三维装配CAPP产品和技术研究

三维装配CAPP产品和技术研究
本文介绍了随着产品设计手段二维CAD向三维CAD转变，工艺设计由二维CAPP向三维CAPP转换也成为CAPP进展不可逆转的历史趋势。

本文结合企业装配应用实际，对三维装配CAPP技术与产品进行深入探讨。

1.前言
制造业信息化技术进展近二十年来，在工业实践需求的带动下发生了翻天覆地的变化。

CAD是我国制造行业应用最普遍的计算机辅助设计技术，它改造了传统手工设计的落后现状，为后续的企业信息化建设打下了坚实基础。

然而，传统的二维CAD只能起到电子图版的作用，不能直观地表达产品的造型与结构。

近年来，随着制造业信息化步伐的加快，为了进一步提高设计能力与产品创新能力，一些企业开始逐步引入三维CAD系统，以缩短设计与分析时间、缩短制造周期，并已取得了巨大经济效益。

实践证明，从二维CAD向三维CAD转换，已成为企业深化CAD应用的方向，也是CAD进展不可逆转的历史趋势。

与此同时，作为企业信息化集成系统中重要一环的CAPP，还大多还停留在解决工艺设计中的事务性、管理工作的阶段，在应用方面仍然薄弱，特别在与三维CAD的集成上，基于三维CAD的装配关系检查与仿真、装配工艺爆炸图的编辑、产品工艺性评价与审核等功能都无从实现。

假如说零件的加工能够CAD/CAM一体化来解决工艺问题，但装配却无法实现，特别是复杂产品的装配工艺设计，因此基于三维CAD的装配CAPP技术成为近阶段需求热点。

三维装配CAPP技术最早出现于上世纪九十年代后期，代表了一种全新的制造体系与模式，因能够与三维CAD技术相结合，解决设计与装配对象在与研制过程中难以实现的动态性能而引起了人们的普遍重视，并得到迅速进展。

目前，国内航空航天、船舶、汽车、兵器等行业也已逐步展开有关技术的应用。

2.装配CAPP的研究现状及进展趋势
CAPP(Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺设计)自20世纪60年代提出以来，在广度与深度上都取得了长足的进展，但其研究几乎都集中在零件的加工上，关于装配型CAPP的研究，目前尚处于起步阶段。

现有的装配CAPP要紧有检索式与创成式两种。

检索式装配CAPP是指将典型产品的装配工艺文件存储在系统中，当进行某一产品的装配工艺设计时，检索相似产品的装配工艺，若检索到，便在此基础上进行修改，从而生产新产品的装配工艺文件。

而创成式装配CAPP 是预先在知识库中存入一系列与装配工艺设计有关的决策规则，再利用计算机的逻辑推理功能生成新产品的装配工艺。

但由于装配工艺设计复杂，经验性强，目前还没有完全的创成式装配CAPP系统。

基于3D虚拟技术的创成式装配CAPP——三维装配CAPP是现在要紧进展趋势，在该系统中，装配工艺设计人员直接操作虚拟场景中的零部件模拟装配过程，验证零部件的可装配性、进行装配序列规划、装配路径规划、装配过程仿真等。

三维装配CAPP作为专业的装配工艺规划软件，相比传统三维CAD装配功能要紧有下列区别：
目前，三维装配CAPP技术已经在装配路径规划、工艺规划、装配仿真、装配工艺验证分析等方面取得了一定的成果，未来还将向下列几个方面进展：
1)深度系统集成。

系统集成化是数字化制造进展的重要趋势，包含装配CAPP自身内部的集成，与与PLM与其它上下游系统的深度集成，数字化制造领域内的每个厂商都在朝着这一方向努力。

2)可视化装配工艺评价体系。

当几何可行性的装配工艺集合生成后，需要应用有关的装配评价方法对装配工艺方案进行评价，从而找出最为合适的产品装配方案。

目前评价体系在学术上研究有余而应用不足，特别是在装配绿色性上的评价仍需要不断进展。

3)提高系统的智能性。

在充分集成的基础上，有效的归纳与管理工艺专家的经验与知识并合理利用，提高装配顺序规划与装配路径规划的智能性。

4)更加专业化。

装配CAPP未来将更倾向于提供基于行业、基于专业的方案，针对行业特定需求，提供更多专业化工具，让用户使用更便利，回报更丰厚。

3.三维装配CAPP关键技术
三维装配CAPP是将传统的装配工艺规划中所表达的内容以虚拟仿确实形式表达出来的一种新的技术。

是在产品零部件三维数字化实体模型的基础上，利用现代计算机技术、信息技术与人工智能技术，借助于虚拟现实等人机交互手段，来规划与仿真产品的设计装配过程，
并指导现场生产。

它能够克服传统的装配工艺设计中要紧依靠于人的装配经验与知识，与设计难度大、设计效率低、优化程度低等问题。

基于三维模型的装配CAPP要紧涉及下列关键技术：
1)装配信息三维实体建模。

通过建立零部件与工装工具的三维实体数字化模型，提取装配特征信息与空间位置信息，建立产品的装配模型。

装配信息建模是数字化装配的基础。

图1 装配信息三维实体建模
2)装配顺序规划。

根据产品装配模型提供的结构信息，使用几何推理与人工指导拆卸相结合的方法进行装配序列规划，得到产品的最佳装配顺序。

图2 装配顺序规划
3)装配路径及工艺规划。

在三维环境下进行交互式工艺规划及碰撞测试，确定装配路径，选取合适的工装工具与装配方法，拟定工艺路线，编排工序工步，确定每道工序的质量操纵内容与检测方法，最终输出优化的装配工艺方案。

4)装配仿真。

数字化装配仿真是在产品的设计阶段，通过装配过程的仿真实现数字化产品的预装配，验证与改进产品的装配工艺，生动直观地展示产品的可装配性，从而提高产品的装配效率，减少装配时间与费用。

5)装配工艺输出。

输出装配仿真动画，方便用户在装配现场，清晰直观地查看产品的装配过程及装配要求，以指导现场装配。

根据需要，还能够输出成各类装配工艺卡片用于指导现场生产。

图3 装配工艺输出
通过以上关键技术的应用，能够帮助用户规划产品的完整装配过程，仿真、验证装配工艺规程的合理性，通过装配规划、仿真与验证，能够在虚拟环境中探索与优化新的流程与技术，有利于加快企业产品上市速度，增强企业对市场的快速反应能力。

4.三维装配CAPP产品特点
三维装配CAPP软件是在三维产品装配模型的基础上，重新组织产品的装配结构，用户参照真实感的三维产品模型，规划产品装配的所有工序，选择每个装配工序的装配对象，并定义工序中每一个工步需要完成的装配活动，引入装配过程中用到的制造资源并定义在装配过程中的活动，最后完成整个产品核心零部件的完整装配过程，并可生成装配工艺文档及装配过程录像。

图4 三维装配CAPP设计模式
三维装配CAPP软件要紧特点如下：
(1)面向复杂产品的装配过程规划：通过装配结构规划、方法规划、节拍规划、路径规划等方式，实现产品整个装配过程的工艺规划。

(2)多样、全面的技术图解：通过装配BOM清单与零部件序号标注、零部件装配要求文字说明、标签等多样、全面的技术图解，帮助用户准确懂得装配过程。

图5 全面的技术图解
(3)装配工艺评价：在装配仿真播放过程中可进行实时干涉检查、静态干涉检查、干涉检查报告输出等；支持装配尺寸链计算与装配尺寸测量，包含各类距离、角度、直径、半径的测量。

(4)制造资源规划：将工具、量具、工装、使用频度较高的三维模型等定义到工艺装备资源库中，在三维装配过程中用以模仿使用工艺装备装配产品零部件的完整过程。

图6 制造资源规划
分页
(5)灵活的装配工艺输出：不仅能够支持装配过程仿真及录像输出、各类用于指导现场生产的装配工艺卡片输出，还能够结合MES系统将装配工艺进行电子化公布。

图7 结合MES系统装配工艺电子化公布
目前，数字化制造领域的领军者西门子Siemens PLM Software、Dassault Systemes、PTC等公司都已形成自己的三维装配工艺规划解决方案，武汉开目信息技术有限责任公司作为国内数字化工艺与制造的领先者，通过7年的精耕细作也于2011年3月正式推出了国内首创的开目三维装配CAPP软件。

与国外的同类产品相比，国内三维装配CAPP软件具有能支持多种主流三维CAD模型、装配过程技术图解全面、装配工艺规划更符合企业实际，与成本低、服务响应速度快等优点。

5.三维装配CAPP在企业应用价值
西方发达国家对三维装配CAPP技术已经有了深入的研究与应用，并已经取得了世人瞩目的效果。

美国波音飞机的研制就是数字化应用的典范，通过在设计阶段建立三维数字化模型，使用数字化预装配，建立了装配工艺规划；同时，在现场实际装配中，装配操作人员能够清晰地按照装配工艺与看板提供的示例进行装配，使得装配效率与装配质量得到了大大提高。

目前，国内三维装配CAPP技术的应用还处于起步初始阶段，要紧应用于高产值、高附加值与信息化程度较高的航空航天、汽车、军用电子等行业。

通过应用，要紧实现了下列价值：
(1)优化装配：对产品的装配过程行模拟与分析，对装配方案进行快速评价，优化产品的装配过程，及早发现潜在的装配冲突与缺陷，提高装配设计效率、提升装配质量。

(2)优化设计：模拟与预估产品装配性能及可装配性等方面可能存在的问题，并将装配信息反馈给设计阶段的设计人员，修改、优化设计，提高设计质量与水平。

(3)优化制造：提早确定装配方案，可提早进入工艺计划与准备阶段、提早进行工装设计与制造，为设计与工艺、制造的并行提供条件，可缩短装配周期、加快制造进度。

(4)优化人工成本：通过装配仿真动画输出，现场装配过程、装配要求清晰直观，保证装配质量，降低装配工人技能要求。

(5)优化售后服务：能够帮助用户快速形成动态、直观的产品维修手册与用户培训教材，以动画的形式帮助企业用户快速懂得使用方法与维修过程。

未来，随着信息化建设的不断深入推进，企业信息化水平越来越高，通过数字化工艺提升工艺设计部门核心能力、弥合制造鸿沟的需求将越来越强烈。

三维装配CAPP技术作为中国制造业整体提升制造能力、提高制造质量的一剂良方，其市场将呈现出更加蓬勃进展的趋势，并在广大制造企业中实现普及应用。