1基于MBD的装配工艺结构树
1.1基于MBD的装配工艺设计技术
在基于三维模型的装配工艺设计系统中，工艺人员首先进行装配工艺建模，依据产品设计模型确定工艺方案；然后利用装配工艺结构树进行装配工艺规划，并对工艺规划结果进行仿真；最后生成装配工艺文件。装配序列规划是工艺规划的重要内容。产品结构反映产品中各零部件之间组成和层次关系，低层级零部件总是先于高层级零部件进行工艺设计。因而，产品结构包含了一定的装配序列信息，工艺人员可以依据产品结构信息，进行装配序列规划。在装配工艺建模时，保存了产品的结构信息和零部件模型信息。在工艺规划过程中，借助工艺结构树进行工艺设计，生成了多种工艺数据集，包括装配序列、装配路径、工艺标注、工艺装备、辅助工艺等信息；工艺数据集按一定的方式组织存储构成装配工艺模型。装配工艺模型信息集合如图1所示。
1.2装配工艺结构树
在装配工艺设计过程中，利用装配工艺结构树描述、存储工艺设计数据集，最终生成产品的装配工艺。产品的装配工艺通常由装配工序、装配工步组成。装配工艺结构树的数据结构如下：1）装配工序是装配工艺的基本组成单元，它的含义与一般工序的定义一致。LO是工序对象列表，表示当前工序下所有待装配零部件。根据产品结构，工序对象列表中的零部件必须是相同部件下的同级子零部件。LP是装配工步序列，LP由工序下所有待装配零部件的装配过程按照工步划分规则进行细分得到。2）装配工步是装配工艺信息的基本载体，它的含义与一般工步的定义一致。3）装配信息由各种工艺信息组成。在工艺结构树中，装配信息的组成如下：AA是装配活动，它表示模拟零部件装配过程的三维动画展示；IAP是辅助工艺信息，它表示零部件常用的装配操作方法、特殊零部件的处理方法及设计人员的经验；DP是工艺标注，它表示零部件在装配过程中，与装配工艺相关的标注特征信息，包括尺寸、公差、粗糙度、注释等；EP是工艺装备，它表示零部件在装配过程中用到的夹具、工具、量具等。在实际装配中，一个复杂产品的装配过程通常是按照先组装、再部装、后总装的顺序进行的。在装配工艺结构树中，工艺人员不一定按照实际装配过程进行工艺设计，即组装和部装工艺设计可能交替进行，这减小了工艺设计的限制，人机交互性更好。装配工艺结构树如图2所示。
2装配工艺流程
工艺设计完成后，采用何种方式管理装配工艺信息，将直接影响工艺人员的工作效率。工艺结构树的自身特性不利于工艺信息的管理，而工艺流程图不仅克服了工艺结构树的缺点，并且在工艺信息管理中具有优势。为此，本文将工艺流程图应用于装配工艺信息的组织和管理中，以解决上述问题。
2.1装配工艺流程组成和分类
产品的装配过程分为三个阶段，包括组装阶段、部装阶段、总装阶段；装配过程可以由一组串(并)联混合而成的装配链表组成；因此，产品的装配工艺可以由一系列流程节点组成的装配工艺流程图来表示。在装配工艺流程中，将包含一个或多个零部件装配过程信息的单元定义为工艺流程节点；工艺流程节点是装配工艺流程的基本组成元素，串并行工艺流程节点构成装配工艺流程。工艺流程节点能链接装配对象三维模型、装配动画、装配标注信息、工艺装备和辅助工艺信息等相关工艺信息。装配工艺流程不只是简单的单个流程，对于不同的装配阶段，如组装阶段、部装阶段和总装阶段，工艺流程可以用组装工艺流程、部装工艺流程和总装工艺流程分别表示。对于不同装配阶段的工艺流程，其工艺流程节点的装配对象可能存在父子关系，某个工艺流程节点可由其子零部件所在的工艺流程构成，工艺流程之间存在组成和层次关系，因而，总装工艺流程可以由部装工艺流程组成，部装工艺流程可以由组装工艺流程组成。装配工艺流程示意图如图3所示，流程节点间的连接箭头表示装配操作方向；流程节点的先后顺序表示节点中装配对象的装配顺序；并行的流程节点表示其装配对象可同时进行装配。
2.2装配工艺流程数据组成
工艺流程节点作为装配工艺流程的基本组成单元，它的数据结构如下：<NP>={<Name>,<L>,<ON>,<ID>,<SeqID>,<ParID>,<IN>}Name是节点名称，表示节点在工艺流程中的显示名称；L是节点层级，为将工艺流程节点放入相应层级的工艺流程链表中提供数据；ON表示该工艺流程节点需要装配的零部件；ID是工艺流程节点的标识，具有唯一性；ParID是父级工艺流程节点的标识，具有唯一性。根据装配对象的父子关系，建立工艺流程节点的联系，用于标识装配对象的父级部件所在工艺流程节点，即父级工艺流程节点NPP，ParID为实现具有层次关系的装配工艺流程提供数据支持SeqID是并行工艺流程节点的标识，具有唯一性。SeqID为实现具有并行关系的工艺流程节点提供数据支持；在实际装配过程中，并行工艺流程节点包含的装配对象可同时进行装配。IN是节点工艺信息，表示该节点装配对象的工艺信息。工艺流程链表用于存储工艺流程节点。工艺流程链表的组成如下：<SN>={NPk|k=1,2,3,…}工艺流程节点NP是工艺流程链表SN的基本组成元素。SN中NP的顺序包含了装配序列信息。
3工艺结构树与工艺流程映射方法
为了实现装配工艺结构树向装配工艺流程的映射，需要解决五个问题，依次是解决工艺流程节点与装配对象的关联问题，解决工艺流程节点的工艺信息链接问题，解决装配序列信息的保存问题，解决工艺流程节点的并行关系问题，解决装配工艺流程的层次关系问题，即不同工艺阶段中工艺流程的分离。针对上述五个问题，本文提出了基于解析工艺结构树的工艺流程映射方法。它首先对装配工艺结构树进行解析并预处理，然后以装配工步为基本单元，将装配工步映射为工艺流程节点，并存储工艺流程节点生成工艺流程链表，记录装配序列信息，最终生成装配工艺流程。该方法能有效实现装配工艺结构树向装配工艺流程的映射。为了将装配工艺结构树映射为装配工艺流程，首先要解析装配工艺结构树，从工艺结构树中获取装配工艺信息。在工艺结构树中，装配工步PS是工艺信息的基本载体，可以从中获得所有装配对象OA及其装配信息IA，IA包括装配活动AA、辅助工艺信息IAP、工艺标注DP、工艺装备EP等；根据装配工序Pd及其装配工步PS的先后顺序关系，可以获得零部件的装配序列信息。同时，在解析工艺结构树时，需要从工艺结构树中分离出不同工艺阶段的工艺过程，以便实现具有层次关系的装配工艺流程。通过上述流程，基本解决了上文提到的5个问题。根据PS的OA，实现了NP和ON的关联；根据IA，实现了NP和IN的集成；根据SeqID，为实现具有并行关系的NP提供了数据支持；根据ParID，为实现具有层次关系的装配工艺流程提供了数据支持；将NP依次存储在相应层级的SN中，保存了产品的装配序列信息，为生成装配工艺流程提供了序列信息。图4是装配工艺结构树与装配工艺流程的映射关系。
4应用实例与结论
在VisualStudio2008平台上，利用ACIS和HOOPS开发工具包开发实现了基于三维模型的装配工艺设计系统。在该系统中，实现了装配工艺结构树向装配工艺流程映射的目标，生成了装配工艺流程。以发动机汽缸为例，图5是产品结构树、装配工艺结构树、装配工艺流程和完善工艺流程节点信息的原型系统界面。通过解析装配工步的装配对象及其装配信息，实现了工艺流程节点和装配对象的关联，实现了工艺流程节点和零部件装配信息的链接；通过设置同步工艺流程节点标识SeqID，实现了具有并行关系的装配工艺流程；通过设置父级工艺流程节点标识ParID，实现了具有层次关系的装配工艺流程；通过工艺流程链表，记录了零部件装配序列信息；最终生成了装配工艺流程图。因此，基于解析工艺结构树的工艺流程映射方法是有效的。但是，该映射方法依然存在着不足，在实现具有层次关系的装配工艺流程时，搜索父级工艺流程节点的效率还有待提升；同时，装配工艺流程的应用还有待进一步扩展。
作者：张杨 刘晓军 倪中华 程亚龙 刘金锋 单位：江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室
