Tecnomatix在火箭裝配工藝設(shè)計及可視化輸出中的應(yīng)用

劉偉偉，褚學(xué)寧，郭立杰

在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，有1/3以上的人直接或間接從事與裝配有關(guān)的活動，產(chǎn)品的裝配費用占整個生產(chǎn)成本的30% ～50%，甚至更高，而復(fù)雜產(chǎn)品的裝配成本約占工業(yè)產(chǎn)品總價值的40% ～60%，因此裝配是復(fù)雜產(chǎn)品制造過程的主要環(huán)節(jié)［1］。運載火箭作為典型的復(fù)雜產(chǎn)品，具有尺寸大、形狀復(fù)雜、零件以及連接件數(shù)量多等特點，其裝配生產(chǎn)更是一項技術(shù)難度大、涉及學(xué)科領(lǐng)域多的綜合性集成技術(shù)，在很大程度上決定了火箭的最終質(zhì)量、制造成本和生產(chǎn)周期。

目前，我國火箭裝配工藝技術(shù)缺乏創(chuàng)新研究，存在的主要問題是：(1)工藝編制基本采用傳統(tǒng)的二維CAPP系統(tǒng)，編制工藝主要依靠工藝人員的經(jīng)驗，無法充分利用上游產(chǎn)品設(shè)計階段發(fā)布的三維設(shè)計模型。(2)沿用以實物試裝作為驗證裝配工藝可行性與合理性的主要手段，出現(xiàn)裝配效率低下、質(zhì)量不穩(wěn)定、裝配周期長、裝配成本高等問題。(3)裝配人員現(xiàn)場作業(yè)時，需要閱讀大量圖紙、技術(shù)文件和工藝文件，經(jīng)常由于裝配人員無法充分理解圖紙或文件內(nèi)容而出現(xiàn)工作失誤，影響了裝配效率，造成運載火箭出現(xiàn)裝配質(zhì)量問題，從而影響了裝配周期。因此，裝配工藝設(shè)計與輸出技術(shù)已成為影響我國運載火箭制造過程的薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重阻礙著我國的火箭制造技術(shù)的發(fā)展。

應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)對火箭進行三維裝配工藝設(shè)計，并在現(xiàn)場輸出可視化工藝文件，這樣就可以有效解決工藝設(shè)計手段落后、驗證手段單一及工藝可理解性差的問題［2］。基于數(shù)字化制造平臺，利用上游設(shè)計部門發(fā)布的產(chǎn)品、工裝三維模型作為數(shù)據(jù)源，構(gòu)建虛擬裝配環(huán)境，實現(xiàn)工藝部門對三維設(shè)計模型的使用。分解工藝任務(wù)，劃分裝配流程，建立零組件、工裝、工藝之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，生成裝配工藝結(jié)構(gòu)，并通過記錄裝配路徑關(guān)鍵點進行裝配過程仿真，在實際裝配前實現(xiàn)對裝配工藝的驗證，這樣就能大大降低裝配成本。最終，將數(shù)字化制造平臺的工藝設(shè)計與仿真數(shù)據(jù)傳遞到現(xiàn)場，實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)的可視化指導(dǎo)，從而提高了裝配工藝的可理解性。Tecnomatix軟件為開展火箭三維裝配工藝設(shè)計與可視化工藝文件輸出提供了強有力的工具。Tecnomatix軟件的數(shù)字化制造解決方案確保了產(chǎn)品工藝、工裝資源配置的合理性。結(jié)合火箭某子級總裝過程，探討該軟件在火箭總裝工藝設(shè)計中的應(yīng)用方法，并將火箭總裝工藝數(shù)據(jù)以可視化工藝的形式發(fā)布到車間。

1 軟件及產(chǎn)品簡介

1.1 Tecnomatix軟件簡介

Tecnomatix是集規(guī)劃、仿真、優(yōu)化制造工藝于一體的協(xié)同開放式數(shù)字化制造軟件［3］，為開展火箭裝配工藝仿真及可視化輸出提供了先進的工具和手段，它由零件規(guī)劃與驗證、裝配規(guī)劃與驗證、自動機械與自動化規(guī)劃、工廠設(shè)計與優(yōu)化、質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理等核心模塊組成［4］。裝配規(guī)劃與驗證模塊能夠在三維虛擬制造環(huán)境下編制、驗證、優(yōu)化裝配工藝，確保工藝設(shè)計的合理性。設(shè)計人員和工藝人員同步進行裝配工藝研究，評價裝配工裝、設(shè)備、人員等影響下的裝配工藝和裝配方法，檢驗裝配過程是否存在錯誤，零件裝配時是否存在碰撞。Tecnomatix把產(chǎn)品、資源和工藝操作結(jié)合起來分析產(chǎn)品裝配的順序和工序的流程，并且在裝配制造模型下進行裝配工裝的驗證，仿真夾具的動作，仿真產(chǎn)品的裝配過程，驗證產(chǎn)品裝配的工藝性，達到盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題的目的?；赑D(Process Design)模塊制定工藝和規(guī)劃資源，基于PS(Process Simulate)模塊進行仿真驗證，兩者通過工藝結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。因此，Tecnomatix軟件為企業(yè)用戶提供了一套完整的數(shù)字化制造解決方案。

1.2 運載火箭某子級產(chǎn)品簡介

某型號運載火箭是我國無毒無污染的新一代運載火箭，是未來新興的液體小型車載火箭，具有低成本、高可靠、適應(yīng)性強、安全性好的特點。

某子級是衛(wèi)星的最后助推子級，具有體積小、管路多、結(jié)構(gòu)緊湊、精度要求高等特點。該子級直徑為2m，長度不足1m，有增壓輸送系統(tǒng)管路80多個，傳感器等電氣設(shè)備約100個，裝配空間小，裝配對象多，因此對其裝配操作提出了極高的要求。現(xiàn)場總裝過程為：首先由桁車吊起艙體呈垂直停放狀態(tài)，用發(fā)動機的安裝工裝固定某級發(fā)動機，桁車調(diào)用輔助安裝發(fā)動機;將艙體和發(fā)動機水平停放，協(xié)調(diào)安裝增壓輸送系統(tǒng)管路;安裝設(shè)備、電纜以及支架，最后以發(fā)動機零位刻線為基準(zhǔn)，安裝三級伺服機構(gòu)。其中，增壓輸送系統(tǒng)管路需要經(jīng)常在總裝車間與加工制造車間反復(fù)協(xié)調(diào)，管路需要在車間反復(fù)試裝，且由于制造精度等問題，即使試安裝成功，后續(xù)同型號箭體仍有可能無法按照當(dāng)前工藝安裝，需要留出一定裝配余量。

2 基于Tecnomatix的火箭三維裝配工藝設(shè)計與可視化輸出

針對上述產(chǎn)品對象，基于Tecnomatix軟件進行三維裝配工藝設(shè)計與仿真。首先，利用上游設(shè)計部門發(fā)布的產(chǎn)品模型和資源模型構(gòu)建虛擬裝配環(huán)境，構(gòu)建出初始裝配環(huán)境。然后，劃分裝配單元，定義裝配流程，建立裝配工藝樹并詳細(xì)設(shè)計工序工步信息。以裝配工藝樹節(jié)點(即工序)為單位，進行動態(tài)裝配過程仿真和人因工程仿真，輸出干涉報告和人體疲勞度分析報告，以報告為基礎(chǔ)調(diào)整裝配順序、工裝結(jié)構(gòu)，達到優(yōu)化改進裝配工藝的目的。最后，開發(fā)可視化裝配工藝文件輸出系統(tǒng)，將工藝文件輸出到現(xiàn)場，總體流程如圖1所示。

圖1 Tecnomatix軟件在火箭裝配工藝設(shè)計及可視化輸出中應(yīng)用的總體流程

2.1 構(gòu)建虛擬裝配環(huán)境

在進行工藝設(shè)計前，需構(gòu)建由產(chǎn)品模型和資源模型構(gòu)成的虛擬裝配環(huán)境［5］。針對我國航天企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀，采用野火版Pro/E作為三維模型設(shè)計軟件，應(yīng)用自上而下的設(shè)計模式來建立仿真模型，包括火箭產(chǎn)品、地板、工裝、工具、載物臺等。然而，直接由Pro/E輸出的“*．a(chǎn)sm”文件，包含大量與工藝操作無關(guān)的工程信息，對于本身模型數(shù)據(jù)量非常大的火箭而言，模型導(dǎo)入和后期處理速度會非常慢，極大地降低了工作效率。因此，在三維工藝設(shè)計之前，需對產(chǎn)品模型進行輕量化處理［6］，生成主要包含PMI信息的輕量化JT模型。模型轉(zhuǎn)換通過JT Translator插件完成，根據(jù)后續(xù)工作需要選擇是否轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)、裝配關(guān)系等屬性，轉(zhuǎn)換后的模型質(zhì)量不變，數(shù)據(jù)大小可縮小到原有的1%。

Tecnomatix軟件對產(chǎn)品和資源進行分類管理，模型轉(zhuǎn)換完成后，將JT文件導(dǎo)入PD模塊，并將火箭模型導(dǎo)入到產(chǎn)品文件中，生產(chǎn)過程涉及的裝配工裝、輔助工裝、夾具等導(dǎo)入資源文件中。導(dǎo)入完成后，在導(dǎo)航樹窗口對產(chǎn)品和資源進行加載等操作，將產(chǎn)品、工裝等模型按照工藝任務(wù)分配到相應(yīng)的工序。

2.2 建立裝配工藝

Tecnomatix軟件支持以裝配工藝樹為核心的裝配工藝設(shè)計，而裝配工藝樹是基于上游設(shè)計部門發(fā)布的三維模型，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹而建立。火箭的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是按照其設(shè)計分離面進行劃分的，從產(chǎn)品的構(gòu)型上描述各零、組件的父子關(guān)系，表示火箭各零組件在結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，其節(jié)點為實體、裝配件或者零件。而裝配工藝樹是按照裝配工藝分離面進行劃分，是從工藝流程上描述產(chǎn)品的裝配過程，側(cè)重的是工作任務(wù)的安排，不僅體現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的父子關(guān)系，而且體現(xiàn)了零部件裝配的先后順序，其節(jié)點中既有實體，又有裝配工序［7］。Tecnomatix軟件中的裝配工藝樹結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 裝配工藝樹結(jié)構(gòu)示意圖

在PD模塊下，按照工位、工序、工步等創(chuàng)建工藝節(jié)點，建立工藝結(jié)構(gòu)樹，工藝結(jié)構(gòu)樹以裝配工序為節(jié)點。通過PD的PERT圖功能，按照裝配關(guān)系關(guān)聯(lián)零組件、工裝與各工序節(jié)點，建立完整的裝配工藝樹并規(guī)劃裝配流程。最后，通過定制的輸入界面編制詳細(xì)的工藝內(nèi)容。

2.3 建立動態(tài)裝配仿真

Tecnomatix軟件主要通過采用拆卸法建立動態(tài)裝配仿真，拆卸法是以“可拆即可裝”的假設(shè)為前提。在三維可視化環(huán)境中，通過采用人機交互仿真拆卸的方法對產(chǎn)品對象整體模型進行拆卸操作，操作前需按照裝配零組件的倒序選擇拆卸對象，然后將整個流程“反轉(zhuǎn)倒置”，拆的過程就變成了裝的過程［8］。利用路徑規(guī)劃器的功能，通過坐標(biāo)系控制零部件拆卸過程中的一系列關(guān)鍵點，來實現(xiàn)路徑規(guī)劃。圖3所示為九分機支架安裝路徑規(guī)劃示意。

圖3 九分機支架安裝路徑規(guī)劃示意圖

2.4 實施人機工程仿真

由于裝配空間狹小、工裝資源復(fù)雜等因素，經(jīng)過動態(tài)裝配仿真驗證的特定裝配工藝(例如某子級總裝工藝)需要考慮人的參與。Tecnomatix軟件擁有強大的人機工程功能，該功能主要通過Human模塊實現(xiàn)，采用Human模塊創(chuàng)建人體模型，并模擬裝配人員手持工具、搬動工裝和裝配零組件等操作，從而在工藝編制過程中考慮人體因素，驗證人體操作的狹小空間可達性、裝配操作可視性、裝配姿態(tài)舒適性等。Tecnomatix軟件提供了多種人體建模模型標(biāo)準(zhǔn)以及全面的人因評價標(biāo)準(zhǔn)，具有完善的評價體系和柔和的動作仿真功能，全面考察人體裝配效率，以進一步完善裝配工藝。在某子級火箭總裝仿真中，安裝單機支架需要人完成抓取、走路、安裝等許多動作，其中安裝單機支架如圖4所示。

圖4 安裝單機支架

2.5 驗證和優(yōu)化

以動態(tài)裝配仿真代替裝配現(xiàn)場物理樣機的試裝過程，是數(shù)字化工藝設(shè)計與傳統(tǒng)工藝設(shè)計的重要區(qū)別。Tecnomatix軟件通過碰撞干涉檢驗功能，設(shè)置零部件間最小間隙，在仿真過程中進行裝配干涉檢查，以驗證裝配過程中零部件間是否存在干涉、是否存在余量不足等情況。根據(jù)干涉報告，實時調(diào)整裝配順序或裝配路徑，優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)，可以在實際生產(chǎn)前提高工藝合理性，得到動態(tài)仿真驗證的工藝結(jié)果。同時，根據(jù)加入人體后的仿真，通過ERGONOMICS功能對人體動作進行OWAS分析、RULA分析、靜力分析及l(fā)owback分析等，以降低人體裝配疲勞強度為目標(biāo)，調(diào)整裝配順序或裝配路徑，提高工裝設(shè)計的合理性，通過動態(tài)裝配仿真和人因工程仿真發(fā)現(xiàn)問題并不斷優(yōu)化工藝方案。

2.6 裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)

2．6．1 開發(fā)環(huán)境配置

選擇通過 PHP、HTML、JavaScript三者結(jié)合作為開發(fā)語言，其中，PHP是一種HTML內(nèi)嵌式的語言，是在服務(wù)器端執(zhí)行的嵌入HTML文檔的腳本語言，可以運行在 Unix、Linux、Windows、Mac OS下，跨平臺性強，代碼執(zhí)行效率高［9］。PHP源程序在服務(wù)器端執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生動態(tài)HTML頁面并返回瀏覽器，大大減輕了客戶端的負(fù)擔(dān)。PHP通過ODBC接口訪問底層數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，前臺網(wǎng)頁設(shè)計通過HTML實現(xiàn)，結(jié)合CSS技術(shù)，實現(xiàn)良好的用戶使用效果，裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)將靜態(tài)HTML網(wǎng)頁與PHP后臺動態(tài)網(wǎng)頁結(jié)合，實現(xiàn)很多HTML不能實現(xiàn)的動態(tài)功能。JavaScript是一種嵌入在瀏覽器的客戶端腳本語言，主要用于特效制作。

從裝配車間實際需求出發(fā)，考慮到方便性、經(jīng)濟性等綜合因素，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)工作模式，瀏覽器端架設(shè)在制造車間，服務(wù)器端配置IIS 7．5站點服務(wù)器。使用Windows默認(rèn)的TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并選用Oracle數(shù)據(jù)庫進行工藝信息的統(tǒng)一存儲和管理。

2．6．2 系統(tǒng)實現(xiàn)

當(dāng)前在火箭裝配生產(chǎn)車間，指導(dǎo)工人操作的仍然是二維圖紙和文字描述，裝配人員需要對裝配圖紙進行完全消化，通過想象將裝配圖紙和工藝描述結(jié)合起來，對裝配人員而言可理解性差，容易造成工藝?yán)斫馄睿瑢?dǎo)致錯裝、漏裝、重裝等現(xiàn)象的發(fā)生，影響裝配效率和質(zhì)量［10］。針對上述問題，通過PHP技術(shù)和ORACLE數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)。通過Tecnomatix軟件仿真驗證的裝配工藝，工藝人員可根據(jù)需要在工藝結(jié)構(gòu)的任何節(jié)點將裝配工藝信息打包輸出，輸出定制工藝信息格式的Excel或XML格式，并將裝配動畫以avi視頻的形式輸出，然后通過網(wǎng)絡(luò)或其他媒介傳遞到車間裝配現(xiàn)場服務(wù)器，并將工藝文檔和裝配動畫建立關(guān)聯(lián)。三維裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)將二維工藝信息和動畫信息通過瀏覽器輸出，在車間裝配現(xiàn)場設(shè)置適當(dāng)配置的計算機(局域網(wǎng)客戶端)，裝配工人可以瀏覽和播放所需的裝配工藝文件和裝配過程動畫，幫助現(xiàn)場操作人員迅速、準(zhǔn)確地了解產(chǎn)品的裝配過程，顯著提高了產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率。三維裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)基本原理如圖5所示?？蛻舳耸窘虒嵗鐖D6所示。

圖5 三維裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)基本原理圖

圖6 客戶端示教實例演示

3 結(jié)束語

通過對Tecnomatix軟件的應(yīng)用，實現(xiàn)了對運載火箭某子級總裝過程的工藝設(shè)計與仿真。開發(fā)了裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)，達到了三維工藝到現(xiàn)場，三維工藝下車間的目標(biāo)，提高了工藝的可視化水平。Tecnomatix軟件的工藝設(shè)計及可視化輸出技術(shù)能夠保證工藝設(shè)計與工藝發(fā)布數(shù)據(jù)的一致性，可以應(yīng)用到其他復(fù)雜機械產(chǎn)品的裝配。目前裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)中的三維工藝信息是以視頻動畫的形式顯示，有一定的交互限制。Tecnomatix軟件提供了二次開發(fā)接口，因此在裝配工藝可視化輸出系統(tǒng)中嵌入Tecnomatix軟件的三維工藝信息瀏覽功能有待于今后進一步研究。

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