三維裝配工藝技術在復雜電子產品中的應用

蔡萍

摘 要： 裝配是產品生命周期的重要環節，電子行業結構復雜產品的裝配過程費時費力。為了提高復雜電子產品裝配的質量和效率，在此分析了雷達等復雜電子產品三維裝配工藝設計的特點和現狀，提出了一種基于MBD的三維模型裝配工藝設計、仿真與應用方法，并建立了三維裝配工藝設計流程和系統體系結構，對三維裝配工藝設計的關鍵技術進行了分析，為三維裝配工藝的實施提供了重要技術支持，對于發展數字化裝配工藝技術的制造行業具有借鑒意義。

關鍵詞： 復雜電子產品； 三維裝配工藝技術； MBD； 可視化

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0081?02

裝配是制造業的主要活動，形成產品生命周期的重要環節[1]，在電子行業結構復雜的產品，裝配工時和費用大概占用總費用的40%～60%，三維CAD/CAM軟件因其本身強大的功能，成為企業應用的主流趨勢。三維數字化設計和工藝可實現全機規模的三維數字設計、預裝配合動靜態數字協調，計算機輔助設計和制造并行，縮短了研制周期，提高了設計質量[2]，然而數字化裝配工藝技術相對于三維零件設計和加工的發展明顯滯后，成為企業提高生產效益和產品質量的瓶頸[3]，因此數字化裝配工藝技術的發展成為亟待解決的關鍵問題。

1 需求現狀

雷達等復雜電子產品三維裝配工藝設計主要實現2個方面的目標：

（1） 對產品總體裝配工藝設計進行有效驗證；

（2） 利用可視化的作業指導書，有效地指導生產現場總裝[4]。

目前在復雜電子產品制造業普遍存在以下問題：

（1） 工藝與設計缺少協同。工藝和設計不在同一平臺，沒有同一個數據源，設計EBOM無法自動集成，數據需要轉化，工藝只能被動等待，無法盡早進入到產品設計階段和避免出現設計模型工藝性差的問題。

（2） 裝配工藝設計仍然采用傳統的二維方式表達，上游設計產生的三維數字模型沒有得到充分利用。就目前裝配工藝設計本身來說，大多數企業還是依靠傳統的二維裝配圖紙和裝配工藝規程卡片進行工藝設計，首先由工藝設計人員設計圖紙及經驗想象出三維裝配空間、設計裝配順序，并用二維工藝過程卡片表達出來。然后由裝配工人照工藝設計人員設計的二維數據理解裝配順序及要求，在大腦中再次構建出三維裝配過程，因此，整個產品裝配的環節與工藝設計人員和裝配工人的技術水平和工作經驗關系過于密切，不能充分利用和繼承設計產生的三維CAD數據，難以保證工藝設計的規范性、標準化和最優化[5]。

（3） 裝配進度不易控制，裝配周期不易保證。由于目前的工藝設計環境不具備三維工藝驗證能力，致使裝配過程中是否存在干涉、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題只有到了生產試制階段才暴露出來。從而使裝配周期不易保證，嚴重影響了復雜電子產品研制的進度和質量。

（4） 一些復雜產品的裝配，因為缺少可視化的三維動態裝配過程，不便于裝配工人使用和理解。在目前大多數企業的現場裝配，工人主要依靠二維圖紙和工藝過程卡進行裝配操作，對于一些復雜產品的裝配來說，因為缺少可視化的三維動態裝配過程，工人理解起來往往會有一定難度，有時還會產生歧義[6]。三維裝配工藝可視化技術為裝配工人提供一種可預先驗證的、易于理解的可視化指導平臺，使裝配工人直觀理解，減少了操作錯誤，提高產品裝配生產效率、降低產品成本、為企業贏得競爭優勢。

2 系統體系結構

三維裝配工藝設計流程分為產品設計、裝配工藝設計和制造3個階段。在產品設計階段，首先由設計人員和工藝人員建立零部件和工裝模具的三維數字化模型，并對模型數據進行轉化，獲得三維裝配工藝仿真、規劃與管理系統中所需的輕量化數據模型。在裝配工藝設計階段，工藝設計人員根據產品裝配模型提供的信息，進行裝配序列規劃，得到產品的最佳裝配順序，在三維環境下進行工藝規劃和仿真，選取合適的工裝工具和裝配方法，最終輸出優化的裝配工藝方案， 所形成的三維裝配工藝通過PLM系統進行審簽。在制造階段，利用可視化工具和網絡環境將裝配仿真驗證文件、三維工作指令和工藝設計文件等工藝信息導入到企業ERP系統，車間裝配人員可以一邊觀看產品的裝配過程仿真畫面，一邊進行實際裝配。從而提高裝配效率和準確性，其系統結構如圖1所示。

3 系統關鍵技術

實現三維裝配工藝需要以下關鍵技術上取得突破。

3.1 基于MBD的數字化定義技術

MBD將設計、制造、檢驗、管理信息融入一體，目前被航空行業普遍認同為解決數字化設計制造的關鍵技術之一[7]。MBD 技術改變了以往同時依據二維工程圖紙和三維實體模型來設計產品裝配工藝和零件加工工藝的做法[8]。在MBD的技術體系中，MBD數據集的內容包含設計工藝、制造、檢驗等各部門的信息[9]，以三維數模完全替代二維工程圖紙，成為數字化制造過程中的唯一依據。工藝人員在MBD 的工藝設計規范的指導下，讀取來自上游結構設計信息，并將輕量化、完整化，這是進行三維裝配工藝設計和進行產品裝配仿真的前提，直接依據三維實體模型開展三維工藝設計給整個產品中的工藝設計工作帶來一次全新的變革。

3.2 人機交互環境下三維工藝規劃及仿真技術

裝配規劃和仿真技術是裝配過程的重要環節，裝配順序和裝配方案直接關系產品的可裝配行、裝配質量和裝配成本[10]。依據數字化裝配工藝流程，建立三維數字化裝配工藝模型，通過裝配現場可視化技術建立與產品裝配相似的數字化虛擬裝配環境，在工藝工作開展的同時及產品實物裝配之前，按照確定的裝配工藝流程進行數字化模擬仿真，在裝配時進行零件與兩件、零件與工裝的干涉檢查；通過對產品裝配拆卸過程的仿真，驗證裝配順序設計的合理性；模擬操作者的操作過程以便發現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裝配位置等問題，并將這些仿真結果通過仿真報告提交產品設計、工裝設計等進行優化。

3.3 三維裝配工藝可視化技術

三維裝配工藝可視化技術是把產品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數字化的形式傳遞到車間現場，并展示出來的方法。操作者能夠采用該技術讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動畫、裝配產品結構等信息，最終形成三維數字化工藝展示，使工人能夠準確、迅速地查閱裝配過程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來的質量問題。

4 結 語

隨著電子行業的發展，產品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化，數字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經成為制造業發展的主流趨勢，三維裝配工藝設計的實施實現了復雜電子產品三維裝配工藝規劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現場設計更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質量和裝配效率。為企業提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 吳欣.三維裝配工藝技術在雷達裝配中的應用研究[J].電子機械工程，2012（8）：56?57.

[2] 陸江峰.裝配制造業三維數字化制造工藝解決方案[J].現代制造技術與裝配，2012（4）：59?62.

[3] 蔡虎.基于3DVIA的虛擬裝配工藝實施方案研究[J].航空制造技術，2013（6）：80?81.

[4] 蘇朋.三維輔助裝配工藝規劃（3D?CAPP）系統研究[D].南京：南京航空航天大學，2005.

[5] 孫剛.基于三維模型的衛星裝配工藝設計與應用技術[J].計算機集成制造系，2011，11（17）：2343?2344.

[6] 冷毅勛，代正會，趙軼，等.DELMIA 數字化裝配工藝設計與過程仿真流程[J].中國制造業信息化，2012（1）：40?41.

[7] 馮潼能.MBD技術下的協同與管理進化[J].中國制造業信息化，2011（7）：25?26.

[8] 郭具濤，梅中義.基于MBD 的飛機數字化裝配工藝設計及應用[J].航空制造技術，2011（22）：62?64.

[9] 梅中義.給予MBD的飛機數字化裝配技術[J].航空制造技術，2010（18）：42?45.

[10] 楊敬萍.現場可視化系統裝配仿真關鍵技術的研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2012.

3.3 三維裝配工藝可視化技術

三維裝配工藝可視化技術是把產品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數字化的形式傳遞到車間現場，并展示出來的方法。操作者能夠采用該技術讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動畫、裝配產品結構等信息，最終形成三維數字化工藝展示，使工人能夠準確、迅速地查閱裝配過程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來的質量問題。

4 結 語

隨著電子行業的發展，產品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化，數字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經成為制造業發展的主流趨勢，三維裝配工藝設計的實施實現了復雜電子產品三維裝配工藝規劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現場設計更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質量和裝配效率。為企業提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

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[10] 楊敬萍.現場可視化系統裝配仿真關鍵技術的研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2012.

3.3 三維裝配工藝可視化技術

三維裝配工藝可視化技術是把產品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數字化的形式傳遞到車間現場，并展示出來的方法。操作者能夠采用該技術讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動畫、裝配產品結構等信息，最終形成三維數字化工藝展示，使工人能夠準確、迅速地查閱裝配過程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來的質量問題。

4 結 語

隨著電子行業的發展，產品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化，數字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經成為制造業發展的主流趨勢，三維裝配工藝設計的實施實現了復雜電子產品三維裝配工藝規劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現場設計更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質量和裝配效率。為企業提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

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