基于三維模型的裝配工藝應用模式研究

趙俊霞

針對大型裝備制造企業(yè)廣泛應用三維設計模型的現狀，基于數據管理平臺 Teamcenter開展三維裝配工藝應用模式研究；通過開展基于三維模型的裝配工藝設計、裝配工藝仿真，構建多樣的裝配工藝應用模式；達到驗證和改進產品的裝配工藝，提高裝配效率和質量，滿足三維環(huán)境下開展裝配工藝設計的目的。

一、引言

三維設計軟件 NX和數據管理平臺 Teamcenter在以航空、船舶為代表的國內大型裝備制造企業(yè)中得到了廣泛的應用，實現了產品數字化設計及管理。但是當產品從設計階段延伸到工藝階段時卻出現了三維數據傳遞的“斷層”，在工藝系統(tǒng)中基于三維產品模型應用等方面還很薄弱。現有的工藝模式仍然采用二維圖紙和傳統(tǒng)工藝文件的方式進行，無法滿足三維環(huán)境下工藝工作的要求。目前，工藝工作中面臨的問題如下。

（1）工藝設計沒有直觀的產品和資源表現形式，工藝設計人員依據二維圖紙去理解產品的裝配關系及工裝的使用方式，并構想產品的裝配順序，整個過程耗費時間，且容易出現歧義。

（2）工藝數據表達手段單一，目前工藝輸出結果以二維工藝卡片為主，不能充分應用上游的三維設計數據，很難對復雜結構和過程進行清晰、直觀地表達，不利于操作者快速理解產品的裝配過程。

（3）工藝人員在工藝編制過程中根據生產要求提出的工裝需求，只能在實際生產中驗證工裝的可行性和合理性，如果在虛擬環(huán)境中驗證工裝的可行性和合理性，能夠有效避免工裝返工和修改，提高工裝設計效率和質量。

針對以上問題，開展數字化裝配工藝應用模式研究，構建基于三維模型的裝配工藝設計系統(tǒng)，實現三維設計、工藝數據的完整搭接，為最終實現數字化裝配工藝奠定基礎。

二、技術路線

基于三維模型的裝配工藝設計系統(tǒng)的總體技術路線如圖 1所示。實現途徑如下。

（1）從 Teamcenter系統(tǒng)中獲取設計 BOM及產品三維模型，進行裝配結構的可視化調整，形成工藝 BOM，根據工藝BOM進行工藝分工，確定各個部件所屬的裝配部門，最后輸出 PBOM和分單位目錄。

（2）工藝編制人員接收任務后制定工藝流程順序，確定產品在裝配過程中所需的裝配工序，形成裝配工藝流程；進行裝配工藝的詳細設計，指定各個裝配工序所需要的零組件、制造資源 （工裝、夾具 ）等信息。

（3）工藝人員根據裝配工藝要求，進行裝配路徑規(guī)劃，對裝配工藝設計進行仿真驗證，確保裝配工藝設計的可行性和合理性，并輸出相應的仿真圖片、仿真動畫信息。

（4）將裝配工藝設計、裝配工藝仿真產生的結果通過工藝卡片、包含三維模型信息的 PDF文件以及 AVI格式的視頻動畫等方式輸出，以指導現場生產。

（5）三維裝配工藝設計系統(tǒng)產生的結果信息存儲在 Teamcenter系統(tǒng)，生產現場通過制造執(zhí)行系統(tǒng)與Teamcenter系統(tǒng)的接口獲取相應的工藝數據用于指導生產。

三、基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃

1.裝配工藝性審查

在產品設計階段，工藝人員應用三維裝配工藝設計系統(tǒng)進行工藝審查，檢查產品的可裝配性。當主管提出合理化建議時，通過批閱的形式反饋到設計人員，達到工藝提前介入的目的，提高產品的工程化水平。

2.構建PBOM

通過集成接口讀取 Teamcenter系統(tǒng)中的 EBOM及相應的產品輕量化模型。根據產品的結構特點和裝配關系，在可視化環(huán)境中方便地調整裝配零組件組成結構、設置工藝組件、完善零組件的工藝信息，最終形成完整的PBOM。

3.工藝分工

通過三維工藝設計系統(tǒng)，直接在三維環(huán)境中從產品樹上選取零組件分配到相應生產部門。系統(tǒng)能夠自動識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誤。

四、基于三維模型的裝配工藝設計

1.任務分工

生產分廠接到生產任務后，主管工藝人員根據實際情況進行裝配單元的分解，并且能對組件的組成進行調整，將本部門承擔的任務進一步分解為更小的裝配單元，并指定具體的負責人編制裝配工藝。系統(tǒng)能夠方便、快捷地輸出任務分工表。任務分工完成后進行零組件遺漏檢查，確保任務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后在三維環(huán)境下制定工藝流程，確定產品的裝配工序，形成裝配工藝路線卡，并可指定裝配工位等。

3.詳細工序設計

工藝編制人員在三維環(huán)境下指定本工序零部件、工裝和設備，并填寫工藝內容。工序設計完成后，零部件、工裝和設備信息自動匯總，填入相關的匯總表中，并進行零組件遺漏檢查，確保產品裝配的正確性和完整性。

裝配工藝設計完成后形成裝配過程信息樹，如圖 2所示，包含具有順序關系的各個裝配工序以及對應的裝配件和裝配資源。

五、基于三維模型的裝配工藝仿真

完成裝配工藝設計后，所有的裝配所需要的資源信息已經具備，進行裝配過程的仿真工作。在虛擬環(huán)境中驗證零組件的裝配過程，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的無裝配通路的情況，并且能夠優(yōu)化裝配流程，得到最適合的裝配順序。裝配過程仿真的主要內容如下。

1.裝配路徑設計

根據工藝路線的要求，在三維虛擬裝配環(huán)境中通過手動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容。

（1）根據生產的實際要求對裝配過程進行模擬，以保證裝配路徑的可行性，最終通過驗證零部件的裝配順序、裝配路和裝配操作姿態(tài)等數據的合理性，裝配所需要的工裝、工具等的可達性，以及裝配操作空間的敞開性。

（2）裝配路徑動態(tài)分析，工藝人員根據裝配路徑動態(tài)的分析情況，動態(tài)的調整零組件的裝配順序、裝配的優(yōu)先級，重要特性的保障措施等，從而優(yōu)化產品的裝配過程，達到驗證產品的裝配工藝性，完善工藝設計的目的。

3.裝配干涉檢查

在裝配移動過程中實時進行干涉檢查，檢查裝配件、工裝在裝配過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程中實際可能發(fā)生的問題，幫助用戶分析裝配過程并檢測可能產生的錯誤。當遇到干涉和失調時能夠及時停止仿真，并且能夠在裝配過程中標注和修改出現的問題。

通過裝配過程仿真，定位影響裝配整體效能的關鍵裝配環(huán)節(jié)，并對不同的改進方案進行實時分析、比較以及優(yōu)化，建立局部和整體相結合的持續(xù)性優(yōu)化機制，形成相對最優(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，并通過仿真驗證裝配工藝過程的準確性，最終得到優(yōu)化后的工藝設計的結果。這些結果能夠通過工藝卡片、在線交互工藝、包含三維模型信息的 PDF（3D PDF）文件以及 AVI格式的視頻動畫等方式輸出，如圖 4所示。最終以視頻或電子文檔形式發(fā)布到生產現場，從而指導現場工人準確、快速的進行裝夾、裝配、拆卸和維護等。

2.裝配工藝的管理

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

七、實現意義

通過開展基于三維模型的裝配工藝研究，實現意義如下。

（1）構建基于三維設計模型的裝配工藝設計體系以適應 MBD環(huán)境下開展工藝工作，改變以二維圖紙為主的傳統(tǒng)工藝設計；以產品三維設計模型為基礎，通過構造數字化的工藝設計與仿真環(huán)境，形成快速的裝配工藝設計、裝配工藝仿真及驗證能力。

（2）建立三維工藝文件表達及管理模式，滿足工藝文件審批、有效性管理以及現場應用等方面的需求，基于三維設計模型構建面向生產現場的工藝，豐富工藝展現形式，提高工藝指導生產的能力。

（3）一方面對產品的設計結果進行驗證，實現面向裝配的設計；另一方面實現基于虛擬現實的裝配工藝設計，通過建立三維可視化的虛擬環(huán)境，檢驗產品裝配工藝性，從而指導實際裝配生產。

（4）將裝配工藝設計與產品結構設計緊密結合，裝配工藝設計能夠在產品設計過程中同步開展，在產品實物到達裝配現場前直觀的開展工藝設計工作，充分體現并行工程的設計思想。

（5）將裝配工藝設計與工裝設計緊密結合。由于結構設計階段未能充分考慮批產裝配工裝，往往到裝配環(huán)節(jié)時設計工裝夾具，影響裝配進度。應用裝配仿真技術將產品模型、工裝夾具模型導入到虛擬環(huán)境中，進行零組件與工裝之間的干涉檢查，提高工裝設計的效率和質量。

（6）裝配工藝仿真的過程能夠以動畫的方式輸出，包括零部件的裝配順序、裝配路徑、操作過程的動畫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，避免因對裝配工藝的理解岐義造成錯裝、漏裝等現象的發(fā)生。