分布式制造环境下的产品数字化预装配技术

1、分布式制造环境下的产品数字化预装配技术     1引言随着市场竞争的全球化，制造业面临着更为激基金项目：国家863高科技计划资助项目烈的全球市场竞争。产品的生产模式由少品种、大批量逐步转变为多品种、变批量。产品的设计制造过程也由一个企业独自完成发展到具有互补性企业之间的强强联合，由此，产品的异地设计和制造、敏捷制造技术、虚拟制造技术等先进的制造模式和技术正在成为制造工程界研究和应用的热点和重点领域，其中，分布式环境下的产品数字化预装配（Product Digital Pre-assembly）技术是实现异地设计与制造、敏捷制造和虚拟制造等先进生产方式的关

2、键技术，本文对分布式环境下的产品数字化预装配技术中的产品数字化建模、装配过程仿真、装配工艺规划、面向装配的产品设计等关键技术进行了讨论。2产品数字化定义技术(DPD)产品数字化定义技术包括两个方面的内容：一是要研究产品数字化特征参数建模技术，二是要研究产品数字化定义模型及其计算机表示方法。2.1产品的数字化特征参数建模技术将产品的零部件按其设计特征和制造特征进行分类提取。特征尚没有严格的数学定义，应理解为一个专业术语，它兼有形状和功能两种属性。特征建模技术的目的是为了能够更好地表达产品完整的技术和生产>' target='_blank' class='in

3、fotextkey'>管理信息，为建立产品的集成信息模型服务，它用计算机可以理解和处理的统一的产品模型替代传统的产品设计和制造成套图纸以及技术文档，使得产品的设计和生产准备各个环节可以并行的展开，实现信息的无中断传输。特征信息模型使产品的设计工作可以在更高的层次上进行。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的零件信息模型更容易理解和易于组织生产，设计的图样更容易修改。零件特征信息模型可以加强产品设计、工艺分析、加工、检验各部门的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到后续各个环节，并及时得到后者的意见反馈。本文以零件的形状特征(如圆柱体、圆锥体)和功能特征(如退刀槽、键槽)作为基本描述

4、单位，并以形状特征为主体，对零件的各功能特征进行分层，突出了零件的层次性的特点。通过对特征的搜集、归纳、提取产品典型零件的特征信息，将其进行参数化定义，并存储到企业的中央服务器的产品参数化特征数据库中供联盟企业共享。主要研究内容包括：(1)开发适用于产品设计的参数化特征设计系统：开发产品的参数化特征设计软件，按照产品设计特征和制造特征的建模特点对企业产品中的常用零部件进行分析，借助于CAD软件提供的参数化特征建模模块提取和归纳设计和制造特征。对设计、制造特征汇总，完成特征的定义、提取、归纳和入库工作。(2)建立建模知识库：通过对产品设计建模知识的归纳和提取，进行设计建模知识的数学表达式定义和C

5、AD建模知识>' target='_blank' class='infotextkey'>管理软件应用开发。(3)产品设计标准件库的开发：开发具有统一界面的参数化标准件库软件及常用零件、标准件的建库软件。2.2产品数字化定义模型及表达方法全生命周期的产品数字化定义模型包括：几何的和非几何的信息，如产品的三维模型数据集、BOM表、设计文件、计算报告、产品设计工程数据、工艺文件和NC程序等。为便于产品全生命周期各阶段信息的>' target='_blank' class='infotextkey'&g

6、t;管理和共享，需要建立一种关系模型。这种关系模型是通过定义从整个产品到单一零部件的产品结构树(BOM)来完成的。3产品数字化装配的关键技术产品数字化装配是在产品数字化定义的基础上利用计算机模拟装配的过程。它主要用于在研制过程中及时进行静动态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查等。采用数字化装配技术可以有效地评价产品的可装配性，减少因设计原因造成的更改或返工，缩短研制周期、降低产品成本、提高竞争能力。这个过程以设计共享为基础，通过产品数字化装配协调结构设计、系统设计，检查零件安装和拆卸情况。数字化装配技术涉及特征技术、仿真技术、计算机虚拟现实技术、知识工程、CAD/CAM

7、系统集成技术等多个领域。3.1数字化装配建模技术装配模型的建模的建模质量将直接影响到产品的结构特征、功能特征和整个数字化装配过程的装配质量、装配效率和装配成本。数字化建模技术主要有基于Part-of Graph表示法的装配模型，Part-of模型进行装配工序的求解和路径规划。首先根据装配建模所构建的装配体图，利用有关算法求解出工序图等装配工序基本数据；其次对组成装配体的零件以及所使用的工装夹具进行属性分析，为装配工序的生成提供进一步的搜索信息，生成包括工装夹Graph装配模型由节点和圆弧组成，节点表示设计特征，圆弧表示设计特征之间的关系；基于虚链的装配图模型建模方法，在该模型中，两个零件通过虚

8、链相连接，装配位置由装配关系确定；基于装配信息自组织的装配模型建模方法，该模型中，零件信息表示为抽象的符号，零件之间的配合信息表示为符号间的关系。在进行产品数字化建模时，应首先进行产品功能的形式化描述，摸索产品功能向装配模型的映射，并进行装配关系的描述，使数字化装配系统具有支持自顶向下的产品设计能力。建立数字化装配模型是实现数字化装配的首要任务。其主要内容包括数字化装配阶段定义：数字化装配零(部、组)件库的建立方法和规则；数字化装配用产品零部件数字模型的>' target='_blank' class='infotextkey'>管理和存储方

9、式、方法；数字化装配用产品零部件数字模型的搜索、提取和过滤方法；数字化装配模型共享技术等。3.2装配过程模拟和优化设计产品的装配过程分为：(1)装配顺序的生成和优化；(2)装配路径规划和优化；(3)公差分析与综合；(4)装配过程仿真模拟。首先对产品的部件进行装配过程定义，即确定部件所属各零件的装配顺序、位置保证的优先级，重要特性的保证措施等，并给出这些要素和措施的确定方法和准则。在零件的整个设计过程中，每个设计人员都要经常把自己所设计的零件与其它相关零件进行数字化装配，以检查零件之间的干涉情况。此外，在产品设计的各个阶段，还应在更大的范围里对大量的零件、系统模型进行数字化装配，以便从更高的层次

10、上发现和解决干涉问题。装配元件与装配元件之间交互作用的动力学仿真是装配过程仿真中的首要关键问题，通过模块化装配操作封装其复杂性，这些模块化操作作为参数化构筑块，组合在一起仿真装配规划中的每一步。仿真装配工艺规划中的工步可以以一种混合的方式进行。对于本质上是离散的操作如将一个零件从一个位置移动到另一个位置，可将该操作视为一离散事件，以离散事件方法仿真。对于元件与元件交互中引起连续或不连续影响的操作，可采用基于状态的方法，对每一个操作在完成预想的装配构型的方面进行追溯。其次，根据接触关系进行自动的运动机构定义。装配设计中的运动机构能够按照机构分析的要求进行模型提取，模型本身包括机构中各个运动部件和

11、约束关系。各个运动部件的运动轨迹将基于此模型进行求解，对于运动过程中的特定位置可进行机构内部及运动工作位置与外部环境之间的检查，以保证机构运动的可行性。3.3面向装配的产品设计(Design for Assembly)面向装配的设计(DFA)是并行设计的基础及关键技术，即在产品的设计阶段考虑产品的装配性能，如可装配性、可拆卸性、可维护性、装配路径选择、装配工艺规划等。以便在设计阶段发现和解决装配中可能存在的问题。在基于易于装配准则(如零件的对称性、尺寸、匹配方向和零件的数量等)的基础上，对零件的可装配性进行评价；按照一系列设计准则和设计指南来指导设计，改进产品的可装配性。在产品设计中改变以往自

12、底向上的设计方式，制定面向装配设计的一些原则，如零件数量和类型最小原则、模块化设计原则、减少紧固件数量的设计原则、最少装配方向原则等，这样可以显著减少零件的数量，提高零件装配效率。3.4装配工艺规划装配工艺规划是以装配模型为基础，利用装配6具使用顺序在内的装配元件应用顺序。根据装配序列中的当前零件与基体之间的约束方向矢量以及生成的约束图求解出可活动空间，并进一步确定该零件的初始运动方向以及在此方向上的移动距离。通过检测零件在初始运动方向的移动距离内是否发生干涉，验证装配路径的可行性，形成对每个装配元件完整的一系列拐点及拐点位姿描述。在装配模型为基础，对每个零件建立一个修正树表示，根据零件的装配

13、关系，按公共参考面将零件的修正树组合，形成对整个装配和工艺联系的描述。选用合理的尺寸误差概率分布函数，运用概率统计的方法进行公差分析的计算，对配合公差选择的正确性进行分析，并对产品或装配体中配合公差的综合性能进行评价，同时，对产品或装配体中配合公差、理想装配关系和公差值进行分析和选择。4分布式产品数据集成技术在企业全球化动态联盟的制造环境下，产品的设计是由物理上分散的异地设计部门之间协同完成的，因此，如何解决异地企业之间的信息快速传输和信息共享是一个关键问题，主要内容包括企业间的网络支撑环境、网络安全性问题、面向对象分布式数据库>' target='_blank'

14、 class='infotextkey'>管理技术、分布式产品数据>' target='_blank' class='infotextkey'>管理(PDM)技术、异构环境下的信息互操作技术等等。(1)计算机网络是实现产品异地无纸化设计与制造的首要支撑环境，建立企业间的专用网络环境不仅投资高、周期长，而且维护费用也非常昂贵，近年来，随着INTERNET技术的迅猛发展，建立基于INTERNET网络环境的企业间互联网络是重要解决方案，由于INTERNET是一个公共的数据传输网络，信息安全性问题随之成为INTERNET网络应用

15、的关键问题。(2)面向对象的分布式数据库>' target='_blank' class='infotextkey'>管理技术。分布式的产品数据>' target='_blank' class='infotextkey'>管理问题对数据库技术提出了一些特殊要求，如分布式事务处理要求>' target='_blank' class='infotextkey'>管理程序从查询程序或事务处理程序接收处理请求并将这些请求转换成数据库>'

16、; target='_blank' class='infotextkey'>管理程序将要执行的动作；数据库>' target='_blank' class='infotextkey'>管理则根据动作命令检索或更新数据。采用工程数据库和面向对象技术，研究对分布式复杂对象>' target='_blank' class='infotextkey'>管理的机制，并进行相应的系统实现，满足分布式产品数据>' target='_blank&#

17、39; class='infotextkey'>管理的需要。(3)分布式产品数据>' target='_blank' class='infotextkey'>管理技术：面向产品对象的企业动态联盟一般由产品主开发企业和多家相互平行的伙伴联盟开发企业组成。主开发企业称为盟主，负责产品开发全过程及产品整个生命周期的任务分发、工作协调、进度控制等工作，每个联盟企业根据各自的企业资源优势和协作分工负责完成产品生命周期中各自的任务，这些企业一般是各自独立的单位。所以，其分布式数据>' target='_blank' class='infotextkey'>管理模式为一种相互平行的多服务器模式。(4)异构环境下的产品信息互操作技术：在动态联盟企业的分布式计算环境下，不同企业之间、企业内部不同应用之间需要信息传输和交换，如CAD、CAPP、CAM之间，工程设计系统与ERP之间等，在分布式数据集成环境下，进行面向对象的分布式应用开发具有很大的难度。CORBA、COM/DCOM和JavaBeans是目前几种主要的分布式计算模型和支持系统。如果所开发的应用是面向WINDOWS平台，那么C