三維裝配工藝結(jié)構(gòu)樹與裝配工藝流程映射方法

張 楊，劉曉軍，倪中華，程亞龍，劉金鋒

ZHANG Yang1,2, LIU Xiao-jun1,2, NI Zhong-hua1,2, CHENG Ya-long1,2, LIU Jin-feng1,2

（1.東南大學(xué) 江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計與制造重點實驗室，南京 211189；2.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

裝配工藝結(jié)構(gòu)樹是按照工藝結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行裝配工藝設(shè)計的樹形結(jié)構(gòu)，工藝結(jié)構(gòu)樹有助于提高工藝設(shè)計效率，因而得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，國內(nèi)外很多典型的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)都采用工藝結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行工藝設(shè)計，如哈爾濱工藝大學(xué)渦輪泵三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的裝配模型樹[1]，南京航空航天大學(xué)的基于DELMIA數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的PPR樹[2]，南京理工大學(xué)的戴國洪等學(xué)者提出的裝配工藝APS樹[3]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的I-VADS系統(tǒng)的工藝目錄樹[4]；新加坡南洋理工大學(xué)的V_REALISM系統(tǒng)的BSP樹[5]，Lee和Gossard將裝配體產(chǎn)品分解，得到由“虛鏈”連接起來的裝配結(jié)構(gòu)樹[6,7]。這些工藝結(jié)構(gòu)樹按照不同的工藝結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行工藝設(shè)計，探索了不同的工藝設(shè)計方法，提升了工藝設(shè)計效率。

工藝流程圖是用圖表符號形式，表達(dá)產(chǎn)品在工藝過程中的部分或全部階段所完成的工作[8]；在工藝設(shè)計完成后，工藝人員利用工藝流程能有效的管理裝配工藝信息。國內(nèi)相關(guān)單位對工藝流程進(jìn)行了研究，主要集中在利用流程圖定制工具繪制流程圖，流程節(jié)點信息的鏈接和工藝流程的應(yīng)用等方面，取得了有益的成果。如北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的裝配工藝流程可視化系統(tǒng)[9]，北京理工大學(xué)的計算機(jī)輔助裝配過程控制與管理軟件系統(tǒng)VPPC[10]（Visual Production Process Control）。裝配工藝流程具有如下優(yōu)點：1）工藝流程比較直觀，符合使用習(xí)慣，人機(jī)交互性比較好；2）工藝流程能直觀的展示裝配順序，并支持并行的裝配過程表達(dá)；3）工藝流程有利于工藝人員有效管理和快速查看工藝信息；4）工藝流程有利于工藝設(shè)計過程的追溯和回溯。

因此，在裝配工藝系統(tǒng)中，通常利用裝配工藝結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行裝配工藝設(shè)計，利用裝配工藝流程進(jìn)行裝配工藝信息管理。然而，對于如何將裝配工藝結(jié)構(gòu)樹映射為裝配工藝流程且快速自動地生成裝配工藝流程圖的方法，當(dāng)前還鮮有研究。鑒于此，結(jié)合自主開發(fā)的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，本文給出了將裝配工藝結(jié)構(gòu)樹映射為裝配工藝流程的方法，該方法能自動生成裝配工藝流程。

1 基于MBD的裝配工藝結(jié)構(gòu)樹

1.1 基于MBD的裝配工藝設(shè)計技術(shù)

MBD（Model Based Definition），即基于模型的定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細(xì)規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法[11]。MBD模型應(yīng)用于裝配工藝設(shè)計，使得三維實體模型成為裝配過程中工藝數(shù)據(jù)信息的唯一來源，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主要依據(jù)的裝配方法，是裝配工藝設(shè)計技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

在基于三維模型的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)中，工藝人員首先進(jìn)行裝配工藝建模，依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計模型確定工藝方案；然后利用裝配工藝結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，并對工藝規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行仿真；最后生成裝配工藝文件。

裝配序列規(guī)劃是工藝規(guī)劃的重要內(nèi)容。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)反映產(chǎn)品中各零部件之間組成和層次關(guān)系，低層級零部件總是先于高層級零部件進(jìn)行工藝設(shè)計。因而，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含了一定的裝配序列信息，工藝人員可以依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)行裝配序列規(guī)劃。

在裝配工藝建模時，保存了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息和零部件模型信息。在工藝規(guī)劃過程中，借助工藝結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行工藝設(shè)計，生成了多種工藝數(shù)據(jù)集，包括裝配序列、裝配路徑、工藝標(biāo)注、工藝裝備、輔助工藝等信息；工藝數(shù)據(jù)集按一定的方式組織存儲構(gòu)成裝配工藝模型。裝配工藝模型信息集合如圖1所示。

圖1 裝配工藝模型信息

1.2 裝配工藝結(jié)構(gòu)樹

在裝配工藝設(shè)計過程中，利用裝配工藝結(jié)構(gòu)樹描述、存儲工藝設(shè)計數(shù)據(jù)集，最終生成產(chǎn)品的裝配工藝。產(chǎn)品的裝配工藝通常由裝配工序、裝配工步組成。裝配工藝結(jié)構(gòu)樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

1）裝配工序是裝配工藝的基本組成單元，它的含義與一般工序的定義一致。在工藝結(jié)構(gòu)樹中，裝配工序的基本組成如下：

LO是工序?qū)ο罅斜?，表示?dāng)前工序下所有待裝配零部件。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，工序?qū)ο罅斜碇械牧悴考仨毷窍嗤考碌耐壸恿悴考?/p>

LP是裝配工步序列，LP由工序下所有待裝配零部件的裝配過程按照工步劃分規(guī)則進(jìn)行細(xì)分得到。

2）裝配工步是裝配工藝信息的基本載體，它的含義與一般工步的定義一致。在工藝結(jié)構(gòu)樹中，裝配工步的組成如下：

OA是裝配對象，它是當(dāng)前工步下需要裝配的零部件。

IA是裝配信息，它是工藝設(shè)計過程中產(chǎn)生和由工藝人員補(bǔ)充的工藝信息。

3）裝配信息由各種工藝信息組成。在工藝結(jié)構(gòu)樹中，裝配信息的組成如下：

AA是裝配活動，它表示模擬零部件裝配過程的三維動畫展示；

IAP是輔助工藝信息，它表示零部件常用的裝配操作方法、特殊零部件的處理方法及設(shè)計人員的經(jīng)驗；

DP是工藝標(biāo)注，它表示零部件在裝配過程中，與裝配工藝相關(guān)的標(biāo)注特征信息，包括尺寸、公差、粗糙度、注釋等；

EP是工藝裝備，它表示零部件在裝配過程中用到的夾具、工具、量具等。

在實際裝配中，一個復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程通常是按照先組裝、再部裝、后總裝的順序進(jìn)行的。在裝配工藝結(jié)構(gòu)樹中，工藝人員不一定按照實際裝配過程進(jìn)行工藝設(shè)計，即組裝和部裝工藝設(shè)計可能交替進(jìn)行，這減小了工藝設(shè)計的限制，人機(jī)交互性更好。裝配工藝結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。

2 裝配工藝流程

工藝設(shè)計完成后，采用何種方式管理裝配工藝信息，將直接影響工藝人員的工作效率。工藝結(jié)構(gòu)樹的自身特性不利于工藝信息的管理，而工藝流程圖不僅克服了工藝結(jié)構(gòu)樹的缺點，并且在工藝信息管理中具有優(yōu)勢。為此，本文將工藝流程圖應(yīng)用于裝配工藝信息的組織和管理中，以解決上述問題。

2.1 裝配工藝流程組成和分類

產(chǎn)品的裝配過程分為三個階段，包括組裝階段、部裝階段、總裝階段；裝配過程可以由一組串(并)聯(lián)混合而成的裝配鏈表組成；因此，產(chǎn)品的裝配工藝可以由一系列流程節(jié)點組成的裝配工藝流程圖來表示。

在裝配工藝流程中，將包含一個或多個零部件裝配過程信息的單元定義為工藝流程節(jié)點；工藝流程節(jié)點是裝配工藝流程的基本組成元素，串并行工藝流程節(jié)點構(gòu)成裝配工藝流程。工藝流程節(jié)點能鏈接裝配對象三維模型、裝配動畫、裝配標(biāo)注信息、工藝裝備和輔助工藝信息等相關(guān)工藝信息。

裝配工藝流程不只是簡單的單個流程，對于不同的裝配階段，如組裝階段、部裝階段和總裝階段，工藝流程可以用組裝工藝流程、部裝工藝流程和總裝工藝流程分別表示。對于不同裝配階段的工藝流程，其工藝流程節(jié)點的裝配對象可能存在父子關(guān)系，某個工藝流程節(jié)點可由其子零部件所在的工藝流程構(gòu)成，工藝流程之間存在組成和層次關(guān)系，因而，總裝工藝流程可以由部裝工藝流程組成，部裝工藝流程可以由組裝工藝流程組成。裝配工藝流程示意圖如圖3所示，流程節(jié)點間的連接箭頭表示裝配操作方向；流程節(jié)點的先后順序表示節(jié)點中裝配對象的裝配順序；并行的流程節(jié)點表示其裝配對象可同時進(jìn)行裝配。

圖2 裝配工藝結(jié)構(gòu)樹

2.2 裝配工藝流程數(shù)據(jù)組成

工藝流程節(jié)點作為裝配工藝流程的基本組成單元，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

3.1.1 PIP5Ks基因家族各成員核酸序列分析 在NCBI搜索[15]PIP5K得到蓖麻PIP5Ks基因家族各成員的參考序列，并于表1中列出。通過初步分析從數(shù)據(jù)庫下載的7個蓖麻PIP5K基因（表2）可以看到，除了PIP5K11的序列全長為1 501 bp，其他基因的序列全長均在2 853～3 246 bp。PIP5K11的序列全長為其他序列的二分之一左右，其編碼的多肽鏈也因此較短。

Name是節(jié)點名稱，表示節(jié)點在工藝流程中的顯示名稱；

L是節(jié)點層級，為將工藝流程節(jié)點放入相應(yīng)層級的工藝流程鏈表中提供數(shù)據(jù)；

ON表示該工藝流程節(jié)點需要裝配的零部件；ID是工藝流程節(jié)點的標(biāo)識，具有唯一性；

ParID是父級工藝流程節(jié)點的標(biāo)識，具有唯一性。根據(jù)裝配對象的父子關(guān)系，建立工藝流程節(jié)點的聯(lián)系，用于標(biāo)識裝配對象的父級部件所在工藝流程節(jié)點，即父級工藝流程節(jié)點NPP，ParID為實現(xiàn)具有層次關(guān)系的裝配工藝流程提供數(shù)據(jù)支持；

圖3 裝配工藝流程示意圖

SeqID是并行工藝流程節(jié)點的標(biāo)識，具有唯一性。SeqID為實現(xiàn)具有并行關(guān)系的工藝流程節(jié)點提供數(shù)據(jù)支持；在實際裝配過程中，并行工藝流程節(jié)點包含的裝配對象可同時進(jìn)行裝配。

IN是節(jié)點工藝信息，表示該節(jié)點裝配對象的工藝信息。

工藝流程鏈表用于存儲工藝流程節(jié)點。工藝流程鏈表的組成如下：

工藝流程節(jié)點NP是工藝流程鏈表SN的基本組成元素。SN中NP的順序包含了裝配序列信息。

3 工藝結(jié)構(gòu)樹與工藝流程映射方法

3.1 裝配工藝結(jié)構(gòu)樹解析及預(yù)處理

為了將裝配工藝結(jié)構(gòu)樹映射為裝配工藝流程，首先要解析裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，從工藝結(jié)構(gòu)樹中獲取裝配工藝信息。在工藝結(jié)構(gòu)樹中，裝配工步PS是工藝信息的基本載體，可以從中獲得所有裝配對象OA及其裝配信息IA，IA包括裝配活動AA、輔助工藝信息IAP、工藝標(biāo)注DP、工藝裝備EP等；根據(jù)裝配工序Pd及其裝配工步PS的先后順序關(guān)系，可以獲得零部件的裝配序列信息。同時，在解析工藝結(jié)構(gòu)樹時，需要從工藝結(jié)構(gòu)樹中分離出不同工藝階段的工藝過程，以便實現(xiàn)具有層次關(guān)系的裝配工藝流程。

然而，僅僅依靠解析工藝結(jié)構(gòu)樹中的信息，不足以將工藝結(jié)構(gòu)樹映射為裝配工藝流程，還需要對工藝結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行預(yù)處理，完善相關(guān)信息。本文采用深度優(yōu)先遍歷算法解析裝配工藝結(jié)構(gòu)樹并進(jìn)行預(yù)處理。工藝結(jié)構(gòu)樹解析與預(yù)處理過程如下：

Step1：根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中零部件最大層級n，建立n個工步鏈表SP，即{SPt|t=1,2,3,…,n}；

Step2：搜索工藝結(jié)構(gòu)樹，獲取第k個Pd(k初始值為1)；

Step3：若Pd不為空，獲取Pd的LO，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，確定LO中零部件的層級i；否則，結(jié)束搜索；

Step4：獲取Pd的第m個PS（m初始值為1）；

Step5：若PS不為空，設(shè)置PS的編號N和同步編號SN；否則，轉(zhuǎn)Step7

Step6：將PS存儲到SPi中；

Step7：m=m+1，轉(zhuǎn)Step4；

Step8：k=k+1，轉(zhuǎn)Step2。

雖然不同工藝階段的工藝過程可能交叉在一起，但在工藝結(jié)構(gòu)樹解析的過程中，同一工藝階段的裝配工步被存儲在同層級工步鏈表SP中，SP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：={PSk| k=1,2,3,…}； SP分離了不同工藝階段的工藝過程，是實現(xiàn)具有層次關(guān)系的裝配工藝流程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；同時，PS在SP中的順序包含該階段工藝過程的裝配序列信息。工步編號N是PS的標(biāo)識，具有唯一性，根據(jù)N，可以從SP中得到對應(yīng)的PS，進(jìn)而獲得PS的工藝信息。工步同步編號SN是并行PS的標(biāo)識，具有唯一性，SN表示PS的OA可同時進(jìn)行裝配。

3.2 裝配工步與工藝流程節(jié)點的映射

在解析工藝結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上，將PS映射為工藝流程節(jié)點NP，并存儲在工藝流程鏈表SN中，為生成裝配工藝流程提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。裝配工步與工藝流程節(jié)點的映射過程如下。

Step1：根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中零部件的最大層級n，建立n個工藝流程鏈表SN，即{SNk|k=1,2,3,…,n}；

Step2：搜索SPi(i初始值為1)；獲取PSm(m初始值為1)；若PSm不為空，構(gòu)造NPm；否則，轉(zhuǎn)Step8；

Step3：根據(jù)PSm的OA，設(shè)置NPm.ON=PSm.OA；設(shè)置NPm的Name；根據(jù)OA的層級設(shè)置NPm的L；

Step4：根據(jù)PSm的IA，設(shè)置NPm.IN=PSm.IA；根據(jù)PSm的N，設(shè)置NPm.ID=PSm.N；根據(jù)PSm的SN，設(shè)置NPm.SeqID=PSm.SN；

Step5：根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，若裝配對象存在父級部件，則從SN(i-1)（i>1）中搜索父級工藝流程節(jié)點NPP，設(shè)置NPm.ParID=NPP.ID；

Step6：將NPm存儲到SNi中；

圖4 裝配工藝結(jié)構(gòu)樹與裝配工藝流程映射關(guān)系圖

Step7：m=m+1，轉(zhuǎn)Step2；

Step8：i=i+1，若i<=n，則轉(zhuǎn)Step2，否則，停止搜索。

在解析工藝結(jié)構(gòu)樹時，建立了SP，分離了不同工藝階段的工藝過程；根據(jù)SP，將PS映射為NP時，建立了SN，這利于搜索父級工藝流程節(jié)點NPP，進(jìn)而建立具有層次關(guān)系工藝流程。

通過上述流程，基本解決了上文提到的5個問題。根據(jù)PS的OA，實現(xiàn)了NP和ON的關(guān)聯(lián)；根據(jù)IA，實現(xiàn)了NP和IN的集成；根據(jù)SeqID，為實現(xiàn)具有并行關(guān)系的NP提供了數(shù)據(jù)支持；根據(jù)ParID，為實現(xiàn)具有層次關(guān)系的裝配工藝流程提供了數(shù)據(jù)支持；將NP依次存儲在相應(yīng)層級的SN中，保存了產(chǎn)品的裝配序列信息，為生成裝配工藝流程提供了序列信息。圖4是裝配工藝結(jié)構(gòu)樹與裝配工藝流程的映射關(guān)系。

4 應(yīng)用實例與結(jié)論

在Visual Studio 2008平臺上，利用ACIS和HOOPS開發(fā)工具包開發(fā)實現(xiàn)了基于三維模型的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，實現(xiàn)了裝配工藝結(jié)構(gòu)樹向裝配工藝流程映射的目標(biāo)，生成了裝配工藝流程。以發(fā)動機(jī)汽缸為例，圖5是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、裝配工藝結(jié)構(gòu)樹、裝配工藝流程和完善工藝流程節(jié)點信息的原型系統(tǒng)界面。

圖5 原型系統(tǒng)界面

通過解析裝配工步的裝配對象及其裝配信息，實現(xiàn)了工藝流程節(jié)點和裝配對象的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了工藝流程節(jié)點和零部件裝配信息的鏈接；通過設(shè)置同步工藝流程節(jié)點標(biāo)識SeqID，實現(xiàn)了具有并行關(guān)系的裝配工藝流程；通過設(shè)置父級工藝流程節(jié)點標(biāo)識ParID，實現(xiàn)了具有層次關(guān)系的裝配工藝流程；通過工藝流程鏈表，記錄了零部件裝配序列信息；最終生成了裝配工藝流程圖。因此，基于解析工藝結(jié)構(gòu)樹的工藝流程映射方法是有效的。但是，該映射方法依然存在著不足，在實現(xiàn)具有層次關(guān)系的裝配工藝流程時，搜索父級工藝流程節(jié)點的效率還有待提升；同時，裝配工藝流程的應(yīng)用還有待進(jìn)一步擴(kuò)展。

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