面向装配（精选7篇）
面向装配 篇1
0前言
机械产品的装配规划是机械产品生产的重要组成部分。据有关统计, 在产品的生产过程中, 大约1/3左右的人力及产品生产制造总工时的40%-60%被用于产品的装配过程, 装配成本占总生产成本的50%左右, 因此提高装配规划的效率和品质成为了装配规划的研究重点[1]。
传统的装配规划忽视了对以往成熟产品装配规划经验的借鉴, 同时, 装配规划过程中需要确定紧固连接件的工具、检测装配精度的量具以及一些标准的装配操作规范, 这些工作需要查阅机械设计手册或是行业规范, 但查阅过程繁琐、时间耗费大, 而且易出现人为错误。近年来, 由于人工智能的发展, 人们越来越重视对经验知识的应用, 知识这一概念也被引入到了装配规划的研究中, H.K.Tonshoff[2]等提出了一种基于知识的自动装配序列规划方法、X.F.Zha[3]等建立了一个集成的基于知识的装配序列规划和评价系统。KAPSS、Jiannan Zhou[4]等开发了装配规划的原型系统, 其基于知识的装配规划系统主要以基于产品装配特征[4]的规则类知识为依据并结合算法进行装配规划, 体现了规划的智能性和高效性, 但由于规则类知识少且不易表达, 导致规划方案往往不能满足现实要求, 缺少实际的装配生产指导意义。本文将提出面向装配规划的机械产品装配工艺知识管理系统, 该系统主要对面向装配规划的装配工艺知识进行收集、表达和存储, 形成了装配实例知识库、装配资源使用知识库和基本装配工艺知识库。通过知识库的积累并结合人的逻辑推理能力, 可以为装配规划提供更全面、更有效的指导。
1 面向装配规划的装配工艺知识
装配规划的主要工作包括产品装配单元划分、产品装配工序确定和产品装配资源选择三部分内容, 完成这三方面装配规划工作所需的知识构成了面向装配规划的装配工艺知识的组成部分。装配单元确定知识是对产品进行套件、组件和部件等装配单元确定, 选择装配单元基准件, 从而进行分层分级装配的知识;装配工序确定知识是确定零部件装配顺序、确定工序内容、制定装配操作规范的知识;装配资源分配知识是确定各工序所需的工具和量具的知识。由于装配工序中很多装配操作是标准的, 普遍适用的, 因此将标准的装配操作知识单独提出, 构成基本工艺知识, 为装配操作规范的制定提供辅助。
1.1 装配单元确定知识
装配单元[6]是由多个零件或部件通过配合、连接等关系组成的一个不可自发分离的子结构, 而且这个子结构不影响原装配体中其余零件的装配。配合关系是装配特征之间的配合方式, 如平面配合、柱面配合和锥面配合等, 而装配特征[5]是零件表面上参与装配活动的区域, 主要由形状特征、材料特征、运动关系和位置关系组成。连接关系是用于定位和传递零件之间的几何约束的结构。若干相同类型的连接件同其所连接的普通零件以及相应的附件所组成的集合称为一个连接组件。
通过以上分析得出装配单元主要取决于装配基准、配合关系和连接方法三方面。
1.2 装配工序确定知识
装配工艺过程[7]是装配人员按照产品的装配顺序, 通过一定的装配操作, 按照指定的装配路径并在保证装配精度要求的情况下高效率、高品质的完成产品装配的过程。装配顺序是装配工序中各零部件进行装配的次序, 是产品装配的重要依据。如果装配顺序选取不恰当, 将致使装配操作不断重复, 造成装配一次成功率降低并极大的浪费装配资源, 延长产品的开发周期, 直接导致成本的增加。装配操作是指将零部件组合在一起而进行的清洗、定位、连接、调整、修配、检验等操作。
装配工序划分是将装配工艺过程划分为若干个阶段, 以保证装配生产的平衡, 提高生产效率。
由上可见, 装配工序确定主要取决于装配顺序、装配操作、装配夹具、装配路径四个方面。
1.3 装配资源使用知识
机械产品装配规划中使用的装配资源主要由工具、夹具和量具组成。工具的选择主要根据螺纹紧固件的类型及其公称直径和装配现场拥有的工具资源确定。量具的选择主要根据装配精度要求及装配现场拥有的量具资源确定。由于机械产品的装配过程中使用的夹具基本上因产品不同而不同, 很少能重用, 因此本文中将夹具认定为与具体产品零部件相关的属性, 而不将其包括在装配资源中。
1.4 基本装配工艺知识
基本装配工艺知识是指一些标准操作规范, 这些操作规范不会因为产品的不同而发生变化, 而只与具体的装配操作相关。这些装配操作规范包括清洗、防松和胶接。
清洗是为保证装配品质及装配工作的顺利进行, 对待装配的零部件进行的操作。对于不同的零部件材料采取不同的清洗方法即选择不同的清洗参数。
螺纹连接在冲击、振动和变载荷作用下可能自松, 因此要根据具体的产品使用环境及现场条件选择合适的防松方式。
胶接是工艺简便, 不需要复杂的工艺设备的连接操作, 但是合适的胶接剂组分、固化压力、固化时间、固化温度的选择对胶接品质至关重要。
2 基于本体的装配工艺知识表达
知识表达的方法多种多样, 使用较多的知识表示方法[8]主要有:谓词逻辑表示法, 产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、面向对象表示法、基于本体的知识表示法等。本体作为构建描述领域知识模型的方法论[9], 它对领域内的概念模型进行了明确说明, 而且可以支持粒度小、语义复杂的概念模型创建, 这些特点正适合表达有不同细节需求的装配工艺知识。基于本体的表示方法对知识表示语言中的建构和约束作普遍的、无歧义的语义解释, 可以保证支持本体的不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作, 同时, 作为本体描述语言的OWL[10]可以方便的映射到数据库, 为本体的存储提供了方便。因此本文将采用基于本体的知识表达方法来构建装配工艺知识。
基于本体概念的装配工艺知识构成图如图1所示, 由装配单元、装配工序、装配资源和基本装配工艺四个本体组成, 每个本体又划分为若干粒度不同的下级本体。
a) 装配单元知识本体
使用零件和连接组件这两种最基本组成单元来描述其构成, 任何装配单元都是通过连接组件将零件连接起来形成不可自发分离的装配结构, 装配单元的特征由零件的特征形成, 零件的形状特征和材料特征是零件独立的特征, 它只与零件本身有关, 而零件的运动关系、位置关系和装配精度是零件之间的特征, 它由多个零件共同决定。零件特征构成了装配单元的结构特点, 也是装配工序规划的出发点。
b) 装配工序知识本体
由装配顺序、装配操作、装配路径描述, 装配顺序确定装配单元中零件或连接组件的装配秩序, 装配操作决定将两个零件装配在一起进行的各种操作如先定位再连接, 装配路径确定装配操作的方向。对于装配工序中所需使用的装配资源将单独在装配工装中进行描述。
c) 装配资源知识本体
装配资源知识本体由装配工具和装配量具组成, 装配工具是紧固连接件时需要使用的资源, 装配量具是保证零件装配精度时使用的资源。
d) 基本装配工艺知识本体
基本装配工艺知识本体是标准操作规范的描述, 对于某类型机械产品的装配, 主要考虑防松、清洗、胶接三类常用基本工艺。防松工艺主要用于螺纹连接件, 即在有螺纹连接件而且有防松要求时就需要相应的防松操作规范。清洗工艺主要用于零件或连接组件装配前操作, 具体清洗工艺的选择要取决于零件类型和污染物的种类及污染程度。胶接基本工艺的选择要根据被连接件材料、连接要求及环境决定。
3 装配工艺知识管理系统实现
3.1 系统架构
本文建立的装配工艺知识管理系统体系架构如图2所示。装配工艺知识管理系统主要对装配实例知识、装配资源使用知识和基本装配工艺知识进行管理, 建立了面向装配规划的装配工艺知识库, 以提供给用户进行知识重用, 其中装配实例知识由装配单元确定知识和装配工序确定知识描述。以面向装配规划的装配工艺知识库为基础, 该系统提供了装配实例检索、装配资源检索、基本装配工艺检索和装配工艺知识录入界面, 实现了用户对相应知识的管理。装配实例知识的管理将产品的装配过程进行管理, 以供工艺规划人员规划相似产品时进行查询、学习和借鉴, 提高装配规划效率;装配资源使用知识的管理将螺纹连接件或装配精度对应的装配资源进行管理, 便于工艺规划人员快速查询, 得到符合实际的需要使用的装配资源。基本装配工艺知识管理对防松、清洗、胶接工艺知识进行管理, 为工艺规划人员提供标准的装配操作规范。
3.2 面向装配规划的装配工艺知识应用
以台钻Z4006-A主轴箱部件装配工艺规划为例说明装配工艺知识管理系统的应用。对于主轴箱部件, 装配工艺知识管理系统的辅助规划主要分为三个层次, 一是辅助装配工序确定;二是确定需要使用何种装配资源;三是确定标准操作规范。
在规划台钻Z4006-A主轴箱部件装配过程前先学习以往相似产品装配过程, 可以通过装配实例知识检索得到如下相似装配实例, 通过学习借鉴来辅助Z4006-A装配工序确定, 如图3 (a) 。台钻Z4006-A主轴箱部件中采用了M5×25的开槽沉头螺钉连接刻度板和主轴箱, 因此需要确定紧固该螺栓的工具, 可以通过装配工具检索辅助确定装配工具资源使用, 如图3 (b) 。主轴箱部件中垫块的装配有平行度为0.1 mm的精度要求, 因此要确定测量其装配精度要求的量具, 可以通过装配检索辅助确定装配量具资源使用, 如图3 (c) 。由于主要轴箱部件使用过程中存在振动, 因此需要对起连接作用的开槽沉头螺钉进行防松, 通过防松工艺检索确定合适的防松标准操作规范, 如图3 (d) 。
通过利用系统提供的装配工艺知识, 并结合三维装配过程规划软件, 最终实现台钻Z4006A从装配工序规划到装配资源使用再到基本装配工艺应用的辅助规划, 形成装配技术要求等文字信息和三维装配过程动画为一体的装配工艺文件, 图4所示为主轴箱部件的装配工艺指导界面。
4 结论
装配工艺知识在装配规划过程中具有重要的作用, 需要进行规范的管理以使这些知识得到重用。基于本体概念构建了装配工艺知识体系, 形成了包含装配单元、装配工序、装配资源和基本装配工艺等知识为主体的装配工艺知识库, 开发了面向装配规划需求的装配工艺知识管理系统。结合台钻Z4006A的装配规划为例, 说明了装配工艺知识管理系统中各主要知识模块的使用, 为快速形成装配工艺指导文件提供有力支撑。将来的工作需要对装配工艺知识库进行扩充, 形成更多的知识容量;另外, 如何在三维装配规划中实现知识的主动推动, 更好的为三维装配提供知识服务也是一个研究方向。
摘要：分析了机械产品装配规划所需知识, 利用本体方法建立了装配工艺知识本体。并构建装配工艺知识, 建立了面向装配规划的装配工艺知识库。以知识库为基础并结合用户界面, 建立了面向装配规划的机械产品装配工艺知识管理系统, 通过应用实例说明并验证了系统的工作过程及其有效性。该知识管理系统可为快速形成装配工艺指导文件提供技术支撑。
关键词：机械产品,装配规划,工艺,本体,知识库,管理系统
参考文献
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面向虚拟装配的公差信息建模研究 篇2
随着计算能力的显著提高以及软件在设计和制造过程中的广泛应用,CAD/CAM/CAE系统已经成为产品集成开发平台的代名词,其功能在不断地扩展,逐渐覆盖了产品的整个生命周期,服务于产品开发的全过程,包括产品的设计、产品的数字化校核与验证、产品的生命周期管理,成为了提高企业市场反应速度和产品竞争力的有力保障。在现代制造技术中,虚拟装配技术在产品全寿命周期设计过程中的作用日益凸现。但是对装配公差的研究远落后于对其他方面的研究,多数局限于公称尺寸的零部件的装配,虽近年来对公差约束的影响的研究日渐深入,但与工程实际应用的要求相比仍有较大差距,特别是公差信息建模以及公差优化设计的建模研究。
1 装配公差信息模型的研究
公差信息数学模型即为一组能刻划公差语义的模型变量及限制这些模型变量的不等式。公差语义主要表示为公差域如何形成和标识,变动后的要素如何形成及表示。建立完整的、正式的公差语义表示的数学模型对自动公差分析、公差分配等后续工作十分重要。
人们自计算机辅助公差设计研究以来,从不同的方向对公差信息模型进行了研究,出现了以下几种数学模型:1)漂移模型。Requicha最早对公差数学定义进行了研究,他针对几何造型的需求,以变动族为基础于1983年提出了实体漂移模型。模型用点集的形式来表述,实体是欧氏空间的一个正则子集,用点集定义了其上的特征。漂移模型易于实现,没有二义性,但与公差标准不相适应,所确定的公差带偏严,只能用来表示公差域的边界等。2)基于公差函数与矢量方程的数学模型。Hoffman在三维欧氏空间中发展了一种模型,把几何图形视为由一些点矢量组成,公差被解释为一系列的以点矢量为参数的公差函数。Turner在变动实体造型的基础上也提出了基于公差可行域的公差模型。目前这种方法主要用于确定公差域的边界,对满足公差变动后要素如何表示未作深入的研究。3)基于几何约束变动的参数矢量化数学模型。Hillyard和Braid把几何实体视为物理框架,尺寸信息是一些使框架受到约束从而得到固定的固件,公差信息是尺寸信息所允许的微小变动。该模型较好的表示尺寸公差信息,但不能处理形位公差信息。4)基于数学定义和自由度变动的数学模型。Shah等人提出建模的关键是能对满足公差的要素的变动作出准确的解释,在此模型中,设自由度为模型变量,由公差的数学定义导出基于自由度变动的公差域边界标识和变动后要素的表示统一的方法。刘玉生等针对多面体提出了机遇数学定义和自由度的建模方法,较好的解决数学模型的两个问题。该模型以一个点集统一地表示出所有的公差域边界及变动要素,并且还能实现不同公差类型的组合,作用对象已应用到圆形、矩形截面和直线等。可以看出,数学定义与其他方法的结合的模型具有独特的优点,有较好的应用前景。
按与实体造型的关系,表示模型可分为依赖于实体模型和独立于实体模型内的表示模型。前者可进一步分为基于CSG、基于B-Rep及基于CSG/Rep混合模型等;后者可分为基于TTRS、基于公差元及基于特征等类型。
公差信息表示模型是公差分析、公差综合等后续工作的基础,是产品信息建模的基础。但现有的CAD软件尚不能有效地处理公差信息,缺少公差信息表示模块。但是在产品信息系统中必须包括公差信息,因此需寻找一种合适的公差信息表示模型,使之能与产品信息系统有机的结合起来。
2 装配公差建模的实现
现有的CAD系统的核心是实体造型器,其中的公差信息只是符号的表示,缺少有效的工程语义表示,所以CAD,CAPP和CAM难以实现真正的有机集成。虽然有些软件(如CATIA)集成了公差信息模块,但是存在许多问题,无法有效地对公差信息进行评价,对公差信息的综合有所欠缺,进行公差分析时,需手工完成大量的前期工作,所以需要设计合适的公差表示模型和公差语义定义,并须考虑公差原则,使之与CAD系统有机集成,通过一定的方法对公差进行评价,最终使公差满足设计要求。公差评价的一般步骤如图1所示:
3 公差优化建模研究
3.1 动态公差设计
装配公差优化设计是一种辅助设计手段,可以合理地解决设计与生产中公差分配上的矛盾,降低生产过程中的设计修改返工率。传统的方法是根据预定的加工顺序,在零件加工前计算出工序尺寸和公差。这种方法具有局限性,为了克服传统方法不能在加工过程中修改尺寸和公差的缺点,发展了一种根据实际获得的尺寸来重新动态设计后续尺寸和公差的方法,称为动态公差设计方法。有关研究已对低维尺寸公差设计进行了研究,但对较复杂多维零件的尺寸公差、角度公差等混合设计较少涉及。
动态公差设计的实质是根据工序公差可行域中的实际可行点,构造新的降维公差可行域,确定后续的工序尺寸和公差。动态公差设计的步骤如下:1)在第i道工序前,确定公差分配算法;2)对部件进行测量,如果产生的公差域不在规定的范围内,则此算法失效,重新对公差进行再分配,进行第i+1道工序。
3.2 公差优化设计
3.2.1 基于M-C方法的优化设计
优化设计问题的数学模型包括设计变量、约束条件和目标函数。在有约束优化设计问题中,其数学模型为:
装配过程中产生的公差大多数是服从正态分布或矩形分布,常用Monte Carlo方法(简称M-C方法)进行实验仿真,模拟装配公差统计分布,分析误差原因,修改公差指标或装配过程,对结果进行优化处理。M-C方法的基本原理是,当所求解的问题是某个事件出现的概率时,可以通过抽样试验的方法得到这一事件出现的概率,把它作为问题的解;当所求的问题是某个随机变量的期望值时,通过抽样试验求出随机变量的样本平均值,并作为问题的解。这里以公差样本服从正态分布为例,通过线性变换可以转化为标准正态分布。正态分布的一个重要规则即“3σ规则”,正态随机变量分布由它的数学期望和方差决定,它的值在区间[μ-3σ, μ+3σ]的概率几乎为1。由区间估计, μ的置信度为1-α时置信区间为:undefined, σ2的置信度为1-α时置信区间为:undefined,最后可以得到公差样本参数值和特性。如果样本服从非正态分布,也可通过估计得到它的特征性能。
可以看出虽然在公差分析过程中M-C方法可较好的处理非线性装配函数,但为确保较高的精度,需要大量的样本,多次重复运算,计算量较大;而且如果装配函数中各分量的均值或方差发生改变,需重新计算,因此应该研究更高效的算法。
3.2.2 基于遗传算法的优化设计
近年来,发展了一种模拟生物进化的优化方法,即遗传算法。在遗传算法中,目标函数北转化成对应各个个体的适应度。适应度是根据预定的目标函数对每个个体(染色体),进行评价的一个表述。计算开始时,从随机产生的染色体中选择适应度(性能好)的染色体组成初始的寻优群体(初始可行解),称为“种群”。算法将一组染色体用二进制(或十进制)的字符串进行编码,其中的一位或几位字符的组合称为基因,两个染色体表示二维空间的两个可行解,称为一个寻优的初始点。维数越高,染色体的群体个数越多。而且遗传空间内可行解会有多种组合,它们组成了可行解的空间。改变了染色体的某个基因的位置,可以作为一组新的寻优试探点。这种交换叫“杂交”。为了提高算法搜索全局最优解的能力,还需扩大基因组合,这就是“变异”。可以看出遗传算法是多点搜索,直接利用从目标函数转化成的适应函数,采用编码的方法以概率原则指导搜索。目前,遗传算法还存在一些问题,主要是计算时要求种群规模较大(一般为50～100),在求解过程中有时会过早收敛于局部优化解,对低维、连续、单峰等简单问题不能显示其优越性。遗传算法的基本程序如下:BEGIN/*遗传算法*/生成初始种群,并计算每个个体的适应度
4 结论
装配公差与产品的装配和制造过程以及产品最终的性能密切相关,因此随着计算机辅助设计技术的应用和推广,装配公差已成为产品设计开发阶段的一项重要内容,它的应用前景将十分广阔。由于产品零部件的材料,使用环境的影响,以及装配方式造成的盈余和变形,确定正确的公差分配方案尤为必要。以往的装配公差大体上可分为公差分析和综合,均是基于直观地公差分布通过工程数学方法进行处理,无法考虑实际工况造成的影响,因此,需要在这方面深化研究。
参考文献
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面向装配 篇3
组合夹具是由一整套预先定制好的不同形状、不同规格的标准元件及合件,根据组合化原理和工件的加工要求组装而成的各类专用夹具,具有标准化、精密化、柔性化的特点。组合夹具元件数目众多,组合方式多样,其装配对技术性及经验性要求较高,实际装配时需要经过多次调试,装配周期较长。
利用虚拟装配技术可以在可视化的虚拟装配环境中验证装配设计和操作的正确性,及早发现装配中的问题,并及时修改设计结果;利用虚拟现实技术显示装配过程,可提供很好的演示内容和训练机会,从而为最终夹具的组装设计节约时间,缩短装配周期;根据预装配的结果指导装配实践,可降低夹具组装的劳动强度。而面向网络的组合夹具虚拟装配技术可以突破基于传统CAD软件进行装配设计的局限,有利于不同区域的装配设计人员及时有效地进行信息沟通与反馈,实现网络环境下组合夹具的异地协同装配与远程指导,为进一步研究组合夹具异地协同组装设计奠定基础。
目前,基于网络的虚拟装配三维模型的表达主要采用VRML技术,VRML文件适于网络传输。但是VRML技术的应用还存在许多局限性,如装配操作交互能力有限、模型信息缺失、模型的参数化及特征的识别困难等,进而难以实现元件的精确定位。文献[1]采用XML文件组织夹具模型信息的表达,通过装配约束匹配完成元件的定位;文献[2,3,4]基于层次约束结构研究了虚拟环境下装配模型的表达方法,并通过层次映射关系构建零部件间的约束关系;文献[5]提出了一种基于几何面的层次式碰撞检测方法,并通过装配干涉检查实现了约束识别与元件定位;文献[6]提出了一种元件级空间分割与包围盒检测相结合的快速碰撞检测算法(F-CD),提高了检测效率;文献[7]探讨了装配约束的表达与求解过程;文献[8,9,10]通过装配关系自动识别、定位求解以及运动导航算法实现装配仿真。然而,当模型间的约束关系较为复杂时,约束识别、定位求解变得困难,计算消耗较大,难以保证网络上交互装配的实时性要求。
本文以面向网络的组合夹具三维可视化虚拟装配为研究目标,研究了网络环境下的组合夹具元件装配建模、装配干涉检查、元件精确定位等关键技术,通过在网络装配平台上进行预装配,验证了装配技术的可行性。
1 组合夹具元件层次信息模型构建
虚拟装配环境中采用三角形面片模型表达组合夹具元件几何信息,可以有效地降低碰撞检测的处理与计算消耗,能够较好地满足实时性要求。目前大多数CAD软件都提供了三角面片模型的数据转换接口。然而三角面片模型丢失了零件模型的几何拓扑信息以及工程设计信息,并且在模型转换过程中不能直接有效地分离出模型特征,因此无法便捷地获取点、线、平面的集合处理装配关系,使得装配人员无法准确地捕捉装配约束和意图,大大降低了虚拟装配系统的交互操作性能。
针对上述问题,本文提出一种具有五层(即零件层、几何层、特征层、包围盒层、三角面片层)拓扑结构的组合夹具元件信息模型,并结合可扩展标识语言XML集中表达和管理组合夹具模型信息。装配模型中,零件层记录夹具元件的名称、代号等基本属性;几何层记录夹具元件的几何造型特征和尺寸大小;特征层记录各夹具元件的装配特征集合,包括装配约束集合及装配尺寸(分析不同夹具元件的结构特点,其装配特征元素表现为点、线、平面);包围盒层记录了一个包围实体的边界盒信息;三角面片层的信息采用由CAD系统转换得到的VRML文件描述,在转换之前首先应设置CAD系统中的模型单位,控制几何数据转换的比例。
本文运用Pro/E建立组合夹具元件的三维参数化模型,基于Pro/E API(Pro/Toolkit)采用VC++开发数据转换接口程序。通过调用相应的库函数,提取零件层、几何层、特征层、包围盒层的相关信息并记录在TXT文档中,然后读取并解析TXT文件和VRML文件,将模型的信息按照上述五层拓扑结构封装在一个XML文件中,实现组合夹具装配模型的重构,具体实现步骤如图1所示。
以槽系组合夹具的基础件为例,说明该类型元件装配模型的重构方法。针对基础件的构型特征,分离出T形槽、螺纹孔及平面三种装配特征,通过自主开发的数据转换接口依次提取各层所对应的信息,最后统一采用XML文件表达模型信息。图2所示为基础件的构型特征和层次模型的XML表达。
2 基于网络的碰撞检测
在虚拟装配过程中,通常采用碰撞检测实现装配元件之间的干涉检查,以保证夹具元件装配路径的可行性。鉴于组合夹具元件已标准化,其构型较规则,因此选用轴对齐包围盒(axis-aligned bounding box,AABB)进行粗略相交测试。AABB能够较紧密地包围夹具元件实体,构造方法简单,能够实现快速的相交测试,满足网络装配的实时性要求。由于碰撞干涉只发生在两个装配元件的局部,因此基于二叉树构造AABB层次树结构,划分模型空间,可以减少精确相交测试中不必要的图元相交测试,提高检测效率。
2.1 AABB层次包围盒体树的构建
基于XML表达的组合夹具层次模型中封装了模型的几何信息和工程设计信息。向虚拟场景添加组合夹具元件,解析其相应的XML文件并提取包围盒层内封装的AABB最大、最小值坐标,采用自顶向下的树型构造算法构建AABB盒体树:首先沿原始包围盒(即根节点)最长轴上的投影中点将其划分为两个子集,并将盒体中的图元划分至对应的集合中;其次针对上述两个子集进行递归调用,构造分支层次结构,同时链接子节点与父节点的映射关系,当输入集合中的图元数量小于某一特定极限值或遍历过程达到既定深度时,结束递归过程。
2.2 层次包围盒体树的更新
当模型发生平移或旋转运动时,为了执行包围盒体树之间的相交测试,必须实时更新层次结构,更新时将它们转换为统一的世界坐标系统。更新方法有重构包围盒体树和更新包围盒体树中的包围盒两种,前者相对于后者要承担更多的运算消耗。VRML模型中通过指定Transform节点内translation、rotation域的域值实现模型的平移和旋转操作。结合虚拟场景中模型运动的特点,本文综合使用上述两种方法实现更新计算。
根据虚拟环境中当前交互输入的位置和方向参数,可以获知夹具模型相对上一次输入的位姿状态。对于平移运动,分别对层次结构中的包围盒进行平移变换,根据平移变换矩阵可以方便地更新当前状态下的包围盒体树。对于旋转运动,盒体树的更新不能通过简单的旋转变换实现,因此,文中采用重构包围盒体树的方法:首先对盒体树的根节点进行旋转变换更新,然后根据上述构建策略对更新后的根节点进行盒体树重构。
2.3 碰撞检测的实现
组合夹具虚拟装配过程中,模型的运动具有非连续性,场景中模型的平移与旋转可以离散为不同的运动点,并在每一点处进行静态干涉检查。随着装配操作的进行,场景内夹具模型的数目不断增加。检测时首先遍历场景树中各模型包围盒体树的根节点,迅速剔除不发生干涉的模型(若根节点不发生碰撞则其对应的模型不干涉);然后递归检测发生碰撞的两棵树的子节点,若两包围盒在坐标轴上的投影彼此不相交且相互背离运动,则其对应的子节点之间不发生装配干涉,否则继续递归至叶节点;最后对叶节点内的图元进行精确计算,并通过对话框提示最大穿刺深度。算法具体实现流程如图3所示。
3 基于几何约束的精确定位
根据碰撞检测返回的穿刺深度,操作人员可以精确控制夹具元件的最终装配位置,但是该方法存在以下两点不足:①难以实现槽、孔特征的装配;②装配过程不够直观,装配操作不够便捷。通过交互匹配组合夹具元件之间满足的装配约束条件,可以有效引导装配运动,精确迅速地完成元件定位。基于约束的虚拟装配就是根据虚拟环境中元件间的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位姿关系,实时、交互地进行约束匹配及定位求解,使得装配件满足当前的约束条件,从而精确控制元件的最终装配位置。
3.1 装配约束表达
装配约束描述并限制了一对元件之间的相对位姿关系。分析组合夹具元件的功能及结构要素特点,将其功能表面转化为装配约束特征,分离出点、直线和平面三种基本几何元素,并将约束类型归纳为面贴合、面对齐、轴孔对齐三种基本类型,其他约束类型如T形槽等可以通过基本约束类型的组合描述。在装配过程中,通过约束的组合实现夹具元件的精确定位。图4所示为基本装配约束类型。
对于分离出来的点、直线、平面几何元素,通过建立统一的标识将其集成到虚拟环境中,表达方法如下:点Point→P(x,y,z),直线Line→Le(P,V),平面Plane→Pe(P,V),坐标向量V→(x,y,z)。针对不同的夹具元件,标识模型的顶点、边的中点、圆弧的圆心或平面图形的中心作为特征点;对于直线元素,标识直线的中点或其两个端点为特征点,以过特征点且与直线方向一致的单位向量为特征向量;对于平面元素,标识面的各个顶点或面的中心点为特征点,以过特征点的单位法矢量为特征向量;将回转体、槽特征抽象为中心线并采用直线的标识方法进行处理。图5描述了平面及柱面的标识方法,图中,圆点为特征点P,箭头表示特征向量V。
通过解析相应的XML文件提取出夹具模型的几何特征尺寸和装配特征信息,并在网页上动态显示,方便装配人员实时查询,交互地完成组装设计。鉴于装配过程中夹具元件呈离散运动状态,其位姿不断发生变化,因此必须实时地更新标识的几何信息,几何变换的参考坐标系均选用世界坐标系。
3.2 装配约束匹配与求解
装配约束匹配就是根据装配元件间的约束类型,判别约束的几何元素(点、直线、平面)并确定装配关系,最终计算两装配元件间的相对位姿,整个装配过程遵循先旋转后平移的原则。约束的匹配可以采用自动识别的方法,若装配时元件间发生干涉,则根据标识的几何元素推导元件间可能存在的装配约束集,并将结果反馈给装配人员进行交互选择。该方法在模型结构比较复杂的情况下,装配件间的约束关系繁多,将会大大增加约束的过滤运算消耗,识别效率低下,实时性差。
本文采用组装人员交互匹配装配特征的方法组织夹具元件的装配,虽在一定程度上降低了系统的智能性,但减少了约束匹配的运算消耗,保证了网络装配的实时性要求。组装设计人员根据装配要求和操作意图,交互地选择相应的装配约束类型。图6所示为装配约束类型选择对话框。
装配过程可视为装配件相对装配基准件的空间位姿调整(先旋转后平移原则),设M为装配件原始位姿矩阵,M′为装配完成后的位姿矩阵,Tr为装配变换矩阵,则有M′=MTr,其中,变换矩阵Tr分解为旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T,即Tr=RT。
根据约束的几何元素类型将约束求解过程分为特征点重合及特征向量平行(包括共线)。以平面贴合为例,设面F1、F2的特征点与特征向量分别为P1、V1和P2、V2,V1、V2之间的夹角为θ,V表示V1与V2构成平面的法矢量,如图7所示。约束求解具体步骤如下:
(1)平移V2至V′2,使特征点P1、P2重合,计算V′2的坐标。
(2)由V1、V′2的坐标计算两向量夹角θ:
(3)计算V1与V′2所构成平面的法矢量V:
(4)计算过F1所在局部坐标系的原点且与V平行的单位向量Vo(即旋转轴向量),按照右手法则,将模型绕Vo(vx、vy、vz)旋转角度φ=θ-π,使得V1与V′2反向共线。计算模型上各点坐标时应变换到世界坐标系下,若当前状态下模型中心不在坐标系原点时,设其坐标为(xc、yc、zc),求出旋转矩阵R如下:
式中,Ro为旋转轴过坐标系原点时的旋转变换矩阵。
(5)根据计算得到的P1点坐标,平移模型并使点P1、P2重合,计算出平移矩阵T。
(6)根据旋转与平移矩阵,将旋转和平移分量分别传递给Transform节点下的rotation和translation域,完成位置变换,实现装配。
4 装配技术流程与应用实例
装配机制采用层次包围体碰撞检测和基于几何约束求解的元件精确定位技术。碰撞检测用于实现组合夹具元件之间的装配干涉检查,对发生干涉的元件进行计算并给出穿刺结果,反馈给装配设计人员,保证了装配操作的有效性;通过对特征几何元素进行标识与约束求解,实现了元件的精确定位。装配技术具体实现流程如图8所示。
以Web为载体,通过Java Applet对VRML场景进行交互控制,构建了网络环境下的组合夹具虚拟装配平台。操作人员通过滚动条和文本框交互输入位姿参数,控制场景中装配元件的位姿,当装配发生干涉时,通过对话框提示操作人员干涉结果。图9所示为装配干涉检查及碰撞响应软件界面。通过对装配特征进行匹配,可以迅速地实现夹具元件的精确定位。图10所示为基础件与槽用方头螺栓的装配,两元件间的装配约束分解为面贴合和轴孔对齐或面贴合和面对齐。图11所示为螺栓与螺孔的配合,通过交互查询并指定孔的分布位置,实现螺纹配合。
图12为一钻孔组合夹具的装配框架图,该套夹具共23个元件。通过在网络装配平台上进行组合夹具预装配,验证了装配技术应用的可行性。图13所示为钻孔夹具预装配结果。
5 结语
本文提出的一种具有五层拓扑结构的组合夹具元件层次信息模型,解决了网络装配模型中信息丢失的问题;基于AABB层次包围盒体树开发的碰撞检测算法能够在网络环境下快速实现干涉检查和穿刺深度计算;通过分析组合夹具的功能结构特点,分离出点、直线、平面三种几何元素,并将装配约束抽象为面贴合、面对齐、轴孔对齐三种基本装配关系,通过装配约束的组合实现了夹具元件的精确定位和虚拟装配仿真。应用实例表明该装配方法能够精确定位元件,且满足网络装配的实时性要求。
摘要：为了实现网络环境下的组合夹具虚拟装配,构建了具有五层结构的夹具元件层次信息模型,提出了一种基于层次包围盒体树的碰撞检测与装配约束交互匹配的虚拟装配技术。运用二叉树分解法划分模型空间构造层次包围盒,开发了碰撞检测算法,实现了网络环境下夹具元件的干涉检查和穿刺深度计算;通过提取夹具元件功能表面的装配约束特征,交互匹配调整其空间位姿,快速实现元件的精确定位和虚拟装配仿真。开发了组合夹具网络虚拟装配平台,通过实例验证了装配技术的可行性。该方法能满足网络虚拟装配的实时性和交互性要求,为进一步研究组合夹具异地协同组装设计奠定了基础。
关键词：虚拟装配,层次信息模型,干涉检查,组合夹具
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面向装配 篇4
关键词：虚拟装配,产品信息,属性机制,树型框架结构
0 引言
虚拟装配作为虚拟现实技术在产品设计领域的典型应用,对优化产品设计、缩短装配周期、降低装配成本、提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义[1,2,3]。国内外学者对虚拟装配技术进行了广泛的研究。南洋理工大学的Wang等[4]在其开发的工业培训系统中用BSP-Tree组织虚拟环境中的几何对象模型,使用vml文件进行存储和表达。这种方法侧重表达零件的几何外观信息,未考虑零部件间装配约束关系和工程设计等非几何信息。文献[5-7]采用B-rep和CSG相结合的方法描述几何拓扑信息,支持3D操作的虚拟装配,可满足模型信息完备性的需求,但模型信息表达复杂,信息更新和管理效率偏低,不能很好地满足实时性要求。
总之,现有虚拟建模方法对装配过程中产生的装配工艺、工程语义、产品管理等信息未能提供动态、有效的存取和管理机制,难以发挥模型作为产品信息载体的作用。因此,为实现装配过程信息的有效集成和完备表达,虚拟装配模型应能满足如下三方面要求:
(1)完备性。装配模型不仅包含完整的几何拓扑信息,还应包含设计要求、工程语义、装配工艺等非几何信息,以满足装配工艺规划和可行性分析的需求。
(2)跟随性。模型装配信息随着装配过程的推进而逐步丰富,装配信息与模型动态跟随是减少模型信息冗余、满足实时性要求的基础。
(3)高效性。装配模型应具有合理的数据结构,支持信息的高效表达和有序组织,有利于降低系统检索、存取数据的开销。
鉴于此,本文研究了面向虚拟装配过程的产品信息模型原理和结构问题,运用属性机制建立模型几何信息与非几何信息动态跟随的映射关系,构建信息多层次表达的树型框架结构,以实现装配过程信息的完备表达和有效管理。
1 属性机制与树型结构框架
1.1 属性机制
目前,虚拟装配系统多采用几何拓扑元素直接驱动的模式存取装配模型的数据。当模型的几何元素发生改变时,连接在几何元素上的模型数据将会丢失或产生冗余,存在着数据结构可扩展性差、更新效率低的缺点。
针对以上不足,本文运用属性机制建立模型几何体与非几何信息动态映射关系。其基本原理是将模型包含的所有信息均作为属性类进行统一处理,即将模型的几何拓扑数据、非几何信息分别定义为形体属性和信息属性,通过属性机制建立模型几何拓扑数据与非几何信息的映射关系。不同于传统的属性方式(图1a),本文运用的属性机制包含一个特殊的树型框架结构,系统通过它建立模型的几何信息与非几何信息之间的映射关系,并为设计者在装配过程中实时修改、添加连接在模型或几何体素上的非几何信息提供支持,形成模型信息的动态跟随,原理如图1b所示。
1.2 树型框架结构
本文参考OCAF的Label树结构,结合装配设计的需求,通过构造树型框架结构对装配模型几何信息与非几何信息的映射关系进行组织和管理,将所有模型信息均挂接在树型框架结构的各层次节点上,通过访问节点标签可查询几何拓扑元素及其关联的非几何信息,实现对模型信息数据的存取与索引。树型框架结构如图2所示。
树型框架的构架规则如下:(1)节点位置由整数数值的节点标签标记;(2)树型框架的最高层节点为根节点,根节点标签始终标记为0;(3)除根节点外的节点都有一个父节点;(4)共享一个父节点的节点为兄弟节点,兄弟节点标签不能使用相同的标记值;(5)每个节点用唯一的数字编码来表示从根节点到该节点的索引路径。如图3所示,树型框架结构中圆圈内的数值是节点标签,圆圈下端数字是访问该节点的索引路径的数字编码。
2 产品信息装配模型的层次结构
为完整地表达产品的装配信息,基于产品信息的不同粒度,本文对文献[8]提出的产品层次信息表达方法进行改进,建立层次结构的产品信息装配模型,依次划分为产品层、零件层、装配特征层、几何拓扑层和面片显示层,实现产品信息的合理存储和表达,如图4所示,其中虚线所圈特征属于同一零件。本文中,量符号右上标的数字1,2,…,5表示模型结构的层次,而不是幂指数。
产品层表达为
其中,N1为产品节点集合,N1={n11,n21,…,nn1}。
产品层以产品为基本节点。产品节点信息包括产品型号、名称等BOM表信息,以及产品的组成零部件、功能设计等工程语义信息。产品层基本节点及相关信息以属性的形式挂接在树型结构框架的根节点上。
零件层表达为
H1=(N2,M2,E2)
其中,N2为零件节点集合,N2={n12,n22,…,nn2};M2为描述零件层与产品层之间的数据映射,M2={m2|m2=(n12,n22,…,ni2,nn2),ni2∈N2};E2为描述零件间的装配约束关系,E2={e2|e2=(ni2,nj2),ni2,nj2∈N2,i≠j}。
零件层以零件为基本节点。零件节点信息包括零件的标识、工程设计信息、物理信息及加工处理要求等信息;M2记录零件层节点与产品层节点之间的映射关系;E2记录零件与零件之间的装配约束关系,约束关系主要表现为以装配语义形式描述的装配关系,例如,工程中的“螺栓连接”、“键连接”、“轴-孔配合”、“平面配合”等装配语义表达零件间的约束关系。装配约束关系在零件层表现为一有向闭环,顺次将装配语义约束的零件节点联系起来。
装配特征层表达为
其中,N3为装配特征节点集合,N3={n13,n23,…,nn3};M3为描述零件层与装配特征层之间的数据映射关系,M3={m3|m3=(ni3,n3i+1,…,nj3),ni3,nj3∈N3,i≠j};E3为描述装配特征之间的约束关系,E3={e3|e3=(ni3,nj3),ni3,nj3∈N3,i≠j}。
装配特征层以零件的装配特征为基本节点。装配特征节点包括特征类型、特征名称及特征参数信息。零件由装配特征构成,因此装配特征对应相应的零件,M3记录装配特征层与零件层之间的映射关系;零件之间的装配约束关系本质上分为不同零件的装配特征之间的外部约束关系,E3记录装配特征之间的约束关系。
几何拓扑层表达为
其中,N4为几何面节点集合,N4={n14,n24,…,n4n};M4为描述几何拓扑层与装配特征层之间的数据映射关系,M4={m4|m4=(n4i,n4j),n4i,n4j∈N4,i≠j};E4inside为描述构成零件装配特征的几何面之间的联系关系,E4inside={e4inside|e4=(n4i,n4i+1,…,n4j),n4i,n4j∈N4,i≠j};E4outside为描述不同零件的装配特征所包含的几何面之间的约束关系,E4outside={e4outside|e4=(n4i,n4j),n4i,n4j∈N4,i≠j}。
几何拓扑层以几何拓扑体素为基本节点,记录模型精确的几何拓扑信息,提供设计者在虚拟装配环境下面片显示模型所不能表达的精确几何形状信息,以及几何体素上的表面质量、形位公差、尺寸精度和装配精度等信息。零件装配特征由几何面组成,M4记录几何拓扑层和装配特征层之间的映射关系;构成零件某个装配特征的几何面之间存在邻接关系,E4inside记录同一零件构成某个装配特征的几何面之间的邻接关系;不同零件装配特征之间的约束关系可以分解为不同零件几何面之间的装配约束关系,E4outside记录不同零件的装配特征所包含的几何面之间的约束关系。两几何面之间的约束关系主要包括重合、平齐、垂直、角度等。
面片显示层表达为
H5=(N5,M5)
其中,N5为三角形面片集合,N5={n15,n25,…,nn5};M5为描述面片显示层与几何拓扑层之间的映射关系,M5={m5|m5=(ni5,nj5),ni5,nj5∈N5,i≠j}。
面片显示层以三角形面片为基本节点。该节点记录了组成零件表面各三角形面片的顶点坐标、顶点法矢量、面片颜色和纹理信息。模型的每个几何面均可离散成一系列三角形面片,M5描述面片显示层与几何拓扑层之间的映射关系。面片显示层主要用于虚拟环境下的模型显示及装配过程中的碰撞检测。
根据信息装配模型的信息需求,将系统中所表达模型的几何拓扑、装配约束和装配工艺等信息分别提取出来,依据导出信息记载的映射关系和装配模型的层次结构,由树型结构框架对这些信息进行重构。树型结构框架的层次节点分别联接装配模型产品层、零件层、装配特征层、几何拓扑层和面片显示层的基本节点和相关模型信息,描述了虚拟装配环境下产品模型的整体结构,可实现模型信息的快速查询,如图5所示。
3 装配模型信息的存取和管理
产品的装配设计信息主要包括产品的属性信息和过程信息。其中,属性信息是指产品的几何拓扑、工程设计信息、物理信息等,可通过装配过程的交互式输入获得。过程信息包括零件的装配序列、装配路径、装配约束、工装夹具的使用等与装配过程相关的设计信息,主要是在虚拟装配建模过程中生成。
下面以轴类零件的装配设计过程为例说明装配模型的建立和信息管理。如图6所示,轴模型由装配模型树型框架结构根节点的子节点保存,当设计者在轴的圆柱面、设计基准面等几何体素上添加表面粗糙度、装配精度等设计信息,或者记录装配约束等过程信息时,系统即在轴模型节点的下一级生成与该几何体素对应的子节点,子节点的指针分别指向几何体素和装配约束等设计数据,同时系统内部的数据库会动态地建立一个数据表,数据表名用该节点标签的数字编码标识,数据表保存和管理轴模型几何体素上的属性信息以及装配约束关系等过程数据,从而通过树型框架结构建立轴模型的几何体和装配信息之间的联系。
4 应用实例
基于上述原理和方法,本文在Visual C++6.0的环境下利用Opencascade工具包开发了产品信息虚拟装配建模系统,该系统的硬件设备包括集群图形系统、立体投影系统及人机交互设备。虚拟装配信息建模系统通过接口读取CAD系统导出的中性文件,获取产品零件的几何拓扑等数据,在系统中建立产品的树型结构层次装配模型。图7所示为利用系统建立ZJ112烟草卷接机组SE100传动主轴装配模型的设计实例。
系统在树型框架结构的对应节点上存储设计者添加、修改的装配信息,记录该传动主轴的装配序列、装配约束关系等过程信息,如图8所示。
在系统生成的虚拟装配环境中,设计者佩戴立体眼镜和位置跟踪器,通过三维鼠标、数据手套等进行虚拟装配操作,完成装配信息的实时添加和修改,如图9所示。
5 结论
本文研究了一种面向装配过程的产品虚拟装配建模原理和实现技术,满足了模型几何信息与非几何信息动态跟随的要求,实现了装配信息的层次表达,并进行了设计实例验证,研究表明:
(1)以属性机制和树型框架结构相结合的方式构建了产品模型的几何信息与非几何信息的映射关系,较好地体现了模型的信息载体作用,解决了模型信息的动态跟随问题,适于交互式虚拟装配设计过程的信息处理需求。
(2)树型框架结构较完备地表达了装配模型信息的层次关系,可定义和记录装配的过程信息,建立了信息较为完备的装配模型。
本文的探讨可以为相关研究提供借鉴。但是,如何建立可覆盖装配模型各层次信息处理需求的树型框架结构,并实现对各节点信息的高效添加和处理,关系到虚拟现实领域多个硬件和软件研究课题,本文还未作深入的研究。
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面向装配 篇5
1 飞机装配车间物料配送现状
目前，多数飞机装配车间的物料配送作业管理为手工作业，属传统的串行工作模式：装配所有物料按类别存放在几个各自孤立的库房如零部件库房、工装库房、工具库房等，生产计划部门制定飞机装配计划，发布到各库房和工位，工人根据工艺规程到各物料仓库申请领料配送，再进行装配作业。这种被动的物料供给模式，在当前自动化飞机装配过程中，物料的管理任务繁重，被动的供给模式容易导致物料管理混乱、生产浪费、装配延误，影响整个车间物流的敏捷性和经济性。因此，实施物流的宏观调控，改物料被动供给模式为主动物料配送模式是完全必要[1,2,3]。
2 体系构建方案
2.1 总体思路
一是以飞机自动化生产线为服务对象，建立物料配送中心，从而实现飞机装配物料的“两个面向”。分别是面向装机零件、标准件和成品件供应商，实现物料的统一验收和入库保管，以及面向自动化装配生产工位，以飞机装配计划为依据，将生产所需物料在物流据点进行必要的分拣和配货作业后，在正确的时间，以正确的形式送达生产工位。
二是以飞机物料使用流程为牵引，实现物料配送的实物流和信息流的融合。
三是规划科学“6S现场管理”方案，综合考虑库存管理、配送工具和线边存放管理。
2.2 配送模型和流程
在结合物料配送的基本管理要素和飞机自动化装配生产相关协作单位对各要素主要管理要求的基础上，综合考虑物料配送各大系统主管部门的业务工作和协作关系，分别建立如图1和图2的面向飞机自动化装配的物料配送模型和流程。
3 具体管理要求
3.1 接收管理
物料配送中心库管人员负责统一接收零件、标准件和装机成品件，办理移交记录手续。对于待接收的物料，库管人员须核对其合格证，并进行外观质量检查，若无合格证或表面有缺陷的，库管人员有权拒绝接收。对于零件、标准件和装机成品件尺寸及功能性，库管人员无需进行检查，在飞机装配过程中发现问题，由装配车间与相关责任单位协调解决。
3.2 库存管理
一是配送中心应根据飞机装配生产需求，建立统一或相对统一的物料存放库。各物料存放库房须根据所存物料特点，以6S管理理念定制不同特点的物料放置架。
二是为便于库存信息管控，配送中心各库房应根据物料移交记录单，建立并实时更新库存物料信息数据库，库存物料信息数据库优先考虑与MES系统集成。
三是当库存物料出现非正常损耗时，配送中心库管人员应启动库存物料报损处理流程并填写情况描述，由库房主管填写产生原因和纠正措施，配送中心计划主管进行处理。
3.3 配送计划管理
根据图2所示流程，物料需求计划和配送计划由生产计划主管处，根据主生产计划和工艺部门MBOM制订，其中配送计划应以生产工位为单位，建立日配送计划。配送中心计划管理人员依据日配送计划向配送工段下达物料配送单，作为其从库房领取物料及向生产工位配送物料的依据。另外，物料配送单换承担飞机装配车间物料接收人员填写接收意见及签字确认作用。
3.4 配货管理
一是进行分拣处理。对于标准件，需按照配送单要求进行分拣、包装处理，并在包装单上标明标准件代号及数量;对于零件和成品件，应核对其代号及批架次信息。分拣包装处理后的物料应存放于集中配货工位，以便于配送工段领取。
二是需建立出库台账，待配送工段核对完需配送物料信息并签字确认后，及时将信息反馈至库存物料信息库中，以便计划部门查询和管控。
3.5 送货管理
配送工段每个工作日固定时间，将装配生产线各工位第二天所需物料配送至线边放置区，生产线物料接收人员检查物料合格证、外观质量后，在物流配送单中填写接收意见。
3.6 线边存放管理
飞机自动化生产线每个生产工位均需设置独立的物料存放区，配备相应的物料放置架和物料放置箱，并定制专门的物料存放管理看板，将物料放置架和物料放置箱的信息用图表形式进行展示，以便于操作工人快速领取所需物料。
4 工程应用实例
本物料配送管理体系在某飞机制造企业中进行了初步应用，各项装机物料以统一的方式进行入库，建帐管理，按计划配送到某型机自动化装配生产线，保证了物料的最优流入、保存和流出，及时响应了飞机生产现场，满足了某型机自动化装配的物流配送管理和信息处理一体化要求。
5 结束语
集中物料管理在飞机自动化装配中发挥着越来越大的作用，加快物料管理信息平台建设，引进先进的物料配送手段是实现飞机装配自动化生产的必由之路，但在实际操作过程中，还应充分考虑到飞机自动化装配的特殊性和复杂性，必须从源头规划好多系统协调布局，尽量少走弯路。
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面向装配 篇6
装配过程的特点是在生产过程中完成从零件到部件再到整机的装配过程[1]，在这种生产过程中，每一种零件的质量、配件之间的装配质量以及生产线装配现场的各种状态和指令信息，都最终影响产品的质量和装配效率[2]。现代化装配线要求既能实现复杂的自动化生产，又能实现柔性化生产[3]。要实现生产柔性化，对现场数据的处理是必不可少的，如何高效快速地采集现场数据和监控装配过程就显得尤为重要。论文针对车间装配过程的特点，研究了生产线现场数据的分类以及采集模式，构建了面向装配的数据采集和过程监控模型;并以某汽车主减速器装配线为对象，研究开发了一种基于工业以太网的新型现场数据采集与过程监控系统，及时采集各种现场信息，并进行存储和统计，以实现生产现场质量的监控和管理。
2 装配过程采集数据的分析
车间装配过程中，通过现场数据的实时采集进行过程监控，装配完成之后，系统会将装配过程的部分现场数据导入到产品装配档案中。装配现场的数据多种多样，涉及到人员、物料、设备等各种因素，为提高现场数据采集和追溯的高效性与便捷性，将装配过程现场数据主要分为以下6类：
(1)自动检测的质量数据(QD-A)：测量机、拧紧机和打压试验台等设备在装配或试验过程中检测的数据，现场装配人员只需完成自己的装配任务，数据的获取和发送全部由系统自动完成。
(2)手动检测的质量数据(QD-H)：通过小键盘和触摸屏等设备手动录入的质量数据。
(3)产品装配的零部件供应商数据(QD-S)：为了便于在产品装配档案中进行查询，系统将记录每个产品装配的关键零部件的供应商信息以及供应批次信息。
(4)装配工数据(QD-P)：装配线各装配工位由特定人员负责，人员的安排以车间排班为依据。为便于在产品装配档案中追溯，系统会将车间的员工排班数据与每个产品进行关联。
(5)状态数据(QD_Z)：它包括生产线上设备、控制部件和各工位加工工序的状态数据。
(6)物料数据(QD_M)：系统会给每一个关键物料一个编号，这个编号会在装配过程中与产品出生证进行关联，以便于以后在产品装配档案中进行查询。
3 数据采集与过程监控的关键技术
3.1 编码的重要性和组成规则
为追踪相关零部件信息以及现场实时状况，需要给各种数据进行编码，这些编码是建立产品装配档案、跟踪产品以及采集现场数据和监控过程的基础。
目前，零部件标识技术主要包括无线射频识别技术[4](Radio Frequency Identification,RFID)和条码技术[5]等，其中RFID技术是最近发展起来的一门技术，它具有多种优点[6]。在系统实施过程中，无论使用哪一种识别技术，高效简便的编码规则和使用方法对于系统的运行可以起到重要的推动作用。系统采集的各种质量数据和过程数据都会有自己一定的编码规则。下面介绍一些关键数据项目的编码规则：
(1)供应商、操作工编码：供应商编码共为11位：XXX YYYY ZZZZ，其中XXX表示供应商编码类型，例如QDS;YYYY为供应商的区别号，该号为一个流水号，它从“0001”到“9999”;ZZZZ为批次的区别号，也是从“0001”到“9999”。操作工编码规则与供应商编码规则类似，其编码类型为QDR。
(2)质量检测项目编码：装配过程中自动或手动检测质量数据添加到数据库中都需要在产品基础数据的装配工艺BOM中有着质量检测项目的支持，其编码有工艺编号和一个唯一标识号组成。
(3)过程控制标识号：在装配过程中，需要对各个产品和部件唯一标识，并将各种检测数据关联到这个过程控制标识号上，而物料编号和过程序号组合在一起就可以很好的完成这一任务。物料编码共为10位：X YYYYYY ZZZ，其中X表示装配线编号，YYYYYY表示装配计划编号，ZZZ表示零部件的一个编号。过程序号是一个无限自增的数字。
(4)产品出生证的编码：产品出生证是打印在产品外表面的钢印号，产品出生证由四位的年月时间、流水号、装配车间号、装配工艺图号和产品型号组成。
3.2 装配过程的数据流
装配过程中的各种数据不但数量多，而且相互之间错综复杂，并且具有随着时间的变化具有很强的动态性，因此，为开发面向装配的数据采集和过程监控系统，必须对产品装配过程中数据的流动进行了深入的研究与分析。
如图1所示，在生产线装配之前，需要先制定每日生产计划，通过生产计划的详细记录清单生成物料清单，然后对物料清单进行供应商配置，这一过程还需要基础数据中产品结构BOM信息和供应商基础数据作为数据流动的支撑。供应商数据配置后，即可进行装配。在装配过程中，生产线上的各种数据采集终端会将状态数据QD_Z、手动检测数据QD_H、自动检测数据QD_A、操作工数据QD_P、供应商数据QD_S和物料数据QD_M关联到过程控制标识号这一唯一标识上，同时这6种数据的采集也需要基础数据中装配工艺BOM、产品检查质量BOM、供应商和操作工基础数据的支撑，采集到的数据以及关联的数据都会以一定的形式暂时存放在产品装配过程数据库中。各种数据终端只是采集现场动态数据，而大量的相关静态信息则存放在基础数据库中，例如，装配线上质量数据的自动检测终端只是检测到一些质量检测数据值，质量数据的项目名称、数据参数等都存放在服务器上的基础数据库中。
产品装配完毕，从装配线下线时，系统将产品装配过程数据库的数据全部导入产品装配历史数据库中，并按照企业要求生成唯一的产品出生证，其中，产品出生证与装配过程中的过程控制标识号一一对应。在产品装配档案数据库中，产品出生证是数据索引的唯一标识，以便于产品售后查找其相关生产质量信息。
3.3 系统的网络构架和通信
3.3.1 系统的网络构架
整个数据采集与过程监控系统网络包括4层：数据管理层、监控层、PLC控制层和设备I/O层。其中设备I/O层位于整个系统的最底部，负责现场原始信号的采集和动作的执行;PLC控制层和设备I/O层紧密相连，把设备I/O和设备终端采集的信号相结合，执行既定的应用程序;监控层位于整个系统的中间，起到承上启下的作用，一方面向下和PLC控制层进行数据交换，以实现现场生产过程的监控，另一方面同时向上和数据管理层进行数据交换;数据管理层位于整个系统的顶部，负责整个生产装配数据的采集并对数据进行统计、报表和管理。
系统是以工业以太网为主的生产信息管理和监控系统，采用基于标准TCP/IP协议的高速工业以太网技术，通过五类双绞线把系统过程数据库、系统档案数据库、监控PC和主控PLC连接在一起，构成了一个生产车间级局域网。
系统采用符合国际标准Profibus-DP现场总线和Ethernet局域网络把区域PLC、设备控制器(PLC)，并且通过Profibus-DP总线将现场I/O(变频器、传感器和运动装置等)设备连接在一起，组成现场树状控制结构的PLC控制系统。高速Profibus现场总线(传输速度最高达1500kbps)使数据的实时性大大提高，Profibus-DP现场总线很强的抗干扰性能能够保证传输数据的可靠性。整个系统的网络结构图2所示。
3.3.2 系统的通信
OPC(OLE For Process Control)是一个工业标准，它是许多世界领先的自动化软、硬件公司与微软公司合作的结晶，由一系列用于过程控制和制造自动化领域的标准接口、属性和方法组成。所以，当今大部分自动化产品如SEMENS S7-200的CP243以太网模块、WINCC软件包等都提供了OPC接口[7]。OPC标准的关键，在于它提供了一种高效的通信机制，它所关心的是现场数据的存取方式而不是实际的数据类型，它给工控软件提供了一种一致的存取现场设备数据的方法。
OPC数据存取(Data Access)规范提供给用户访问实时过程数据的方法。在OPC数据访问规范中，一个OPC的数据存取服务器中包括几类对象：服务器(OPC Server)、组(OPC Group)和项(OPC Item)。OPC服务器对维护相关服务器的信息并作为OPC组对象的包容器，而OPC组对象维护有关其自身的信息，提供包容OPC项的机制，并管理OPC项。
系统采集的各种现场数据通过一些终端I/O设备存放在现场PLC上，在监控PC机上的使用VC开发的OPC客户端程序。通过OPC客户端，实现人机交互，能够将PLC传入OPC中的数据读取出来同时通过客户端对OPC进行写操作来将数据传入现场PLC，从而达到控制现场的目的。
4 应用实例
如图3所示，结合三维仿真编程技术，将提出的面向装配过程的现场数据采集与过程监控有关技术应用于某汽车主减速器自动化装配线，构建生产现场数据采集和过程监控系统。通过该系统的应用，实现了现场数据的实时采集和过程监控。
5 结语
生产车间实时监控技术是目前研究的一个热点，也是企业提高生产透明度迫切需要解决的一个问题。本文通过对典型的装配型企业的生产现场数据种类、编码技术与装配过程数据流的分析，构建了基于工业以太网的现场数据采集与过程监控系统。通过对生产车间现场数据的实时采集、处理和保存，大大提高了生产过程管理的高效性和透明度。
参考文献
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面向装配 篇7
关键词：MES,柔性装配过程,追踪BOM扩展模型,工艺配置
1 引言
随着产品更新换代周期的缩短及客户对产品多样性要求的提高,传统的大批量生产方式正被多品种、小批量生产模式所取代,为了适应这种新的生产模式,具有设备可复用性高、运行灵活及产品应变能力强的柔性装配系统正得到越来越广泛的应用。但柔性装配过程所需物料种类繁多、装配流程随多种产品的切换而复杂多变,使物料追踪问题变得更加复杂。
针对企业生产中的物料追踪问题,何霆从物流的角度提出了基于完整和不完整领料信息的物料追踪方法[1],王青亮对基于批次管理和时间的物料追踪方法[2]进行了详细研究。上述研究是在粗放型生产管理的条件下进行的,缺乏生产过程数据的支持,追踪的准确度低。制造执行系统(Manufacturing Execute System,简称MES)具有对生产过程监控和指导能力强的特点,能对柔性装配过程中常见的计划变动、工艺路线变更等异常状况做出及时反应,所以越来越多的企业开始应用MES来指导柔性化生产过程。MES集成了计划层和控制层的数据信息,为物料跟踪提供了更加全面的数据支持。如何将MES中的这些信息加以整合及利用,对物料进行更为准确、及时、完整的追踪,是一个急待解决的问题。本文在前人研究的基础上,基于MES的功能和特点,针对机械产品的柔性装配过程的特殊性,建立了产品追踪BOM的扩展模型,并提出了一种基于该模型的工序级物料追踪方法。
2 物料追踪要素
装配是一个将零件或部件组配和连接成为半成品或成品的过程。将这个过程中的零件、部件、半成品和成品统一称之为物料。本文所研究的物料追踪主要是为了追踪物料的标识信息、装配关系及工艺过程信息。标识信息包括类型、批次、供应商等;装配关系即物料的流向及组合信息;工艺过程信息是指物料与装配过程相关的动态属性值,如质量信息、装配时间、工序号等。目的是为装配过程的实时监控和后期数据追溯提供最原始的信息来源。
物料的可标识性是进行追踪的前提和基础,可采用批次管理[2]的思想对物料的标识信息进行管理。将其划分为批次单件物料和批次非单件物料。批次非单件的物料一般是数量多、体积小、很难区分单件的产品[3],同一批次的产品具有相同的批次编号;批次单件管理的物料,除了批次号之外同一批每件物料还有不同的编号。产品相对于上级装配关系是一种部件型物料,同样适用于批次管理。可将装配分为总装和分装,产品总装上线时,应赋其一个父级产品出生证;部件分装上线时,应赋其一个子级产品出生证。产品出生证即相当于批次单件管理中的物料编号。批次单件管理中具体物料的编号和批次非单件管理中的批次号是进行物料追踪的唯一标识。
3 产品追踪BOM及其扩展模型
物料追踪是从物料本身的角度描述物料的最终去向及其生产过程属性,即该物料被用于哪个批次的产品上;而产品追踪是从相反的方向描述该产品由哪些具体批次的物料构成及这些物料的属性。二者都是以装配生产中的物料流向信息和工艺过程信息为基础,使用的是同一套数据,分别代表物料追踪的两个不同方向[4]。物料追踪的目的是要最终形成一种经过扩展了的产品追踪BOM。
3.1 产品追踪BOM
BOM(Bill Of Material)是产品结构的技术性描述文件,它表明了产品组件、子件、零件直到原材料之间的结构关系,以及每个组装件所需要的下属关系[5]。追踪BOM是从BOM演化而来,具体到装配过程,它描述的是某批次的物料被装配到了哪些批次的部件或产品上、某批次的零部件装配到了哪些产品中[1]。某类型产品设计定型后,产品的结构BOM便随之确立,但具体到该类型产品的每个实例,其追踪BOM随着产品批次及其构成物料批次的变化而变化。图1表示A类型产品的结构BOM,有阴影的子节点表示不需要追踪的零部件;图2表示批次为P0的A类型实例产品的追踪BOM。
如图2所示,批次为P0的产品A需要批次为P2和P3的两个零部件C,在产品结构BOM中,它们因都属于C类型零部件,可以作为一个子节点;而在产品实例的追踪BOM中,因批次不同需作为两个不同的子节点,且不需要追踪的零部件I不用在追踪BOM中表示出来。
3.2 追踪BOM数据扩展模型
追踪BOM除了要反映物料的标识信息(即物料的类型代码批次编号)和装配关系,还要反映出物料的工艺过程信息。因此要将图2中的追踪BOM进行扩展。
工序是完成产品加工或装配的基本单元,物料的装配过程信息产生于所经过的一系列工序。产品设计定型后,产品结构BOM便随之确立,产品的结构BOM包含了所需追踪的所有物料。产品设计部门结构BOM中的产品配置信息遗传给工艺设计部门,工艺部门针对产品结构BOM的任一节点均要对其装配工艺进行详细设计。产品的结构BOM及其各子节点的工艺过程确定后,结合装配系统的实际情况和要求,进行产品的工艺配置。工艺配置是指对产品零部件制造工艺过程和装配工艺过程的描述,和各工序节点间的隶属关系[6]。
对于采用MES管理的柔性装配系统,不同类型的产品或者同类型产品在不同时间,其工艺配置都有可能不一样。只有通过产品的工艺配置,才能确定某产品在某制造单元上工序的内容,进而得到所需追踪的装配过程信息。基于以上分析,本文建立了以工艺配置为导向、工序为中心的产品追踪BOM数据扩展模型,如图3所示。
4 MES中物料追踪方案设计
4.1 体系结构
物料追踪作为MES物料管理模块的一个重要功能,需要MES的相关模块提供数据支持,相关模块主要包括基础数据模块、生产配置模块、作业计划模块、物料配送模块、数据采集模块,现将这些模块与物料追踪的关系做如下分析。
在基础数据模块里配置产品的类型、结构BOM、工艺单元及其对应的质量与控制标准信息,并定义所需追踪的物料及工艺过程信息。
在生产配置模块里,进行产品的工艺配置,制定生产工艺路线,并根据制造单元的实际功能,完成对制造单元的工艺配置。根据配置关系在相应制造单元绑定所需要追踪的物料和工艺过程信息。本文所描述的装配过程一般在装配流水线上进行,对生产节拍要求较高,制造单元比较简单,每个制造单元只完成一道工序。
在作业计划模块里制定并下达作业计划,物料配送模块根据作业计划、产品BOM、生产节拍等相关信息,生成物料配送计划。在物料出库之前,要对需要追踪的物料配置目标工序、数量、类别、批次等信息。
在数据采集模块实现对生产过程中各类制造资源数据的实时采集,在为生产过程的监测与控制提供数据的同时,生成完整的产品及生产状态档案信息,为物料追踪提供了可靠的数据来源。在此模块中,需要根据每个工序对应的制造单元上绑定的物料和工艺过程信息,在MES系统中配置这些信息在加工设备和数据采集设备通信模块中对应的物理地址,并通过设备程序设计将不同型号产品对应的不同数据信息存入MES指定的数据存储区中。
4.2 工序级物料追踪流程分析
由产品追踪BOM的数据扩展模型可知,工序是物料追踪的基本单元,而一个装配工序即是在装配流水线上的一个工位所完成的工艺过程。物料追踪就是要完成对以工序为中心的物料追踪要素的全部记录,即在该工序上被装配零部件的类型和批次、所产生的工艺过程信息以及它们与当前产品的产品出生证之间的绑定关系。
图4表明了典型工序物料追踪的流程,以下是对部分关键步骤的说明:
步骤1:将作业计划分解为作业记录,作业记录规定了每件产品的上线时间以及本记录的完成时间。作业记录作为装配线生产调度的基本单元,记录的执行顺序可以根据生产的实时状况调整。
步骤2:根据作业记录的物料需求及工位存料信息计算出物料配送方案,它规定了物料配送的时间和数量,要严格按照配送方案进行实时配送。
步骤3:根据作业记录生成计划产品出生证,在每条装配线的上线工位按照编号顺序给每件产品赋予一个产品出生证。一般采用二维或三维条形码技术对出生证信息进行跟踪,如果对自动化和管控一体化程度要求较高,可采用RFID[7](射频识别)技术。
步骤4:获取的本工位的前序工序质量信息,主要包括前序工序是否合格,以及本工序需要用到的前序工序质量信息。如果前序工位不合格,转入步骤7;否则继续。
步骤5:读取产品出生证信息,判断产品种类,根据产品种类及其制造单元工艺配置BOM确定所需零部件的种类与数量,并通过以下两种方式获得所选物料的批次。一种是通过物料配送BOM,按照出库的时间先后,逐一从中取出相应物料的批次。一种是对所有所需追踪的物料进行条码管理,通过扫描枪扫码得到批次信息。前者容易受配送失误、工人取料顺序出错、替换不合格物料等生产异常因素影响,适用于生产管理严格,物料批次不经常变化的装配系统。后者比较精确,但投入较大且需要供应商的配合。
步骤6:记录该类型产品在本工序所产生的工艺过程信息。MES普遍强调生产过程的监控及质量数据的可追溯性,所以一般都能实现与智能设备的数据交互。产品加工完成后,MES的数据采集系统会直接从设备的交互数据存储区中提取加工质量数据,与提取时间、工序号一起构成了工艺过程信息。
步骤7:将物料的种类和批次信息、工艺过程信息与产品出生证绑定,一起存入数据库的过程信息表中。如果当前工序是中间工序,则放行进入下一道工序;如果是末工序,将所有追踪信息从过程信息表中取出,存入到产品档案表中,即形成了产品的追踪BOM。
5 应用实现
本文所描述的面向装配过程的物料追踪方法在某汽车变速器装配线MES中得到了成功应用。该MES集成了生产配置、作业计划分解、物料配送指导、数据采集等功能,在此基础上,按照本文所提出的工序级物料追踪流程,实现了对产品装配生产全过程的物料追踪,最终形成了产品追踪BOM,为生产过程监控和后期的产品追溯提供最原始的数据来源。此MES物料追溯模块包含产品-零部件装配关系追溯和产品工艺过程信息追溯两个子模块,其中产品-零部件装配关系子模块的系统界面如图5所示。
6 结语
柔性装配过程物料追踪困难,运用传统的追踪理论与方法已经不能够满足企业对物料追踪准确性、全面性、实时性的要求。本文对传统的物料追踪BOM加以扩展,并给出了一种面向MES的物料追踪方法,即在MES提供数据支持的前提下,对现有数据进行集成和利用,提出了一种通用的工序级物料追踪流程,将企业的物料追踪管理细化到每一个制造单元,提高了企业物料管理的信息化水平。
参考文献
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