1 引言
目前，国际上在计算机辅助装配工艺设计方面的研究尚处于起步阶段，基本上属于实验系统范畴，而且重点是较简单零件的机器人装配路径规划研究，尚无针对复杂产品或部件的装配工艺设计研究。本项目以南京第二机床厂生产的数控车床主轴箱为研究对象，成功地开发了数控车床主轴箱装配工艺自动设计系统(SECAAP)。该系统的装配工艺自动生成部分是用PROLOG语言开发的，兼用Foxpro和AutoCAD实现输入输出与生成工序图功能。SECAAP是针对机床行业复杂箱体部件开展装配工艺设计的实用系统，该项目在国内外均是一项开拓性的工作。
2 系统原理和结构
SECAAP系统是基于人工智能理论的装配工艺自动设计系统，该系统充分利用数控车床主轴箱装配的特点，在总结典型副及其装配方法的基础上，建立相应的知识库，利用知识与规则进行推理决策。事实上，装配工艺自动设计系统，其核心部分是装配工艺决策知识与推理机制。装配信息输入系统后，存于动态数据库中。在装配工艺数据库的支持下，根据确定的推理机制，应用相应的决策知识，产生优化的装配工艺(包括装配工序图)。系统的结构如图1所示。
从图1中可以看出，装配工艺自动设计系统的主要组成部分是：装配信息描述、动态数据库、推理机、知识库、工序简图库和工艺数据库等。用户输入的信息由装配任务描述模块以一定数据结构形式存储在动态数据库中，推理机在知识库、工序简图库的支持下，对动态数据库中的装配任务进行工艺推理决策，生成装配工艺信息存于动态数据库中，产生信息输出。
3 装配工艺知识库
知识及知识库的管理质量对于系统的效率和工艺的生成有着极为重要的影响，知识库是SECAAP系统的核心。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具有知识的模块性；知识的结构应体现知识之间的联系。
3.1 装配工艺知识的组织
装配问题是复杂的，与之有关的知识也是多变的。为便于知识的分类存放，应增加知识库的开放性和透明度，使知识库易于管理。SECAAP系统的装配工艺知识主要由如下几方面的知识组成：确定部装装配顺序方面的知识；确定组装装配顺序方面的知识；运动副(如轴承副、齿轮副等)装配方面的知识；联接紧固件(如螺纹联接、销联接等)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。
3.2 知识的表示方法
SECAAP系统以产生式规则的形式表示知识。为便于管理、程序处理和知识库的扩展，我们将规则由概念形式转化为规范的、能为计算机所接受的谓词形式，并将条件和结论等以数字形式储存和表示，即统一为规则号、条件号和结论号，然后在处理过程中根据编号搜索各自对应的具体内容。其谓词结构为：rule(Prl，Pr2，Pr3)，其中Prl，Pr2，Pr3为rule的参数，分别代表了规则号、条件号表(含一个或多个条件号)、结论号。
3.3 知识库的功能
SECAAP系统的知识库可实现以下几类主要功能：建立新知识库；知识库维护；知识库透视等。其中知识库维护包含知识在应用中的各种维护功能，如：知识库浏览、规则查阅、新规则添加、旧规则删除、规则修改、产生规则库文本文件等。
4 装配信息的描述
编制装配工艺规程主要依据三方面原始资料：a.产品装配图及验收技术条件；b.产品生产纲领；c.现有生产条件和标准资料。在SECAAP系统中，后者主要通过对具体生产厂家的处理预先存入数据库，前二者考则需通过信息输入来获得。装配信息描述涉及主要内容包括信息的描述方法及信息描述的语言实现。SECAAP系统的装配信息主要描述以下内容。
4.1 总体装配要求
总体装配要求应描述两类信息：一类是产品号、产品名、部件号、部件名等管理信息；另一类是装配技术要求，在装配图以文字说明的技术要求中，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“装配操作类型一技术要求”和“装配操作类型一使用工具”的对应关系。
4.2 零件表
装配图中零件表内一般列有很多项，而生成工艺文件所需的主要是零件号与零件名之间的联系，信息描述应能表达这种对应关系。
4.3 零件的主要几何数据
虽然零件的几何形状及尺寸影响装配顺序，但并不需要零件的所有几何信息。经分析，只需描述以下内容：
(1)箱体零件中各孔的空间位置、最小直径及孔长。
(2)各轴的总长、两端直径、最大直径、最大直径开始与结束的位置及主要轴段的表面特征。
(3)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。
4.4 箱体内各零件之间的联系
包括连接关系、连接点、连接方法、连接方向及技术要求等。nextpage
对上述信息进行描述时应该具有层次性，逐渐细化。其描述过程如图2所示。
5 装配顺序自动决策
本系统在生成装配顺序时采用的是面向典型装配结构的多级推理，系用数据驱动的正向推理方式。确定装配顺序时分组装、部装两个阶段，按组装(部装)基准件、典型副两个级别进行。在推理决策过程的控制下，在每个推理过程中对各典型副进行分析处理，并调用知识库中的规则，将条件匹配的规则和结论插入动态数据库，进而生成工艺文件。
装配顺序的设计应该分阶段有层次地进行。即从建立整体框架入手，由粗到细，逐渐细化，不断充实与调整，最终生成合理的顺序。其决策过程如图3所示。
5.l 确定基本装配顺序
数控车床主轴箱的装配可分为两部分：先组装、再部装。确定基本装配顺序的工作主要是确定组装时的零件与部装时的零件，并分析组装与部装的潜在装配顺序，从而得到一个大的装配顺序框架。处理过程为：确定各组件组装时的零件或零件副、确定部装时的零件或零件副、确定组装潜在顺序、确定部装潜在顺序。
关于零件副，这是我们为简化问题而提出来的概念，它分为两类，一类实质上可视为是小组件，如皮带轮副与分油器副等，它们内部的装配顺序有固定模式，而对外装配中则表现了其整体性，如轴与齿轮、轴与轴承等，它们的装配顺序已有成熟的方法可循。
5.2 确定零件副装配顺序
零件副的装配顺序按类型分若干典型样本，依具体情况调用并赋相应参数。如：对直接联接电磁离合器的组合齿轮，若基准件是齿轮且齿轮内有轴承，同时轴上有电磁离合器且电磁离合器与齿轮螺钉联接，则装配顺序为清洗零件；去毛刺、倒钝；装挡圈、隔套、轴承于齿轮孔内成齿轮小组件；将齿轮小组件、垫片装于离合器上；调整垫片控制轴向间隙，压紧后垫片不得松动。
5.3 可装配性分析
可装配性分析主要解决装配顺序直接影响到装配干涉性的问题。当针对同一根轴上各零件副之间作可装配性分析时，一般不同零件副之间的可装配性可由装配优先级确定，如：齿轮比轴上同一方向的外轴承先装，则可赋以较高优先级。当难于确定其优先级或零件副的优先级相同时，可根据其几何形状来分析。如：阶梯轴同一方向上先装大直径处的零件，后装小直径处的零件等。
5.4 综合调整
影响装配顺序的因素还有很多，如效率、精度、操作的方便性等，本文将这些因素归入综合调整部分。该部分根据前面因素确定的装配顺序进行总体调整。如：尽可能减少装配方向的改变；重量大、形状复杂、连接位置多的先安装等。综合调整后将优化装配工艺。
6 装配工序图的自动生成
基于典型装配副的装配工序图自动化生成子系统，利用装配信息描述数据及装配工艺规划产生的工艺文件，实现了装配工序图的自动生成。
6.1 工作原理
与机加工工序图相比，装配工序图自动生成的研究要更困难。其原因在于装配工序图涉及不同类型的零件及其空间的位置关系，难于处理。目前，国内外在装配工序图自动生成方面的研究基本上处于起步状态。笔者通过对装配工序图的仔细分析，认为装配工序图的自动生成一般可采取如下几种分析方案。
1）采用一定方式获取装配图、生成装配工序图时，可按一定规则截取装配图的某一有限部分，然后进行必要的修改。
2）建立所有零件的图形库。生成装配工序图时，可根据相应规律将有关零件按一定关系“装配”到一起，从而生成装配工序图。
3）基于典型的装配副关系，生成典型副装配工序图并建立图库，其参数为变量。实际生成装配工序图时，可按一定规则对装配工序图库中的相应图形进行适当的修改，必要时允许少量的人工干预。
上述方案各有优缺点，方案1在目前未用CAD设计装配图的情况下，计算机难于获取装配图。同时，在生成装配工序图时，需要做大量的修改工作，耗费较大的劳动量，不利于实现高效率的自动化。方案2较先进，是今后的努力方向，但其开发的难度较大，目前难于实现。方案3在范围不大的场合，可以针对有限目标来实现。SECAAP系统采用了方案3的作法，并部分吸收了方案2的思想。
6.2 实现方法
通过整理现有的装配工序图，确立了数控车床主轴箱所涉及的典型装配副的类型、结构；然后整理了典型装配副和零部件的联结方式，确立了它们之间的相互关系，最后总结了典型装配副和零部件在生成装配工序图过程中的组合方法。系统的主要工作包括：建立典型副装配工序简图库；设计典型副装配工序简图及零件简图间的组合方法；特殊装配工序图的设计；标注信息的处理。
装配工序图的自动生成是一个参数化设计的过程，其设计的模型取自装配工序简图库，而参数的具体值则由动态数据库决定，即由装配信息描述过程和装配任务输入过程共同产生。装配工序图的自动生成应作为CAAP系统的一个有机组成部分来进行研究，这样才能有效地处理装配工序图自动生成与装配CAAP中其它模块之间的关系，特别是与信息描述系统和装配工艺知识库之间的联系。
7 结束语
本文在863/CIMS主题的资助下，以数控车床主轴箱为对象，对计算机辅助装配工艺设计系统作了较深入的研究，并在此基础上开发了SECAAP系统，并得到了成功的应用。
