi)三維裝配CAPP技術(shù)的應(yīng)用還處于起步初始階段，主要應(yīng)用于高產(chǎn)值、高附加值以及信息化程度較高的航空航天、汽車、軍用電

13、子等行業(yè)。通過應(yīng)用，主要實現(xiàn)了以下價值： (1)優(yōu)化裝配：對產(chǎn)品的裝配過程行模擬與分析，對裝配方案進行快速評價，優(yōu)化產(chǎn)品的裝配過程，及早發(fā)現(xiàn)潛在的裝配沖突與缺陷，提高裝配設(shè)計效率、提升裝配質(zhì)量。 (2)優(yōu)化設(shè)計：模擬和預(yù)估產(chǎn)品裝配性能及可裝配性等方面可能存在的問題，并將裝配信息反饋給設(shè)計階段的設(shè)計人員，修改、優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量與水平。 (3)優(yōu)化制造：提早確定裝配方案，可提早進入工藝計劃與準(zhǔn)備階段、提早進行工裝設(shè)計與制造，為設(shè)計與工藝、制造的并行提供條件，可縮短裝配周期、加快制造進度。 (4)優(yōu)化人工成本：通過裝配仿真動畫輸出，現(xiàn)場裝配過程、裝配要求清晰直觀，保證裝配質(zhì)量，降低裝配工人技能要求。