计算机辅助设计与制造-第九章

9.1概述9.1.1产品装配的基本概念装配是指“增添或者连接若干零件来形成一个完整产品的过程”。机械产品的装配过程是从最底层的零件装配成组件开始，若干个组件装配完成后进入部件装配，若干个部件装配完成后进入总成(大部件)装配，直到最后产品装配。为了分析问题的方便，引入下面基本概念:

装配体:装配过程的形成物体，是产品的最终形式。装配组件(组件):是构成装配体的每一个子节点，既可以是零件，也可以是子装配体。产品分为装配体、子装配体和零件三个层次，子装配体由下级子装配体和零件组成，其层次组成关系如图9一1所示。零件是组成装配体的最基本的实体。装配组件之间的连接关系构成装配关系。下一页返回9.1概述

机械产品的装配是使装配的各级组、部件达到按产品设计规定的构件功能和性能的要求。组成机械产品的各级零、组、部件，它们之间的互相关系有的是相对固定不变的，有的能在一定条件下做相对的运动，有的零、组、部件在装配后是不能拆卸的，有的零、组、部件在装配后是能拆卸的。机械产品装配中的装配工艺方法的分类如下:

(1)固定配合装配后的零、组、部件在机械工作状态下不能互相运动的结合为固定配合。固定配合按其装配后的零、组、部件能否拆卸，又可分为可拆卸的固定配合和不可拆卸的固定配合，如用螺钉、螺栓等螺纹类配合，用键、花键、槽、销、楔、圆锥类配合及静座配合是可拆卸的固定配合。

上一页下一页返回9.1概述(2)活动配合装配后的零、组、部件在机械工作状态下能做相对运动的结合为活动配合，活动配合按其装配后的零、组、部件能否拆卸，又可分为可拆卸的活动配合和不可拆卸的活动配合，可拆卸的活动配合，如回转运动的轴与轴承，往复运动的活塞与活塞环，活塞、活塞环与气缸，机床的溜板与床身等;不可拆卸的活动配合如压力配合回转运动的滚动轴承、往复运动的止回阀等。可拆卸的固定配合还可进一步分为可调整的与不可调整的。图9一2是装配工艺方法的分类。上一页下一页返回9.1概述9.1.2装配工艺规划的基本概念产品的装配方法从不同的角度可划分为不同的类型，按照装配的自动化程度，装配可以分为手工装配、专用自动化装配和机器人装配三种:(1)手工装配是最通用的方法借助于少量工夹具，如工作台、扳手、螺丝刀等，人手几乎能实施任何产品的装配。人工装配在大多情况下是可取的。因为人们在人工装配工作中，由于人的智能和经验的参与，能从装配图纸中获取大量的工艺信息，因此装配活动极具柔性和匠心，但是需要装配操作人员具有必要的素质。因此，人的因素成了装配质量和效率的关键。人工装配操作的启动成本非常低，规模的拓大仅仅需要更大的工厂空间来摆放更多的工作台，实现简单且成本相对低廉。在我国航空航大工业，由于其产品大多具有多品种小批量的特点，手工装配大量存在。上一页下一页返回9.1概述(2)专用自动化装配主要借助专门的设备和工装进行装配，是针对确定结构产品的装配，生产率高，但系统柔性差，适合于大批大量生产

(3)机器人装配又称柔性自动化装配，其装配系统由机器人组成，系统兼有柔性强和生产率高的优点。产品的装配规划又可以分为两个层次:即系统级装配规划和作业级装配规划。

(1)系统级装配规划系统级装配规划是产品装配的总体规划，由生产部门的决策者制定，主要包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、生产进度、劳动力分配、装配车间的布置等内容，是装配生产的纲领性文件。

(2)作业级装配规划作业级装配规划指装配作业工艺规划，作业级规划包括如下方面的内容:

上一页下一页返回9.1概述①装配工艺路线设计装配工艺路线的内容包括零部件的装配顺序和工艺方法。②确定工艺装备工艺装备的内容包括产品装配所需的机器、工具、夹具、辅具和量具等内容。③确定装配工艺用量装配工艺用量包括装配方向、装配位姿、零部件的抓拿位置、装配精度等参数。本书中装配工艺规划特指作业级装配规划。产品装配工艺主要包括零部件的装配方案、装配顺序(序列)、装配路径以及所使用的工具、夹具、辅具和装配工艺参数等。通常产品的装配工艺由装配工序组成，而装配工序又由装配工步组成。装配工序:在执行装配工艺过程中，由一个或一组工人在一个工作地点完成一个部件或产品装配工艺过程中的一部分工作称为装配工序。装配工序是装配工艺的基本单元。上一页下一页返回9.1概述

装配工步:在执行装配工序过程中，不更换工具就可完成一种配合而进行的工作称为装配工步，其间工人完成的各种动作称为工步的组成部分。一般而言，装配工艺规划包含以下主要步骤:

(1)审查资料、了解产品结构首先要分析研究产品的原始资料，其内容包括:审查原始资料的完备性和正确性。包括审查产品的装配图、零件图等技术文档是否都齐全，产品本身的结构工艺性是否合理、有无错误等;了解产品本身的结构，明确产品的各零部件之间的装配关系，从而为正确制定产品装配顺序打下基础。

上一页下一页返回9.1概述(2)分析技术要求了解产品装配的技术要求和检查验收方法，并分析装配中有哪些关键技术问题，制定相应的技术措施。通过对原始资料的分析，了解产品本身的结构特点和装配要求。

(3)确定装配顺序对于较为复杂的产品，工艺人员总是把整个产品分为若干部件，然后把各个部件再进一步分为若干组件。装配时，首先把各零件装配成各个组件，称为组装;再将各组件和零件装配成部件，称为部装;最后将各个部件装配成为整个产品，称为总装。在此总体顺序下，工艺人员确定装配顺序的步骤是:第一步，划分部件，审查装配图中各个零件，看哪些零件可以作为组件的基准件。通常，工艺人员选择体积较大、质量较重、支承面较大的作为基准件，这样，装配过程中才有较好的稳定性。第二步，确定组件之间的装配顺序，即将组件进行部装时的顺序。第三步，确定各组件内部零件间的装配顺序。上一页下一页返回9.1概述

最后，工艺人员将在前面已确定基本装配顺序的基础上，再考虑装配效率、装配精度、装配操作的方便性、装配干涉等，适当调整，以得到完善的装配顺序。

(4)确定装配路径对于机器人装配，通常还涉及装配路径规划。路径规划是为避障及满足作业需要而进行的以安全性为主要指标的路径设置。

(5)编制装配工艺文件装配顺序确定后，工艺人员开始划分工序。其内容包括划分工序工步，确定工序工步内容，提出工序工步所需专用设备、检测方法、应达到的装配质量要求等。同时，着手填写工艺文件，用以指导工人进行装配，安排装配生产。上一页下一页返回9.1概述9.1.3计算机辅助装配工艺规划的意义装配是整个产品制造过程的后期工作，各种零部件都需经过正确的装配，才能形成最终产品。如何从零件装配成产品并达到设计所要求的装配精度，这是装配工艺所要解决的问题。传统的装配工艺文件大都靠工艺人员手工编制，其缺点是:(1)设计效率低由于设计人员要进行大量的计算、查表、文件编制等工作，必然耗费大量的时间。现代生产中产品更新换代速度很快，市场机遇转瞬即逝，能否尽快占领市场直接关系到企业的生存，因而耗时过长的手工装配工艺已成为产品生产中的瓶颈之一。

(2)对工艺人员的依赖性强设计装配工艺需要依靠有经验的工艺人员，而这种经验的取得需有一个较长的实际工作过程，工艺人员的退休、调动等都会影响工厂的生产。

上一页下一页返回9.1概述(3)一致性差手工编制装配工艺易受人的因素影响，同一个产品由不同的工作人员编制时，往往得到不同的方案，缺乏一致性，不利于提高装配工艺的规范化程度。

(4)现代化工厂中目前普遍采用计算机管理手工编制装配工艺不利于信息的集成。

(5)优化程度低产品的装配工艺往往不止一个，虽然有经验的工艺人员可设计出可行的装配工艺规程，但是由于个人经验及考虑问题的全面性和正确性的局限，很难得出一套优化的装配工艺结果。对装配工艺过程的优化，需要科学、系统的方法。据有关研究表明，良好的产品装配设计，可以减少20%一40%的制造费，同时提高100%一200%的生产率。应用CAAPP(ComputerAidedAssemblyProcessPlanning,CAAPP)系统，一方面使实践经验较少的工艺人员也能设计出较好的工艺过程，另一方面能使有经验的工艺人员从繁琐的重复性劳动中解放出来，改进现行工艺和研究新工艺。上一页下一页返回9.1概述CAAPP系统不仅可允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CAAPP系统中，从而保证了工艺设计质量，降低了产品成本，提高了产品在市场上的竞争力。因此，开展计算机辅助装配工艺规划的研究具有十分重要的意义。一方面，它能允分缩短编制装配工艺的时间，减少人的繁琐劳动，提高装配工艺的规范化程度，降低对有经验工艺人员的依赖。另一方面，随着各种先进制造生产模式，如计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS)、准时制造(JustInTime,JIT)、精益生产(LeanProduct,LP、并行工程(ConcurrentEngineering,CE)、敏捷制造(AgileManufacturing,AM)和虚拟制造(VirtualManufacturing,VM)等研究的不断深入，计算机辅助装配工艺规划研究的重要性也得到了高度的重视。上一页下一页返回9.1概述9.1.4计算机辅助装配工艺规划系统的组成

CAAPP系统的总体结构如图9一3所示。CAAPP系统的起点是产品装配信息，主要包括产品装配信息和零件信息。CAAPP系统在获得产品装配信息与零部件信息后，分析相应的制造资源，通过工艺决策机制，进行产品装配工艺规划，并最终输出装配工艺文件。制造资源包含装配工艺知识等无形资源和装配工具、机器设备等有形资源。CAAPP系统核心的部分应该是装配工艺决策知识与推理机制，通过推理机的作用，以产品信息和产品装配工艺知识为依据，推导设计出较优的产品装配工艺。上一页下一页返回9.1概述

从图9-3可知，开发计算机辅助装配工艺规划系统所涉及的主要工作包括:研究产品装配信息的描述方法;编制典型零件副的装配工作规范，并建立装配工艺知识规则;研究装配工序图的自动生成方法;研究装配顺序的决策原理与实现方法;研究装配仿真与装配工艺优选方法等。具体内容包括产品装配模型、动态数据库、推理机、装配工艺知识库、装配工序简图库、装配工艺数据库等。

(1)产品装配信息描述将装配对象及技术要求描述为恰当的、适于计算机存储的数据结构和形式，一般由数据及其结构组成。

(2)动态数据库动态数据库用于存放由信息输入模块产生的装配信息，以及推理机在推理决策过程中产生的中间数据和最终结果。其中装配信息和中间数据可供推理机继续推理使用，最终结果供信息输出模块使用。

上一页下一页返回9.1概述(3)推理机推理机的功能是针对动态数据库内存放的装配信息，利用知识库内的知识与规则，在工序简图库和工艺数据库的支持下进行推理与决策，生成有关装配工艺与工序图的数据。

(4)装配工艺知识库知识库存放生成装配工艺所需的知识与规则。

(5)装配工序简图库工序简图库存放典型装配工艺的工序简图，供推理机生成工序图。

(6)装配工艺数据库工艺数据库用于存放装配工艺有关的数据，如各种装配方法所能达到的装配精度及相关检测规范等。

(7)装配顺序的决策以产品装配模型中的产品信息为设计对象，进行组件、部件的划分和装配顺序的确定。上一页下一页返回9.1概述(8)装配操作的决策对每一个待装配的零件、组件或部件，规划其装配操作和完成此操作的装配路径。在装配操作决策阶段，系统从知识库中获取结构化的装配约束。所谓结构化的装配约束是指实现零件、组件或部件的抓取和正确地装配所必需的操作，如拾取零件、旋转零件、定位零件和拧紧等，并保证从拾取零件到定位零件之间的运动和工夹具使用的无碰撞干涉。

(9)装配仿真:提供对产品装配过程验证的手段，检查规划后的装配工艺的正确性。上一页下一页返回9.1概述

9.1.5CAAPP的类型及其工作原理按照CAAPP的工作原理，即工艺决策方法的不同，可将其分为检索式、创成式和仿真式三大类型。

1.检索式CAAPP系统如图9-4所示，检索式装配CAAPP系统的基本思想是在系统内存储有大量的装配工艺文件，在需要为一种新产品设计装配工艺时，从系统中选择合适的装配工艺文件作为基础，进行适应于新产品的编辑修改，从而生成新产品的装配工艺文件。

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检索式CAAPP系统相对较为简单，交互性也比较强，可以作为快速设计工具。检索式CAAPP系统的理论基础是成组技术和相似性原理，系统中采用了一种所谓标准产品或样件产品的概念，按照相似性原理建立标准、典型装配工艺知识库;建立交互模块，实现输入与修改数据库、图形库操作等功能;建立样件装配工艺生成模块，输出各个变型样件的装配工艺;建立装配明细表生成模块。在检索式CAAPP系统中，操作人员通过类比选择合适的产品作为样件，用户可以对该装配工艺进行编辑，生成新的产品装配工艺。样件装配工艺模板存放在数据库中，新生成的产品装配工艺文件最后也在数据库中存储起来，可以作为新样件的装配工艺模板，供其他类似产品的装配工艺设计时使用。上一页下一页返回9.1概述2.创成式CAAPP系统如图9-5所示，创成式CAAPP系统采用的是基于知识的自动推理的思想，它通过知识库、数据库、推理机的协调运行，生成新的产品装配工艺。在现有的技术条件下，完全通过创成式来自动生成装配工艺比较困难，目前的方法是采用创成加人工编辑的思想，即在进行创成装配工艺规划的时候，同时提供给用户良好的交互界面，对于创成的装配工艺文件进行适应实际情况的修改相对而言，创成式CAAPP系统自动推理过程多一些，更适合于无法提供样件和装配工艺模板的新产品装配工艺规划，也就是适用于无相似产品和工艺的装配工艺规划。系统从数据库，或者直接从CAD系统提取得到产品装配信息后，推理决策机构经过查询，将产品信息与装配工艺规划知识库中的规则信息匹配，推导出新产品的装配工艺。上一页下一页返回9.1概述

创成式CAAPP系统的结构如图9-5所示，所获得的产品装配工艺文件，就可以作为该类产品的装配工艺模板，在下一次同类产品装配工艺规划时，用检索式设计方法设计装配工艺。推理决策机构是创成式装配工艺规划的核心，起着传统装配工艺规划中工艺设计专家的作用。

3.仿真式CAAPP系统仿真式CAAPP系统以装配仿真为核心，通过对装配过程的三维仿真来获得产品的装配工艺，系统的结构组成如图9-6所示。仿真式CAAPP系统首先在商用CAD系统(如Pro/En惑neer,UG等)中建立产品的装配模型，然后，在虚拟环境中模拟产品的实际装配过程，分析装配过程中零部件的运动形态，检查装配过程中的干涉，评估装配过程中的人机因素，从而获得产品的装配工艺，这种虚拟装配过程模式实际上是对CAD系统中的装配仿真技术的继承与发展。上一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库9.2.1产品装配模型

1.产品装配信息描述装配信息描述与输入是进行计算机辅助装配工艺规划的前提前，编制装配工艺规程主要依据三个方面原始资料:产品的装配图及装配技术要求;产品的生产纲领;现有的生产条件和标准资料。因此，装配信息依赖于这三个方面的原始资料。前二者需通过信息输入来获得，最后一项主要是通过对具体生产厂家的用户化处理而预先存入数据库。在CAAPP系统中，对产品的生产纲领、现有的生产条件和标准资料等信息进行计算机描述比较容易实现，但是对产品的装配图及装配技术要求的计算机描述比较难。产品装配图主要包括产品的组成层次关系、组件之间的装配关系等信息。通常将包括产品组成层次关系、装配关系和装配技术要求的数字化模型称之为产品装配模型。产品装配模型是指在计算机内部对产品装配体描述、存储的数字化表达方法，一般由数据及其结构组成。下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

一方面，产品装配模型中的数据信息要完整，能够为后续的装配顺序规划和路径规划提供基础数据;另一方面，其数据结构要有一定的层次与组织形式，以方便信息的传递与提取。如图9一7所示，产品装配模型主要包括管理属性信息、物理特征信息、几何信息、装配拓扑信息、装配语义信息和装配工艺信息。

(1)管理属性信息管理属性信息是指与产品及其组成零部件管理相关的信息，包括产品以及产品组成组件的代号、名称、材料、技术要求、设计者、设计版本和供应商等信息，它们是在产品设计过程中逐渐形成的。

(2)物理特征信息物理特征信息是产品装配模型的一个重要方面，其主要目的是允分考虑装配过程中装配对象的物理特性对装配过程的影响。物理特征信息主要包括零部件的体积、密度、质量、重心位置、硬度、摩擦系数等信息。

上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库(3)几何信息与产品的几何实体构造相关的信息，几何信息确定了目标装配体及其组成零部件的几何形状和尺寸信息，以及零部件在装配体中最终的位姿(位置和姿态)。

(4)装配拓扑信息主要包括产品装配模型的层次树结构信息和装配体组成零部件之间的几何配合约束关系信息。产品层次树结构是指从功能和结构相对应的角度对产品结构的一种树形层次划分，这种层次结构反映了设计者的设计思路。装配体组成零部件之间的几何配合约束关系主要包括贴合(Mate、对齐(Align},插入(Inset)、同向(Orient)、相切(Tangent)等。

(5)装配语义信息主要指零件之间的装配语义信息。通常零件之间通过若干特定的装配特征连接在一起，可以形成零件之间的装配语义，如螺栓一孔一螺母连接，螺钉连接，销钉连接，平键连接等。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

这些装配语义不仅包含了零件几何层次上的配合约束关系，还蕴含了零件之间的装配顺序，装配工装等更高层的工程语义信息，例如螺栓一孔一螺母这种装配语义就蕴含着孔一螺栓一螺母这样的装配顺序以及可能用到的装配工具如扳手等，从而为后续装配工艺规划提供支持。由装配特征关系来识别装配语义是通过匹配语义识别框架来实现的。以螺栓一孔一螺母为例，其语义识别框架如图9-8所示(简化表示)。

(6)装配工艺信息与装配过程相关的数据信息，包括产品组成零部件的装配顺序、装配路径以及装配过程中装配工位的调整、装配工具的操作空间合理性检测信息等。

上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库2.产品装配信息描述过程一般而言，装配信息的描述应分层次进行，逐渐细化。在描述清楚各零件基本几何数据的前提下，重点描述各零件、固定组件及部件之间的相互装配关系，包括连接关系、连接位置、连接方向、连接的技术要求等等。通常，装配信息描述的主要内容及描述顺序如图9-9所示。

(1)总体装配要求及零件明细表总体装配要求应描述两类信息:一类是产品号、产品名、音卡件号、部件名称等管理信息;另一类是装配技术要求，在装配图中以中文说明的技术要求中，常对某些装配操作提出要达到的技术要求和应使用的工具。因此在信息描述中应表达“装配操作类型一使用工具”的对应关系。这些信息均为涉及对应关系的信息，非常适合于以一阶谓词的形式描述。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

如，操作(装配操作类型代码，技术条件)，工具(装配操作类型代码，使用工具)。装配图中的零件明细表内一般列有很多项内容，而生成装配工艺文件所需的主要是零件号与零件名之间的联系，信息描述中应能表达这种对应关系。

(2)各零件及固定组件的主要几何数据所谓固定组件，是针对装配操作的特点而言的。对于某些典型装配关系，如带轮与传动轴之间的装配，在具体应用时常可归纳为若干种典型情况，完全可以固定为少数几种特殊组件，组件内部的零件组成及装配工艺事先存储在系统内。描述装配信息时，可以将这些典型装配关系作为一个整体来处理，只需描述此整体与外界的装配关系，而不需详细描述此整体内部各部分之间的关系，如此处理简化了信息描述的任务且又有利于装配工艺的生成。

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虽然零件的几何形状及尺寸直接影响装配顺序，但并不需要描述零件的所有几何数据。对于标准件，有零件代号即可从标准中查得所有几何信息，不必另外输入。而对于非标准件，需输入零件的几何信息，但不必输入所有信息，只需输入影响装配关系、装配顺序的几何信息即可。以主轴箱与传动箱等箱体部件为例，零件的几何形状对装配顺序的影响主要表现在以下方面:

箱体上孔的空间位置影响孔中轴组件的装配顺序。如位于箱体下部的孔中的轴组件应先装入箱体，然后才能装入箱体上部的孔中的轴组件。箱体孔的最小直径与对应轴上零件最大直径，影响该零件是在组装时安装还是在部装时安装。如图9一10所示，轴上所有零件的最大直径均小于对应箱孔直径，故轴上所有零件可预先装在轴上，构成组件，然后穿过箱孔一起装上箱体。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

箱孔的长度与箱孔之间的距离和轴的长度影响轴上零件的装配。根据箱孔的长度与箱孔之间的距离和轴的长度，可以计算轴能否连同其上的零件倾斜装入箱体，而不必从箱孔穿入。轴的两个端部的直径影响轴上零件的装配顺序。如轴上两端的轴承一般组装时先装大直径处的轴承，部装时再套上小直径处的轴承。轴的最大直径及最大直径所在位置影响轴上零件装配顺序。图9-11所示，对轴最大直径处右边的零件，坐标值大的应先装;对轴最大直径处右边的零件，坐标值小的应先装。轴的最大直径处表面形状影响最大直径处零件的装配顺序。如图9-12所示，轴的最大直径处有带盲端的花键，花键开口向右，故对花键盲端以右的零件，坐标值小的应该先装。综上所述，对于主轴箱与传动箱等箱体部件，各零件的几何数据主要需描述清楚以下内容:

孔的空间位置、最小直径及孔长上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

各轴的总长、两端直径、最大直径开始与结束的位置及主要轴段的表面特征等。轴上各零件的关键尺寸，如标准件的公称尺寸、非标准件的直径与长度等。上面以箱体部件为例，分析了为满足装配工艺设计的要求而需描述的零件主要几何数据，对于其他产品或部件，可通过类似分析而确定。

(3)组件内各零件与组装基准件间的联系这主要指连接关系，连接位置、连接方法、连接方向、连接的技术要求等。如箱体内各零件之间的关系可分为三层:各轴及附属组件在箱体中的位置信息;各轴之间的联系;各轴上典型副及零件之间的联系。对每个层次采用不同的形式加以描述，如对典型副，其数据形式为:典型副位置信息(所在轴号，在轴上的位置);典型副类型信息(类型代号，子类型代号，结构变化形式代号)。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库(4)各组件与部装基准件间的联系描述内容同上，但此时是将组件作为一个整体来对待。以箱体部件为例，此时主要指主轴与传动轴等组件在箱体上的定位方式。

(5)各部件与总装基准件间的联系将各部件作为整体，来描述清楚其与总装基准件的连接关系。9.2.2装配工艺知识库装配工艺知识库技术是CAAPP的重要支撑技术，其知识的表示方法、知识组织结构及知识库的管理对于系统的效率和装配工艺的生成有着极为重要的影响。对于知识库来说，知识的表示必须简单易懂、清晰、明确，同时知识的组织必须增强知识的模块性，知识的结构应体现知识之间的联系。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库1.装配工艺知识库中的知识的组织及分类在实际中，产品装配工艺规划是一个复杂的过程，需要考虑很多方面的因素，而要把这样一个复杂的过程中包含的经验知识加以描述就更加困难，装配知识发现的过程存在着以下特点:(1)装配经验知识获取的过程是一个由具体的装配实例出发，逐步提升精炼，寻找一般规律的过程。

(2)装配知识的公式化描述是一个非常困难的问题，不仅受计算机本身描述能力的限制，而且很多经验知识本身就很难进行公式化的分析和抽象。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拓允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拓允性。在装配工艺设计知识库中，装配工艺知识在描述上力求统一的知识表现形式。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

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，都要考虑其规则的组织形式，既能够符合推理机的快速推理需要，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、去毛刺等工序安排在其他装配工序之前进行。

(2)基体选择规则:①体积和质量较大的零部件优先作为基体②不依赖于其他零部件装配的零部件优先作为基体③装配连接关系较多的零部件优先作为基体④某些典型的结构件类型优先作为基体，如箱体，基座等上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库(3)零部件装配顺序规则:①先重后轻:开始时安装体积大、质量大的零部件，后安装体积小、质量轻的零部件。②先里后外，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，再安装处于外围的零部件，使先装的零部件不会成为后续作业的障碍。③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，再安装一般的零音卡件。④先下后上:对于同一个装配体产品中的零部件，可以先安装几何位置处于下部的零部件、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。⑤装配过程中尽量不改变装配方向:装配操作尽量沿一个方向进行，从一边到另一边。尽可能减少装配方向的变动，避免过多装配方向带来的装配过程中装配干涉、零部件定位、装夹次数增加，从而加大装配的成本。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库⑥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间比较大，便于安装、调整、检测和机器的翻转⑦先装配基准零部件。⑧相似功能的零件的装配尽可能连续进行⑨最后装配不固定的可自由移动的零件。⑩需反复拆、装部件中的易损件(如易脆裂材料、密封件等)应在末次装配时安装若同时存在铆接件和螺栓件，先装铆接件，再装螺栓件

(4)典型附件(如连接件、紧固件)装配顺序:①螺钉连接:垫圈，螺钉②螺栓连接:垫圈，螺栓，螺母③螺钉和螺栓连接件在紧跟被连接件之后装配。④定位元件先于紧固元件装配⑤键的装配位于轴件和孔件之间。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

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与装配体中零部件的几何拓扑结构和装配约束关系有关的装配工艺知识，可以进行装配顺序的推导。②与装配体中零部件的功能语义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，已经形成了根据功能语义固定的实际可行的先后顺序，能够指导装配工艺的生成。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和结论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拓允与修改。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

除了上述主要的类别外，装配工艺知识还包括，运动副装配方面的知识;联结紧固件装配方面的知识，装配的几何可行性，机械可行性和装配稳定性方面的知识。

2.知识的表示方法目前常用的知识表示方法有:谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、脚本表示法、面向对象表示法、Petri网表示法等。一种好的知识表示方法应满足对知识的可表达性、可访问性、可拓允性、相容性、可理解性、简洁性等要求。

(1)谓词逻辑法谓词逻辑的基本组成部分是谓词符号、变量符号、函数符号和常量符号，并用圆括号、方括号、花括号和逗号隔开，以表示论域内的关系。例如，要表示“机器人(ROBOT)在1号房间(ROOM)内”，可应用简单的原子公式:INROOM(ROBOT，r1)式中ROBOT和:，为常量符号，INROOM为谓词符号。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

一般的，原子公式由若干谓词符号和项组成，常量符号是最简单的项，用来表示论域内的物体或实体，它可以是实际的物体和人，也可以是概念或具有名字的任何事情。变量符号也是项，并且不必明确涉及是哪一个实体。函数符号表示论域内的函数，例如，函数符号mothe:可用来表示某人与他(或她)的母亲之间的一个映射。如这句话可以用下列原子公式来表示“李(Li)的母亲与他的父亲结婚”

MARRIED[father(Li)，mother(Li)1

如果用P(X1,X2,.....，Xn,)表示一个n元谓词公式，其中P为n元谓词，X1,x2,……，xn，为客体变量或变元。通常把P(x1,x2,……，Xn)叫做谓词演算的原子公式，或原子谓词公式。上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库

把多个谓词公式通过连词组成的复合谓词公式称为分子谓词公式，如果其中的连词都为与(V)关系，则称其为合取式，如果其中的连词都为或(U)关系，则称其为析取式。

(2)产生式表示法产生式表示法可以很容易的描述事实、规则以及他们的不确定性度量。产生式表示法不仅可以推理，而且可以实现操作。其基本形式为“IFATHENB”或A→B。其中A是产生式规则的前提或前件，它给出了产生式规则使用的先决条件，由事实的逻辑组合来构成;B为产生式规则的一组结论或后件，它指出当前提A满足时，可推出的结论或执行的操作。产生式表示法具有以下优点:m表示形式直观、自然、便于推理;②同推理机构分离，便于模块化，给知识的增、删、改带来了方便;

上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库③能有效地表达多种领域中的知识，既可表示精确的知识也可表示不精确、不完全的知识;④遵循固定的表达格式，既易于设计、控制、又易于进行知识的一致性、完整性检测。

(3)框架表示法框架是一种组织和表示知识的数据结构。它由框架名和一组用于描述框架各方面具体属性的槽组成。每个槽又设有一个槽名，槽名下面有对应的取值，称为槽值或填充值。在较复杂的框架中，槽的下面还可以进一步区分为多个侧面，每个侧面有可以有各自的取值，作为对槽的进一步说明。一个框架可以形式的表示如下:FRAME<框架名>

槽名n:侧面名n1:侧面值n1

侧面名n2:侧面值n2

侧面名nm:侧面值nm

上一页下一页返回9.2产品装配模型和工艺知识库3.知识库的功能

CAAPP系统中提供了很强的系统维护工具，实现对装配工艺设计支撑数据库和知识库记录的插入、删除、修改和提交等维护功能，从而使系统适应不同的制造环境，这是系统实现工具化的关键功能之一。根据系统维护的对象类型，可以将维护的内容分为两类:一类是为装配工艺设计过程提供数据信息的一般性资源数据库的维打‘;另一类是为装配工艺设计推理提供决策知识的工艺知识库的维护。在每个模块中系统都提供了相应的维护功能，有权限的用户可以很方便地进行编辑、修改等工作。对于工艺知识库的维打‘，除了提供一般性的对数据库的编辑修改操作外，还提供了特殊的工艺知识管理功能，包括知识库完备性和一致性检验等功能。上一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划9.3.1装配顺序决策的方法装配顺序的确定是装配工艺设计中最重要而又最困难的问题，它的影响因素很多，同时又缺乏相应的理论支持。装配顺序生成是一个综合性的问题，其中不仅涉及几何的、技术的、机械的问题，还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，才能生成合理较优的装配顺序。计算机辅助装配顺序规划是根据产品的几何信息、物理信息、装配的目标约束以及装配的设备约束信息，用相应的算法在计算机上自动规划出产品的合理装配顺序集及每一工序的装配工艺参数，通过最佳装配顺序的选择和评价，产生最终装配顺序。下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划

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。国内外对装配顺序规划的研究主要有:拆卸法、优先约束法、基于人工智能的能化方法、基于组件识别的装配序列求解方法、基于知识的求解方法、基于矩阵运算的方法、基于遗传算法自动装配顺序规划等方法。在装配顺序规划方面，一些主要的方法可以归纳如下:(1)通过推理产生所有装配优先约束，继而得到装配顺序。法国学者Bourjcult最早提出了基于装配约束优先关系的装配序列生成方法，主要通过人机交互提问的形式获得装配优先约束关系，并以此推导出装配顺序。由于在推理过程中需要用户回答大量的有关优先顺序问题，这种方法效率很低。DeFazi。和Whitney改变了提问的形式，减少了对用户的提问次数。他们设计出来的提问形式不是Yes一No方式，而是需要用户通过对产品装配结构进行推理和预测之后穷举出各个装配连接所有的装配优先关系。

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但是相比之下，这种问题的回答要困难得多，装配优先关系的完备性和正确性更加难以保证。Baldwin等也在这方面进行了类似的研究工作，并提出了零件是否可装配的两条准则:超集准则和子集准则。根据这两条准则，可以由系统自动判断出一些装配优先约束关系，这样需要由用户交互回答的问题可以进一步减少。

(2)基于“可拆即可装”的思路，获得产品的装配顺序。将离散的零件装配成一个装配体有很大的选择空间，但将一个装配体分解成组成零部件的途径却有限。这样，搜索“拆卸顺序”的效率可能就会比搜索“装配顺序”的效率要高。割集法是基于拆卸策略的装配序列规划中通常采用的图论算法，Homem等通过对产品连接图进行缩并，利用割集算法对连接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分，并提出了装配序列的与或图(AND/OR)表达方法，通过对与或图的搜索产生所有可行装配顺序。上一页下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划Henrioud等在利用对零件间几何接触关系的自动推理来自动判断某个零件是否可以从装配体中分离。Wilson和Latomhe提出了一种无向阻止图(non-directionalblockinggraph,NDBG)来定性地描述一个产品的内部装配结构，将所有可能的拆卸移动方向在一个单位圆S1内表示出来，然后对装配体中零件间接触关系进行分析，找出彼此无障碍的分离方向，并在单位圆内表示出来该方法在零件之间接触关系复杂时效率不高。通过拆卸法求解装配顺序的方法在原理上是一种很大的进步，但采取这种方法有三个前提条件:①产品拆卸过程和装配过程互逆;②参与装配的零部件均为刚体;③零部件的装配关系一次建立，且在装配过程中保持不变。上一页下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划(3)通过人工智能领域中的专家系统或遗传算法等来获得产品装配顺序。Tonshoff等人提出了一种基于知识的自动顺序规划方法，该方法对一些典型装配工艺过程、零部件属性、连接方法和技术功能对装配优先顺序的影响进行了分析，定义了相应的影响优先级，并以规则的形式存到知识库中。使用时，系统通过接口从CAD系统读取装配图和零件明细表等信息，利用存储在知识库中的规则，确定零件的装配顺序。该方法仅适用于零件数较少的装配。Deshmukh用基于知识的方法提取两零件之间的界面信息，通过特征匹配确定装配关系，构造无向的装配连接图，按深度优先原则搜索拐点，识别出所有可能的子装配，然后按照某些规则的指导寻求可行的装配顺序。上一页下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划(4)其他智能装配顺序规划方法。装配工艺规划中经验及实例的重用也受到学者们的高度重视。陈宗舜等人研究认为，当前研究全部自动化的装配工艺规划条件不成熟，利用相似性原理，对同类产品、部件、组件的装配工艺进行派生式的设计是可行的。对典型部件、组件的装配，提出派生式辅助装配工艺设计方案:①按相似性原理建立标准、典型装配工艺方法知识库。②按相似性原理建立相似产品、部件、组件的装配程序库。③建立人机交互模块:包括输入、修改、对数据库和图形库进行操作等功能。④建立装配明细表生成模块。东南大学的易红等人提出基于装配工艺知识库来进行装配工艺的推导。提出在装配工艺生成过程中，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，然后对各零部件按照顺序进行装配过程演示，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面，用户可以对不合乎实际情况的零部件装配顺序进行调整。上一页下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划GhingpingHan等人应用LAPP中派生法与创成法相结合的思想来研究装配顺序规划问题。他们认为，对于那些装配结构相对固定的产品，可用派生法生成装配顺序;而对一般产品，则可用基于人工智能及专家系统技术的规划方法，直接从产品实体模型数据库中获取数据，并根据知识自动生成装配顺序。Swaminathan等人提出一种双重规划模式:如果相应的规划实例已存在，则加以利用;否则，直接规划，这种模式体现了规划重用的思想。9.3.2计算机辅助装配顺序规划的总体结构装配顺序规划的总体结构如图9一13所示。上一页下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划1.装配关系建模阶段装配模型是整个装配规划的基础，它主要是对组成产品的零件几何形状、相互之间的接触关系以及物理、装配工艺等信息的描述。其表示方法一般有三种，装配图模型、CAD模型以及符号表示模型。它包括零件信息模型和零件间的装配关系模型。在该阶段，首先要在零件信息模型(描述零件的基本信息)的基础上增加零件间的关系模型和装配优先约束模型。其中零件之间的装配关系主要包括:接触关系、紧固关系、配合关系以及传动关系等综合考虑各种因素构造产品装配关系模型。

2.装配顺序生成阶段从技术人员设计装配工艺的思路及计算机决策的特点看，装配顺序的设计应该分阶段有层次的进行。即从建立框架入手，由粗到细，不断允实与调整，最终生成合理的顺序。以部件装配而言，其一般决策过程如图9一14所示。上一页下一页返回9.3计算机辅助装配顺序规划3.装配顺序评价及选择阶段一个产品可行的装配顺序一般不止一个，尤其是当组成产品的零件较多时，可行的装配顺序变得非常多。这就需要根据若干评价标准，求解出一条最适合特定生产环境的装配。装配顺序的评价标准一般包括:最大装配角指标、装配时间指标、装配难度指标(包括:零件形状、零件尺寸、零件重量、装配连接方式、装配连接方向、综合装配难度计算等等)、装配并行度指标、子装配体稳定性指标、装配重定向数指标、装配聚合性指标等。针对以上指标，利用运筹学、图论或者数学规划等等，能够很好地解决上述决策问题。上一页返回9.4装配路径规划

装配路径是指零部件在组装成产品时所应遵循的空间路径，从几何形状上，按照该装配路径可以避免零部件在装配过程中出现相互干涉现象;从工艺活动上，采用该装配路径具有实施合理性，能够保证装配质量。从功能讲，路径规划是为避障及满足作业需要而进行的以安全性为主要指标的路径设置。路径规划主要研究内容按环境状态可分为静态结构化环境下的路径规划、动态已知环境下的路径规划和动态不确定环境下的路径规划。路径规划一般要考虑运动学约束，包括路径约束和障碍约束两部分。路径约束来源于某种作业操作的要求，如焊接作业要求沿直线或曲线运动等，障碍约束是在运动空间出现的各种几何障碍。由于几何障碍的复杂性，障碍环境中无碰路径规划问题是计算几何学、计算机图形学和人工智能等多学关注的课题。空间路径规划一般分解为两个子问题。下一页返回9.4装配路径规划(1)寻空间问题在某个指定区域R中，确定物体A的安全位置，使它不与已有的其他物体B一(1,2……m)相碰撞.。

(2)寻路径问题在某个指定区域R中，确定物体A从初始位置移动到目标位置的安全路径，使移动过程中不发生A与B」的碰撞·显然，一系列安全位置就可连成安全路径。路径规划即可以在零件所处的模型坐标系下进行，也可以在变换后的空间中进行，通常是将被规划体变换到位姿空间(FigurationSpace)中。一直以来，国内外学者在装配路径智能自动搜索方面做了大量的研究，相继提出了方向多面锥方法、拓扑降维法、J函数法、人工势场法、可视图法、单元分解法、C空间障碍法等装配路径规划算法。上一页下一页返回9.4装配路径规划

1.方向多面锥方法由装配关系及产品结构确定的表示装配(拆卸)零件运动方向区域的一个多面锥，可映射为一个单位球的球面多边形。图9一15所示装配零件的多面体方向锥，是由该零件在产品中的装配关系决定的4个半空间的交集。

2.拓扑降维法拓扑降维法是由清华大学张拔教授及J.T.Schwartz等提出的一种路径规划算法。拓扑法的基本思想是:将规划空间分割成拓扑特性一致的子空间，并建立拓扑网络，在拓扑网络上寻找起点到终点的拓扑路径，最终由拓扑路径求出几何路径。在障碍较多的情况下，空间的划分算法极其复杂，用解析法很难甚至不可能实现。

3.J函数方法

J一函数实际上是启发式搜索算法的评价函数。J函数代表了被规划体和障碍之间的最小距离，它是在多面体障碍物中进行无碰运动规划的统一指标上提出的。因此J函数法仅适用于2维和3维空间上凸多面体的运动规划问题。上一页返回9.5装配工艺生成

下面以北京理工大学开发的一个仿真式计算机辅助装配工艺规划系统VAPP为例，说明装配工艺生成与管理。VAPP系统是一个主要应用于航空、航大、兵器等行业的复杂产品装配工艺规划软件系统，该系统通过构建一个与装配现场环境高度相似的虚拟场景，支持工艺师在真实感环境下利用人的经验和智能，通过人机交互工具，直观、快速地完成产品装配工艺规划，并考虑装配过程中的工、夹具使用情况。

VAPP系统的工作流程如图9一16所示，其主要分为四个阶段，即模型数据获取阶段、面向生产现场的装配车间建模阶段、初始装配工艺生成阶段和装配工艺后处理阶段。

1.模型数据获取阶段设计者对来自商品化三维CAD系统(如Pro/E,UG等)的设计模型数据(主要包括零部件、工具、夹具和吊具模型等)进行转化，获得虚拟环境下的产品装配工艺规划所需要的中性文件。下一页返回9.5装配工艺生成

用户在CAD系统中完成装配体的设计后，通过内嵌于CAD系统的接口程序将装配体所有的模型信息以中性文件的形式导出，并导入到VAPP系统中。图9一17为商品化CAD系统(Pro/E)中的产品装配模型，通过在ASSEMBLY菜单下注册了“导出模型”项，将相关中性文件输出到指定目录。

CAD系统与VAPP系统间的接口数据文件(即中性文件)主要由三部分组成，即装配描述文件(文件拓展名为.adf)，几何描述文件(文件拓展名为.gdf)和面片模型文件(文件拓展名为.slp。针对以上三部分数据，以目录结构的形式进行组织，形成一个统一的接口数据文件。其中各文件的具体含义如下:(1)装配描述文件(.adf文件)用于描述整个产品的装配层次结构和各组成零件间的装配约束关系，以及总体装配信息。同时，对每个零件，该文件还通过零件名称链接到相应的零件描述文件。上一页下一页返回9.5装配工艺生成(2)几何描述文件(.gdf文件)描述每个零件的相关属性信息，包括各零件的特征组成，几何要素，零件的总体属性(如颜色，材料，密度，重量)等，同时，通过零件名称链接到该零件的几何面片描述文件(.slp文件)。

(3)面片模型文件(.slp文件)描述零件的几何面片组成，可以利用Pro/E提供的工具产生，是一种标准化的文件格式。

2.面向生产现场的装配车间建模阶段设计者将所需装配的零部件和工夹具中性文件导入到VAPP系统，并利用人机交互式的装配车间布局技术，建立与装配现场高度相似的装配工艺规划沉浸式场景，该场景中包括待装配的零部件、工具、夹具、吊具、操作台等，如图9一18所示。上一页下一页返回9.5装配工艺生成3.初始装配工艺生成阶段设计者基于建立的虚拟装配车间，人机交互地对产品的虚拟模型进行三维可视化装配，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性，并以此形成产品的初始装配工艺(主要包括装配顺序、装配路径、装配动画以及装配过程中用到的工夹具等工艺信息)。图9一19是VAPP系统的主界面。主界面主要被分为三个视图区:模型列表区(包括待装零部件列表，所使用的工夹具列表)、交互规划区(模型数据显示区)、规划结果显示区(对装配建模的结果进行显示)。在规划过程中，零部件在三维空间内的移动轨迹，也即装配路径，被自动记录下来。用户可以随时浏览所有已装配零部件的装配路径，装配路径可以用离散的点或者包络体的方式显示给用户。图9一20为装配路径的点表示。上一页下一页返回9.5装配工艺生成

在交互装配规划过程中，可以启动线缆装配规划模块，对产品进行布线。图9-21为线缆的装配布线结果。

4.装配工艺后处理阶段装配工艺后处理主要是通过提供一个交互式的装配工艺卡片的生成环境，在上一阶段所形成的初始装配工艺的基础上，补允和完善产品的装配工艺信息，从而形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片，同时生成配套清单、工装清单、辅助材料清单等报表。主要是通过提供一个交互式的装配工艺卡片的生成环境，以交互式规划过程中形成的初始装配工艺为主干，补允和完善产品的其他工艺信息，如辅助材料、专用工装仪表、工序简图、工艺的文字描述、质量检验信息等，从而形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片。

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装配工艺后处理器的主界面如图9-22所示，左边是工艺设计树和工艺资源树，右边是装配工艺交互式编辑区。工艺设计树对当前进行装配工艺设计的产品及其相关工艺信息进行管理，每个工艺设计树包含一个产品及多个工艺文件，用户可以为每个产品设计一套或者多套装配工艺。在完成装配工艺设计之后，可以将工艺设计树的内容检入到工艺资源树中，工艺资源树以产品为单位对装配工艺进行管理，这些装配工艺在未检出状态下只能浏览、复制但不能编辑。在交互式装配工艺编辑的过程中，各种标准的工艺卡片只作为编辑工艺文件的模板(该卡片模板可以定制)，工艺文件内容直接保存到数据库以便于管理、查询。上一页返回9.6虚拟装配技术

虚拟装配是综合利用虚拟现实技术、计算机图形学、人工智能技术和仿真等技术，在虚拟环境下对产品的装配过程和装配结果进行仿真与分析，从而达到检验、评价和预测产品的可装配性并对产品的装配顺序、装配路径、装配方法、装配资源、人因工程等相关问题进行辅助分析和决策的方法。虚拟装配技术的研究始于20世纪90年代中前期，以德国、美国为代表。德国Fraunhofe:工业工程研究所(IAO)开发了一个虚拟装配规划原型系统，支持通过虚拟人体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作，并综合考虑装配特征和其他装配条件(如装配空间的制约、装配零件供应以及必需的装配工具)对产品装配的影响。华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所NIST合作开发了虚拟装配设计环境VADE(VirtualAssemblyDesignEnvironment)，主要目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境来探索产品装配中运用虚拟现实技术的可能性。下一页返回9.6虚拟装配技术

德国Bielefeld大学B.Jung等将虚拟现实交互技术与人工智能技术相结合，基于结构工具箱(ConstructionFits)的概念建立了一个虚拟装配系统CODY。另外美国Iowa州立大学和Wisconsin-Madison大学、英国Heriot-Watt大学、希腊Patra*大学、加拿大Windso:大学、德国BMW公司、美国Northrop公司和波音公司等也都相继开展了虚拟装配技术的研究与应用，取得了不错的效果。根据德国FraunhoferIPT的研究表明:大约2/3的工业用户在一个星期中三大以上用到虚拟现实设备，而大约39%的用户几乎大大在使用，这一数据也证明了虚拟现实技术在德国工业已经得到了一定范围的应用。国内开展虚拟装配技术的研究始于20世纪90年代后期，浙江大学、北京理工大学、上海交通大学、华中科技大学、清华大学、西北工业大学等单位在虚拟装配及其关键技术研究与开发方面都进行了卓有成效的研究，并提出了许多有价值的新理论和新方法。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

虚拟装配技术主要实现两个方面的应用目标:(1)对设计结果进行验证，实现面向装配的设计。其研究包括产品的装配建模、装配序列自动推理、可装酉t‘./可拆卸性分析评估、装配过程干涉碰撞检查、机构运动分析、装配公差分析与综合等，其主要从几何的角度来检验产品结构设计及装配序列和装配路径制订的合理性。

(2)进行虚拟装配工艺规划，用于指导实际生产。其研究包括产品装配顺序和路径的确定、装配力和装配变形分析、装配工装的使用和管理、装配过程的人因工程分析，装配现场的管理等，它主要基于虚拟环境，并利用各种人机交互手段，从过程和物理特性的角度来实时地模拟装配现场和装配过程中可能出现的各种问题和现象。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

在1965年在IFIP会议上，由计算机图形学之父IvanSutherland提出，他在“TheUltimateDisplay(终极的显示)”的报告中指出了一项富有挑战性的计算机图形学研究课题。他指出，人们可以把显示屏当作一个窗口来观察一个虚拟世界。其挑战性在于窗口中的图像必须看起来真实，听起来真实，而且其中物体的行为也很真实。这一思想奠定了VR研究的基础。1989年，美国VPL公司创建人拉尼尔(JaronLanier)正式提出了“VirtualReality”的概念，指出VR是指综合利用计算机系统和各种特殊的软、硬件来产生一种可以替代现实世界和环境的仿真环境，这个环境从用户感官角度来说是真实的和可信的。1990年的Singgraph会议重点对VR主题进行了讨论，明确提出了VR技术的三个主要内容，即实时的三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术。

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一个典型的虚拟现实系统主要由三部分组成:(1)用来生成虚拟环境的计算机

(2)一个或多个计算机操作人员。

(3)用来与虚拟环境交互的人机界面

图9一23描述了一个较为典型的虚拟现实系统，利用该系统能给人提供一种虚幻的现场感的综合环境。尽管VR技术源自于三维交互式图形学，但目前它已发展成一门相对独立的学科。较之与传统的计算机图形学与计算机仿真，虚拟现实系统具有以下几个特点:(1)沉浸感(Immersion)沉浸感是指用户所感知的虚拟环境是三维的、立体的，其感知的信息是多通道的，即用户能获得视觉、听觉、触觉等多种反馈信息。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

对于视觉输出方面，虚拟现实系统提供了立体显示模式，用户只需佩带头盔或立体眼镜等设备即可如同在现实世界中一样获得物体的三维视觉。在声音反馈方面，虚拟现实系统提供了三维声(3DSound)，使用户更准确地感受物体所在的方位。触觉反馈(有时也称为力反馈)让用户在虚拟环境中触摸、抓取、移动景物时感受到物体的反作用力。

(2)交互性(Interactivity)所谓交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵虚拟环境中的物体，并改变其方位、属性或当前的运动状态。不同于基于二维菜单选项和命令输入等传统的交互方式，在虚拟环境中，物体的界面常常就是其自身，用户可采用直接三维操作和手势、语音等多通道信息来表达自己的意图。

(3)实时性(Real一time)虚拟环境的最终目标是模拟真实的物理世界，因此虚拟现实系统应能按用户当前的视点位置和视线方向，实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面，并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听觉和触觉/力觉响应。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术9.6.3虚拟装配系统的技术体系结构虚拟装配技术强调提高产品装配性能，而产品的可装配性、装配质量和装配效率等并不只决定于最终的装配过程本身，设计、制造等产品生命周期中其他环节对产品可装配性也具有决定性的影响，而且在产品开发过程中，对可装配性问题考虑的越早，其所产生的成本、时间、质量效益就越明显，这就要求从产品生命周期的角度来对各种潜在的装配问题进行分析和决策。基于产品全生命周期的思想，从“可装配性设计原则”、“可装配性分析评价”和“装配过程仿真”三个方面出发，建立的虚拟装配技术体系结构如图9一24所示。体系结构的底层是虚拟装配模型、装配规则和知识，它是开展虚拟装配分析的数据基础，是所有相关分析活动的研究和分析对象。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

虚拟装配涵盖产品设计周期中与装配有关的多个环节，每个环节有自身不同的侧重点，如结构设计考虑结构可装配性，详细设计考虑装配连接关系、装配公差等，生产设计考虑装配工装、装配顺序、装配路径等工艺的可行性和最优性，维修和报废则考虑产品的可拆卸性。虚拟装配为不同的环节提供了相对应的理论、方法和工具，并通过一致性、相关性实现全局产品装配性能最优。在虚拟装配技术体系结构中，虚拟装配被划分为四个要素:①可装配性设计原则:设计思想，设计规范，设计原则和方法。②可装配性分析与评价体系:评价因素和评价方法。③虚拟装配模型:虚拟装配的工作对象。④虚拟装配支撑环境:装配过程仿真、分析的手段和工具集。

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虚拟装配的这四个要素，作用于产品开发周期中与装配有关的各个环节。可装配性设计原则是在总结领域专家经验的基础上形成的一套用来提高产品可装配性能的设计指南，通过该设计指南来指导产品的设计，可以从源头上有效保证产品的装配设计质量。可装配性分析与评价体系为评价产品及过程的可装配性提供了一套系统的评价指标集合以及这些评价指标的计算和分析方法，以便在设计的各阶段中及时发现存在的问题。虚拟装配模型是进行虚拟装配分析的数据基础，支持产品生命周期中与装配有关的活动过程，并能有效地存取所需的各种信息。虚拟装配支撑环境则提供了一组计算机软、硬件工具，以辅助产品相关可装配性分析、优化及装配规划活动的展开。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

虚拟装配的分析评价过程与产品设计过程是并行交叉地展开的:一方面设计信息通过集成产品开发机制和工作流管理在不同设计环节之间传递;另一方面，不同环节可装配性分析的结果将不断反馈给相应的设计阶段，以进行设计修改。针对不同的环节，虚拟装配系统提供不同类型的分析、评价和决策工具。虚拟装配模型、虚拟可装配性分析与评价、虚拟装配工艺规划和虚拟装配系统规划是虚拟装配系统的四大主要组成部分。

1.虚拟装配模型虚拟装配模型的核心问题是解决如何在计算机中表达和存储产品装配信息，使之能够全面支持产品的设计过程，并为后续的可装配性分析与评价、装配工艺规划、装配系统规划、装配仿真等环节提供所需的信息数据。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

虚拟装配模型是一种集成化的信息模型，作为产品生命周期模型的子集，它应该支持广义产品设计中与装配有关的活动过程(如可装配性分析与评价、装配工艺规划等)，能有效地存取所需的各种信息。不仅要考虑装配零部件的几何特征、管理属性信息和物理特征信息，还要考虑装配工艺信息;不仅要能处理系统的输入信息，还应能处理设计过程中的中间信息和结果信息。因此，虚拟装配模型将随着设计过程的推进而逐步丰富和完善。目前，零部件物理特性以及公差特性建模是虚拟装配模型研究的两个重点和难点。零部件物理特性建模主要研究如何在虚拟环境下表达零部件的质量、重心、密度、硬度、材质、摩擦系数、速度、加速度、转动惯量等特性;如何表示变形物体，以及在外界作用下变形物体发生变化时的视觉、触觉等感知反馈等内容。零部件物理特性建模是提高虚拟装配沉浸感和可操作性的关键技术。上一页下一页返回9.6虚拟装配技术

对公差特性进行建模，建立带公差的虚拟装配模型是虚拟装配走向实用化的必然要求。目前虚拟装配的研究对象大都是基于公称尺寸和理想形状的零部件模型，而没有考虑公差的影响，这与工程实际有很大出入。另外，目前的公差只是作为一种特性和数据存在，而没有显示地表达出来，因此人们无法直观形象地观察和分析零部件的公差大小以及公差变化对产品装配结果的影响情况，一定程度上影响了虚拟装配分析的效率。

2.虚拟可装配性分析与评价建立一个虚拟环境下的可装配性分析与评价体系是虚拟装配分析与评价的研究重点。可装配性分析与评价体系