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船用柴油机可视3D装配工艺设计与仿真研究
摘要 鉴于造船业传统装配工艺设计模型落后这一现状，船用柴油机视觉装配工艺设计与仿真的研究可以为船用柴油机制造模型提供一种有效的创新方式。本文研究了结构装配过程设计和装配过程仿真等关键技术，并且遵循统一数据源的原则，通过在Teamcenter和Vis MockUp平台上的独立开发和应用，消除了可视化3D装配过程设计和仿真集成中的障碍，率先将整个船用柴油机装配模型从二维转换为三维，使过程验证和评估方法更加先进。最后，以某船用柴油机关键部件为例，验证了装配工艺设计系统的可行性，提高了船用柴油机装配工艺设计的稳定性和可靠性。
关键词 船用柴油机·可视化·装配工艺设计·工艺模拟·工艺资源
1 引言
船用柴油机作为船舶的核心设备，具有热效率高、油耗低、功率和转速范围广、功率容积比低、功率质量比低的特点。柴油机性能与整艘船的性能直接相关，作为船用柴油机生产中的重要环节，其组装成本占总生产成本的近50％。因此，组装工艺设计的效率在整个组装和制造过程中起着至关重要的作用[1,2]。船用柴油机作为一种典型的复杂产品，具有结构复杂，体积大，功能模块多的特点。但是，国内船用柴油机制造企业的装配工艺设计主要是基于二维平面，而三维模型仅用作辅助工具。在这种模式下，将很难表达组装信息，信息识别及其传递与实际制造信息和组装干扰问题脱节，这对实际船用柴油机的组装提出了巨大的挑战[3]。
鉴于此类产品过程设计的复杂，许多大型企业都引入了三维CAD系统，从而使三维系统得到了广泛的应用[4]。但是，作为企业信息集成系统的重要组成部分，计算机辅助过程计划（CAPP）仍由二维CAD图形信息设计，这些方法仍然无法实现动态数据交换。近年来，国内外许多学者对数字装配进行了相关研究[5,6]。在装配中序列和路径的排列领域进行了大量研究[7]，并提出了蚁群算法[8]，视觉现实方法[9,10]，基于物联网的方法[11]，搜索方法[12,13]，重排方法[14]，遗传算法[15-17]，图像算法[18-20]，基本算法，免疫算法[21]等。此外，Christiand等人[22]开发的智能的虚拟装配系统能够减少装配时间和行进距离。Yand等人 [23]和Yao等人 [24]已经成功开发了基于VR的仿真系统，该系统可以交互式约束识别零件路径以辅助虚拟装配工作，他们的工作重点在于实现虚拟装配（VA）中约束识别和处理管理中的细节。通过这些系统，可以在组装者进行几次组装模拟以验证特定组装工作的总体过程之后，建立组装顺序计划。 Raghavan等人[25]提出了一种基于交互式虚拟装配的装配计划解决方案,根据该解决方案，可以通过交互式装配操作捕捉动作以进行实际的装配操作。上述方法虽然在理论上具有创新性，但它们并不适用于诸如具有多种零件且装配过程复杂的船用柴油机之类的产品，容易受到干扰。
此外，目前大多数装配工艺设计系统与装配仿真系统都是独立的。当然，对于装配机械的设计和仿真集成平台的探索已经取得了一些进展。西北工业大学软件研究所[26]构建了飞机3D数字装配流程设计与管理系统，并将其集成到PDM系统。从而实现了飞机装配过程的3D视觉规划和集成数据管理，提高了飞机3D数字装配过程的设计和管理的标准、质量和效率。与数字装配技术在飞机制造中的应用研究相比，针对船用柴油机的数字装配技术的研究仍然在深入性和全面性方面落后于船舶制造行业。因此，目前迫切需要突破3D工艺设计技术研究的瓶颈，并将其扩展到船用柴油机制造领域，以解决设计过程冗长，评估手段过时，制造成本高，协调性差的问题。针对上述问题，本文以统一数据源为出发点，根据规则定义EBOM层次结构，以汇编代码转换的形式描述汇编序列和层次结构关系。然后分析流程资源的分类和建模规则，建立统一平台下的3D流程资源库。接下来使用专业的工具和资源来设计详细的结构装配过程并构建过程模型，从而实现统一过程数据源的迭代生成和传递共享。最后，结合过程设计和仿真的集成方法，以更可靠的装配仿真代替专家经验，验证和评估装配过程，从而为可视化装配工艺设计的集成搭建桥梁与模拟。
2 基于规则的BOM转换技术
BOM转换在产品设计和制造中是不可避免的，其转换关系、规则和方法直接影响产品过程设计的持续时间及其他重要环节。本文构建了多个BOM中的零件分配规则和结构转换流程，通过提出迭代优化关系来描述多个BOM之间的关系，提出了基于装配代码的装配级和序列表达方式，并研究了从EBOM到PBOM的转变的装配方法和装配顺序。
2.1 BOM中的零件划分和结构转换
作为一种数据结构，BOM（物料清单）通常使用结构化方式来定义待组装的产品所需材料的数据信息以及在制造过程中的相互关系，其核心则在于所有产品之间的联系及多BOM结构中的父节点与子节点[29]。考虑到船用柴油机的复杂结构和各种功能，在工艺设计准备的不同阶段，物料清单可分为工程物料清单（EBOM），工艺物料清单（PBOM）和制造物料清单（MBOM）。
- EBOM由设计部门制作，在工程设计阶段显示产品的结构。产品设计师根据产品的功能单元，模块的专业特性，相关法规和标准等确定零件的层次结构，并通过产品结构视图表达产品设计的目的，并以此作为产品过程设计的数据源。
- PBOM的构建实际上是对EBOM的改进。PBOM以EBOM为结构装配工艺设计的基础，在考虑了产品结构特征、装配顺序、企业的制造资源和产能、3D工艺设计的相关规定以及其他限制后，将其构造3d可视化的结构形式。
- MBOM是基于PBOM的产品结构的进一步重构。MBOM可以分为上层MBOM和下层MBOM。上层MBOM由多层组装过程单元组成，反映了上层组装过程设计的结果。而下层的MBOM则包含有关零件，工具附件等的详细信息，并反映了产品组装过程中总的材料资源。
BOM视图主要由BOM属性和BOM结构关系两部分组成。BOM属性信息的转换相对稳定且唯一，而BOM结构关系的转换则比较复杂。结合企业现状，提出船用柴油机零件主要分为EBOM，PBOM和MBOM的继承零件，外包零件，视觉零件，中间零件和粗分类零件。具体的分类规则如下：（1）继承零件：EBOM中的装配关系与PBOM和MBOM中的装配关系完全相同的零件。（2）外包零件：完全由制造类型决定的零件。零件及其下级零件的制造类型在PBOM中被描述为外包处理，而下级零件都不会出现在PBOM中[32,33]。（3）视觉零件：未生产或未在实际生产中存储的零件。EBOM中有视觉部分的记录，而PBOM中没有记录。（4）中间零件：在实际生产中需要按过程要求制造和存放的零件。中间部分在PBOM中有记录，但在EBOM中没有记录。（5）粗分类零件：根据企业的生产状况，在EBOM中粗分类的零件，在PBOM和MBOM中需要进一步细化的零件。EBOM，PBOM和MBOM中所有部分的分类以及结构转换如图1所示。
图1 多个BOM之间的转换
2.2 基于汇编代码转码的EBOM到PBOM转换
为了简化和阐明节点层次结构和序列关系之间的连接，在EBOM中实现了基本组件的划分和转换，同时将所有组件的节点和组件或相应组装的部分的EBOM以及转码也作为基本属性，使其成为组装基于PBOM代码的EBOM的实现依据。
根据柴油机的实际装配特性，构造转码依照最小节点规则
- X代表柴油机的类型，后跟数字表示的转码，位数由生产要求、企业规范等决定；
- 第一，第二至99个奇数编号（大于99的数字带有字母a，B，C ...等），作为汇编过程的代码转换编号，并为随后的数字0的组件的汇编表示01;
- 第三，第四位写作至01到99（超过99个单数由字母a，B，C组成，作为续集...）表示组装过程，代码转换的组装过程，第一、第二次加载结束，第一次处理成第一、第二位数，其后两位为0；
- 第五，第六写作01到99（超过99个单数由字母a，B，C组成，作为续集...），进行转码转码，第一、第二、第三、第四表示为第一组装过程结束后的时间进入装载过程的第一，第二，第三，四位数；
- ZP根据不同的装配对象表示不同的装配类型。 其中，“ J”表示机械部件的安装，“ G”表示管道配件的安装，“ D”表示电气部件的安装。
在统一数据源的需求下，EBOM中组件装配代码转换的结构化表达为从EBOM到PBOM的转换提供了基础。假设组件级别为4层，则通过遍历根节点下所有组件的组件转码来实现基于组件转码的PBOM转换。
3 结构过程设计的方法和工艺
结构过程设计非常复杂，主要是指产品、过程和资源等各种数据和信息的集成、使用和连接，以及充分表达产品组装内容的过程模型的构建。本文提出了一种基于统一数据源的3D结构工艺设计方法，它以数据集或其他形式使用各种信息和数据，在产品模型库和过程资源库的支持下动态集成地构建过程模型和装配过程结构树，并使用唯一的产品资源处理数据源，以提高向下游系统传送数据的准确性和稳定性。
3.1 3D工艺资源库的设计
在传统的2D装配过程设计模型中，工艺资源的3D模型和2D属性信息往往是分离的，工艺资源的无序管理直接导致装配过程设计的效率低下。在整体3D装配过程规划的前提下，建立3D过程资源库可以提高过程资源的搜索、调用和学习效率，成为结构过程设计和仿真的重要组成部分。
通过构建具有完整表达和合理结构的装配过程资源数据模型，可以有效地描述各种数据之间的内部和外部相关性。本文提出将钳子、量具、工具、设备和附件分类为过程资源的范围，并为它们提供统一的分类描述。可以从对象ID、对象名称、对象编号、适用类型等方面对3D过程资源进行结构化静态描述，并且可以通过类别名称和类别ID描述过程资源的级别分类。同时，通过将轻量级的3D模型、设计设计的2D图形和快照与过程资源对象ID相关联，可以实现过程资源的可视化表达。不同类型的过程资源通过层次关系和类别关系聚集在一起，并以结构树的形式形成整个过程资源库。工艺资源数据模型如图2所示。
图2 过程资源数据模型
3.2 3D结构工艺设计
作为集成了各种属性信息的信息模型，装配工艺模型是装配工艺的结构设计和表达的重要基础，也是装配工艺仿真的重要数据源[34]。本文研究的装配工艺模型是针对复杂的船用柴油机装配开展的。在装配工艺设计和仿真工艺中，将使用装配工艺模型中的所有信息，并产生新的工艺数据信息。工艺模型的演化将贯穿整个组装工艺，工艺模型将动态交换并有效地集成在组装工艺中产生的各种工艺数据信息。
为了使装配工艺模型能够满足信息完整性，数据集成、信息交换的高效性和信息动态性的要求，本文提出建立适用于船用柴油机装配工艺设计的装配工艺模型。根据装配工艺模型的信息内容和建模方法，可以将装配工艺模型PM的数学定义描述为：
其中，在要组装的零件PPOj的组装工艺中，第j个工艺的工艺属性信息，包括工艺名称、工艺编号、版本、设计者等；PPRi是组装工艺中工艺节点下的第i个工艺的模式，主要包括工艺属性信息、零件信息模型、工艺资源模型、工艺内容信息和工艺模拟信息。
程序模型通过关联关系构成装配模型。工艺模型PPR的数学定义可以描述为：
其中，Atrk-程序属性信息包括工艺名称、工艺编号、版本、设计器等。
Partl-零件信息模型，包括产品设计模型，标签信息，属性信息（材料，数量，组件转码等）
Resr-与零件装配相关的工艺资源模型，包括资源编号，名称，数量，类别，适用类型等。
Wors-处理与装配有关的内容信息，包括操作要求，参考文件等。
三维结构装配工艺设计基于装配工艺模型的建模方法,在物料清单转换的基础上，构建了可以表示装配水平、装配顺序和各种属性的装配工艺结构树。组装模型和工艺资源模型的组合中包含的组装工艺属性信息，数据收集中的组装操作信息与工艺仿真信息形成合理的集成、分类与联系，并以节点的形式表示。装配工艺结构树也是后续装配工艺仿真的直接数据源。在装配工艺的设计和仿真工艺中，可以通过改变装配结构树的节点信息来实现数据信息的动态转换。最后，我们构建了适用于船用柴油机装配工艺整体规划的装配工艺结构树，如图3所示。
图3 组装工艺结构树
系统中的模块相互独立且相互连接，使得一般流程结构装配工艺的设计对于整个装配工艺计划系统的独立开发和应用是十分必要的。对于从流程分配到BOM转换、结构流程设计、装配流程模拟验证、技术程序的生产和修订以及流程发布的一般流程也同样重要。该设计以流程设计为核心，图4显示了结构装配流程计划的特定一般流程。
图4 结构装配工艺设计的一般流程
3.3 装配工艺规划与仿真的集成设计
装配工艺规划系统是工艺仿真系统上游数据信息的输出源和管理平台，提供了工艺设计与仿真之间的闭环数据交换机制。PDM Teamcenter和模拟MockUp之间的无缝接口可以实现数据交换、共享和管理，已开发用于实现柴油关键部件的工艺设计和工艺模拟。
产品组装设计工艺数据基于组
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