计算机辅助装配工艺设计

2008-2009学年二学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目：计算机辅助设计与制造

学生所在院（系）：机电学院

学生所在学科：机械设计及其理论

姓名：赵家胜

学号•：08091

题目：计算机辅助装配工艺设计

第十二章计算机辅助装配工艺设计

12.1计算机辅助装配工艺设计概述

制造技术是当代科学技术发展最为活跃的领域，是产品更新、生产发展、国际间经济竞

争的重要手段，各工业化国家纷纷把先进制造技术列为国家的高新关键技术和优先发展领域,

给予了极大的重视。

制造业是各种产业的支柱工业，各种产业的水平和发展受到制造技术的水平和发展的制

约。强有力的制造技术可以快速推出具有世界水平的全新产品，不仅可以满足国内市场的需

求，而且可以出口创汇，增强国力，提高国际地位。近百年来制造业的实践主要致力于具体

制造技术的改进、提高和制造过程的合理组织，从而大大加强了大批量生产模式的主导地位。

当今的制造企业正处于技术进步日新月异、市场需求E趋多变、国际经济竞争日益激烈的环

境中。在这样的环境下，一方面，自动化技术、计算机技术、材料技术等的迅猛发展为制造

技术和生产方式的改变提供了强有力的武器;另一方面，市场需求的日益多样化和竞争的日趋

激烈，促使产品的制造过程加快、生产周期缩短、成本降低同时质量要求提高，旦能根据遍

布全球的用户要求生产出更具有“个性化”的产品。

装配是制造业的主要活动之一，是根据确定的精度标准和技术要求，将一组零散的零件

通过合理的工艺流程及各种必要的方式联结组合起来，使之成为产品的过程。装配过程是整

个产品制造过程中最后一个环节，装配工作的效率和装配工作的质量对产品的制造成本和产

品的最终质量有着极大的影响。产品装配在产品生产中占有重要的地位，据统计在产品的生

产活动中，其装配作业时间占生产时间的53%,装配工作的成本占总制造成本的40%至60%

左右。

随着科学技术的迅猛发展，全球市场竞争日益激烈，产品种类和数量越来越多，需要管

理的产品数据量急剧增加。传统手工的装配工艺设计方法已不能满足制造系统高效率、高柔

性和信息高度集成的要求以瞬息万变的市场对产品的要求，信息技术的发展有力地支持了计

算机辅助装配工艺设计的发展。因此需要建立一个有效的机制来正确、敏捷、有效、分布地

管理数据可以实现各个计算机辅助应用系统的信息共享与传递。

装配是整个机械制造过程的后期工作，各种零部件需经过正确的装配，才能形成最终产

品。计算机辅助装配工艺设计（ComputerAidedAssemblyProcessPlanning（CAAPP））从本质

上说就是用计算机模拟人编制装配工艺的方式，自动生成装配工艺文件的过程。计算机辅助

装配工艺设计为扩大CAD/CAPP/CAM（包括装配在内）的集成范围提供了条件，能及时向产品

设计的CAD系统反馈可装配性的信息，满足并行工程的需要。装配CAPP的集成化系统研

究对于并行工程的发展和虚疚装配的实现都具有极其重要的意义。随着计算机集成制造系统

（CIMS-ComputerIntegratedManufacturingSysiem）领域研究的不断深入，计算机辅助装配工艺

设计研究的重要性也得到了高度的重视。在CIMS环境下，计算机辅助装配工艺设计不仅能

够提供指导装配作业的技术文件，同时也为管理信息系统提供了对装配生产线进行科学管理

的信息数据，并为扩大CAD/CAPP/CAM（包括装配在内）的集成范围提供了条件。

12.1.1计算机辅助装配工艺设计功能

应用CAAPP系统，使实践经验较少的工艺人员也能设计出较好的工艺规程，这样能使

有经验的工艺人员从繁琐重复性劳动中解放出来，致力于改进现行工艺和研究新工艺。

CAAPP系统不仅充分发挥计算机高速处理信息的能力，而且将工艺专家集体智慧融合在

CAPP系统中，所以保证了高速获得质量优化的工艺过程，使工艺规程标准化、最优化，工

艺术语和文件的规范化提高到新的水平，使工艺设计周期大幅度缩短，保证工艺设计质量，

降低产品成本，提高产品在市场上的竞争能力。

在总结有实践经验的工艺设计人员的经验知识的基础上，行成智能化CAPP系统，提高

企业工艺的继承性。对于解决企业有经验的工艺设计人员不足方面具有特殊意义。开发

CAAPP系统平台，可以适应当前日趋自动化的制造环节的需要以及实现计算机集成制造系统

(CIMS)和集成化的CAD系统，创造必要的技术基础。

随着各种先进制造模式不断地提出，与之相适应的CAPP系统也就成为新的研究热点，

如面向并行上程的CAPP研究、面向计算机集成制造系统的CAPP研究以及基于快速重组制

造系统的CAPP研究等。在装配工艺的设计工作中有很多共性的问题，存在着许多相似性的

设计信息，可以科学地归类，借助现代的计算机手段，建立计算机辅助装配工艺设计系统。

这样，就能有效地提高工艺设计的规范化、合理化程度，大大减少各企业开发应用CAAPP

系统工作中的重复性劳动，增强CAAPP对各企业环境的适应性和实用性。

装配CAPP系统具有以下功能：

1.提取产品装配图中的信息到产品信息数据库中。

2.根据装配工艺知识库进行装配工艺的推导。

3.对系统生成的装配顺序在虚拟装配环境下进行虚拟装配的设置与演示，分析装配的几

何可行性，调整装配顺序。

4.对装配工艺知识库进行动态维护，包括知识的添加、删除和修改，知识库的添加、导

出和导入。

5.通过网络实现装配工艺知识库、装配工艺文件以及虚拟装配过程的传输与发布。

12.1.2计算机辅助装配工艺设计组成

计算机辅助装配工艺设计系统以产品信息为输入，以装配工艺知识、装配工艺管理方法

和装配资源为约束，在人员和计算机系统的支持下，产生装配工艺文件和管理信息(如图

12.1)o

尽管CAAPP系统的种类很多，但基本结构都离不开基础层、数据层、工具层、功能层

和界面层五大组成部分，如图12.2所示为一典型的CAAPP的结构图。

•基础层

系统开发建立的基础理论和方法，包括系统建模方法和实现功能层各种应用功能的支持

理论与方法。系统模型从过程上分为功能模型、信息模型和数据模型。

Cl|C2iC3

Il_计算机辅助装配

一工艺设计系统一Q2

Ml

Cl：装配工艺知识C2：工艺管理方法

C3：装配资源II：产品信息

01：装配工艺文件02：工艺管理信息

Ml；人M2：计算机

图12.1计算机辅助匚艺设计的IDER）模型（A-0）

・数据层

用来存储、管理系统工作过程中所需要和产生的各种数据和信息，包括产品结构信息、

装配资源、工艺信息、典型工艺、用户信息等数据以及支持系统各功能或模块之间进行数据

交换的动态数据库。

•工具层

包括数据管理、典型工艺维护以及装配工艺管理等。数据管理工具包括基础数据管理和

工艺知识管理;典型工艺的维护与管理;装配工艺管理主要完成工艺卡片、工序卡片以及各种

统计卡片的维护等。

•功能层

功能层具体由产品信息获取模块、装配工艺设计模块、工艺文件管理模块、工艺信息查

询模块以及工艺文件输出模块组成。该系统以数据信息为主线，各模块之间的数据传递和交

换以工程数据库为基础，便于实现数据共享、减小数据冗余。

,界面层

即系统与用户之间的交互界面，实现信息输入与输出，人机交互等功能。提示信息简单

易懂，友好的交互方式，良好的出错处理等。

除去以上五大基本组成部分外，计算机辅助装配工艺设计系统还应当满足以下功能需求

和设计要求：

1.功能需求

1）产品BOM:系统需提供方便快捷的产品BOM生成模块，可以用于读入CAD系统中有

用的产品信息数据，并针对关系型数据库组织存储产品信息的数据结构生成产品BOMo

2）典型工艺:典型工艺的设定和导入功能，系统的工艺知识能够在应用中不断积累和丰

富，系统具有初级的智能人机交互和自学习功能。

界面层

功能层

工具层

数据层

基础层

图12.2计算机辅助装配工艺设计系统的体系结构

3）装配工艺设计:进行装配工艺的设计、编辑、修改，并存储于数据库中，只对工艺

设计专业人员开放。

4）工艺文件管理:针对已编制的装配工艺信息进行统计，比如设备信息、刀具信息、

工装信息及辅料信息。还要能够提供企业个性化文件变形卡的生成功能。

5）工艺查询:可以查询数据库中己有的装配工艺，并可以用树型结构查询各工艺的详

细统计信息。

6）工艺输出:在Excel环境下正确输出编辑后的装配工艺。

7）装配资源管理:对装配过程中使用的设备、工具、辅具及消耗的辅料等装配资源信

息进行维护，能够进行添加、删除和修改等操作。

8）系统维护:有权限的用户可以对登录用户的密码、权限进行修改。系统管理员拥有

客码分配权限。

2.设计要求

1）实用性系统具有友好的用户界面，易学易用，能够给工艺人员带来工作便利，极大地

减轻他们的工作强度;系统能切实地为企业带来实际效益，不片面地追求工艺设计过程的自动

化;系统还应具有一定的通用性，可以通过用户定制自己的工艺卡片格式来满足企业个性化的

要求。

2）集成性系统提供接口中介实现与CAD等系统的集成,在进行工艺设计时继承产品设计

信息，从而实现设计与工艺的集成。另外，系统在进行工艺规程设计的同时，生成与装配工

艺过程相关的管理信息，实现工艺设计与装配生产的信息共享。

3）基于数据库系统采用关系型数据库保存所有数据，这样保证了工艺数据的一致性的同

时还增强了数据的灵活性，工艺规程文件的相关编辑和重复利用能力得到大大提高;同时系统

与CAD,PDM,ERP等系统的数据共享与集成能力也增强了。

4）经济性系统应在满足基本功能需求及安全可靠的情况下，尽量降低成本，减少企业的

投资。

12.2计算机辅助装配工艺设计关键技术

计算机辅助装配工艺设计的关键技术主要包括以下四个方面：装配信息描述方法、装配

工艺知识库、装配顺序决策和装配工序图的自动生成。

12.2.1装配信息描述方法

装配信息是系统进行装配上艺设计的对象和依据，如何输入和描述装配信息是装配

（CAPP）最关键的问题之一。装配信息获取模块用于从产品装配图中获取装配上艺设计所

需的各种信息，包括零部件的基本信息和零件间的相互装配关系信息，并将信息提交到动态

数据库中。

产品装配模型不仅描述了零、部件本身的信息，而且还描述产品零、部件之间的层次关

系、装配关系以及不同层次的装配体中的装配设计参数的约束和传递关系。

建立产品装配模型的目的在于建立完整的产品装配信息表达，一方面使系统对产品设计

能进行全面支持;另一方面它可以为CAD系统中的装配自动化和装配工艺规划提供信息源，

并对设计进行分析和评价。装配（CAPP）系统中，装配信息是直接从CAD系统的图形数据

库中提取的，以保证在分布式的设计制造环境中数据的快速、共享、可靠和一致性，减少中

间数据转换可能出现的错误，实现CAD、CAPP的集成。

三维CAD系统提供专门的接口，利用基于对象的操作与属性的设置，提取产品零部件

信息和零部件之间的装配关系。例如SolidEdge就是通过其提供的OLEAutomation接口，利

用object对象的操作与属性的设置，提取产品零部件信息和零部件之间的装配关系。产品装

配信息获取模块从SolidEdge的产品装配体文件中提取产品零部件的几何位置、角度姿态信

息、零部件名称、零部件文件名称、零部件在装配产品中的相互装配关系等信息，存储在临

时数据表中，通过系统提供的提交命令，将这些信息提交到装配CAPP系统的产品信息数据

库，作为推导装配工艺和虚斗装配的输入。

在产品信息数据库中，存储有2个数据表文件。系统通过SolidEdge接口得到这些信息

后，工艺生成、产品装配树的浏览、零部件装配关系的查看等都是通过对数据表文件的操作

来实现的。在数据表Sumlnf。中存储产品零部件的基本信息数据，如零部件名称、零部件数

口、零部件层次、零部件父节点、零部件所属产品等，由这些字段信息可以构成产品在系统

口的装配体表示。在数据表Relations中存储的是构成产品的零部件间的装配关系，有零部件

装配关系类型，装配关系零部件一，装配关系零部件二，零部件所属产品4个字段.

装配模型中零件间装配关系的表达是产品装配建模的一个重要方面，主要有以下几种模

型：

⑴关联图模型

80年代中期，法国学者Bomjault提出一种用二维拓扑结构表达的关联图模型。其表达

式如下：

G=<P,L>

其中，G表示装配体，P表示零件实体，L为零件间的联系。Bonrjault将零件之间的物

理接触关系定义为联系即装配关系、装配体中联系L的数量满足一定的关系。

采用关联图表达产品装配关系的优点是方法简单，如对图12.3所示的装配体即可得到

产品装配关系联系图12.4。关联图模型缺点是零件之间的联系并不对应具体的装配操作，利

用联系图模型难于实现自动装配序列规划。

图12.4关联图

⑵联接矩阵法

装配关系联接矩阵(connectionmatrix)是联系图模型的矩阵表示形式。装配体中的零件分

别沿矩阵行和列排列，如果零件之间存在物理装配关系，则对应的矩阵元素为单位值1,否

则为零。用联接矩阵表示装配关系的优点是根据装配关系联接矩阵的代数特性，能容易地判

断装配体中零件的联接紧密度，并可通过找出单位值最多的行或列对应的零件，识别出装配

体的基础件。根据图2.1装配体，约定零件与自身有无物理装配关系，可得到其联接矩阵：

0100

1010

0101

001G

(3)增强联系图模型

HomendeMello和Sanderson在Bonijault装配模型基础上用5维拓扑结构来表达装配模

型：

G=vP,C,A,R,R>

其中，P表示装配体中的零件实体;C表示装配体中两零件之间的连接关系实体八表示装

配体中各连接关系对应的装配操作实体;R表示实体P、A、C之间的关系;F表示装配体中各

种实体的功能属性。5维拓扑模型是3维拓扑模型的扩展，它可以描述更多的装配信息。

(4)产品等级装配模型

KunwooLee和DavidC.Gossard首先提出等级数据。产品总是由一个或多个功能部件和

零件装配而成，这些部件分别实现自己的功能，又往往包含下一级子装配体，下一级子装配

体又包含更下一级子装配体，如此拆分，直到最终不可拆分的零件，如图12.5所示：

图12.5等级模型表达结构

产品结构具有层次性，等级模型的优点是能表达产品中零部件间的层次关系。等级模型

用“子装配体”表达一组功能上或物理结构上相关的零件集。基于等级模型的设计分析以装

配体为研究对象，降低了问题求解的复杂度。

等级模型中不同层次零件的装配存在先后顺序约束，下层零件的装配应优先于上层零件

的装配，不同装配体中的零件可并行装配。因而，等级模型隐含了部分装配顺序信息。

从不同的应用角度，特征有不同的分类。根据机械装配的有关知识，零件的装配性能不

仅取决于零件本身的几何特征，如轴孔配合有无倒角，还部分地取决于零件的非几何特征(如

零件的重量、精密程度)和装配操作的有关特征(如零件的装配方向，、装配方法以及装配力的

天小等)。根据以上所述，给出装配特征的完整定义如下：

装配特征:与零件装配有关的几何、非几何信息以及装配操作的过程信息。因此，装配特

征可分为几何装配特征、物理装配特征以及装配操作过程特征三种类型。

(1)几何装配特征一几何装配特征包括如下属性：

配合特征几何元素一零件间的配合点，线，面称为零件的配合特征几何元素。

配合特征儿何元素的位姿一位姿属性描述配合特征儿何元素的坐标系相对于零件坐标系

的空间位姿。

配合类型一配合类型属性描述配合特征几何元素之间的联接类型。包括相配、非接触相

配、对齐、偏移对齐、插入、定向等。

零件位姿一零件位姿属性定义装配体中零件相对于装配体全局坐标系的位置(Position)和

方位(Orienlation)。位姿属性由零件的局部坐标系LCS(LocalCoordinateSystem)在装配体全局

坐标系GCS(GlobalCoordinateSystem)一下的坐标轴方向矢量和坐标原点位置矢量表达。

(2)物理装配特征属性:与零部件装配有关的物理特征属性。包括零件的体积、重量、配合

面粗糙度、刚性以及粘性等。

(3)装配操作特征属性:指装配操作过程中零件的装配方向、装配过程中的阻力、抓拿性、

对称性、有无定向与定位特征、装配轨迹以及装配方法等。

12.2.2装配工艺知识库

装配工艺知识库技术是装配CAPP的重要支撑技术，其知识组织结构及知识库的管理对

于系统的效率和工艺的生成有着极为重要的影响。

为了建立装配工艺知识库，首先要搜集整理装配工艺设计知识，并进行抽象化和提取工

作，确定将其中一定适应性和扩充性的部分作为装配工艺设计知识，由这些知识所构成的装

配工艺设计知识库具有兼容性与扩充性。在装配工艺设计知识库中，装配工艺知识在组织上

力求统一的知识表现形式。由于装配工艺设计过程中的影响因素较多，所以每一条装配工艺

设计知识在安排存储的时候，都要考虑其规则的形式，既能够符合推理机的需要，又符合数

据库的管理要求。通过对实际生产中装配工艺文件的分析和生产实践中经验的总结，有一些

在多数装配工艺设计中都要遵循的基本规则，可称为通用化规则。这些规则决定了装配中基

本的装配顺序方案，是粗装配工艺设计的依据，归纳起来，主要有以下几点：

1.预处理优先:即零部件的清洗、倒角、去毛刺等二序安排在其它装配工序之前进行；

2.先下后上:对于同一个装配体产品中的零部件，可以先安装儿何位置处于下部的零部

件、一再安装空间位置处于上部的零部件，使机器在装配过程中保持稳定的状态；

3.先内后外:在进行装配体中零部件的装配时，先安装处于内部的零部件，再安装处于外

13的零部件，使先装的零部件不会成为后续作业的障碍；

4.先难后易:先安装难于装配的零部件，因为开始时装配的活动空问比较大，便于安装、

调整、检测和机器的翻转；

5.先重大后轻小:开始时安装体积大、重量大的零部件，后安装体积小、重量轻的零部件;

6.先精密后一般:先进行影响机器精度大的零部件的安装与调试，再安装一般的零部件；

当然,在具体建立知识库的时候，这些规则还要通过处理，才能以计算机可以识别的形式

存储。由上述通用化规则的共性，可将其分为三类：

1.与装配体中的零部件的几何位置及零部件.上的特征尺寸相关的装配工艺知识，可以进

行装配顺序的推导。

2.与装配体中的零部件的通常装配顺序相关的装配工艺知识。一些零部件的装配经过长

期的生产实践，已经形成了固定的实际可行的先后顺序，能够指导装配工艺的生成v

3.与装配某种零部件的辅助装配操作内容相关的装配工艺知识。实际装配操作过程中，在

一些装配操作前后，必须进行相关的辅助装配操作。

装配工艺知识库采用多张数据表取代单一的数据表来描述装配工艺知识。装配工艺知识

以数据表记录的形式存放在装配工艺知识库中，具有类似产生式规则的形式。产生式规则中

的条件(if)和结论(Then)分别对应于记录中各字段的内容，数据库文件中的记录可以根据要

求进行扩充与修改。

12.2.3装配顺序决策

装配顺序决策实质上就是在各种几何约束条件及工艺约束条件的制约下，求解出满足各

种约束条件、性能优良的装配顺序。装配序列是装配规划最基本的信息，产品中零件之间的

几何关系、物理结构及功能决定了产品的装配顺序。

装配序列的决策方法可分为如下几类：

(1)基于装配优先约束关系的装配序列生成方法

获取优先约束关系并将其显式表达是最直观的装配顺序生成方法。优先约束关系指零件

之间的装配顺序约束。装配序列优先约束是表达零件装配先后顺序的一种非常紧凑的方法。

这种方法的关键是装配优先约束关系的获取。采用人机交互的方法，工作量大，对操作人员

要求高，而且容易出错。自动获取优先约束则有一定的难度，然而一旦获得零件装配的优先

约束，则能很容易地求得零件的装配顺序。

(2)基于组件识别的装配序列求解方法

根据零件的组件分类，确定组件之后，分层次生成组件的装配顺序，综合组件的装配顺

序，即可求得产品的装配序列。基于组件识别的求解方法可以有效地减小装配顺序生成的组

合复杂性，删除那些装配操作工艺性差但理论上可行的装配序列。

(3)拆卸法求解装配顺序的方法

若零件的装配过程为可逆过程，则可通过求解零件的拆卸法来得到零件的装配顺序。拆

卸法求解装配顺序的优点是:若判定某零件满足拆卸条件，则该零件一定满足装配序列约束。

反之，装配过程中某一阶段满足装配条件的零件并不一定满足装配序列约束条件，因为该零

件有可能影响到后续零件的装配。另外，通过几何计算和推理可从零部件的装配状态演绎出

零部件拆卸的初始方向，而从自由状态的零部件却无法推导出零部件的装配方向。拆卸法的

局限性是必须满足装配和拆卸互为可逆过程这一前提条件。

(4)基于知识的求解方法

基于知识的方法求解装配序列，采用一阶谓词逻辑来表达产品结构、序列优先约束和装

配资源约束等知识。系统以产品CAD模型为输入，通过人机交互获取零部件的装配优先约

克、通过图形搜索算法求解产品配合特征图的最小交集来产生装配序列，基于知识的装配顺

序的求解方法，对于特定产品的装配序列求解比较有效，但其适用面窄，且领域知识的获取

需要较深的专业知识。

(5)基于矩阵运算的方法

装配体中有配合关系的零件之间的联接关系以矩阵记录，矩阵中的每个元素代表零件的

装配关系。矩阵用线性代数中的有关运算进行变换，规约，简化了联结关系矩阵对应的装配

序列。

装配序列生成是一个综合性的问题，其中不仅涉及到几何的、技术的、机械的问题，存

在一些模糊经验知识的应用。若只从某个方面考虑，必然会失之片面。必须综合考虑各个方

面的因素，才能生成合理的接近实际的装配序列。

系统在生成装配顺序时，采用面向典型装配结构的多级推理方式。首先确定组装基准件

和部装基准件，其次确定组装、部装基准件间的潜在装配顺序，最后将产品装配关系数据库

e的信息与产品装配工艺知识库中装配工艺规则进行匹配，推导出零部件的装配顺序。

图12.6装配顺序推理过程的流程图

在系统提供的创成式装配上艺设计中，提供上艺人员进行信息输入与选择的功能。在基

于零部件装配特征尺寸的装配顺序的推导过程中，由用户进行装配特征尺寸的选择，系统根

据用户的选择，从CAD环境中直接提取出特征尺寸，对于系统中所缺数据，用户可以输入。

装配上艺生成过程中，先采用推理机进行装配顺序的初步设计。在系统推导出装配的顺

序后，在虚拟装配模块中对各零部件按照顺序进行虚拟装配演示，观察装配时是否存在干涉,

通过系统提供的装配顺序的浏览及修改界而，用户可以对不合乎实际情况的零部件装配顺序

进行调整。

系统中进行装配顺序的推理过程如图12.6所示。

12.2.4装配工序输出

工厂工艺设计的最终结果都是以工艺卡片的形式出现，并利用它们来指导具体的生产加

To由于企业的制造环境千差万别，因而不可避免地造成不同企业工艺卡片在形式和内容上

有很大的区别，而目前绝大多数CAPP和CAAPP系统只提供了有限的工艺卡片式样，它们

存储在工艺卡片模板库中，用户只能选择其中存在的卡片格式，而不能根据自身的需要对它

们进行修改或者完全从无到有地创成。由于这一工作只有系统的设计者才能完成，它己成为

影响当前CAPP和CAAPP系统通用性和实用性的主要原因之一。本文利用Microsoft提供

Excel的强大制表功能进行装配工艺卡片的研究。

在实际生产中，各个工厂根据自己的实际情况，所使用的工艺卡片的具体格式不完全一

样，但其基本内容大体上是相同的。采用计算机辅助工艺过程设计，首先需要解决的一个问

题就是要采用计算机可以接受的方式定制出各种工艺卡片格式。工艺卡片定制过程如图12.7

所示。

图12.7工艺卡片制定流程图

输出打印是CAAPP系统的必备的功能模块，用户通过查询工艺信息然后输出。装配工

艺检索功能主要是向用户提供装配工艺文件的浏览功能，还有