（机械设计及理论专业论文）基于ug的3dcapp系统装配工艺设计模块的设计及研究.pdf

基于u g 的3 d - c a p p 系统装配工艺设计模块的设计及研究 摘要 传统的c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，计算机辅助工艺过 程设计) 的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛 坯加工成工程图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零 件的几何信息( 形状、尺寸等) 和工艺信息( 材料、热处理、批量等) ， 由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。 近几年，c a p p 的研究开始注重工艺基本数据结构及基本设计功 能，开发重点从注重工艺过程的自动生成，转向从整个产品工艺设计 的角度，为工艺设计人员提供辅助工具，同时为企业的信息化建设服 务。这直接导致了c a p p 软件产品的迅速发展，产生了人机交互为主 的新一代c a p p 工具系统，并在企业实际应用中取得了一定成效。 随着三维c a d 在国内制造业的广泛推广应用，三维c a d 在不远 的将来会成为我国企业产品设计的主流设计工具。随着设计手段的变 革，工艺设计跟着需要变革。工艺如何和三维c a d 进行集成，工艺 如何基于三维c a d 进行加工工艺设计和装配工艺设计等等，目前在 很多企业都有迫切的需求。 本文以上海光华印刷机械有限公司“基于u g 的3 d c a p p 系统装配 工艺设计模块设计”为背景，通过对c a p p 系统所追求的体系结构、 管理功能等实际技术进行分析，以一种新的方式实现了c a p p 装配模 块。本文第一章介绍了c a p p 的相关背景。第二章则论述了u g 的有 关介绍以及利用u go p e na p i 进行二次开发的方法。本文的第三章 对3 d c a p p 系统的功能，框架进行介绍，并划分了功能模块。第四 章对3 d c a p p 系统的主要技术难点进行了说明。第五章则是对整个 系统的测试调试的说明。对c a p p 的各个方面进行了全面考虑之后， 结合对3 d c a p p 系统的深入研究，本文最后提出了3 d c a p p 未来的 发展方向。 关键词：c a p p 装配工艺u go p e na p i 二次开发 d e s i g na n dr e s e a r c ho nu g b a s e d3 d c a p p s y s t e ma s s e m b l i n gp o r c e s sd e s i g nm o d u l e a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) t a k e sa d v a n t a g eo fc o m p u t e rt o p r e p a r et h ep r o c e s s i n go fp a r t sa n dt o t u r nr o u g h c a s ti n t op a r t sa c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so fd r a w i n g s b yi n p u t t i n gt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gs h a p e ， s i z e sa n de t c 、) a n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gm a t e r i a l ，h e a tt r e a t m e n t ，b a t c ha n d e t c ) o fp a n st ob ep r o c e s s e di n t oc o m p u t e r , t h ec o m p u t e rw i l la u t o m a t i c a l l yo u t p u t t h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r ea n dt e c h n i c a lm e t h o d so ft h ep a r t s i nt h ep a s taf e wy e a r s ，t h er e s e a r c ho nc a p ps t a r t st of o c u so nt h eb a s i cd a t a s t r u c t u r eo fp r o c e s s e sa n dt h ef u n d a m e n t a ld e s i g nf u n c t i o n s t h ed e v e l o p m e n ti n t e r e s t o fc a p ph a sc h a n g e df r o mt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i n go fp r o c e s sp r o c e d u r ei n t o p r o v i d i n ga na u x i l i a r yt o o lf o rp r o c e s sd e s i g n e r sf r o mt h ea s p e c to fo v e r a l lp r o d u c t p r o c e s sd e s i g na n dt o s e r v et h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o no fe n t e r p r i s ea l s o i t d i r e c t l y s t i m u l a t e st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc a p pa p p l i c a t i o n s ，w h i c h g e n e r a t e sa n c wg e n e r a t i o no fc a p pt o o ls y s t e mb a s e do nh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e c e r t a i n s u c c e s s e sh a v eb e e na c h i e v e di nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe n t e r p r i s e a st h ea p p l i c a t i o no f3 d c a di sg e t t i n gm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h e d o m e s t i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r 5i tw i l lb e c o m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rd e s i g nt o o l s f o rd o m e s t i cp r o d u c td e s i g ni nt h en e a rf u t u r e a st h ed e s i g nm e t h o dk e e p si m p r o v i n g ， t h ep r o c e s sd e s i g ni sa l s oi m p r o v i n g i ti su r g e n t l yr e q u i r e db ym a n ye n t e r p r i s e st o i n t e g r a t ep r o c e s sw i t h3 d c a d ，t od e s i g np r o c e s s e sa n dd e s i g na s s e m b l i n gp r o c e s s e s b a s e do n3 d c a da n de t c b a s e do nt h ep r o j e c to f “d e s i g na n dr e s e a r c ho nu g - b a s e d3 d c a p ps y s t e m a s s e m b l i n gp r o c e s sd e s i g nm o d u l e ”b ys h a n g h a ig u a n g h h ap r i n t i n gm a c h i n ec o ， l t d ，an e wc a p pa s s e m b l i n gm o d u l e i s i m p l e m e n t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t e c h n o l o g i e ss u c ha ss y s t e ms t r u c t u r ea n dm a n a g e m e n tf u n c t i o ns t r e s s e db yc a p p s y s t e m s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t u so f c a p p t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e su gr e l a t e dk n o w l e d g ea n dt h em e t h o d so f s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tu s i n gu go p e na p i t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e s t h e f u n c t i o n sa n df r a m e w o r ko f3 d c a p ps y s t e ma n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ff u n c t i o n a l m o d u l e s t h ef o u r t hc h a p t e rp r o p o s e ss o m es o l u t i o n sf o rs o m et e c h n i c a lb o t t l e n e c k s o f3 d c a p ps y s t e m t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n go ft h e o v e r a l ls y s t e m c o n s i d e r i n gv a r i o u sa s p e c t so fc a p pa n dc o m b i n i n gt h et h r o u g h r e s e a r c ho n3 d c a p ps y s t e m ，w ep r o p o s et h ed e v e l o p m e n tt r e n d so f3 d - c a p pi nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：c a p p , a s s e m b l i n gp r o c e s s e s ，u go p e na p i ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 毽盔盈 日期：鱼幺21 兰至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 1 1 1 简介 ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s s p l a n n i n g ，c a p p ) 是联系产品设计和产品生 产的重要纽带，在制造企业中，工艺设计是重要的生产准备工作之一，因此工艺 信息化也是企业信息化中的关键环节。c a p p 不仅可以提高工艺规程设计效率和 设计质量，缩短技术准备周期，而且可以保证工艺设计的一致性、规范化，有利 于推进工艺的标准化。同时c a p p 产生的加工方法和工艺资源等信息是企业进行 生产控制、生产计划、资源配置等工作的重要基础数据。另一方面，c a p p 的应 用可以解决工艺部门本身存在复杂的工艺工作协调和管理，并带来工艺信息管理 整体工作的高效率。因此建立一个适合本企业生产及管理环境的c a p p 系统，不 仅可以促使工艺工作上水平、上台阶，而且可以提高企业的核心竞争力【。 一般的，一个c a p p 系统应具有以下功能：检索标准工艺文件；选择加 工方法；安排加工路线；选择机床、刀具、量具、夹具等；选择装夹方式 和装夹表面；优化选择切削用量；计算加工时间和加工费用；确定工序尺 寸和公差及选择毛坯；绘制工序图及编写工序卡。有的c a p p 系统还具有计算 刀具轨迹，自动进行n c 编程和进行加工过程模拟的功能。 工具化c a p p 的思想在商业上获得了极大的成功，使得c a p p 真正从实验室 走向了市场和企业。借助于工具化的c a p p 系统，上千家的企业实现了工艺设计 效率的提升，促进了工艺标准化建设，实现了与企业其它应用系统 c a d p d m e r p 等的集成，有力地促进了企业信息化建设。 工具化c a p p 以后，c a p p 如何发展? 在探讨这个问题之前，不妨分析一下 目前q 谨p 应用中存在的不足和问题。 一、当前c a p p 应用中存在的不足与问题 1 、应用范围偏窄。 目前绝大多数企业，c a p p 的应用集中在机械加工工艺的设计，c a p p 在企 业的应用缺乏应有的广度。实际上，产品在整个生命周期内的工艺设计通常涉及 到产品装配工艺、机械加工工艺、锻造工艺、钣金冲压工艺、焊接工艺、热表处 理工艺、毛坯制造工艺等各类工艺设计。c a p p 应用应从以零组件为主体对象的 局部应用走向以整个产品为对象的全生命周期的应用，实现产品工艺设计与管理 的一体化，建立企业级的工艺信息系统。 2 、应用水平偏浅。 目前绝大部分企业c a p p 的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇 总、工艺流程和权限的管理与控制方面，有效地提高了工艺设计的效率和标准化 水平，这是c a p p 应用的基础。但c a p p 应用的深度还不够，还不能有效地总结 行业工艺“设计经验”和“设计知识”，从根本上解决企业有经验的工艺师匮乏 的问题。目前通用的c a p p 系统还无法实现对工艺知识的总结、积累和应用， 如何提高c a p p 系统的知识水平，实现c a p p 的有限智能，是企业关心的问题， 也是c a p p 软件厂商需要考虑的问题。解决了工艺设计效率、标准化、集成的问 题，下一步如何帮助企业总结工艺知识和经验是c a p p 应用的关键。 3 、基于三维c a d 的工艺设计与管理。 随着三维c a d 在国内制造业的广泛推广应用，三维c a d 在不远的将来会 成为我国企业产品设计的主流设计工具。随着设计手段的变革，工艺设计跟着需 要变革。工艺如何和三维c a d 进行集成，工艺如何基于三维c a d 进行加工工 艺设计和装配工艺设计等等，目前在很多企业都有迫切的需求。现阶段，c a p p 的应用基本上基于二维c a d 进行，与三维c a d 的集成应用还处于起步阶段， 有待研究和突破。 4 、c a p p 系统与其它应用系统的集成。 工艺是设计和制造的桥梁，工艺的数据是产品全生命周期中最重要的数据之 一，工艺数据同时是企业编排生产计划、制定采购计划、生产调度的重要基础数 据，在企业的整个产品开发及生产中起着重要的作用。c a p p 需要与企业的各种 应用系统进行集成，包括c a d p d m e r p m e s 等等。由于不少企业c a d 、c a p p 、 e r p 的应用是分阶段、不同时期应用的，目前还存在着信息的孤岛，工艺数据的 价值还没有得到有效的发挥和利用。 5 、c a p p 与p d m 中的管理功能的冲突。 近年来，随着c a p p 功能不断扩展，一些c a p p 系统逐渐增加了工艺管理的 内容，包括权限管理、流程管理、更改管理，并在工艺部门得到了一些应用。随 着企业p d m 的实施推广应用，随之带来的不可忽视的问题是：c a p p 自身的管 理功能和p d m 的管理功能发生了冲突。商品化的p d m 系统本身提供了完善的 角色权限管理、流程管理、任务管理等功能，因此c a p p 的工艺管理功能已经与 p d m 中管理功能发生了冲突和矛盾，不仅造成了企业集成上的困惑，也造成了 企业在信息化过程中的重复投资。 二、c a p p 的发展趋势 纵观c a p p 发展的历程，可以看到c a p p 的研究和应用始终围绕着两方面的 需要而展开：一是不断完善自身在应用中出现的不足；二是不断满足新的技术、 2 制造模式对其提出的新的要求。因此，未来c a p p 的发展，将在应用范围、应用 的深度和水平等方面进行拓展，表现为以下的发展趋势： 1 、面向产品全生命周期的c a p p 系统。c a p p 的数据是产品数据的重要组 成部分，c a p p 与p d m p l m 的集成是关键。基于p d m p l m 支持产品全生命周 期的c a p p 系统将是重要的发展方向。 2 、基于知识的c a p p 系统。c a p p 目前已经很好的解决了工艺设计效率和 标准化的问题，下一步如何有效地总结、沉淀企业的工艺设计知识，提高c a p p 的知识水平，将会是c a p p 应用和发展的重要方向。 3 、基于三维c a d 的c a p p 系统。随着企业三维c a d 的普及应用，工艺如 何支持基于三维c a d 的应用，特别是基于三维c a d 的装配工艺设计正成为企 业需求的热点。科技部在“十五”8 6 3 现代集成制造系统技术主题，将“基于三 维c a d 的c a p p ”专门立项研究和推广。可以预见，基于三维c a d 的c a p p 系 统将成为研究的热点。国内开目、金叶等几家软件公司正在进行研究，并且开目 公司目前已经推出了原型的应用系统。 4 、基于平台技术、可重构式的c a p p 系统。开放性是衡量c a p p 的一个重 要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，c a p p 必须能 够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可 重构的c a p p 系统将是重要的发展方向。 三、c a p p 深化应用的内容及解决方案 根据上述分析的c a p p 发展趋势，提出了c a p p 深化应用的内容及相应的解 决方案。解决方案内容包括： 1 、基于知识的c a p p 系统一一参数化工艺设计平台。基于知识的c a p p 系 统，解决了企业工艺知识的积累、优化的问题，极大的提高了工艺设计的效率和 水平，确保了工艺设计的质量。 2 、基于三维c a d 的加工工艺设计系统。提供基于三维c a d 的加工工艺设 计工具，可以基于3 d 模型定义加工工艺特征( 孔、外圆、键槽、中心孔等) ， 自动获取加工特征信息，可以基于特征加工知识进行辅助工艺决策，可以建立 3 d 工艺装备库( 机床、卡盘、顶尖、定位销、支撑钉等) ，可以生成3 d 工序简 图，实现可视化的工艺装夹规划等。 3 、基于三维c a d 的可视化装配工艺设计。提供可视化的装配工艺设计工 具。可以自动获取三维装配结构信息，可以可视化的指定零部件的装配路径和先 后顺序，可以生成三维装配工序爆炸图，装配工序设计时，可以指定装配工装、 工具信息，可以进行装配过程的实体仿真。仿真过程可以指定为整个装配过程或 某一道工序的装配过程。 4 、工艺执行系统。工艺执行系统是c a p p 深化应用的重要内容，是充分利 用和提升c a p p 数据的重要途径和方法，拓展了c a p p 应用的广度和深度。工艺 执行系统主要包括3 个方面的内容：工艺执行规划和管理、工艺执行质量管理和 工艺执行过程管理。 5 、基于平台技术、可重构的c a p p 系统。基于i d e ( 集成开发平台) 和i d p ( 集成数据库平台) ，可以实现c a p p 各种层次的二次开发功能，充分满足工艺 个性化需求，适应企业发展变化的需求。借助于平台技术，可以自定义界面，可 加入任何标准的w i n d o w s 控件，用户可编写c + + 或v b 格式的脚本程序等。可 以在c a p p 平台上，开发专用的c a p p 系统。通过平台技术，已经开发了专用的 锻件c a p p 系统。 1 1 2 计算机辅助装配工艺设计 在一个产品的寿命循环中，装配是个很重要的环节。装配的工作效率和工作 质量对产品的制造周期和产品的最终质量都有着极大的影响。据有关资料介绍， 装配工作成本占总制造成本的( 4 0 5 0 ) 左右。随着新技术、新工艺、新材料 的发展，高速加工和强力切削技术广泛应用于加工过程中，使得加工时间( 包括 辅助时间) 不断缩短，装配时间就成了影响制造周期的主要因素。随着数控机床 的广泛应用，零件的加工精度已不再依赖于工人的技术水平，但装配工作却仍是 以人为主，仍旧主要依赖于工作人员的技艺水平。因此，装配质量又成了提高产 品精度的瓶颈环节。直到目前，研究人员都把精力放在加工工艺规程编制方面， 有关c a p p 的文献资料很多，反映了研究人员对加工工艺规程编制的重视。但是， 人们对装配工艺的研究却很不够，利用计算机进行装配工艺设计成了现代制造系 统计算机应用的难点。提高装配的工作效率和工作质量，降低装配成本，提高装 配的自动化程度，利用计算机进行装配工艺设计( c a a p ，c o m p u t e ra i d e da s s e m b l y p l a n n i n g ) ，利用计算机进行装配过程仿真来研究产品的可装配性都是目前研究 的热点。 一、产品装配工艺特点分析 装配工艺设计就是要根据产品的设计要求，将装配工艺过程清晰、准确的描 述出来，指导操作者进行装配。装配工艺是决定产品质量的重要环节，通常由三 部分组成： 1 、 装配准备： 研究产品装配图及装配技术要求，了解结构意图、特点及调整方法： 选择装配方法； 准备装配工具； 4 对装配零件进行修毛、倒角、清理、清洗、检验。 2 、装配： 部件装配：将零件组合成装配单元； 总装配：将装配单元组合成产品。 3 、调试： 调整：调整零部件的相对位置、配合间隙，使工作协调； 试验：空运转试验、负荷试验等； 精度检验：几何精度、工作精度检验等。 以产品装配为主的企业，如汽车总装厂、航天器总装部等，一般来说产品结 构非常复杂、装配要求很高、装配周期长，其装配工艺设计更具有鲜明的特点： l 、工艺设计过程中往往需要大量查阅各种资源数据，包括产品图纸、模型、 技术资料、已有的工艺文件、企标的通用文件等； 2 、工艺设计时更加关注产品装配的过程和顺序，而不是某一过程的具体加 工参数； 3 、由于产品装配结构比较复杂，多使用3 d 模型或爆炸图作为工艺指导示意 图； 4 、除装配的工序流程之外，对装配过程中的物料流程也非常关注，也就是 需要知道每一装配过程中所用到的物料及其数量，这一点对于物料发放和领用的 时机非常重要，如果控制有效，将会大大降低物料等候时间和临时库存占用； 5 、装配过程的其他信息，包括工装、设备、工时等也是指导生产的重要依 据，与装配流程形成统一的整体。 6 、大量的工艺过程采用通用工艺描述，在工艺设计过程中需要随时引用。 二、计算机辅助装配工艺设计的内容 计算机辅助装配工艺设计一般应包括下列内容： 1 、确定零件的装配顺序；2 、研究零部件的可装配性；3 、装配过程模拟； 4 、确定装配设备和器具；5 、确定装配线的节拍；6 、装配机械手编程： 7 、 计算装配时间；8 、确定各装配工位零件储存量。 1 2 国内外相关技术综述 1 2 1 国外c a p p 系统相关技术 c a p p 的研究和开发最早出现在挪威，1 9 6 5 年挪威人n i k b e l 首先提出了c a p p 的概念，并于1 9 6 9 年正式推出了世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s 。1 9 7 6 年美 国的国际计算机辅助制造公司 c a m i ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a l ，i n c ) 所推出的c a p p 系统最著名、应用最广泛， 在发展历史上具有里程碑意义。此后，世界上有众多c a p p 系统问世，l o c k h e e d 公司的g e n p l a n ( 1 9 8 0 ) ，o i r 的m i p l a n ( 1 9 8 0 ) ，m e t c u t 的a u t o p l a n ( 1 9 8 2 ) ，这 些都是变异型c a p p 。随着c a p p 进一步发展，出现创成型c a p p ，如西德a a c h e n 业大学的a u t a p ，美国p u r d u c 大学的t i p p s ，美国c a m i 的x p s 等。最近几年， 国外研究人员对c a p p 的理论与方法进行了广泛的研究和深入的探究，围绕着 c a d c a p p 的集成，人们进行了广泛的研究并提出了一些c a p p 获取信息的方法 瞄6 。，从i g e s 文件转换、特征识别到产品模型数据交换标准s t e p ，这些方法对于 c a d c a p p 的集成均起到了一定的作用，但还存在一些不足：( 1 ) i g e s 文件处理时 间过长，交换的只是数据而不是信息：( 2 ) 特征识别无法获得c a d 中根本就不存在 的面向制造的信息。美国宾夕法尼亚大学h a m 教授和比利时b r u s s e l 教授领导的 研究小组把研究目标瞄向c a d 与c a p p 的集成，在概念设计阶段采用人工智能技 术如机器学习、人工神经元网络、几何推理等提供一个集成的c a d 环境可识别零 件的几何形状、特征以及其它产品信息，以满足与c a p p 系统集成的需要他们的 研究已取得初步成果，其事项己在轴类和箱体类零件一体化设计中得以实现。以 色列海法大学则认为使用规则系统生成的零件工艺规程，比专家系统生成的效果 更好，日本东京大学机械工程系和德国阿亨工业大学机床及工业管理研究所研制 c a p p 系统则更注重于建模效应h 1 。 1 2 2 国内c a p p 系统相关技术( 二维c a p p 的问题) 我国c a p p 技术的研究起步于8 0 年代初期，在国家8 6 3 c i m s 计划的支持与推动 下，实现从无到有的开创性工作陋。10 。一上海同济大学在1 9 8 2 年开发出我国第一个 c a p p 系统1 ，g p t o j i c a p 系统。这期间c a p p 的研究尚处于学习和探索阶段。1 9 8 5 年至1 9 9 0 年可i 胃c a p p 系统的发展阶段，其间，北航、北工、南航、西工大等一些 高等学校开发出了具有一定水平c a p p 系统n 。到第九界国际计算机辅助生产工程 学术会议在我国召开，标志着我国c a p p 的发展水平逐渐与国际接轨。1 9 9 0 年后， c a p p 弓i 进系统优化思想和人工智能理论开发出了新一代c a p p 系统，据不完全统 计，从1 9 8 5 年至1 9 9 9 年在不同杂志、会议上发表c a p p 研究、开发、应用成果的文 章达五百多篇，专著十多种，在大型工具手册、机械制造工艺文集中都有c a p p 的专门篇章，并于1 9 9 2 年由机械工业部制定颁布了中华人民共和国机械行业标准 j b t 7 7 0 1 9 5 计算机辅助工艺设计导则。这象征着我国c a p p 研究开发进入成熟期。 但从整体看，国内c a p p ，尤其是企业中的c a p p 还刚刚起步，理论研究的多，令人 信服的成果少，存在的问题主要在于： 1 、人工获取工艺知识的方法工作量大，准备时间长，效率低u 3 1 副 2 、系统运作时人机交互过程繁冗，久而久之，工艺人员厌倦，特别是有经 验的老工程技术人员。 3 、多数c a p p 系统属于“黑箱子”型，其内部的启发式推理规则或算法对用 户来说是不可知的，这样的系统难以令用户信服口1 4 、一般c a p p 系统通用性差，缺少柔性h 1 5 、c a d ，c a p p ，c a m ，c a q 等系统之间没有流畅的信息通道，这对生产系统的有 效集成产生了极大障碍 6 、并行化问题：设计、工艺和制造是串行进行的，设计者、规划者和制造者 间缺乏必要的通讯联系n 卅 针对c a p p 存在的问题，其研究方向应着重于以下几点： 1 、智能性：由传统的c a p p 向智能的c a p p 发展。 2 、开放性：充分提高c a p p 系统软件在时间和空间上的可集成性，使之既经济 又可靠，保证其内部推理路径与层次结构清晰，最终达到提高系统软件的可靠性、 可维护性与可移植性的目的。 3 、并行化：研究和开发面向并行工程的c a p p ( c e c a p p ) 。c a d ，c a p p ，c a m 之间的 信息交互应是动态的、双向的口7 1 引。 4 、集成性：由孤立的c a p p 向集成化的c a p p 发展n 5 1 6 删 5 、网络化、可视化u 副 1 2 3 计算机辅助装配工艺系统研究状况 一、计算机辅助装配工艺系统研究状况 目前计算机辅助装配工艺系统研究分为两类： 一类是传统的装配规划系统。该种装配规划系统具有操作简单，无需复杂 的交互设备。但是此类系统一般都是基于二维c a d 软件开发，不直观是他致命的 弱点。在规划中产生了大量的二维图，给图纸管理增加了很大的难度，同时由于 二维的局限性，对于复杂的装配，根本无法合理规划。 另一类是基于虚拟技术的辅助装配工艺系统；与传统的装配规划相比，虚拟 装配工艺规划具有以下两个明显的特点：其一，设计者可通过三维输入设备，直 接对零部件进行三维装配操作，因此非常直观，且具有较高的交互性，能最大限 度地发挥人的创造力；其二，三维立体显示能让设计者像在真实世界中一样观察 物体，因此能及时准确地发现装配工艺设计中存在的问题，从而提高产品装配工 艺设计效率和质量。 目前，虚拟装配规划技术的研究已经取得了一些进展，但总的来说，将虚拟 现实技术应用于产品装配规划的时间还不长，各种理论和方法还不成熟，导致虚 拟装配规划系统的工程实际应用程度不高，其原因主要集中在以下几个方面： 1 、目前的虚拟装配规划系统中，大多采用完全沉浸式的虚拟环境。在虚拟 装配规划系统中，完全沉浸式的虚拟装配规划系统不一定很理想。因为在虚拟装 配规划的过程中有很多文字信息( 或数据) 需要输入和显示。在完全沉浸式的虚 拟环境中，处理大量的a s c i i 码信息比较困难。但另一方面，沉浸式虚拟环境在 观察、体验、分析和评价装配工艺设计方面还是具有明显的优势。因此，如何将 沉浸式和非沉浸式的装配环境相结合，在目前的技术条件下对提高虚拟装配规划 系统的实用性显得非常重要。 2 、现行的虚拟装配规划系统大都采用多边形面片模型进行产品的信息表达， 而采用多边形面片模型丢失了c a d 模型中大量的工程语义信息，使得虚拟装配系 统难以捕捉和维护产品的设计意图与产品设计约束等工程信息，同时也为表达和 确定零件间的装配关系带来了困难。 3 、设备昂贵。 二、 计算机辅助装配系统中的关键技术研究状况 计算机辅助装配系统中的关键技术之一是装配路径规划，它在装配建模和装 配序列规划的基础上，生成一条合理的装配路径，从而达到优化设计的效果。国 内外对装配路径规划的研究可归纳为五种主要方法：位姿空间法、人工势场法、 v m a p 法、t l i n e 法、v a 法。位姿空间法是s ud a p a 和t l o z a n o p e r e z 等人提出的 一种无碰撞路径规划方法，即把运动物体位姿的描述简化为c 一空间中的一个点， 同时根据运动体将障碍物生长，转化为c 一空间障碍，这样将问题简化为在自由空 间中搜寻最短路径：人工势场法是为障碍物和目标虚拟出排斥力场和引力场，使 运动物体无碰撞地达到目标，存在的主要阿题是容易陷入局部最小值：v m a p 法， 即可视图法( v i s i b l em a p ) 它通过把三维空间中的工件投影到单位球上来确定可 视。这种方法的优点是求解直接、方便，但计算量较大。 在目前国内外的各种c a d 软件系统中，都没有c a a p 模块，因为这项技术还 不成熟，是继c a d c a p p c a m 之后在8 0 年代发展起来的一个研究热点。华中理工 大学c a d 中心的康友树等人在p r o e n g i n e e r 平台下，对装配模型进行了适当的 修改。根据装配体的内部约束和其它常规知识，自动拟走初始装拆顺序和路径， 并在交互状态下由用户最终确定装配工艺，然后利用装配仿真手段对装配工艺进 行检验，完成装配轨迹规划：哈尔滨工业大学的储林波等基于位姿空间法，提出 了基于方向匹配的装配路径规划方法，并在微机上利用v i s u a lc + + 和o p e n g l 自 行开发的装配建模环境中实现了装配体的三维装配路径规划：西北工业大学的邵 毅等人以v m a p 法( 可视图法) 为基础，引入装配约束关系，对传统的v m a p 法进行 了改进，并在r i s c 6 0 0 0 工作站c a t i a 软件平台上编程对该方法进行了验证。 1 3 本论文的主要工作 本文以上海光华印刷机械有限公司“数字化样机研究”项目为依托，根据项 目需求，研究实现一套基于u g 二次开发的3 d c a p p 系统，主要工作包括： 1 、解决基于u g 的c a d 模型与3 d c a p p 系统的集成问题； 2 、实现一个装配工艺设计的可视化环境； 3 、研究基于“拆卸”原理实现装配顺序规划和路径优化的问题； 4 、研究装配路径规划问题； 5 、研究装配工艺文件管理问题； 6 、研究了动画录制及播放原理。 2 1u g 简介 第二章系统开发环境及技术 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 软件是美国u g s 公司的五大主要产品( u g s 、p a r a s o li d 、 i m a n 、s o l i d e d g e 、p r o d u c t v i s i o n ) 之一，该软件起源于美国麦道飞机公司，并 于1 9 9 1 年并入美国通用汽车公司e d s ( 电子资讯系统有限公司) ，因此，可以这么 说，该软件汇集了美国航空工业及汽车工业的专业经验 u g s 是一个高度集成的c a d c a m c a e 软件系统，可应用于整个产品的开发过 程，包括产品的建模、分析和加工等。 该软件不仅具有强实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能， 而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟等， 提高了产品设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于 产品的加工，其后处理程序能够支持多种类型的数控机床。另外它所提供的二次 开发语言u g o p e ng r i p ，u g o p e na p i 简单易学，函数的功能很齐全，便于用户开 发专用的c a d 系统。具体来说： 一、该软件具有以下特点： 1 、有统一的数据库，真正实现了c a d c a e c a m 等各模块之间的无数据交换的 自由切换，有利于并行工程的实施。 2 、采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建 模与参数化建模融为一体。 3 、用基于特征( 如孔、凸台、型腔、槽沟、倒角等) 建模和编辑方法作为造 型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。 4 、曲面设计采用非均匀有理b 样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面， 特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5 、出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接地生成二维工程图。能 按i s o 标准和国际标注尺寸、形位公差和汉字说明等，并能直接对实体做旋转剖、 阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 6 、以p a r a s o l i d 为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名 c a d c a e c a m 软件均以此作为实体造型内核。 7 、提供了界面良好的二次开发工具g r i p ( g r a p h i c a li n t e r a c t i v e p r o g r a m m i n g ) 矛i u f u n c ( u s e rf u n c t i o n ) ，并能通过高级语言接口，使u g s 的图形 功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 1 0 8 、具有良好的用户界面。 二、u g 功能模块 功能强大的u g 软件是由大量的功能模块所组成的，主要有： 1 、u g 入口( u g g a t e w a y ) 。 2 、c a d 模块。 ( d u c i 实体建模( u g s o li dm o d e li n g ) ： u c 特征建模( u g f e a t u r e sm o d e li n g ) ： d o 自由特征建模( u g f r e e d o mm o d e li n g ) ： u c 用户自定义特征( u g u s e r d e f i n e df e a t u r e s ) ： u c 工程制图( u g d r a f tin g ) ： u c 装配建模( u g a s s e m b l ym o d e li n g ) ： u g 高级装配( u g a d v a n c e da s s e m b li e s ) ： u 6 虚拟现实( u g r e a li t y ) ，漫游( u g f l y t h r o u g h ) ： u g 工业造型设计( u g s t u d i of o rd e s i g n ) ： u g w a v e 3 、c a m 模块。 u g c a m 基础( u g c a mb a s e ) ： u 6 后置处理( u g p o s tp r o c e s s i n g ) ： u 6 车加工( u g l a t h e ) ： u g 型芯和型腔铣削( u g c o r e & c a v i t ym i l l i n g ) ： u o 固定轴铣削( u g f i x e d a x i sm i l l i n g ) ： u 6 清根切削( u g f l o wc u t ) ： q ) u 6 可变轴铣削( u g v a r i a b l e a x i sm i l l i n g ) ： u 6 , n 序铣削( u g s e q u e n t i a lm i l l i n g ) ： 4 、c a e 模块。 q u 6 有限元分析( u g s c e n a riof o rs t r u c t u r e ) ： u 6 机构学( u g s c e n a r i of o rm o t i o n ) ： u g 注塑模分析( u g f l m fp a r ta d vis e r ) ： 5 、钣金模块( s h e e tm e t a l ) 。 ( d u g 钣金件设计( u g s h e e tm e t a ld e sig n ) ： u 6 钣金制造( u g s h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n ) ： u g 钣金件排样( u g s h e e tm e t a ln e s t in g ) ： u 6 高级钣金设计( u g a d v a n c e ds h e e tm e t a ld e s i g n ) ： u g 钣金冲模工程( u g s h e e tm e t a ld i ee n g i n e e r i n g ) 6 、管道、布线与其他模块。 走线模块