基于三維模型的裝配工藝應(yīng)用模式研究

趙俊霞

針對(duì)大型裝備制造企業(yè)廣泛應(yīng)用三維設(shè)計(jì)模型的現(xiàn)狀，基于數(shù)據(jù)管理平臺(tái) Teamcenter開(kāi)展三維裝配工藝應(yīng)用模式研究；通過(guò)開(kāi)展基于三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝仿真，構(gòu)建多樣的裝配工藝應(yīng)用模式；達(dá)到驗(yàn)證和改進(jìn)產(chǎn)品的裝配工藝，提高裝配效率和質(zhì)量，滿足三維環(huán)境下開(kāi)展裝配工藝設(shè)計(jì)的目的。

一、引言

三維設(shè)計(jì)軟件 NX和數(shù)據(jù)管理平臺(tái) Teamcenter在以航空、船舶為代表的國(guó)內(nèi)大型裝備制造企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)及管理。但是當(dāng)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)階段延伸到工藝階段時(shí)卻出現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)傳遞的“斷層”，在工藝系統(tǒng)中基于三維產(chǎn)品模型應(yīng)用等方面還很薄弱?，F(xiàn)有的工藝模式仍然采用二維圖紙和傳統(tǒng)工藝文件的方式進(jìn)行，無(wú)法滿足三維環(huán)境下工藝工作的要求。目前，工藝工作中面臨的問(wèn)題如下。

（1）工藝設(shè)計(jì)沒(méi)有直觀的產(chǎn)品和資源表現(xiàn)形式，工藝設(shè)計(jì)人員依據(jù)二維圖紙去理解產(chǎn)品的裝配關(guān)系及工裝的使用方式，并構(gòu)想產(chǎn)品的裝配順序，整個(gè)過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間，且容易出現(xiàn)歧義。

（2）工藝數(shù)據(jù)表達(dá)手段單一，目前工藝輸出結(jié)果以二維工藝卡片為主，不能充分應(yīng)用上游的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，很難對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和過(guò)程進(jìn)行清晰、直觀地表達(dá)，不利于操作者快速理解產(chǎn)品的裝配過(guò)程。

（3）工藝人員在工藝編制過(guò)程中根據(jù)生產(chǎn)要求提出的工裝需求，只能在實(shí)際生產(chǎn)中驗(yàn)證工裝的可行性和合理性，如果在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證工裝的可行性和合理性，能夠有效避免工裝返工和修改，提高工裝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)展數(shù)字化裝配工藝應(yīng)用模式研究，構(gòu)建基于三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)的完整搭接，為最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝奠定基礎(chǔ)。

二、技術(shù)路線

基于三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體技術(shù)路線如圖 1所示。實(shí)現(xiàn)途徑如下。

（1）從 Teamcenter系統(tǒng)中獲取設(shè)計(jì) BOM及產(chǎn)品三維模型，進(jìn)行裝配結(jié)構(gòu)的可視化調(diào)整，形成工藝 BOM，根據(jù)工藝BOM進(jìn)行工藝分工，確定各個(gè)部件所屬的裝配部門(mén)，最后輸出 PBOM和分單位目錄。

（2）工藝編制人員接收任務(wù)后制定工藝流程順序，確定產(chǎn)品在裝配過(guò)程中所需的裝配工序，形成裝配工藝流程；進(jìn)行裝配工藝的詳細(xì)設(shè)計(jì)，指定各個(gè)裝配工序所需要的零組件、制造資源 （工裝、夾具 ）等信息。

（3）工藝人員根據(jù)裝配工藝要求，進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保裝配工藝設(shè)計(jì)的可行性和合理性，并輸出相應(yīng)的仿真圖片、仿真動(dòng)畫(huà)信息。

（4）將裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝仿真產(chǎn)生的結(jié)果通過(guò)工藝卡片、包含三維模型信息的 PDF文件以及 AVI格式的視頻動(dòng)畫(huà)等方式輸出，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

（5）三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果信息存儲(chǔ)在 Teamcenter系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)與Teamcenter系統(tǒng)的接口獲取相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

三、基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃

1.裝配工藝性審查

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，工藝人員應(yīng)用三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行工藝審查，檢查產(chǎn)品的可裝配性。當(dāng)主管提出合理化建議時(shí)，通過(guò)批閱的形式反饋到設(shè)計(jì)人員，達(dá)到工藝提前介入的目的，提高產(chǎn)品的工程化水平。

2.構(gòu)建PBOM

通過(guò)集成接口讀取 Teamcenter系統(tǒng)中的 EBOM及相應(yīng)的產(chǎn)品輕量化模型。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配關(guān)系，在可視化環(huán)境中方便地調(diào)整裝配零組件組成結(jié)構(gòu)、設(shè)置工藝組件、完善零組件的工藝信息，最終形成完整的PBOM。

3.工藝分工

通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，直接在三維環(huán)境中從產(chǎn)品樹(shù)上選取零組件分配到相應(yīng)生產(chǎn)部門(mén)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別零組件的分配狀態(tài)，未分配的零組件和分配后的零組件分別以不同的方式顯示，避免零組件漏分而引起工藝錯(cuò)誤。

四、基于三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)

1.任務(wù)分工

生產(chǎn)分廠接到生產(chǎn)任務(wù)后，主管工藝人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裝配單元的分解，并且能對(duì)組件的組成進(jìn)行調(diào)整，將本部門(mén)承擔(dān)的任務(wù)進(jìn)一步分解為更小的裝配單元，并指定具體的負(fù)責(zé)人編制裝配工藝。系統(tǒng)能夠方便、快捷地輸出任務(wù)分工表。任務(wù)分工完成后進(jìn)行零組件遺漏檢查，確保任務(wù)分工的完整性和正確性。

2.制定工藝路線

工藝編制人員接收任務(wù)后在三維環(huán)境下制定工藝流程，確定產(chǎn)品的裝配工序，形成裝配工藝路線卡，并可指定裝配工位等。

3.詳細(xì)工序設(shè)計(jì)

工藝編制人員在三維環(huán)境下指定本工序零部件、工裝和設(shè)備，并填寫(xiě)工藝內(nèi)容。工序設(shè)計(jì)完成后，零部件、工裝和設(shè)備信息自動(dòng)匯總，填入相關(guān)的匯總表中，并進(jìn)行零組件遺漏檢查，確保產(chǎn)品裝配的正確性和完整性。

裝配工藝設(shè)計(jì)完成后形成裝配過(guò)程信息樹(shù)，如圖 2所示，包含具有順序關(guān)系的各個(gè)裝配工序以及對(duì)應(yīng)的裝配件和裝配資源。

五、基于三維模型的裝配工藝仿真

完成裝配工藝設(shè)計(jì)后，所有的裝配所需要的資源信息已經(jīng)具備，進(jìn)行裝配過(guò)程的仿真工作。在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證零組件的裝配過(guò)程，確定合理的裝配順序，避免發(fā)生因裝配順序不正確而出現(xiàn)的無(wú)裝配通路的情況，并且能夠優(yōu)化裝配流程，得到最適合的裝配順序。裝配過(guò)程仿真的主要內(nèi)容如下。

1.裝配路徑設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝路線的要求，在三維虛擬裝配環(huán)境中通過(guò)手動(dòng)交互式的操作待裝配的零組件，規(guī)劃每道工序中裝配件的裝配順序來(lái)得到的零組件的裝配路徑，如圖 3所示。在保證零組件裝配的合理性的前提下，制定正確的裝配路徑。

2.裝配路徑仿真

裝配路徑仿真主要包含以下內(nèi)容。

（1）根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行模擬，以保證裝配路徑的可行性，最終通過(guò)驗(yàn)證零部件的裝配順序、裝配路和裝配操作姿態(tài)等數(shù)據(jù)的合理性，裝配所需要的工裝、工具等的可達(dá)性，以及裝配操作空間的敞開(kāi)性。

（2）裝配路徑動(dòng)態(tài)分析，工藝人員根據(jù)裝配路徑動(dòng)態(tài)的分析情況，動(dòng)態(tài)的調(diào)整零組件的裝配順序、裝配的優(yōu)先級(jí)，重要特性的保障措施等，從而優(yōu)化產(chǎn)品的裝配過(guò)程，達(dá)到驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配工藝性，完善工藝設(shè)計(jì)的目的。

3.裝配干涉檢查

在裝配移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行干涉檢查，檢查裝配件、工裝在裝配過(guò)程中是否和其它裝配件或裝配資源發(fā)生干涉。模擬零組件在裝配過(guò)程中實(shí)際可能發(fā)生的問(wèn)題，幫助用戶分析裝配過(guò)程并檢測(cè)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤。當(dāng)遇到干涉和失調(diào)時(shí)能夠及時(shí)停止仿真，并且能夠在裝配過(guò)程中標(biāo)注和修改出現(xiàn)的問(wèn)題。

通過(guò)裝配過(guò)程仿真，定位影響裝配整體效能的關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)，并對(duì)不同的改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、比較以及優(yōu)化，建立局部和整體相結(jié)合的持續(xù)性優(yōu)化機(jī)制，形成相對(duì)最優(yōu)的工藝方案。

六、裝配工藝的輸出及管理

1.裝配工藝輸出

工藝人員在系統(tǒng)中完成了全部的工藝工作，并通過(guò)仿真驗(yàn)證裝配工藝過(guò)程的準(zhǔn)確性，最終得到優(yōu)化后的工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果。這些結(jié)果能夠通過(guò)工藝卡片、在線交互工藝、包含三維模型信息的 PDF（3D PDF）文件以及 AVI格式的視頻動(dòng)畫(huà)等方式輸出，如圖 4所示。最終以視頻或電子文檔形式發(fā)布到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人準(zhǔn)確、快速的進(jìn)行裝夾、裝配、拆卸和維護(hù)等。

2.裝配工藝的管理

最終形成的裝配工藝等資源信息存儲(chǔ)在 Teamcenter系統(tǒng)中，由 Teamcenter系統(tǒng)完成三維裝配工藝變更過(guò)程的控制，包括工藝版本的控制、審批流程的驅(qū)動(dòng)、工藝更改以及工藝升版的控制等。

七、實(shí)現(xiàn)意義

通過(guò)開(kāi)展基于三維模型的裝配工藝研究，實(shí)現(xiàn)意義如下。

（1）構(gòu)建基于三維設(shè)計(jì)模型的裝配工藝設(shè)計(jì)體系以適應(yīng) MBD環(huán)境下開(kāi)展工藝工作，改變以二維圖紙為主的傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)；以產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)造數(shù)字化的工藝設(shè)計(jì)與仿真環(huán)境，形成快速的裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝仿真及驗(yàn)證能力。

（2）建立三維工藝文件表達(dá)及管理模式，滿足工藝文件審批、有效性管理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面的需求，基于三維設(shè)計(jì)模型構(gòu)建面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝，豐富工藝展現(xiàn)形式，提高工藝指導(dǎo)生產(chǎn)的能力。

（3）一方面對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)面向裝配的設(shè)計(jì)；另一方面實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)建立三維可視化的虛擬環(huán)境，檢驗(yàn)產(chǎn)品裝配工藝性，從而指導(dǎo)實(shí)際裝配生產(chǎn)。

（4）將裝配工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，裝配工藝設(shè)計(jì)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中同步開(kāi)展，在產(chǎn)品實(shí)物到達(dá)裝配現(xiàn)場(chǎng)前直觀的開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)工作，充分體現(xiàn)并行工程的設(shè)計(jì)思想。

（5）將裝配工藝設(shè)計(jì)與工裝設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段未能充分考慮批產(chǎn)裝配工裝，往往到裝配環(huán)節(jié)時(shí)設(shè)計(jì)工裝夾具，影響裝配進(jìn)度。應(yīng)用裝配仿真技術(shù)將產(chǎn)品模型、工裝夾具模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，進(jìn)行零組件與工裝之間的干涉檢查，提高工裝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

（6）裝配工藝仿真的過(guò)程能夠以動(dòng)畫(huà)的方式輸出，包括零部件的裝配順序、裝配路徑、操作過(guò)程的動(dòng)畫(huà)演示以及所需的工裝夾具和輔料等，使裝配人員更清晰、更快速地理解裝配意圖，避免因?qū)ρb配工藝的理解岐義造成錯(cuò)裝、漏裝等現(xiàn)象的發(fā)生。