三維裝配工藝技術(shù)在復雜電子產(chǎn)品中的應用

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)復雜產(chǎn)品的裝配過程費時費力。為了提高復雜電子產(chǎn)品裝配的質(zhì)量和效率，在此分析了雷達等復雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝設計的特點和現(xiàn)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(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對三維裝配工藝設計的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，為三維裝配工藝的實施提供了重要技術(shù)支持，對于發(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： 復雜電子產(chǎn)品； 三維裝配工藝技術(shù)； 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(yè)的主要活動，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)復雜的產(chǎn)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(yè)應用的主流趨勢。三維數(shù)字化設計和工藝可實現(xiàn)全機規(guī)模的三維數(shù)字設計、預裝配合動靜態(tài)數(shù)字協(xié)調(diào)，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(zhì)量[2]，然而數(shù)字化裝配工藝技術(shù)相對于三維零件設計和加工的發(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)鍵問題。

1 需求現(xiàn)狀

雷達等復雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝設計主要實現(xiàn)2個方面的目標：

（1） 對產(chǎn)品總體裝配工藝設計進行有效驗證；

（2） 利用可視化的作業(yè)指導書，有效地指導生產(chǎn)現(xiàn)場總裝[4]。

目前在復雜電子產(chǎn)品制造業(yè)普遍存在以下問題：

（1） 工藝與設計缺少協(xié)同。工藝和設計不在同一平臺，沒有同一個數(shù)據(jù)源，設計EBOM無法自動集成，數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)化，工藝只能被動等待，無法盡早進入到產(chǎn)品設計階段和避免出現(xiàn)設計模型工藝性差的問題。

（2） 裝配工藝設計仍然采用傳統(tǒng)的二維方式表達，上游設計產(chǎn)生的三維數(shù)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(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)程卡片進行工藝設計，首先由工藝設計人員設計圖紙及經(jīng)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(shù)據(jù)理解裝配順序及要求，在大腦中再次構(gòu)建出三維裝配過程，因此，整個產(chǎn)品裝配的環(huán)節(jié)與工藝設計人員和裝配工人的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗關(guān)系過于密切，不能充分利用和繼承設計產(chǎn)生的三維CAD數(shù)據(jù)，難以保證工藝設計的規(guī)范性、標準化和最優(yōu)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(huán)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(chǎn)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(chǎn)品研制的進度和質(zhì)量。

（4） 一些復雜產(chǎn)品的裝配，因為缺少可視化的三維動態(tài)裝配過程，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(chǎn)品的裝配來說，因為缺少可視化的三維動態(tài)裝配過程，工人理解起來往往會有一定難度，有時還會產(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(chǎn)品裝配生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本、為企業(yè)贏得競爭優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

三維裝配工藝設計流程分為產(chǎn)品設計、裝配工藝設計和制造3個階段。在產(chǎn)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(shù)字化模型，并對模型數(shù)據(jù)進行轉(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。在裝配工藝設計階段，工藝設計人員根據(jù)產(chǎn)品裝配模型提供的信息，進行裝配序列規(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PLM系統(tǒng)進行審簽。在制造階段，利用可視化工具和網(wǎng)絡環(huán)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(yè)ERP系統(tǒng)，車間裝配人員可以一邊觀看產(chǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

實現(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將設計、制造、檢驗、管理信息融入一體，目前被航空行業(yè)普遍認同為解決數(shù)字化設計制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。MBD 技術(shù)改變了以往同時依據(jù)二維工程圖紙和三維實體模型來設計產(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)容包含設計工藝、制造、檢驗等各部門的信息[9]，以三維數(shù)模完全替代二維工程圖紙，成為數(shù)字化制造過程中的唯一依據(jù)。工藝人員在MBD 的工藝設計規(guī)范的指導下，讀取來自上游結(jié)構(gòu)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(chǎn)品裝配仿真的前提，直接依據(jù)三維實體模型開展三維工藝設計給整個產(chǎn)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(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，通過裝配現(xiàn)場可視化技術(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及產(chǎn)品實物裝配之前，按照確定的裝配工藝流程進行數(shù)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(chǎn)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(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裝配位置等問題，并將這些仿真結(jié)果通過仿真報告提交產(chǎn)品設計、工裝設計等進行優(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)品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場，并展示出來的方法。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(zhì)量問題。

4 結(jié) 語

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，三維裝配工藝設計的實施實現(xiàn)了復雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現(xiàn)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(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

參考文獻

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[10] 楊敬萍.現(xiàn)場可視化系統(tǒng)裝配仿真關(guān)鍵技術(shù)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(shù)

三維裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場，并展示出來的方法。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(zhì)量問題。

4 結(jié) 語

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，三維裝配工藝設計的實施實現(xiàn)了復雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現(xiàn)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(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

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[10] 楊敬萍.現(xiàn)場可視化系統(tǒng)裝配仿真關(guān)鍵技術(shù)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(shù)

三維裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場，并展示出來的方法。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(zhì)量問題。

4 結(jié) 語

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，三維裝配工藝設計的實施實現(xiàn)了復雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現(xiàn)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(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

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