分布式制造環(huán)境下的產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)

1、分布式制造環(huán)境下的產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)     1引言隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的全球化，制造業(yè)面臨著更為激基金項(xiàng)目：國(guó)家863高科技計(jì)劃資助項(xiàng)目烈的全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。產(chǎn)品的生產(chǎn)模式由少品種、大批量逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N、變批量。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程也由一個(gè)企業(yè)獨(dú)自完成發(fā)展到具有互補(bǔ)性企業(yè)之間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，由此，產(chǎn)品的異地設(shè)計(jì)和制造、敏捷制造技術(shù)、虛擬制造技術(shù)等先進(jìn)的制造模式和技術(shù)正在成為制造工程界研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)領(lǐng)域，其中，分布式環(huán)境下的產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配（Product Digital Pre-assembly）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)異地設(shè)計(jì)與制造、敏捷制造和虛擬制造等先進(jìn)生產(chǎn)方式的關(guān)

2、鍵技術(shù)，本文對(duì)分布式環(huán)境下的產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)中的產(chǎn)品數(shù)字化建模、裝配過(guò)程仿真、裝配工藝規(guī)劃、面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。2產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)(DPD)產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是要研究產(chǎn)品數(shù)字化特征參數(shù)建模技術(shù)，二是要研究產(chǎn)品數(shù)字化定義模型及其計(jì)算機(jī)表示方法。2.1產(chǎn)品的數(shù)字化特征參數(shù)建模技術(shù)將產(chǎn)品的零部件按其設(shè)計(jì)特征和制造特征進(jìn)行分類(lèi)提取。特征尚沒(méi)有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，應(yīng)理解為一個(gè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，它兼有形狀和功能兩種屬性。特征建模技術(shù)的目的是為了能夠更好地表達(dá)產(chǎn)品完整的技術(shù)和生產(chǎn)>' target='_blank' class='in

3、fotextkey'>管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù)，它用計(jì)算機(jī)可以理解和處理的統(tǒng)一的產(chǎn)品模型替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造成套圖紙以及技術(shù)文檔，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)準(zhǔn)備各個(gè)環(huán)節(jié)可以并行的展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)中斷傳輸。特征信息模型使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作可以在更高的層次上進(jìn)行。特征的引用直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，使得建立的零件信息模型更容易理解和易于組織生產(chǎn)，設(shè)計(jì)的圖樣更容易修改。零件特征信息模型可以加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝分析、加工、檢驗(yàn)各部門(mén)的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫徹到后續(xù)各個(gè)環(huán)節(jié)，并及時(shí)得到后者的意見(jiàn)反饋。本文以零件的形狀特征(如圓柱體、圓錐體)和功能特征(如退刀槽、鍵槽)作為基本描述

4、單位，并以形狀特征為主體，對(duì)零件的各功能特征進(jìn)行分層，突出了零件的層次性的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)特征的搜集、歸納、提取產(chǎn)品典型零件的特征信息，將其進(jìn)行參數(shù)化定義，并存儲(chǔ)到企業(yè)的中央服務(wù)器的產(chǎn)品參數(shù)化特征數(shù)據(jù)庫(kù)中供聯(lián)盟企業(yè)共享。主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)開(kāi)發(fā)適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參數(shù)化特征設(shè)計(jì)系統(tǒng)：開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的參數(shù)化特征設(shè)計(jì)軟件，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征和制造特征的建模特點(diǎn)對(duì)企業(yè)產(chǎn)品中的常用零部件進(jìn)行分析，借助于CAD軟件提供的參數(shù)化特征建模模塊提取和歸納設(shè)計(jì)和制造特征。對(duì)設(shè)計(jì)、制造特征匯總，完成特征的定義、提取、歸納和入庫(kù)工作。(2)建立建模知識(shí)庫(kù)：通過(guò)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模知識(shí)的歸納和提取，進(jìn)行設(shè)計(jì)建模知識(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義和C

5、AD建模知識(shí)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)。(3)產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的開(kāi)發(fā)：開(kāi)發(fā)具有統(tǒng)一界面的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)軟件及常用零件、標(biāo)準(zhǔn)件的建庫(kù)軟件。2.2產(chǎn)品數(shù)字化定義模型及表達(dá)方法全生命周期的產(chǎn)品數(shù)字化定義模型包括：幾何的和非幾何的信息，如產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)集、BOM表、設(shè)計(jì)文件、計(jì)算報(bào)告、產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程數(shù)據(jù)、工藝文件和NC程序等。為便于產(chǎn)品全生命周期各階段信息的>' target='_blank' class='infotextkey'&g

6、t;管理和共享，需要建立一種關(guān)系模型。這種關(guān)系模型是通過(guò)定義從整個(gè)產(chǎn)品到單一零部件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)(BOM)來(lái)完成的。3產(chǎn)品數(shù)字化裝配的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品數(shù)字化裝配是在產(chǎn)品數(shù)字化定義的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)模擬裝配的過(guò)程。它主要用于在研制過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)界面設(shè)計(jì)和干涉檢查、工藝性檢查、可拆卸性檢查和可維護(hù)性檢查等。采用數(shù)字化裝配技術(shù)可以有效地評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可裝配性，減少因設(shè)計(jì)原因造成的更改或返工，縮短研制周期、降低產(chǎn)品成本、提高競(jìng)爭(zhēng)能力。這個(gè)過(guò)程以設(shè)計(jì)共享為基礎(chǔ)，通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，檢查零件安裝和拆卸情況。數(shù)字化裝配技術(shù)涉及特征技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、知識(shí)工程、CAD/CAM

7、系統(tǒng)集成技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。3.1數(shù)字化裝配建模技術(shù)裝配模型的建模的建模質(zhì)量將直接影響到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、功能特征和整個(gè)數(shù)字化裝配過(guò)程的裝配質(zhì)量、裝配效率和裝配成本。數(shù)字化建模技術(shù)主要有基于Part-of Graph表示法的裝配模型，Part-of模型進(jìn)行裝配工序的求解和路徑規(guī)劃。首先根據(jù)裝配建模所構(gòu)建的裝配體圖，利用有關(guān)算法求解出工序圖等裝配工序基本數(shù)據(jù)；其次對(duì)組成裝配體的零件以及所使用的工裝夾具進(jìn)行屬性分析，為裝配工序的生成提供進(jìn)一步的搜索信息，生成包括工裝夾Graph裝配模型由節(jié)點(diǎn)和圓弧組成，節(jié)點(diǎn)表示設(shè)計(jì)特征，圓弧表示設(shè)計(jì)特征之間的關(guān)系；基于虛鏈的裝配圖模型建模方法，在該模型中，兩個(gè)零件通過(guò)虛

8、鏈相連接，裝配位置由裝配關(guān)系確定；基于裝配信息自組織的裝配模型建模方法，該模型中，零件信息表示為抽象的符號(hào)，零件之間的配合信息表示為符號(hào)間的關(guān)系。在進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化建模時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行產(chǎn)品功能的形式化描述，摸索產(chǎn)品功能向裝配模型的映射，并進(jìn)行裝配關(guān)系的描述，使數(shù)字化裝配系統(tǒng)具有支持自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。建立數(shù)字化裝配模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配的首要任務(wù)。其主要內(nèi)容包括數(shù)字化裝配階段定義：數(shù)字化裝配零(部、組)件庫(kù)的建立方法和規(guī)則；數(shù)字化裝配用產(chǎn)品零部件數(shù)字模型的>' target='_blank' class='infotextkey'>管理和存儲(chǔ)方

9、式、方法；數(shù)字化裝配用產(chǎn)品零部件數(shù)字模型的搜索、提取和過(guò)濾方法；數(shù)字化裝配模型共享技術(shù)等。3.2裝配過(guò)程模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品的裝配過(guò)程分為：(1)裝配順序的生成和優(yōu)化；(2)裝配路徑規(guī)劃和優(yōu)化；(3)公差分析與綜合；(4)裝配過(guò)程仿真模擬。首先對(duì)產(chǎn)品的部件進(jìn)行裝配過(guò)程定義，即確定部件所屬各零件的裝配順序、位置保證的優(yōu)先級(jí)，重要特性的保證措施等，并給出這些要素和措施的確定方法和準(zhǔn)則。在零件的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都要經(jīng)常把自己所設(shè)計(jì)的零件與其它相關(guān)零件進(jìn)行數(shù)字化裝配，以檢查零件之間的干涉情況。此外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，還應(yīng)在更大的范圍里對(duì)大量的零件、系統(tǒng)模型進(jìn)行數(shù)字化裝配，以便從更高的層次

10、上發(fā)現(xiàn)和解決干涉問(wèn)題。裝配元件與裝配元件之間交互作用的動(dòng)力學(xué)仿真是裝配過(guò)程仿真中的首要關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)模塊化裝配操作封裝其復(fù)雜性，這些模塊化操作作為參數(shù)化構(gòu)筑塊，組合在一起仿真裝配規(guī)劃中的每一步。仿真裝配工藝規(guī)劃中的工步可以以一種混合的方式進(jìn)行。對(duì)于本質(zhì)上是離散的操作如將一個(gè)零件從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，可將該操作視為一離散事件，以離散事件方法仿真。對(duì)于元件與元件交互中引起連續(xù)或不連續(xù)影響的操作，可采用基于狀態(tài)的方法，對(duì)每一個(gè)操作在完成預(yù)想的裝配構(gòu)型的方面進(jìn)行追溯。其次，根據(jù)接觸關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)定義。裝配設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠按照機(jī)構(gòu)分析的要求進(jìn)行模型提取，模型本身包括機(jī)構(gòu)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件和

11、約束關(guān)系。各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡將基于此模型進(jìn)行求解，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的特定位置可進(jìn)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部及運(yùn)動(dòng)工作位置與外部環(huán)境之間的檢查，以保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性。3.3面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)(Design for Assembly)面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)是并行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)，即在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段考慮產(chǎn)品的裝配性能，如可裝配性、可拆卸性、可維護(hù)性、裝配路徑選擇、裝配工藝規(guī)劃等。以便在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和解決裝配中可能存在的問(wèn)題。在基于易于裝配準(zhǔn)則(如零件的對(duì)稱(chēng)性、尺寸、匹配方向和零件的數(shù)量等)的基礎(chǔ)上，對(duì)零件的可裝配性進(jìn)行評(píng)價(jià)；按照一系列設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)指南來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，改進(jìn)產(chǎn)品的可裝配性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中改變以往自

12、底向上的設(shè)計(jì)方式，制定面向裝配設(shè)計(jì)的一些原則，如零件數(shù)量和類(lèi)型最小原則、模塊化設(shè)計(jì)原則、減少緊固件數(shù)量的設(shè)計(jì)原則、最少裝配方向原則等，這樣可以顯著減少零件的數(shù)量，提高零件裝配效率。3.4裝配工藝規(guī)劃裝配工藝規(guī)劃是以裝配模型為基礎(chǔ)，利用裝配6具使用順序在內(nèi)的裝配元件應(yīng)用順序。根據(jù)裝配序列中的當(dāng)前零件與基體之間的約束方向矢量以及生成的約束圖求解出可活動(dòng)空間，并進(jìn)一步確定該零件的初始運(yùn)動(dòng)方向以及在此方向上的移動(dòng)距離。通過(guò)檢測(cè)零件在初始運(yùn)動(dòng)方向的移動(dòng)距離內(nèi)是否發(fā)生干涉，驗(yàn)證裝配路徑的可行性，形成對(duì)每個(gè)裝配元件完整的一系列拐點(diǎn)及拐點(diǎn)位姿描述。在裝配模型為基礎(chǔ)，對(duì)每個(gè)零件建立一個(gè)修正樹(shù)表示，根據(jù)零件的裝配

13、關(guān)系，按公共參考面將零件的修正樹(shù)組合，形成對(duì)整個(gè)裝配和工藝聯(lián)系的描述。選用合理的尺寸誤差概率分布函數(shù)，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行公差分析的計(jì)算，對(duì)配合公差選擇的正確性進(jìn)行分析，并對(duì)產(chǎn)品或裝配體中配合公差的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品或裝配體中配合公差、理想裝配關(guān)系和公差值進(jìn)行分析和選擇。4分布式產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成技術(shù)在企業(yè)全球化動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的制造環(huán)境下，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是由物理上分散的異地設(shè)計(jì)部門(mén)之間協(xié)同完成的，因此，如何解決異地企業(yè)之間的信息快速傳輸和信息共享是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，主要內(nèi)容包括企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題、面向?qū)ο蠓植际綌?shù)據(jù)庫(kù)>' target='_blank'

14、 class='infotextkey'>管理技術(shù)、分布式產(chǎn)品數(shù)據(jù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理(PDM)技術(shù)、異構(gòu)環(huán)境下的信息互操作技術(shù)等等。(1)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品異地?zé)o紙化設(shè)計(jì)與制造的首要支撐環(huán)境，建立企業(yè)間的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不僅投資高、周期長(zhǎng)，而且維護(hù)費(fèi)用也非常昂貴，近年來(lái)，隨著INTERNET技術(shù)的迅猛發(fā)展，建立基于INTERNET網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的企業(yè)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是重要解決方案，由于INTERNET是一個(gè)公共的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，信息安全性問(wèn)題隨之成為INTERNET網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

15、的關(guān)鍵問(wèn)題。(2)面向?qū)ο蟮姆植际綌?shù)據(jù)庫(kù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理技術(shù)。分布式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理問(wèn)題對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)提出了一些特殊要求，如分布式事務(wù)處理要求>' target='_blank' class='infotextkey'>管理程序從查詢程序或事務(wù)處理程序接收處理請(qǐng)求并將這些請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)>'

16、; target='_blank' class='infotextkey'>管理程序?qū)⒁獔?zhí)行的動(dòng)作；數(shù)據(jù)庫(kù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理則根據(jù)動(dòng)作命令檢索或更新數(shù)據(jù)。采用工程數(shù)據(jù)庫(kù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，研究對(duì)分布式復(fù)雜對(duì)象>' target='_blank' class='infotextkey'>管理的機(jī)制，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，滿足分布式產(chǎn)品數(shù)據(jù)>' target='_blank&#

17、39; class='infotextkey'>管理的需要。(3)分布式產(chǎn)品數(shù)據(jù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理技術(shù)：面向產(chǎn)品對(duì)象的企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟一般由產(chǎn)品主開(kāi)發(fā)企業(yè)和多家相互平行的伙伴聯(lián)盟開(kāi)發(fā)企業(yè)組成。主開(kāi)發(fā)企業(yè)稱(chēng)為盟主，負(fù)責(zé)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程及產(chǎn)品整個(gè)生命周期的任務(wù)分發(fā)、工作協(xié)調(diào)、進(jìn)度控制等工作，每個(gè)聯(lián)盟企業(yè)根據(jù)各自的企業(yè)資源優(yōu)勢(shì)和協(xié)作分工負(fù)責(zé)完成產(chǎn)品生命周期中各自的任務(wù)，這些企業(yè)一般是各自獨(dú)立的單位。所以，其分布式數(shù)據(jù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理模式為一種相互平行的多服務(wù)器模式。(4)異構(gòu)環(huán)境下的產(chǎn)品信息互操作技術(shù)：在動(dòng)態(tài)聯(lián)盟企業(yè)的分布式計(jì)算環(huán)境下，不同企業(yè)之間、企業(yè)內(nèi)部不同應(yīng)用之間需要信息傳輸和交換，如CAD、CAPP、CAM之間，工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)與ERP之間等，在分布式數(shù)據(jù)集成環(huán)境下，進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆植际綉?yīng)用開(kāi)發(fā)具有很大的難度。CORBA、COM/DCOM和JavaBeans是目前幾種主要的分布式計(jì)算模型和支持系統(tǒng)。如果所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用是面向WINDOWS平臺(tái)，那么C