基于SolidWorks的CAPP系统的可视化装配决策

　　1 引言

　　SolidWorks三维设计软件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是当今市场上份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。除少数行业需NX、PRO/E、CATIA等高档CAD软件外，中档的SolidWorks软件完全可以满足中小企业的应用，其装配分析基本满足中小企业的要求。而计算机辅助的三维可视化装配技术是在三维设计软件的平台上，对零部件模型按约束关系进行重新定位，并对其装配工艺过程进行参数化模拟仿真，检验产品工艺装配的可行性及正确性。

　　笔者主要是在SolidWorks平台上，针对三维可视化装配CAPP系统的工艺装配决策做了6点关键技术的分析和研究，为基于SolidWorks的可视化装配CAPP系统的开发提供技术基础。

　　2 三维装配工艺顺序规划的决策

　　装配顺序规划主要研究装配顺序的生成及其几何可行性分析，而几何可行性就是避免装配操作过程中装配单元发生几何干涉。笔者根据“可拆即可装”的原理，即“以拆卸顺序的逆序作为产品的装配顺序”进行分析研究。并规定限制零部件拆卸的主要因素是物理装配约束，通常情况下物理装配约束可归结为面贴合约束和轴配合约束两种约束，并简化零部件的自由度为12个方向，即沿+X，+Y，+Z，-X，-Y与-Z 6个方向的平动，和绕上述3个轴的转动(遵从右手法则，左转为负)，提出了基于邻接约束图的方法来描述产品零部件间的物理装配约束关系。

　　邻接约束图(Connectivity Constraints Graph)CCG，是一种表达装配体零件装配约束关系和支撑关系的多重部分有向图，其形式为：

　　CCG(P，C)

　　假设某产品有n个零件组成时，其中上式P为节点集，P={p1，p2，…，pn}，C为边集，C={c1，c2，…，cn}，ck∈{AF1ij，AF2ij，…，AFmijij}，i，j∈{p1，p2，…，pn}，其中k∈{1，2，…，}，mij为在零件Pi和零件Pj之间的装配特征矩阵数目，每一个装配特征对应一个装配约束，n为在CCG中的装配特征的总数。

　　根据“可拆即可装”的原则，通过记录零件被拆卸的顺序来描述装配体的拆卸序列，继而确定该装配体的装配工艺顺序，通过装配空间中各零部件的位姿描述矩阵和装配空间中各零部件的位姿变换矩阵来表达、记录及规划装配过程工艺顺序。

　　3 三维装配工艺路径规划的决策

　　在装配工艺规划中，装配顺序规划确定了零部件的装配顺序，但具体的装配路径需要装配路径规划分析与求解。装配路径规划的基本依据是，零件的运动包络体在不和周围物体发生干涉的情况下，装配路径尽量最短。装配路径规划在实现方式上主要是通过装配元件配合面的装配关系以及装配顺序自动计算路径规划，即“可拆即可装”的原则，以及空间方位求解的可视图法，将装配体拆卸路径的逆序作为装配路径，通过记录装配体拆卸过程中各零部件的空间位姿、记录它们在空间中运动的轨迹点来描述整个过程的拆卸路径，继而确定该装配体的整个装配路径。

　　4 三维装配过程的干涉检查

　　在虚拟可视化装配过程中，干涉检查按检查层次上的不同，可分为静态干涉检查、动态干涉检查和机构运动干涉检查三个应用层次，体现了产品装配性能的逐步提高。静态干涉检查的目标是装配体自身的干涉检查和公差分析：动态干涉检查是发现和排除装配过程中的干涉，在产品装配过程中根据零部件的装配路径、装配关系和约束条件进行装配姿态调整、修改，保证零部件能按照一定的顺序和路径装配成具体的产品：机构运动干涉是分析机构运动性能，仿真机构运动，保证产品的运动构件工作时不与周围零部件发生碰撞干涉。根据SolidWorks提供的AssemlyDoc.ToolsChecklnterference2，通过干涉检查算法和干涉检查矩阵来判断装配过程中两个SLDWorks.Solid实体之间是否存在相互干涉的部分，从而提前对可能出现的问题做出准确的预测和改进。

　　5 三维装配过程的几何推理

　　三维装配过程的几何推理主要是通过基于集成装配干涉矩阵的装配方向自动推理方法，即根据集成干涉检查矩阵，在某一装配状态，某个零件的可行装配方向可以被推导出来，并以此判别整个装配过程是不是可行的。而零件的可装配方向推理可以分为3个步骤：

　　(1)建立待装配零件相对于已装配零件的干涉向量。假设零件Ci是待装配零件，Assembly是在当前装配状态下由m个已装配好的零件组成的临时子装配体，Assembly={p1，p2，…，pn}。]Cj∈Assembly，Vαij{Iijx，Iijy，Iijz}，αij就是零件Ci相对于零件Ci的装配干涉向量，装配干涉向量中的元素都可以在装配体集成干涉矩阵中得到。用这种方法，针对待装配零件Ci，建立其相对临时子装配Assembly中所有零件的装配干涉向量。

　　(2)推导待装配零件的可行装配方向。根据零件的装配方向向量βi，βi={+Iix，+Iiy，+Iiz，-Iix，-Iiy，-Iiz}，βi中的每个元素就分别表达该零件在+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z方向上是否是可装配的。某元素的值为0就表示待装配零件在该方向是可装配的，若为1则表示待装配零件在该方向上装配将发生干涉。

　　(3)在需要判别的装配序列中，如果存在一个没有可行的装配方向的零部件，则该序列整为不可行：若序列中存在多个没有可行装配方向的零部件，就会发生多次干涉。

　　6 三维装配过程优化及评价

　　对于系统装配过程的优化和评价，主要通过基于并行多层次演化算法的方法来确保优化的正确执行。而为了得到最优解，需要调整各个演化控制参数，并需要给出部分可行的装配序列作为演化的起点。首先将可视化拆卸模块产生的拆卸序列逆转为可行的装配序列，该装配序列只是根据人的经验得到的，根据装配过程评价模型的指标有可能不是最优的。但装配过程优化子系统可将这些可行装配序列和一些随机产生的序列合并在一起作为初始种群，并以装配过程评价模型中的装配成本最小化为目标再次参与演化计算，经过演化算法的若干代进化计算，该系统可以在可行装配序列的基础上得到最优的或次最优的装配过程。已经被优化的装配过程，可以再次输入虚拟拆卸/装配环境进行拆卸/装配，以验证优化结果的真实有效性。

　　7 三维装配过程可视化仿真

　　三维可视化装配仿真就是在计算机上模拟产品的实际装配过程，直观展示产品的装配过程和装配方法，且具有多种操作选择方式，如全过程装配或拆卸、单个装配或拆卸操作、单个装配或拆卸操作中的某次运动等：装配过程仿真的关键在于仿真模型能够支持产品开发人员的思维、想象和驾驭能力。设计人员如果能在仿真进行的过程中实时地改变参数，观察仿真结果，并深入了解产品的结构和性能，就能减少参数的修改次数，提高仿真效率。

　　装配仿真的实质就是沿装配顺序规划的路径，对零部件的空间位置进行连续的操作。在装配仿真过程中，主要通过三维图形几何变换矩阵来实现，即：平移矩阵，绕X轴、Y轴、Z轴旋转矩阵以及复合变换矩阵(既有平动变换又有转动变换)。在装配仿真过程中，还要重点考虑零部件由初始位置经空间矩阵变换移动到装配终了位置的过程。

　　8 结语

　　综上所述，基于SolidWorks的三维可视化装配工艺CAPP系统的工艺装配决策技术，能够使设计人员在可视化的环境下使用计算机对产品的三维模型进行试装，从而建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、装配干涉情况和装配空间合理性，并以此形成装配工艺的主体内容，继而形成对实际装配操作有指导意义的装配工艺卡片，使装配工人更加明确装配的任务和过程，从而减少错装，提高装配的速度和一次性成功率。