（机械设计及理论专业论文）协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现.pdf

硕士论文 协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 abs tract c olla bor at l v edi gi 砚 p re 一 as se m b 1 yisbec 0 n u n ganewp ar a d i gm for m anu fa c 画 n g 过 d us tiy. w i ththe he i p o f c o l 1 a bor at i v e d i g 1 ta 1 pre一 as s e m b 1 y t e c hoo 1 o gy， p r o fe s s i o nals c an coll a bor at e 初t h e a c h o t h e r for th e p r e 一se m b lys im u l ati叽 w hi chc an五 n d the desi g n l n g b u g s be fo rem a c hi n i n g ， ino r d e r tod ec r e ase fi x i n g t i m e ， 代 d u c e d e v el o p m e n t co sts an d 即h 出 1 c e the c o m pet i t iv e n e ssofth e e n t e rp ri se s. b as e don 助a ly sis of the c hi 川 双 t e ri stic阴dr e q u i r e m e n tof col 】 a bor at i ve di g i ta l p re 一 as s e m b lys y st e m ， buiit onthe 如s t in g 别 限 h i t e c h 叮 e ofthe e 一ws( e . c oopera t ivem /o r k s y s t e m ) 声 di 面b u t e d ， 。 伴n arch i t e c to r e w hi chs u p poitscol l a botati vedi g 1 ta 1 p re . as se m b l y att h e s ” n e t l m e indi ffere n t 川 ace isp ulfo俐田 月 . ag e n e 旧 七 胡s l atio n a 】 m e th od for h e t e ro g e n eous c a dm o del inth econ a bor at i ve 即v l ro 几 m e n t iss to d ied t 七 ep ar s in gof m ode l can be d i v id e dasp ar s 1 ng ofg e 0 m e try di spl aymo山l and p 田 旧 m g oft o pofo gy and fe at u r e u n d erhierarc hi 司 mo deli ng m e t h od. g 朋改 a 1p ar s l n gof geo m e tiy di 印l ay m o d e 1is re allze don th eb as is of v r m l files习b ta i ni n g to po1 0 gyand fe a 认 ir e i n fo n 刀 at i o n files 沐笼 卯d e dfr o mc a d ， are u 旧 d for p ar s i n g oft o pofo gyan d fe at u r e tom a 1 c h g e 0 m e t rydi sp1 ayi l1 fo n n a 1 i o n . in面s w a y，model inour e n v l r o 刊 旧 e n t can ber e p a i n t c d 胡d r e c o 浦g u r a b l e. t b econ s t ruc t i on ofcon a bor at i ve di g i ta 1 p r e . ass e m b l ysyst e misb u i hon t h eb asiso f mu l t l 一 a g e n t te c h n ol o gy and the c onunamc a t 1 oll l angiia g e betwe e na g e n tsiss to d ied as weuasth e re l a t l onofit . file s t r a n s format l o n 加n c ti 。 氏w hi chisu 涨 沮for s h 面n g l 址mode l 川es，is re a l 七 笼 d助d e rwi n sc o kin 0 r d e rto gi ve t e c hoi c ai s u p port for re al 户 t 五 n e col 】 a bo而i v e as s e m b ly o peratio n f in a l l y，b as e d onthe re se ar c h a bov e ， a p r o t o t yl 片ofcon a bor at l vedi g i t a l p r e . as s e m bl y sy引 七 misd e v e l o 侧 刃明d ani n s 加 口 c e isg l v e n o u t . k 叮 ， 。 rd鱿 con a bor at i v edi g i t a 1p r e 一s e m b ls， v r m l ，fe at u re ，即p l i c at l on wu n s o ck. 6 l e t r 出 l s fe r 第 11页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究生 签名 j 鲤 互 有 、 吩协 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借 阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容 。 对 于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 一 奥尘 主 粼 、 。7 年 7月 、 日 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 1 绪论 1 . 1研究背景 科学技术的发展， 特别是信息技术和计算机网 络技术的快速发展， 改变着现代制 造业的产品结构和生产过程11 。制造业竞争的焦点转变为更短时间 ( t) 、更高质量 (q) 、 更合理成本 (c)、更好服务 ( 5) 和更环保 ( e) 。为了 适应动态变化的生产 环境及市场要求， 一个新的学科体系即由 传统制造技术、 信息技术、 计算机技术、自 动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合， 并应用于制造工程之中的先进制造技 术逐步形成图 。 半个世纪以来， 许多新的先进设计理念( 并行工程( c e)和虚拟设计等) 和先进制造模式 ( 敏捷制造、 虚拟制造( 卿 和网 络化制造等) 应运而生【阔。 l l i 并行工程 传统的串行产品开发模式让企业每个功能部门在制造过程中成为一个孤岛。 在串 行产品开发模式下， 前期的设计缺陷在后期被放大以至难以弥补， 造成生产的不断返 工， 这就延长了产品开发周期， 增加了产品的开发成本，降低了企业的竟争能力。为 了克服这些弊端， 制造业企业迫切需要一种新的开发方式来进行新产品的开发。 美国 国家防御分析研究所 i da 在 1 9 88年的r 一 3 38报告中首次提出并行工程的概念.并行 工程是对产品设计及其相关过程 ( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、 一体化设计 的一种系统化的工作模式。 并行工程在产品设计阶段并行的考虑产品全生命周期中的各种主要性能指标， 但 同时强调全局性考虑问题， 要保证整体最优川 . 并行工程的方法注重不同设计团队的 协同工作， 要求不同层次人员、 各类产品信息、 企业各功能部门和多学科技术知识集 成在一起协调工作。 并行工程的目 标是缩短产品的开发周期， 提高产品质量， 降低产 品成本， 从而增强企业的竞争力。 ， 。 为了 达到并行工程的目 的， 减少产品反复 修改甚 至实现一次设计成功， 必须对产品开发过程进行集成， 对产品模型信息进行集成。 虚 拟制造为并行工程的实现提供了一种有效的技术手段。 虚拟制造使设计和制造的并行 成为可能。 在产品设计的阶段， 可以把设计的产品模型在虚拟环境中进行虚拟的制造， 并进行检测仿真来评价产品的可制造性及产品的性能， 及早发现设计的缺陷t 。 l l z 虚拟制造 虚拟制造是实际 制造过程在计算机上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实 技术， 在高性能计算机以及高速网络的支持下， 在计算机上群组协同工作， 实现产品 的设计、 工艺规划、 加工制造、 性能分析、 质量检验，以及企业各级过程的管理与控 制等产品制造的本质过程， 以增强制造过程各级的决策与控制能力。 虚拟制造可分为 第 1 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 三大类:一是以设计为中心的虚拟制造，为产品设计与工艺设计过程提供制造信息， 以获得最优的设计; 二是以 产品生产为中心的虚拟制造， 是对产品制造过程进行模拟 仿真，对生产计划进行评价。其还可以再细分为虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试等; 三是以 控制为中心的虚拟制造， 主要是利用仿真中的加工控制模型， 实现对现实产品 生产周期中的 优化控制 1， 幻 。虚拟制造是以数字化描述为基础的。 利用计算机辅助工 具可以自 动的获得产品模型、 生产环境模型、 生产过程的数字化信息。 这些数字化信 息的共享为实施并行工程的方法提供了基础. 可以 说， 虚拟制造系统是并行工程的使 能工具 ， 。 虚拟制造技术使产品开发、 生产规划、 制造加工、 虚拟装配等活动在计算机中进 行，旨在提供一个可视化虚拟环境对设计、 加工、 装配过程进行分析与检测，具有拟 实性、交互性、加工动态性等特点。 并行工程和虚拟制造技术的兴起导致了产品设计的广义化， 许多原本处于生产下 游的活动如制造、 装配、 质量检测等都可以与产品的设计并行进行。 在此背景下， 数 字化预装配技术应运而生lj . l 1 3 数字化预装配 装配是机器制造的最后环节， 直接影响机器的总体性能。 装配作业劳动量占机加 工劳动量的比 例相当 大. 表1 一 1 是装配作业劳动量占 机加工劳 动量的统计ts 。 上世纪 九十年代的一项统计表明: 有三分之一的人直接或间接参与到与装配相关的生产活动 中，产品成本的 50一5 既用于装配，装配操作在整个产品的生产工作量中平均约占 4 既9 一 111 。由 此可见， 装配质量直接制约着产品的质量、 成本和产品利润等。 表 卜 1 在不同情况下装配作业劳动量占机加工劳动量的比例 生产类 型产 品类 型 装配劳动量/ 机加工劳动量 (% ) 生 产类 型生产类型 装配劳动 量/ 机 加工劳动盆 (% ) 大批大量 生 产 重 型汽 车 25 35 单件小批 生 产 冶金设备28 40 锻 压 设 备60 65轻型汽车3 0 6 5 重 型 机 床60 80 拖 拉 机 友 动 机 30 35 农业机械 40 60 矿 山设 备 27 37 起 重 运 辅 设备 50 成 批中型机床 35 55 数字化预装配又称虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分。 数字化预装配以计算机 图形仿真为基础利用数字化技术和三维以d 技术， 为研究人员提供一个虚拟的装配环 境。在这个虚拟的装配环境中，可以进行虚拟的装配操作，装配结束后进行可装配/ 拆卸性评价， 对装配序列、 装配路径以及与装配相关的人机工程学分析等内容进行评 第 2 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 价，数字化预装配是现实装配过程的实质体现。数字化预装配技术能够在设计阶段， 基于产品的数字化实体模型， 在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程， 对 产品进行装配仿真、 装配规划、 可装配性验证等， 从而改进设计， 提高产品的可装配 性， 优化装配过程， 减少实际装配中的重复性工作， 降低生产成本， 缩短产品开发周 期。 数字化预装配技术希望多学科专家能够加入到虚拟的装配中来， 组成多学科的专 家组， 这样才能够更好的发现产品在设计过程中、 工艺规划中、 加工过程中的缺陷与 错误。因此，具有协同能力的数字化预装配技术成为虚拟装配的发展方向之一。 l l 4 协同 数字化预装配 在当 今的先进制造技术中，并行工程希望以项目小组的形式把产品生产中的设 计、 加工、 装配等活动在时间上并行的进行协同: 敏捷制造强调具有一定优势的企业 间的协同， 以组成动态联盟的形式适应快速变化的市场需求。 并行工程和协同设计的 思想影响着制造业的各个层面。 计算机支持的协同工作 (cscw) 能够克服距离、时间、异种计算机设备等阻碍， 为处于分布式环境下的用户提供强大的协同环境。计算机支持的协同设计与制造 ( c o . p u t e r s u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v e d e s i ， c s c n ) 是 计 算 机 支 持 的 协同 工 作 在 设计与制造领域的应用， 是对并行工程、 敏捷制造等先进制造模式在制造业领域的进 一步深化。 协同产品开发是以现代网络通讯技术为手段， 充分利用分散在同一企业不同地点 或不同企业之间的产品开发资源， 进行新产品设计与生产的过程。 协同技术的应用使 得异地企业之间、 企业不同部门之间可以 进行实时地协作。 同样， 在一个产品的设计 过程中， 不同领域的专家、技术人员都可以加入到设计过程中来。 协同 数字化预装配技术是数字化预装配技术和网络协同技术结合的产物。 产品的 装配设计、 规划与分析等是一个多领域的协作活动， 利用计算机支持的协同设计与制 造技术提供的协同制造环境， 实现跨地域、 跨时间的产品数字化装配， 协同数字化预 装配技术为异地协作的不同领域的工程师提供数字化的装配设计、 规划和分析的协作 平台 lal 。 课题的 研究成果能够为企业应用协同数字化预装配技术提供技术支持， 帮助 企业对传统的装配设计与工艺规划模式进行了改进， 使得产品设计的各阶段可以并行 考虑， 减少了产品的返修次数， 同时装配设计的合作得到扩展， 充分利用了优势资源， 有助于提高产品的设计质量，缩短产品开发周期。 1 . 2 国内外研究现状及发展趋势 数字化预装配允许人们利用并行工程的方法来对产品的设计、 制造、 装配进行全 第 3页 硕士论文 协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 面的考虑， 可以真正在产品设计阶段就考虑装配环节的影响， 通过虚拟的装配及早的 发现产品设计中的问题，以减少产品的返修次数、 降低生产成本等。 协同数字化预装 配是建立在数字化预装配技术的基础之上， 包括数字化预装配和协同设计， 是两种先 进技术的结合。 协同数字化预装配技术的研究已引起国内外学者的关注， 关于这方面 的研究也越来越深入。 1 么1 国外研究现状 国外于20世纪90年代中期开始对虚拟装配技术进行研究。 以工业发达国家的研 究成果 最为瞩目 。 践 洲 德国fraunhofer工业工程研究所开发了虚拟装配规划原型系统。该系统通过与 以d 系统的数据接口，获取c a d 设计模型， 对真实装配环境进行了模拟。目 前，该实 验室的 研究主要集中 在虚拟环境以 及人机交互方面呱幻 。 德国比 勒菲尔德大学人工智能与虚拟现实实验室的j ung 等建立了一个基于知识 的虚拟装配系统c ody 。 c ooy 允许设计者在虚拟环境中通过直接三维操作或简单的自 然语言命令与系统交互。目 前， 人工智能与虚拟现实实验室正在致力于扩展与合并在 多模式人机交互 ( 姿势、 语言等) 和沉浸式cad 系统方面的研究， 从而开发一个面向 虚拟原型设计的通用演示平台 17. 幻 。 美国华盛顿州立大学v rci m 实验室与美国国家标准技术研究所n lst 合作开发的 基于虚拟现实的虚拟装配设计环境v a d e 将以d 系统与沉浸式的虚拟环境紧密结合， 允许对系统进行计划、 评估和修改， 是一个具有代表性的虚拟装配系统. 近年来， v rcim 实验室在v a de系统中 进行装配过程中的 人机工程学方面的研究呱划 。 早期的虚拟装配的研究重点主要集中在以下几个方面:1) ，虚拟产品零部件建 模:2) ，虚拟装配过程建模;3) ，装配序列规划、装配路径规划;4) ，通过模型 信息进行可装配性评价、 检验等。 可以说，以上的研究集中在数字化预装配之上，是 对虚拟装配平台的研究。 网络技术使世界的距离变得越来越小。 并行工程与协同设计 的思想已 经渗透到制造业的各个层面， 制造业向全球化的进程发展。 分布于世界各地 的设计、工艺以 及制造人员之间的协同装配设计将是数字化预装配的发展方向之一。 因此， 建立基于i nternet 的协同虚拟装配环境成为新的研究热点。 美国1 叮a 州立大学虚拟现实应用中心v rac 建立了一个面向通用装配仿真的虚拟 环境v eg as。 v e g a s 的模型数据从通用c ad软件中导入并转化成面片， 通过 “ 环境一 零件组一零件一面片 一顶点” 的层次结构处理数字化模型。 他们目 前正在开发网络化 的触觉环境( n h e ) ，其目 标是研究网 络化虚拟环境下使用力反馈和触觉设备的方法， 从而促进协同设计的发展zl。 第 4页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 美国w i s c o n s i n - m a d i s o n 大 学的s h y ajns u n d a r n和g a d h 等人在虚拟拆卸方面做 了大量研究。另外，他们基于 i nternet开发了一个集成的协同产品装配设计工具 c p a d ， 该平台采用客户端、中间服务器和应用服务器的三层客户/ 服务器体系。协同 人员可以 通过在i nternet 上发布指令和分布在其他地域的 人进行可视化产品装配设 计。 以 刘 . 加拿大t oronto大学的c henli 等人建立了基于i nternet 的协同装配建模平台 e 一sse mbl y ，该平台 采用三层c /s ( 客户/ 服务器) 结构。 该系统将不同c ad 系统的 模型文件转换成s t ep文件格式来解决不同c ad系统不兼容的问 题。 但是， s t ep文件 格式描述的中间文件格式复杂， 不易提取所需信息， 所以 采用s t ep中间文件格式进 行转换并不是好的 解决方法叫。 c h en li等人提出 一种新的 协同 装配表达方法以r 。 c a r 采用树型结构描述装配组件的层次结构信息， 实现了多用户实时共同创建装配模 型。 并且还引入连接实体的 概念表示两个装配组件之间的多 个约束匹配关系国。 i j j 国内研究现状 国内对数字化预装配技术的研究起步于20世纪90年代末， 提出了许多有价值的 新理论和新方法， 取得了一些研究成果。 北京理工大学的宁汝新教授在对比国内外发 展现状时 提到虚拟装配发展可以 分为三个阶段l: 第一阶段是虚拟装配理论的提出阶 段; 第二阶段是各研究机构在各自 实验室复制、 建立虚拟装配系统的阶段; 第三阶段 是各研究机构对虚拟装配各发展方向 进行深入研究的阶段. 国外虚拟装配技术的发展 已经进入了第三阶段。国内虚拟装配的研究则处于从第二阶段向第三阶段过渡的时 期，与国外相比仍然存在5 年左右的差距。 浙江大学 以服cg 国家重点实验室设计的虚拟环境产品装配设计原型系统 v i r d a s ( v i r t u a l d e s i g nanda s s e mbl ys y s t e m)中， 综合v r 模型 与以d 模型表达 优 点， 提出面向虚拟装配的产品层次信息表达， 实现了在同一虚拟环境中修改尚未满足 装 配条 件的 零件的 几 何模型， 提高了 系统的可靠性幻 ， 并利用语义 识别 技术对虚拟装 配过程中零件的运动进行精确控制的研究， 其系统在产品建模和装配建模方面进行了 深 入 研究 困。 北京理工大学自主开发了基于虚拟现实和 c a d技术的虚拟装配系统 va即( v i r t u a l a s s e mbl y pro c e s s p l a n n i n g ) ， 该系统开 发t 基于中 性文件的 模型转 换接口， 来解决与c ad模型数据转换的问题， 提出了 基于装配任务的 虚拟装配工艺模 型等，并在线缆建模及其装配规划方面取得了一定的研究成果阳目 。 清华 大 学国 家c i m s 工 程中 心开 发了 虚拟装配支持系统v ass 划 . 同 时， 精密仪器 与机械学系的董兴辉、田凌和童秉枢等人建立了基于三维v r m l 模型的网络化产品协 第 5页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 同设计系统v i av明l 幼 。 对协同预装配中零件模型的 表达， 装配过程模型，网 络化协 同设计工具等关键技术进行了研究。 另外， 上海交通大学、 华中科技大学等也开发了虚拟预装配系统， 并且对协同装 配中的关键技术进行了研究。 南京理工大学cl粥研究所长期从事先进制造技术领域项目 的 研究。自 主开发了 数字化预装配系统d 队5( d i g i t a l pre 一s s e 印 b l y s y stem)，该系统具有预装配仿真， 装配过程建模， 装配序列、 路径规划、 公差分析等功能。另外， 实验室研究开发了基 于w e b 的网 络化协同产品开发系统e c 砰 5( e 一 c o o p e r a t i v ew o r ks y s t e m )。 e c w s 采 用b /s和c/s 的混合模式， 支持异地的协同工作， 为制造企业提供基于网络的协同 制 造解决方案。 l z j 发展趋势 . 标准化 数字化预装配技术涉及到的技术和表达方式还没有统一的标准。 例如， 在零件模 型表达上， 有的直接用c ad模型， 有的则利用从cad 中导出中性文件然后再在自主的 数字化预装配系统中进行重新建模。 在基于语义的装配过程建模中， 不同的研究人员 定义的装配语义不一致，等等。 . 拟实化程度越来越高 数字化预装配在工业领域应用的成功程度取决于其对现实装配模拟的逼真程度。 这里的模拟不仅包括对零部件外形、 装配环境和装配过程的模拟而且包括在装配过程 中装配人员的触觉感应， 力的反馈等。目 前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取 代物理原型的装配过程。 . 网络协同装配技术的全面发展 并行工程的思想增强了人们对协同的认可。 网络技术的发展让数字化协同与网络 交互设计变为可能。 分布于异地的专业人员需要信息的共享， 协同数字化预装配的发 展是必然趋势。 现在国内外虽然对协同环境中的预装配进行了一些研究， 但仍没有真 正的、全面地解决这个问题。 1 . 3 课题来源及论文的主要工作 1 三1 课题来源与选题意义 论文课题来源于“ 十五” 省部级预先研究项目“ xxx数字化预装配技术” 、“ 十 一五” 省部级预先研究项目“ xxx 协同数字化预装配技术” 和江苏省高技术研究计 划项目“ 产品数字化预装配技术研究与应用”。 第 6 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 科技的发展促进了全球经济的快速发展。 随着生活水平的不断提高， 人们的需求 日 趋多样化和个性化。 全球市场环境发生了巨大的变化。 企业要盈利必须能够及时响 应市场的变化， 在短时间内的生产出高质量的创新产品。 协同环境下数字化预装配技 术能够真正实现并行工程的思想， 在产品设计之初， 召集设计、 加工、 装配和销售的 研究人员甚至包括供应商， 全面考虑产品全生命周期的各种因素， 进行产品模型设计 以 及装配检验评价。网络化协同环境克服了不同部门，不同企业 ( 企业联盟) 之间的 地域因素。 数字化的环境减少了传统生产中制造装配模型的步骤， 而且可以进行快速 的模型修改， 多次实验， 降低了产品的开发成本。 数字化预装配系统提供的装配结果 检验、 优化， 装配路径、 序列规划和公差分析等功能模块能够帮助研究人员进行复杂 的数据计算，为研究人员提供数据参考，使研究人员把重心放在产品设计的创新上。 i j .2 论文内容和结构安排 协同数字化预装配系统的构建是本文的研究目 标， 所研究的协同数字化预装配系 统建立在基于多a g ent 的网络化协同产品开发系统ecws之上。通过对协同数字化预 装配技术的特点进行分析， 结合协同环境对数字化预装配的要求， 以网络化制造系统 e 邝5的体系结构为基础，提出了协同数字化预装配系统的体系结构。论文对异地异 构的以d 模型的获取、 解析以及在本系统中的重构进行了 研究， 使得本系统可以满足 协同环境对模型通用的要求。 另外还对协同数字化预装配系统间的通信技术、 协同装 配的组织模式、协同装配实时性进行了研究。 论文的主要创新点归纳如下: 1) 在系统研究网 络化制造系统以 及数字化预装配系统的功能组成和体系结构 基础上，提出了一个具有开放性的，支持异地多学科人员开展协同数字化预 装配的系统体系结构。 2) 采 用分层 结构 建 模方法提出了 零 件层次 模型， 把模型的 通用解析分为v r m l 文件的解析和特征文件的解析。 对u g 、 p ro /e等三维软件导出的v r m l文 件进行了通用解析，提出文件转换函数的方法作为其他类型 v r ml文件解 析的接口。 按照是否支持多实体建模把三维软件分为两类， 提取的特征信息 分为实体特征信息和特征面的信息。 3) 利 用a g ent 间 通信机制实现装配过 程的 应用共享， 满足了 协同 工作人员 对装 配操作 “ 你见即我见”的要求。开发了小组各成员之间以及成员与服务器之 间文件动态查询与传输工具， 保证了每个用户所需要的模型信息文件的一致 性。 4) 开发了 协同 数字化预装配原型系统， 通过实 例表明该系统可以 有效地支持异 第 7 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 地异构c a d模型的协同装配。 全文共分五章，各章内容为: 第一章为绪论， 介绍了协同数字化预装配的 研究背景、 特点、 研究意义及国内外 的研究现状、发展趋势，并概述了论文的主要研究工作。 第二章提出了协同数字化预装配系统的体系结构， 以网络化制造系统e c ws的体 系结构为基础， 结合数字化预装配的特点， 提出了协同数字化预装配系统的体系结构。 第三章为协同数字化预装配系统对异构c a d模型通用解析的研究，把数字化模 型信息划分为几何显示信息和特征语义信息，并分别通过导出、解析 v r m l文件和 特征文件实现与异构c a d软件通用接口的研究。 第四章为实时协同数字化预装配的研究实现， 提出协同装配的组织过程， 对协同 装配中的关键技术， 如通信机制， 协同装配程序应用共享以及文件的共享进行了研究。 利用a u t o m a t l on技术实现了数字化预装配系统与网络化制造系统ecws 的集成。 第五章为系统实现和应用实例。 介绍了系统原型及其应用实例。 最后在结束语中 总结了论文主要内容并就进一步的工作进行了展望。 各章节研究内容之间的关系: 图l i 论文体系结构示意图 第 吕 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 2 协同数字化预装配系统的体系结构 国内外从上世纪80 年代开始大力研究和发展制造系统的数字化和网络化技术。 对协同数字化预装配技术中的相关技术内容进行了大量的研究，取得了一定的成果， 并开发出一些数字化装配设计、规划与分析以 及网络化制造的原型系统和使能工具。 随 着产品开发的日 益复杂， 通常一个产品从设计到成为商品需要多学科人员的 共同努 力。 一个企业没有必要独立的完成整个产品设计、 制造过程， 合作已 经变为企业增强 竞争力的突破口， 而这种合作要求突破地域、 时间、 学科差异等因素的限制。 协同技 术越来越多地被应用到制造业，协同数字化预装配技术受到越来越多的关注。 2 。 1 2 . 1 . 1 协同数字化预装配系统的特点和需求 协同数字化预装配系统的特点 协同数字化预装配是建立在数字化预装配和协同设计之上的， 为分布于异地环境 下各类专业人员提供了并行协同完成产品装配设计、 分析、 规划和仿真的网络化平台。 与传统的装配设计、 规划、 分析系统和工具相比， 协同数字化预装配系统具有以下特 点:1.，13. 川 1) 数字化、拟实化的装配环境 协同数字化预装配系统中操作的零件、 工具以及周围的环境全是数字化的， 以数 据的形式存储、 运算、 传输， 并利用计算机图形技术，网络技术显示在所有参与协同 装配的计算机上。 另外， 所有的设计结果和装配活动记录都以数字数据的形式存储在 计算机中， 供设计人员使用。 协同数字化预装配首先必须在计算机中复现实际的装配 过程然后才能够召集专家对装配操作和装配结果进行评价和优化。 所以数字化预装配 环境必须与实际装配环境在结构上、 本质上具有相似性， 这种相似性还表现在数字化 预装配系统应该比实际系统更利于用户去进行装配工艺的规划、装配结果的检验等。 2 )协作性 不同领域的协同人员对产品装配有不同的目 标和要求。 分布在异地的协同人员需 要对装配结果进行协商， 在装配过程中也可以共同完成装配操作。 协同数字化预装配 系统能够实现各协同人员间的信息交流， 并对装配人员间的通信语言进行规范并统一 管理。 3) 动态性 在整个协同过程中， 产品装配的进度、 工作人员的任务安排、 以 及装配过程中生 成和需要处理大量的产品数据， 包含产品功能、结构、加工、装配、分析等众多内容 的数据均在动态发生变化。 为了使协同装配过程能够顺利进行， 协同人员需要方便地 第 9页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 获取各方面的动态信息。 4) 功能多样性 产品协同装配的目 的因协同小组人员目的的不同而不同， 所以协同装配必须具有 多样的功能才能满足用户的需要。 协同装配中需包括装配建模、 序列规划、 路径规划、 公差分析与优化、可装配性分析、 装配工艺规划、 协同机制管理、 协同操作管理、 冲 突消除等功能。协同数字化预装配设计正是这些功能模块的有机整体。 5) 可集成、 扩展的 开 放性 协同数字化预装配系统必然要融入到协同设计制造系统中， 因此协同数字化预装 配系统需要具有面向系统集成的开放式体系结构。 另外协同数字化预装配是数字化设 计与制造的重要内容之一， 它所面向的不仅仅是现有企业的制造模式、 管理模式和组 织模式， 它所采用的技术也在不断发展和变化。 随着对各种装配制造过程和活动的深 入认识， 还会不断地引进新的装配建模方法、 装配仿真方法、 装配评价体系和优化策 略等，因此在建立协同数字化预装配系统时应充分考虑系统集成的新技术、新方法， 使其在尽可能长的时期内不会随着新技术、 新方法的引进而需要在体系结构上做大的 变动和调整。 2. 1 .2 协同数字化预装配系统的需求分析 数字化预装配是产品装配设计、 规划与分析的集成工作平台。 协同数字化预装配 系统是网络协同技术和数字化预装配技术结合的产物， 支持异地的专业人员协作完成 数字化预装配。在开发过程中应满足以下要求: 1) 装配环境的可视化与可操作 协同数字化预装配的核心内容还是在计算机中模拟实际装配过程和装配环境， 对 产品设计结果进行装配分析、评估和装配规划， 解决产品开发中与装配有关的问题。 因此一个可视化的装配环境是必不可少的。 计算机图形技术的发展对装配环境的可视 化提出更高的要求。 产品 对象、 装配资源、 装配环境的三维模型的显示效果和显示效 率是协同数字化预装配环境的研究重点。 2) 协同 数字化预装配系统是一个支持分布式的系统 现代的产品生产更需要企业与企业之间，企业不同部门之间的合作， 但要求所有 人员都集中在一地进行产品设计是很牵强的。 网络协同技术的发展缩小了当代人的交 流距离， 让分布异地的人们可以实时的进行交流。 设计人员的异地分布导致设计模型、 知识、 信息资源和阶段性产品数据也是分布式存储的， 所以协同数字化预装配系统首 先应该是一个支持分布式的系统。 协同数字化预装配系统要能够使分布于异地的用户 协同开展产品的开发工作， 支持多个协同开发小组优势互补共同完成工作而不必考虑 第 10页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 地域因素。 3) 协同 操作的同步性 协同设计包括同步和异步两种工作方式. 但同步协同应用共享更能体现协同数字 化预装配技术的优越性。 同步协同应用要求单用户应用程序能够在网络环境中协同工 作， 在协同交互过程中， 任何一个用户在共享空间内的操作结果都能够及时地反映到 其他的客户机上。另外，对协同资源的实时共享也是协同过程中所不可或缺的。 4) 通用性 在分布式协同环境中每个协同小组都是协同装配过程中的独立个体， 他们的软硬 件环境不可能都是统一的标准配置。 协同数字化预装配系统必须尽量减少对其他软硬 件的依赖， 能够通性的支持异地异构的软硬件设备。 一般情况下， 分布在异地的设计 小组会使用不同类型的三维c a d 软件， 而数字化预装配原型系统的零件模型通常是先 利用c a d 软件完成造型然后在系统中重绘得到的。 因此， 协同数字化预装配系统应该 是既能适用各种c ad软件进行零件造型又能摆脱c a d 软件束缚的通用系统。 5) 规范性 异地不同部门， 不同企业， 不同行业的协同人员之间的协作需要一定的规范对整 个开发过程的数据流和工作流进行控制和约束， 这样才能保证整个协同设计过程的良 好运行围。 2 . 2 协同数字化预装配的体系结构 1 2. 1 产品数字化协同系统体系结构概述 产品数字化协同与网络交互式设计技术是协同数字化预装配系统能够实现网络 异地协同装配的技术基础。 产品数字化协同设计的研究己经取得了许多重大的研究成 果，关于其体系架构的研究也日趋系统化。 产品数字化协同与网络交互式设计系统常用的体系结构有: 集中式结构、 分布式 结构和联邦式结构圆. 其中， 集中式结构是指具有中央控制的体系结构， 存在一个实 设或虚拟的中央控制和信息、 知识交流交换的场所， 它是系统中所有主体的神经中枢， 负责协同设计组之间以 及主体之间的信息的转换: 分布式结构没有中央控制， 每一个 参与的设计专家或主体没有主次之分， 设计主体之间都存在一个可能的直接通信。 在 这种方式下的数据与知识既可以分布于每个设计主体之内， 也可以集中于某一工作区 域之中， 以 利于分布式控制的多个设计主题间的数据交流; 联邦式体系结构采用分布 式与集中式相结合的方式，上层是由几个主设计专家组成一个分布式设计的体系结 构， 在每个主设计专家的体系里采用集中式设计的体系结构， 主设计专家控制下属设 第 ”页 硕上论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 计专家之间的通讯交流。 即设计专家之间通过主设计专家的控制完成协同过程中数据 的交流。 在协同产品装配过程中，分布在网络上的多学科协同人员除需要进行预装配操 作、 装配规划等与装配有关的活动外还需要进行大量的协作性管理工作。 协同数字化 预装配系统需要对协同 过程进行管理、 对协同中的数据流进行控制， 对协同结果进行 决策， 对协同中的冲突进行协调。 在分布式协同产品设计中， 智能处理和小组协作正 是a g ent 的思想核心。 a g ent 的基本思想是使软件能够模拟人类的社会行为和认知， 即人类社会的组织形式、 协作关系、 进化机制以及认知、 思维和解决问 题的方式。 多 a g e nt 模式下的产品设计以 其动态实行特性可对协同设计的一系列新要求提供更好 的 支持网.常用的多a gent组织形式可概括为以 下几种: 1) 完 全分 布式 系统中的每个a gent地位、 功能和结构大致相同， 它们之间靠点对点的通信来实 现协作。 这种结构组织灵活，自 制性较强， 但组织的 变化会导致每个a g ent 模型构造 的更改， 过程实现复杂且通信量大， 缺乏整体的控制。 这种结构不适合动态的紧密协 同环境。 2) 层次式 该结构将a g ent 按照树形结构进行分层连接， 不同层次的a gent赋予不同系统控 制权限和深度知识。 此结构较适于大型项目 中大量的a gent协同， 对动态联盟下的跨 企业协作具有一定局限性。 3) 联邦式 在这种结构中为 保证消息的可靠传递增加了 知识转换器这一特殊a g ent 。 知识转 换器为消息寻址， 将到来的消息翻译成本地消息， 初始化和监控a gent的 运行和更改。 此结构具有较大的柔性， 开放性较好， 较适合i nternet 上的 协同。 2 么2 网络化制造系统州 c ws的特点 南京理工大学cl挑研究所长期从事网 络化协同产品开发环境体系框架和使能技 术的 研究，自 主开发了 基于 ， eb 的网 络化制造系统 e c w s( e 一 co叩erati ve w or k s yst em)。 e cws 是一个具有开放式体系结构、支持异地协同工作的技术平台。 它是一种支持群体协同工作的系统， 能够克服时间、 空间、 计算机软硬件等障碍， 形成一个便于群体相互合作的“ 虚拟同 地” 的共同工作空间， 使得异地多 学科人员能 够并 行 协同 地完成整个产品 的 设计 制造工 作阅。 它具有以 下特点: 1) 采用分布式、开放的体系结构. 2) 系统具有良 好的容错能力、可扩展和可重组性。 第 12 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 3) 各应用系统间的 互操作性。 4) 协同 人员 间的 交 互 性、 冲突 性与协商性。 5) 数据、知识和信息的 分布性、 动态性和安全性。 6) 硬件平台、 操作系统和应用平台的多样化。 该系统采用b /s和c /s的混合模式。 在整体上采用多层b /s结构， b / 5 模式安全 性高，可维护性好、 适应于分布范围广的用户，在局部辅助以c /s结构， c /s模式交 互性强， 处理数据量大， 在地点分布范围较小的情况下多为采用。 该系统的实现采用 了多a g e n t 结构， 系统的 各部分功能分别由不同的a gent实现。 为实现多a gent结构， 采用了组件化程序设计方法，使得系统具有较好的继承性和扩展性。 2. 2 ) 数字化预装配功能模块 数字化预装配系统的主要作用是帮助工程专业人员在产品开发过程中利用产品 模型进行产品预装配、 装配工艺规划、 装配路径规划、 装配结果仿真分析等以便在设 计阶段发现产品设计的错误与缺陷， 指导产品装配设计的修改。 数字化预装配系统由 三大功能模块组成lej : 装配建模、装配分析和装配规划。 ( 1 ) 装配建模 装配建模是数字化预装配系统的基础功能。 它包括零件模型建模和装配过程建模 两个子功能模块。 零件的三维建模在三维c a d 软件中造型， 数字化预装配系统的零件 建模功能模块的功能就是对c ad模型进行解析并在数字化预装配系统中重构。 装配过 程建模模块是对产品数字化预装配过程进行仿真， 对装配件间的结构关系、 约束关系 进行数字化表达，为系统其他功能模块提供与装配有关的产品信息。 ( 2 )装配分析 装配分析功能是数字化预装配系统的核心功能。 此功能模块作用一是从零件设计 结构本身考虑其自 身的装配难易程度; 二是通过检查零部件之间是否存在静态干涉现 象分析产品结构的可装配性; 三是通过公差表示模型、 公差分析与综合模型进行装配 公差分析。 (3)装配规划 装配规划功能是数字化预装配系统的重要功能。 它包括装配序列规划和装配路径 规划两个子功能模块。 旨 在通过产品装配序列的规划， 获得整个产品的装配组织结构 树以及每个子装配体下一级装配单元的优化装配序列。 第 ” 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 1 2. 4 协同数字化预装配系统的体系结构 协同数字化预装配系统建立在网络化协同产品开发系统e c 叨 5 之上， 是数字化预 装配系统与网络化制造系统集成的产物。 本课题组在系统研究网络化制造系统以及数 字化预装配系统的功能组成和体系结构基础上， 分析了协同环境对数字化预装配的要 求， 提出了一个分布式、 开放式、 可视化的， 支持多学科人员在网上开展异地协同数 字化预装配的系统13el。 界面层 应用层 数据层 图2. 1协同数字化预装配系统体系结构 本系统共分为三层 ( 如图2 . 1) : 界面层: 界面层为设计人员提供了一致的w eb界面， 可实现跨平台的工作， 用户 可根据需要下载所需的应用程序和协同服务工具组件。 当用户下载了协同装配应用程 序后可以登录程序用户界面。 用户界面使用户可以与装配系统进行交互， 而且提供与 第 14 页 硕士论文协同数字化预装配系统关键技术的研究与实现 三维软件模型的接口。 界面层是利用e 邝5 的客户层模块， e cws 系统客户端只需安装 浏览器，大部分处理都放在服务器上，这对参加协同装配的人员是十分有利的。 应用层: 是完成产品装配分析与规划、 控制系统协调有序运行的核心， 主要包括 装配应用和应用服务。 装配应用由 装配环境和应用功能集两个方面组成， 其中装配环 境主要包括模型转换模块、 零部件几何建模、 物理属性建模、 装配仿真和优化算法等 一系列底层的基础工作。 应用功能集为各种装配应用研究提供了友好的装配环境， 可 以为产品的装配设计和装配规划提供各种仿真、 分析等， 主要包括装配序列规划模