三維裝配工藝技術(shù)在復(fù)雜電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

蔡萍

摘 要： 裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，電子行業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了提高復(fù)雜電子產(chǎn)品裝配的質(zhì)量和效率，在此分析了雷達(dá)等復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，提出了一種基于MBD的三維模型裝配工藝設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用方法，并建立了三維裝配工藝設(shè)計(jì)流程和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)三維裝配工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，為三維裝配工藝的實(shí)施提供了重要技術(shù)支持，對(duì)于發(fā)展數(shù)字化裝配工藝技術(shù)的制造行業(yè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 復(fù)雜電子產(chǎn)品； 三維裝配工藝技術(shù)； MBD； 可視化

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0081?02

裝配是制造業(yè)的主要活動(dòng)，形成產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)[1]，在電子行業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，裝配工時(shí)和費(fèi)用大概占用總費(fèi)用的40%～60%，三維CAD/CAM軟件因其本身強(qiáng)大的功能，成為企業(yè)應(yīng)用的主流趨勢(shì)。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和工藝可實(shí)現(xiàn)全機(jī)規(guī)模的三維數(shù)字設(shè)計(jì)、預(yù)裝配合動(dòng)靜態(tài)數(shù)字協(xié)調(diào)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造并行，縮短了研制周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量[2]，然而數(shù)字化裝配工藝技術(shù)相對(duì)于三維零件設(shè)計(jì)和加工的發(fā)展明顯滯后，成為企業(yè)提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸[3]，因此數(shù)字化裝配工藝技術(shù)的發(fā)展成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 需求現(xiàn)狀

雷達(dá)等復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)方面的目標(biāo)：

（1） 對(duì)產(chǎn)品總體裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行有效驗(yàn)證；

（2） 利用可視化的作業(yè)指導(dǎo)書，有效地指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總裝[4]。

目前在復(fù)雜電子產(chǎn)品制造業(yè)普遍存在以下問(wèn)題：

（1） 工藝與設(shè)計(jì)缺少協(xié)同。工藝和設(shè)計(jì)不在同一平臺(tái)，沒(méi)有同一個(gè)數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)EBOM無(wú)法自動(dòng)集成，數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)化，工藝只能被動(dòng)等待，無(wú)法盡早進(jìn)入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)模型工藝性差的問(wèn)題。

（2） 裝配工藝設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的二維方式表達(dá)，上游設(shè)計(jì)產(chǎn)生的三維數(shù)字模型沒(méi)有得到充分利用。就目前裝配工藝設(shè)計(jì)本身來(lái)說(shuō)，大多數(shù)企業(yè)還是依靠傳統(tǒng)的二維裝配圖紙和裝配工藝規(guī)程卡片進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，首先由工藝設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)圖紙及經(jīng)驗(yàn)想象出三維裝配空間、設(shè)計(jì)裝配順序，并用二維工藝過(guò)程卡片表達(dá)出來(lái)。然后由裝配工人照工藝設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的二維數(shù)據(jù)理解裝配順序及要求，在大腦中再次構(gòu)建出三維裝配過(guò)程，因此，整個(gè)產(chǎn)品裝配的環(huán)節(jié)與工藝設(shè)計(jì)人員和裝配工人的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)關(guān)系過(guò)于密切，不能充分利用和繼承設(shè)計(jì)產(chǎn)生的三維CAD數(shù)據(jù)，難以保證工藝設(shè)計(jì)的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化[5]。

（3） 裝配進(jìn)度不易控制，裝配周期不易保證。由于目前的工藝設(shè)計(jì)環(huán)境不具備三維工藝驗(yàn)證能力，致使裝配過(guò)程中是否存在干涉、裝配順序是否合理、工藝裝備是否滿足需要、操作空間是否開敞等一系列問(wèn)題只有到了生產(chǎn)試制階段才暴露出來(lái)。從而使裝配周期不易保證，嚴(yán)重影響了復(fù)雜電子產(chǎn)品研制的進(jìn)度和質(zhì)量。

（4） 一些復(fù)雜產(chǎn)品的裝配，因?yàn)槿鄙倏梢暬娜S動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程，不便于裝配工人使用和理解。在目前大多數(shù)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)裝配，工人主要依靠二維圖紙和工藝過(guò)程卡進(jìn)行裝配操作，對(duì)于一些復(fù)雜產(chǎn)品的裝配來(lái)說(shuō)，因?yàn)槿鄙倏梢暬娜S動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程，工人理解起來(lái)往往會(huì)有一定難度，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生歧義[6]。三維裝配工藝可視化技術(shù)為裝配工人提供一種可預(yù)先驗(yàn)證的、易于理解的可視化指導(dǎo)平臺(tái)，使裝配工人直觀理解，減少了操作錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品裝配生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本、為企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

三維裝配工藝設(shè)計(jì)流程分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配工藝設(shè)計(jì)和制造3個(gè)階段。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，首先由設(shè)計(jì)人員和工藝人員建立零部件和工裝模具的三維數(shù)字化模型，并對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，獲得三維裝配工藝仿真、規(guī)劃與管理系統(tǒng)中所需的輕量化數(shù)據(jù)模型。在裝配工藝設(shè)計(jì)階段，工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品裝配模型提供的信息，進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，得到產(chǎn)品的最佳裝配順序，在三維環(huán)境下進(jìn)行工藝規(guī)劃和仿真，選取合適的工裝工具和裝配方法，最終輸出優(yōu)化的裝配工藝方案， 所形成的三維裝配工藝通過(guò)PLM系統(tǒng)進(jìn)行審簽。在制造階段，利用可視化工具和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將裝配仿真驗(yàn)證文件、三維工作指令和工藝設(shè)計(jì)文件等工藝信息導(dǎo)入到企業(yè)ERP系統(tǒng)，車間裝配人員可以一邊觀看產(chǎn)品的裝配過(guò)程仿真畫面，一邊進(jìn)行實(shí)際裝配。從而提高裝配效率和準(zhǔn)確性，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝需要以下關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

3.1 基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)

MBD將設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、管理信息融入一體，目前被航空行業(yè)普遍認(rèn)同為解決數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。MBD 技術(shù)改變了以往同時(shí)依據(jù)二維工程圖紙和三維實(shí)體模型來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品裝配工藝和零件加工工藝的做法[8]。在MBD的技術(shù)體系中，MBD數(shù)據(jù)集的內(nèi)容包含設(shè)計(jì)工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門的信息[9]，以三維數(shù)模完全替代二維工程圖紙，成為數(shù)字化制造過(guò)程中的唯一依據(jù)。工藝人員在MBD 的工藝設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)下，讀取來(lái)自上游結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，并將輕量化、完整化，這是進(jìn)行三維裝配工藝設(shè)計(jì)和進(jìn)行產(chǎn)品裝配仿真的前提，直接依據(jù)三維實(shí)體模型開展三維工藝設(shè)計(jì)給整個(gè)產(chǎn)品中的工藝設(shè)計(jì)工作帶來(lái)一次全新的變革。

3.2 人機(jī)交互環(huán)境下三維工藝規(guī)劃及仿真技術(shù)

裝配規(guī)劃和仿真技術(shù)是裝配過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，裝配順序和裝配方案直接關(guān)系產(chǎn)品的可裝配行、裝配質(zhì)量和裝配成本[10]。依據(jù)數(shù)字化裝配工藝流程，建立三維數(shù)字化裝配工藝模型，通過(guò)裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)建立與產(chǎn)品裝配相似的數(shù)字化虛擬裝配環(huán)境，在工藝工作開展的同時(shí)及產(chǎn)品實(shí)物裝配之前，按照確定的裝配工藝流程進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，在裝配時(shí)進(jìn)行零件與兩件、零件與工裝的干涉檢查；通過(guò)對(duì)產(chǎn)品裝配拆卸過(guò)程的仿真，驗(yàn)證裝配順序設(shè)計(jì)的合理性；模擬操作者的操作過(guò)程以便發(fā)現(xiàn)操作空間大小是否滿足裝配需要，操作者身體或肢體能否到達(dá)裝配位置等問(wèn)題，并將這些仿真結(jié)果通過(guò)仿真報(bào)告提交產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 三維裝配工藝可視化技術(shù)

三維裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、制造資源信息和工藝設(shè)計(jì)信息整合起來(lái)以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場(chǎng)，并展示出來(lái)的方法。操作者能夠采用該技術(shù)讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動(dòng)畫、裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等信息，最終形成三維數(shù)字化工藝展示，使工人能夠準(zhǔn)確、迅速地查閱裝配過(guò)程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復(fù)雜性日趨大型化、復(fù)雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢(shì)。同時(shí)，無(wú)紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，三維裝配工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過(guò)程的三維仿真和裝配過(guò)程的可視化，減少了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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3.3 三維裝配工藝可視化技術(shù)

三維裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、制造資源信息和工藝設(shè)計(jì)信息整合起來(lái)以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場(chǎng)，并展示出來(lái)的方法。操作者能夠采用該技術(shù)讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動(dòng)畫、裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等信息，最終形成三維數(shù)字化工藝展示，使工人能夠準(zhǔn)確、迅速地查閱裝配過(guò)程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復(fù)雜性日趨大型化、復(fù)雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢(shì)。同時(shí)，無(wú)紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，三維裝配工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過(guò)程的三維仿真和裝配過(guò)程的可視化，減少了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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3.3 三維裝配工藝可視化技術(shù)

三維裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、制造資源信息和工藝設(shè)計(jì)信息整合起來(lái)以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場(chǎng)，并展示出來(lái)的方法。操作者能夠采用該技術(shù)讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動(dòng)畫、裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等信息，最終形成三維數(shù)字化工藝展示，使工人能夠準(zhǔn)確、迅速地查閱裝配過(guò)程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復(fù)雜性日趨大型化、復(fù)雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢(shì)。同時(shí)，無(wú)紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，三維裝配工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過(guò)程的三維仿真和裝配過(guò)程的可視化，減少了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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