0 引言
裝配工藝信息模型(簡稱裝配信息模型)是裝配工藝規劃的基礎。它是裝配工藝序列規劃、裝配工藝路徑規劃以及裝配工藝規劃后處理數據的主要來源。良好的裝配模型不僅能夠表達零件的幾何信息，零部件可見的層次關系信息，還應該表達裝配關系信息，以及不同層次的裝配體中的裝配設計參數的約束和傳遞關系信息，而且更重要的能夠為裝配工藝序列規劃、路徑規劃等裝配過程信息的表達提供良好的框架基礎。
裝配信息模型的建立主要有兩個需要解決的問題，即數據的獲取和數據的表示。
目前裝配信息模型主要有圖模型、層次模型和混合模型3種經典表示。無論是圖模型、層次模型還是混合模型都是對裝配工藝規劃結果的表示，僅表示零件的幾何信息，幾何約束形式表達的裝配關系或配合關系，不能反映零件之間的裝配順序以及完成零件裝配所需的裝配動作。它不能完整的反映裝配過程，丟失了虛擬裝配環境中裝配序列、裝配路徑以及裝配約束等過程信息。
裝配信息模型的數據來源目前主要的方法是通過CAD接口直接獲取三維CAD模型的數據。由于在三維CAD系統中，產品模型中包含的信息量很大，而且不同的三維系統產品模型的表達方法也不盡相同，這種數據獲取的局限性也在一定程度上給通用裝配信息模型的建立帶來了一定的困難。
隨著輕量化技術的發展，輕量化三維產品模型成為一種趨勢。輕量化技術能夠支持企業間不同CAD數據傳輸與交換，在沒有數據損失的情況下將產品模型輕量化，大大提高了企業之間的協同與網絡傳輸效率。作者基于輕量化三維產品模型建立裝配工藝信息模型，將各種不同的三維產品模型轉換成統一的輕量化產品模型，由于輕量化模型過濾了非幾何信息，保留了產品的結構和幾何拓撲關系，在輕量化產品模型的基礎上通過集成接口或后置處理實現制造工藝信息的添加，建立面向三維的輕量化裝配工藝信息模型。
1 輕量化裝配工藝信息模型整體框架
裝配信息怎樣完整的合理的表示出來是裝配信息建模的關鍵所在，也是裝配工藝規劃需要解決的關鍵問題之一。由于模型需要表達的數據信息多，模型結構復雜，很難找到一個合適的單一的模型表達其所有的數據，考慮用混合模型或者多個模型的集合這種形式表達裝配工藝信息。作者通過分析裝配模型信息的類型，分類用不同的模型表達不同的裝配信息。基于輕量化三維產品模型的裝配工藝信息模型中表達的信息包括下列3個部分：
(1)對象信息。表達裝配對象的基本信息，如幾何特征信息、對象的位置、材質、管理信息以及裝配資源信息等。
(2)約束信息。描述了裝配體之間以及內部的約束，包括產品層次結構、零部件之間的配合關系等。
(3)過程信息。描述了裝配過程中產生的信息，如零部件的裝配順序，操作路徑等虛擬裝配過程和結果信息。
如圖l所示。首先將產品的三維CAD模型轉化為三維輕量化模型，由于模型的輕量化過濾了非幾何信息，所以要通過交互式或接口方式輸入裝配工藝規劃所需要的條件信息，在虛擬環境下進行裝配工藝規劃，裝配工藝規劃的過程信息包括裝配序列、裝配路徑等信息，這些也是裝配建模要考慮的主要內容。
圖1 輕量化裝配信息模型結構圖
2 信息分類與表示
裝配工藝信息模型數據的具體分類如圖2所示。
圖2 裝配工藝信息模型數據
2．1 對象信息表示
對象信息模型是虛擬裝配信息模型表示的基礎。目前大多數虛擬裝配模型都是通過獲取三維CAD模型中的數據作為模型零件信息的。輕量化裝配信息模型首先通過支持輕量化產品模型的瀏覽器導入商用三維產品模型，將商用三維模型轉換成輕量化模型。輕量化模型中只包含產品的幾何信息、幾何約束信息，所以需要在輕量化模型的基礎上通過后置處理添加裝配工藝規劃需要的相關對象信息。例如裝配資源信息可以通過導人產品三維模型的形式添加到輕量化模型中去，通過這種方式得到輕量化裝配模型中對象模型的信息數據。
輕量化虛擬裝配模型的對象可以分為兩種：(1)輕量化虛擬裝配資源對象。它是不包含任何產品信息的實體，包括虛擬場景、虛擬裝配工裝夾具、虛擬手(鼠標)等。(2)裝配對象。攜帶產品信息的輕量化三維模型。這些對象都是通過對象信息模型表示的。
對象信息模型以零件為基本節點，采用層次模型表示。層次模型中每個節點主要包括了零件的名稱、幾何特征、狀態、位置以及運動信息。采用面向對象的方法設計對象包含的屬性。如圖3所示。
圖3 零部件對象的物理屬性結構圖
2．2 約束信息表示
裝配體零部件之間關系通過表示成約束信息才能使系統所理解和采用。零部件之間的約束信息主要包括幾何約束、裝配層次約束、裝配與資源之間的約束、以及其它的軟約束和物理約束。其中幾何約束在商用三維模型轉化成輕量化模型時就保留了幾何約束信息，所以直接可以從輕量化模型得到。裝配層次關系是在裝配工藝規劃過程中形成的，如產品分為子裝配，子裝配又分為零部件等。軟約束和物理約束是指裝配體外部對裝配體的約束，如企業的裝配設備條件，生產技術要求等等，往往這些約束對裝配過程影響很大。這些約束只有通過規則和公式等表示出來才能被計算機系統所理解。
以圖4的裝配模型為例，其約束模型可表示如下：
圖4 裝配體模型
2．3 過程信息表示
裝配過程信息是在裝配過程中產生的，主要包括零部件的裝配操作、裝配路徑、整個產品的裝配序列等信息。具體包含：(1)單個零部件在裝配過程中從初始位置運動到最終裝配目標位置的裝配路徑。(2)裝配過程中零部件的定位夾緊等操作信息。(3)整個產品的裝配序列。
裝配路徑的表示。在虛擬裝配過程中將零部件的位置和方向以離散節點的形式進行記錄，通過鏈表的形式組織這些節點，可以得到該零部件的裝配路徑。裝配路徑節點的數據表達為：
采用四元組(x，y，z，w)表達零部件的空間方向。其中，(x，y，z)表示空間一矢量，w表示繞空間矢量(x，y，z)的轉角。四元組(x，y，z，w)表達零件的空間方向比旋轉矩陣更為簡潔。
對于一些規則的軌跡，可以采用參數軌跡來描述，其數據結構如下：
裝配層次關系的形成。在裝配過程中，形成的產品層次裝配結構關系，如通過子裝配劃分技術產生的子裝配體、零件、組件、產品等層次。這種層次關系通過樹結構表示。
產品裝配序列的表示。裝配序列表明了產品所有零件在組成產品時的安裝順序，裝配序列的形成是基于裝配層次關系的，所以裝配序列的表示也是結合裝配層次關系，在層次模型中添加先后順序來表示裝配序列。
采用有序樹表達產品的裝配序列。在有序樹中，樹的層次關系表達了裝配層次關系，對于每一層樹的節點按照一定的順序排列，節點的先后順序表達了這層零部件和子裝配體的裝配順序。如圖5所示。產品由子裝配體1、子裝配體2、零件1和零件2組成，子裝配體1又是由零件3、4和5組成，子裝配體2由子裝配體3和零件8組成，子裝配3又是由零件6和零件7組成。
圖5 裝配序列樹形結構
零件的排列是有順序的，安裝的時候如圖5箭頭所示，每一層自底向上安裝，所以產品的裝配序列為：零件2、零件1、子裝配體2(零件8、子裝配體3(零件7、零件6))、子裝配體1(零件5、零件4、零件3)。
每一顆有序樹對應產品的一個裝配序列，而產品的裝配路徑與裝配序列是相對應的。一顆有序樹作為一個裝配方案，關聯相應零部件的裝配路徑，將路徑與有序樹的節點相關聯組成一顆既能表示序列又能表示路徑的有序樹。
3 應用實例
在Windows XP系統環境下，以Visual C#2005集成開發環境為開發工具，設計開發了一個基于Spin Fire Professional8.3的裝配工藝規劃原型系統。系統基于三維產品裝配模型，實現了基于輕量化模型的裝配建模、裝配序列規劃、裝配路徑生成與裝配過程仿真等功能。如圖6為裝配體零部件屬性信息顯示界面，通過輕量化模型直接提取和通過接口外部輸入裝配工藝規劃相關屬性。系統實現產品功能樹轉化為包含裝配序列的有序樹的功能。通過手工或自動化算法進行裝配序列規劃，將零部件的順序表示在一棵有序的裝配樹上。圖7為動畫仿真界面，樹節點上關聯了裝配路徑，通過遍歷節點，搜索節點對應的零部件的路徑實現動畫。
圖6 裝配體零部件屬性信息
圖7 裝配序列、路徑與仿真動畫輸出
4 結論
通過對商用三維產品模型的輕量化得到產品的輕量化模型，在輕量化模型的基礎上建立裝配工藝信息模型。對裝配模型包含的數據進行分類總結，對不同的數據對象采用不同的建模方式，通過對這些模型的集成提出了一種通用的輕量化裝配模型。對裝配工藝規劃前驅需要的信息，裝配工藝規劃過程中產生的信息以及結果信息都可以在模型中很好地表示，并且通過這種方式可以把裝配工藝規劃過程及結果保存在輕量化模型里面，最終得到的是保存有工藝信息的輕量化三維裝配工藝信息模型。由于輕量化和通用3D格式的特點，使得模型能夠方便快捷地被瀏覽并在網絡之間傳輸。
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本文標題：基于輕量化三維產品模型的裝配建模技術研究
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