1 引言
傳統(tǒng)的裝配工藝文件以文字描述方式為主，操作人員在裝配時需要按照工藝文件的要求，同時參照圖紙，理解空間裝配關系。對于復雜產(chǎn)品的裝配，需要大量的識圖、理解工藝要求的時間；另外，圖紙、工藝附圖采用的三視圖對某些特殊產(chǎn)品的安裝形式很難描述清楚，保證產(chǎn)品裝配一致非常困難。
三維裝配工藝設計系統(tǒng)提供了一個集文字、圖片、動畫于一體的可視化裝配工藝設計環(huán)境，裝配工藝規(guī)劃人員利用產(chǎn)品的三維CAD模型，對產(chǎn)品的裝配工藝過程進行交互式的定義和分析。該系統(tǒng)以動畫加文字說明的形式規(guī)定出產(chǎn)品的裝配順序、方法及其工藝裝備、裝配注意事項等信息，可視化地指導操作人員裝配或者進行崗前培訓。按產(chǎn)品實際裝配順序將每個工步的裝配信息（包括裝配過程動畫文件、裝入件清單、工藝裝備、注意事項等信息）展示給操作人員，操作人員按該系統(tǒng)的要求一步步操作即能完成產(chǎn)品裝配。
在各式機械的傳動系統(tǒng)中，減速機的應用范圍相當廣泛，從交通工具的船舶、汽車、機車，建筑用的重型機具，機械工業(yè)所用的加工機具及自動化生產(chǎn)設備，到日常生活中常見的家電、鐘表等，其應用從大動力的傳輸工作，到小負荷、精確的角度傳輸，都可以見到減速機的蹤跡。其中蝸輪蝸桿減速機十分常見，其基本結構主要由傳動零件蝸輪蝸桿、軸、軸承、箱體及其附件構成，主要作用傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，軸承與軸主要作用是動力傳遞、運轉并提高效率。
筆者通過開目公司的3DCAPP-A系統(tǒng)進行減速機裝配工藝設計，以三維工藝來指導裝配，使裝配人員能更加直觀、準確、高效地完成裝配工作，為企業(yè)提高裝配質量和效率，降低裝配時間和成本，帶來革命性進步。
2 三維裝配工藝設計
2.1 裝配模型導入
三維產(chǎn)品模型是實現(xiàn)裝配工藝規(guī)劃的基礎與前提。三維CAD模型中包含了產(chǎn)品的各種信息，如管理屬性信息、層次結構信息、零部件幾何信息、裝配關系信息、空間位置和姿態(tài)描述信息等，在定義產(chǎn)品裝配結構時，首先將三維產(chǎn)品模型讀入系統(tǒng)，提取相應的信息，并以裝配結構樹的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中；其次，對產(chǎn)品模型進行一定的簡化處理，如根據(jù)產(chǎn)品結構的層次關系，通過人機交互的方式選取子裝配體；此外，對于像螺栓、螺母、墊圈等緊固件連接，其裝配順序是固定的，因此對裝配順序固定的某些小裝配體可以在產(chǎn)品BOM中合并為一個零件，以此達到簡化模型的目的；最后，根據(jù)獲得的裝配體裝配關系，生成裝配結構，并以裝配關聯(lián)矩陣的形式進行存儲。
通過裝配結構定義，將設計模型調(diào)整為裝配模型。定義好的裝配結構中，裝配體分解為不同層次的子裝配體，子裝配體又可以分解成若干子裝配體和零件，表現(xiàn)為一定的層次性。通常用裝配樹來直觀的表達裝配體之間的這種層次關系，如下圖所示。
2.2 裝配過程規(guī)劃
根據(jù)裝配的工藝性原則，將設計產(chǎn)品結構調(diào)整為滿足裝配工藝要求的工藝產(chǎn)品結構后，開始規(guī)劃整個裝配的具體過程和細節(jié)。通過裝配過程定義及管理功能，規(guī)劃裝配的每一道裝配工序或檢測工序（也稱“裝配步驟”），指定每一道工序裝配的零部件清單（也稱“裝配對象”），定義工序的各個工步（也稱“裝配活動”），按照拆卸的方式，為裝配對象定義直線、旋轉、螺旋、平動、牽引、徑向六種運動，并支持典型運動。
在拆卸產(chǎn)品的過程中，使用如扳手、螺絲刀等工藝裝備，并定義使用工藝裝備拆卸產(chǎn)品零部件的詳細細節(jié)，指定工序的工序名稱、內(nèi)容，通過自定義屬性定義裝配的各種信息，包括裝配方法、注意事項、檢驗方法等等，產(chǎn)生完善的裝配數(shù)據(jù)信息。
2.2.1 裝配工序定義
在產(chǎn)品裝配結構上進行裝配過程規(guī)劃時，先定義當前的裝配工序。開始一個工序的定義，首先選定本工序要裝哪些件，除了產(chǎn)品的直屬件外，還有前面工序裝配后的結果（工序合件）。合件是在上個步驟中已經(jīng)裝好的零部件對象，一般作為整體參與下個步驟的裝配活動，若需要合件中的零件參與下個步驟裝配時，也可以添加合件中的零部件作為后續(xù)某工序的裝配對象。已經(jīng)裝過了的不會被重復選中。
選定本工序的裝配件后，定義零部件的裝配過程。一個零部件的裝配過程分為多個活動。零部件的裝配活動可以有多種，可以沿著一個坐標軸線移動，可以在一個坐標面內(nèi)平動，可以繞著一個軸轉動，可以定義繞一個坐標軸做螺旋運動（螺釘、螺帽的運動），可以是拉著零部件的一個點在指定的座標平面內(nèi)作拖曳運動，可以指定零部件上的一根軸線做徑向運動，或垂直這根軸線做周向運動（放射狀）。活動由一個或多個軌跡組成，軌跡按照運動方式的不同分為：直線運動、平動運動、旋轉運動、螺旋運動、牽引運動、徑向運動、周向運動、典型運動。組合起來表示出零部件的安裝軌跡。例如某螺帽，安裝時可能是先平動到螺栓上，然后螺旋運動到壓緊狀態(tài)。系統(tǒng)實現(xiàn)界面如下所示。
圖2 定義裝配動作
2.2.2 裝配節(jié)拍規(guī)劃與調(diào)整
為了更加真實的仿真裝配的實際過程，輔助計算裝配過程各工序的實際時間，系統(tǒng)提供了調(diào)整裝配活動順序及時間功能，該功能將步驟中的每一個活動視為一個任務，以甘特圖的形式展示給用戶，用戶可以調(diào)整每個活動的開始時間，結束時間，定義各活動的先后關聯(lián)順序，達到模擬并行裝配場景的目的，并輔助用戶進行裝配節(jié)拍計算。
這樣，對于一些關鍵的裝配活動可以適當延長其仿真時間以供仔細查看，而對于一些重復性的裝配活動，如連續(xù)裝配數(shù)個相同零件時，可以適當加快仿真時間，為了達到更加智能的活動順序調(diào)整，系統(tǒng)還支持調(diào)整幾個活動同時開始或同時結束。系統(tǒng)實現(xiàn)界面如下圖所示。
圖3 調(diào)整裝配活動順序及時間
2.2.3 技術圖解
在以往的裝配工藝中，裝配說明性文字是放在工序說明欄里面的。而在三維環(huán)境中，可以在仿真播放時隨著零部件的裝配過程，同時顯示裝配說明和注意事項等內(nèi)容（例如安裝螺帽時要求的扳手力矩值，稱為注釋），以增強裝配過程的描述，提高裝配仿真的實用性。
技術圖解功能集可實現(xiàn)多種類型的注釋，包括各類標簽、標記、文本、圖像、序號標注、BOM表格、尺寸測量、局部放大，這些注釋顯示的時機可以定義，既可以在整道工序中出現(xiàn)，也可以在安裝某零件時出現(xiàn)。序號標注、BOM表格的實現(xiàn)界面如下圖所示。
圖4 序號標注、BOM表格
2.2.4 機構運動仿真
機構運動仿真能夠可視化展示三維模型的機構運動原理，并能驗證復雜機構運動過程中的運動干涉情況。主要包括連桿運動仿真、齒輪運動仿真及凸輪運動仿真。
以齒輪運動仿真為例，定義齒輪運動仿真時，首先定義工作件（傳動軸）與齒輪的約束關系、主動輪與從動輪的約束關系，然后定義齒輪運動中工作件繞固定軸的運動軌跡。齒輪運動仿真的實現(xiàn)界面如下圖所示。
圖5 定義齒輪運動仿真
2.2.5 裝配仿真功能
當裝配過程定義完成后，可以通過仿真播放功能進行減速機裝配和拆卸的仿真播放。仿真播放過程中，還可以錄像，錄像生成錄像片段后，通過播放工具進行減速機裝配工藝的播放。
2.2.6 三維工藝裝備
減速機裝配過程仿真，不僅可以模擬減速機的零部件如何被裝配的完整過程，還能夠模擬如何借助工藝裝備進行減速機裝配的過程。首先需要在工藝資源管理器中，建立一些在減速機裝配過程中需要用到的三維工藝裝備模型庫（包括：工具、夾具、量具等），然后在可視化裝配活動定義過程中，引入這些工藝裝備，安裝工藝裝備，定義裝備的活動（使用工藝裝備拆卸產(chǎn)品零部件），最后拆除工藝裝備，這樣系統(tǒng)就能夠模仿使用工藝裝備裝配減速機零部件的完整過程了。三維工藝資源庫如下圖所示。
圖6 三維工藝資源庫
3DCAPP-A提供常用的標準工具工裝、以及標準件庫，比如扳手、起子等。企業(yè)的專用工具或工裝可以通過交互操作進行模型的入庫操作，通過開目的三維工藝資源管理器提供的功能進行工具工裝庫的自維護。
2.2.7 裝配工藝性評價
減速機裝配仿真的過程中，通過系統(tǒng)提供的動態(tài)干涉檢查功能，檢查產(chǎn)品設計、裝配工藝規(guī)劃的合理性，幫助在產(chǎn)品生命周期早期，發(fā)現(xiàn)減速機設計缺陷及裝配工藝設計缺陷，縮短設計周期。
統(tǒng)支持減速機設計時干涉檢查（即進行裝配過程定義時，用戶可以檢查某個活動是否發(fā)生干涉），仿真時動態(tài)干涉檢查以及靜態(tài)干涉檢查。
2.2.8 裝配工藝文檔填寫
減速機裝配工序定義完成后，在屬性區(qū)顯示工序名稱，可輸入文字性的工序內(nèi)容說明。減速機裝配活動內(nèi)容填寫在活動節(jié)點的屬性區(qū)中填寫，同步驟內(nèi)容填寫。
2.3 工藝信息發(fā)布
減速機裝配工藝設計完成后，KM3DCAPP-A提供了幾種發(fā)布輸出的方式：
1）三維輕量化裝配工藝文件
2）AVI文件
3）PDF文件
4）二維CAPP卡片文件，系統(tǒng)根據(jù)配置可以自動產(chǎn)生二維工藝卡片文件，自動填寫工序號、工序名稱、工序內(nèi)容、工步名稱、工步內(nèi)容、配套件清單、工藝簡圖以及其它自定義的屬性數(shù)據(jù)，如圖7所示。
圖7 減速機裝配工藝文件瀏覽
3 結束語
三維裝配工藝設計系統(tǒng)3DCAPP是三維CAD在企業(yè)的深化應用，提高了筆者進行減速機裝配工藝設計的效率，減速機圖形化的裝配文件深受使用者的喜愛。系統(tǒng)加快了新型減速機產(chǎn)品上市速度，增強企業(yè)對市場的快速反應能力。三維裝配工藝設計系統(tǒng)的應用對于機械制造行業(yè)而言，是一種裝配工藝設計模式的創(chuàng)新。
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本文標題：三維裝配工藝設計系統(tǒng)（3DCAPP）在減速機行業(yè)的應用
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