三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)在電子設(shè)備中的應(yīng)用

胡國高

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

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三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)在電子設(shè)備中的應(yīng)用

胡國高

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

摘要：針對(duì)軍用電子設(shè)備二維裝配工藝的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，開展了基于DELMIA軟件系統(tǒng)進(jìn)行三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的研究，對(duì)電子設(shè)備三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究與分析，從PDM下載UG三維模型文件，將其轉(zhuǎn)換為DELMIA軟件可識(shí)別的格式后導(dǎo)入并建立裝配結(jié)構(gòu)樹，進(jìn)行三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真。對(duì)某毫米波雷達(dá)俯仰裝置的裝配過程進(jìn)行了裝配干涉、裝配順序和人機(jī)工效仿真并輸出工藝文檔，按照工藝文件對(duì)該雷達(dá)俯仰裝置進(jìn)行了實(shí)物裝配以驗(yàn)證其仿真符合率，結(jié)果達(dá)到了98%。

關(guān)鍵詞：三維裝配工藝設(shè)計(jì)；裝配仿真；DELMIA；俯仰裝置

目前，電子裝備行業(yè)內(nèi)工藝設(shè)計(jì)的主要手段是采用填卡片式的二維CAPP，裝配工藝設(shè)計(jì)主要依靠圖樣和二維裝配工藝規(guī)程卡片來表達(dá)。電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所形成的產(chǎn)品數(shù)字三維模型得不到充分利用，已有的數(shù)字化設(shè)計(jì)信息需要工藝人員分析和重新輸入，與數(shù)字化三維CAD系統(tǒng)沒有建立有效傳遞途徑，不能與設(shè)計(jì)協(xié)同工作，工藝設(shè)計(jì)工作繁瑣，效率低下，表達(dá)不直觀，線纜敷設(shè)根據(jù)實(shí)物在現(xiàn)場進(jìn)行手工實(shí)施，線纜設(shè)計(jì)沒有三維模型化，布線路徑不具體，機(jī)械裝配和電氣互聯(lián)交錯(cuò)裝配工藝過程不能準(zhǔn)確清晰表達(dá)，不能進(jìn)行裝配工藝定量虛擬仿真和流程優(yōu)化，裝配工藝靠工藝人員的知識(shí)水平和裝配經(jīng)驗(yàn)來完成復(fù)雜的裝配工藝設(shè)計(jì)，裝配工藝可行性、裝配順序工藝合理性、裝配工具及路徑最優(yōu)化、裝配操作空間可達(dá)性等問題無法在裝配設(shè)計(jì)階段得到有效驗(yàn)證，導(dǎo)致工藝更改較為頻繁，輸出的工藝規(guī)程可讀性差，指導(dǎo)性不夠，裝配工藝規(guī)劃編制周期長。

在電子設(shè)備的樣機(jī)研制過程中，對(duì)其裝配性能的分析和評(píng)價(jià)都是根據(jù)零部件實(shí)物來完成的，即在零件加工完成后，在產(chǎn)品實(shí)際的裝配過程中對(duì)其裝配工藝可行性、合理性進(jìn)行分析和驗(yàn)證，根據(jù)裝配結(jié)果對(duì)其裝配工藝性進(jìn)行修改迭代，使其滿足設(shè)計(jì)要求，是一種典型的“試裝配→調(diào)試→修正設(shè)計(jì)→再試裝配”傳統(tǒng)電子設(shè)備研制生產(chǎn)流程，大大增加了裝備研制周期和費(fèi)用。先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造流程迫切需要以產(chǎn)品三維模型和設(shè)計(jì)物料清單(EBOM)為基礎(chǔ)，改變現(xiàn)有的工藝集成制造體系，建立數(shù)字化工藝模型，形成以數(shù)字化模型為核心的數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)體系，實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化[1-2]。

1三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真規(guī)劃

裝配工藝過程仿真為產(chǎn)品裝配提供一個(gè)三維的虛擬制造環(huán)境來驗(yàn)證和評(píng)價(jià)工藝規(guī)劃的裝配順序、路徑及操作程序的合理可達(dá)性。基于模型定義的數(shù)字化三維裝配工藝設(shè)計(jì)過程需從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)(PDM)中獲取某雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過自行集成開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?qū)a(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件可以編輯識(shí)別的三維工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，形成適用于工藝設(shè)計(jì)過程的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；將已定義的相關(guān)資源(如車間、工作臺(tái)、工裝、工具和人等)加入到DELMIA軟件系統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃模塊(DPE)環(huán)境中，形成工藝資源結(jié)構(gòu)樹，并在DPE中創(chuàng)建詳細(xì)產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹，進(jìn)行三維裝配單元組件劃分、裝配順序和裝配路徑規(guī)劃等工藝過程設(shè)計(jì)；根據(jù)規(guī)劃好的裝配組件、裝配順序及路徑在DELMIA軟件的工藝仿真與驗(yàn)證模塊(DPM)中進(jìn)行裝配干涉檢查、裝配順序仿真、裝配工裝工具仿真和人機(jī)功效仿真，根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)判其合理可行性，優(yōu)化迭代三維裝配工藝，并將根據(jù)最終仿真結(jié)果固化的工藝輸出可視化操作文檔；將文檔檢入工藝管理系統(tǒng)(CAPP)中，同時(shí)從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)(PDM)導(dǎo)入設(shè)計(jì)物料清單(EBOM)，在CAPP系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)劃物料清單(PBOM)配置，并進(jìn)行編輯形成二維和三維可視化集成的工藝文件；然后將可視化集成工藝文件檢入PDM系統(tǒng)進(jìn)行歸檔發(fā)布，將發(fā)布的工藝文件傳輸?shù)杰囬gMES生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)中，進(jìn)行排產(chǎn)和作業(yè)分配，并將可視化文檔在車間終端上進(jìn)行顯示，指導(dǎo)技術(shù)工人裝配，實(shí)現(xiàn)無紙化裝配生產(chǎn)。基于DELMIA軟件的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真總體規(guī)劃如圖1所示。

圖1　三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真總體規(guī)劃

2三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真的關(guān)鍵技術(shù)

2.1三維裝配工藝仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

首先，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM中下載三維UG模型文件(*.prt)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件系統(tǒng)可以讀取的STEP格式文件模型；然后，在DELMIA系統(tǒng)中導(dǎo)入STEP格式的模型文件，建立裝配結(jié)構(gòu)樹[3-4]。在DELMIA軟件裝配環(huán)境中，利用VB軟件自行集成開發(fā)的宏程序，調(diào)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)中輸出的物料清單文件，將零件編號(hào)、名稱和材料屬性等相關(guān)信息自動(dòng)添加到STEP格式的中性幾何模型中，更新零件屬性、為數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2快速三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)

在DELMIA軟件裝配環(huán)境中，通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)，規(guī)劃裝配單元組件的裝配順序，定義裝配工序及工步。其中，工步主要有直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、牽引運(yùn)動(dòng)及典型運(yùn)動(dòng)[5]。而復(fù)雜電子設(shè)備的裝配過程涉及電子元器件組裝、線纜裝配、機(jī)械裝配和系統(tǒng)聯(lián)試等，同時(shí)軍用電子產(chǎn)品研制特點(diǎn)是多品種小批量生產(chǎn)，研制周期短，而且大多數(shù)產(chǎn)品處于研制狀態(tài)，變化頻繁，其裝配過程就成為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工藝活動(dòng)，裝配路徑和裝配順序規(guī)劃、裝配操作過程指令生成等需要反復(fù)迭代。軍用電子設(shè)備的聯(lián)接螺釘數(shù)量較多，需根據(jù)工藝人員的裝配經(jīng)驗(yàn)和裝配生產(chǎn)環(huán)境，分析制定合理的工藝組件，分層次劃分裝配單元，并將裝配工藝流程信息添加到工藝組件的名稱中，通過工藝組件及其工藝(工步)流程信息，不斷優(yōu)化裝配順序路線，提高裝配順序的并行度以提高裝配生產(chǎn)資源利用率，使裝配過程中差異不大的裝配作業(yè)集中完成，減少工藝組件的裝夾和裝配工具的更換次數(shù)，縮短裝配所用時(shí)間，降低裝配成本。

2.3某電子設(shè)備雷達(dá)俯仰裝置裝配的工藝過程仿真

2.3.1俯仰裝置裝配特點(diǎn)

圖2　俯仰裝置模型

俯仰裝置是該電子設(shè)備雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，是整個(gè)雷達(dá)最重要的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)與承力結(jié)構(gòu)，裝配精度高且過程復(fù)雜。主要結(jié)構(gòu)件包括俯仰支架、軸承端蓋、擋板、齒輪、軸承、電動(dòng)機(jī)、軸套和平鍵，在擋板與支架之間還有定位銷(見圖2)。

2.3.2裝配干涉的仿真

在DELMIA虛擬裝配環(huán)境中，依據(jù)在工藝規(guī)劃模塊(DPE)中設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程和工藝組件裝配順序，通過對(duì)每個(gè)工藝組件的移動(dòng)、定位和裝配過程等進(jìn)行組件與組件、組件與工裝之間的干涉檢查，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有干涉情況，自動(dòng)停止模擬仿真過程并報(bào)警，同時(shí)給出干涉位置和干涉量，這樣可以有效幫助查找和分析干涉原因(見圖3)。該項(xiàng)是檢查工藝裝配單元組件沿著設(shè)計(jì)好的模擬裝配路徑在移動(dòng)過程中是否與周邊環(huán)境或產(chǎn)品有碰撞，整個(gè)檢查過程在三維環(huán)境中進(jìn)行直觀地顯示，為裝配工藝過程優(yōu)化提供可靠有效的數(shù)據(jù)。

圖3　裝配干涉仿真

2.3.3裝配順序的仿真

在DELMIA軟件的三維裝配環(huán)境中，利用已定義的裝配工藝流程設(shè)計(jì)信息、產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和工藝資源信息，依據(jù)在工藝規(guī)劃模塊(DPE)中規(guī)劃的裝配工藝過程及定義好的工藝組件裝配路徑，對(duì)產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程進(jìn)行三維裝配工藝動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證每個(gè)工藝組件按照設(shè)計(jì)好的工藝順序是否能夠無阻礙裝配。如果發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過程中存在裝配順序的錯(cuò)誤，則可以重新定義工藝裝配單元組件裝配順序、裝配工序和裝配工步，反復(fù)迭代裝配順序，避免出現(xiàn)在實(shí)際裝配時(shí)才發(fā)現(xiàn)工藝組件裝不上去的情況(見圖4)。裝配順序雖然是按先工裝后工藝組件，自下而上，由里向外的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但仍不能保證規(guī)劃的裝配順序合理可行，因?yàn)殡娮釉O(shè)備的各個(gè)裝配結(jié)構(gòu)單元之間需要用各種各樣的線纜進(jìn)行電氣連接，導(dǎo)致規(guī)劃的工藝組件裝配順序在接線時(shí)發(fā)現(xiàn)無法操作，同時(shí)實(shí)際裝配生產(chǎn)現(xiàn)場制造資源布局、裝配技能及操作習(xí)慣也會(huì)影響產(chǎn)品工藝組件的裝配順序、裝配作業(yè)指令；所以裝配知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)在裝配工藝過程中占據(jù)舉足輕重的地位，尤其在電氣互聯(lián)復(fù)雜的電子設(shè)備研制過程中，這種產(chǎn)品裝配特性體現(xiàn)得更明顯。

圖4　裝配順序仿真過程

2.3.4人機(jī)工程的仿真

電子設(shè)備的裝配過程，會(huì)涉及很多種類的工具、工裝和操作工人的各種運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作，設(shè)備工藝組件裝配移動(dòng)的過程是一個(gè)人機(jī)互動(dòng)的過程。在DELMIA軟件三維虛擬裝配環(huán)境中，通過控制虛擬人體模型，模擬現(xiàn)場裝配人員在裝配時(shí)的站位及各種實(shí)際操作動(dòng)作，并進(jìn)行計(jì)算和仿真分析，實(shí)現(xiàn)裝配工藝方案的預(yù)裝配及人機(jī)工效評(píng)估，這樣就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在裝配過程中可能遇到的問題[6]。在DELMIA軟件中可以根據(jù)虛擬裝配環(huán)境進(jìn)行人機(jī)功效仿真，分析各個(gè)工藝組件的裝配順序，可以對(duì)人體各種極限姿勢(shì)進(jìn)行模擬，檢查裝配路徑對(duì)人體操作可達(dá)性的影響，工藝組件的裝配是否在極限姿勢(shì)的操作范圍之內(nèi)；同時(shí)也可以檢查裝配的操作空間是否能滿足人體作業(yè)需求，裝配操作是否舒適，相關(guān)設(shè)備布局是否合理(見圖5)。在產(chǎn)品及工藝資源模擬結(jié)構(gòu)環(huán)境中，將人體的標(biāo)準(zhǔn)三維模型放入虛擬裝配環(huán)境中，根據(jù)可視、可達(dá)、可操作、舒適以及安全等5個(gè)要求，按照工藝設(shè)計(jì)流程對(duì)工人的每一個(gè)操作特性動(dòng)作進(jìn)行仿真。

圖5　人機(jī)工程仿真

2.3.5裝配過程的記錄及生成相關(guān)文檔

利用上述裝配過程的三維數(shù)字化裝配工藝仿真功能，將整個(gè)裝配過程記錄下來，形成可以播放的可視化文檔及動(dòng)畫視頻文件，指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行該雷達(dá)俯仰裝置裝配，實(shí)現(xiàn)可視化裝配，驗(yàn)證雷達(dá)俯仰裝置裝配工藝設(shè)計(jì)的合理性和仿真符合度，整個(gè)裝配仿真過程經(jīng)裝配驗(yàn)證無誤后，可以根據(jù)產(chǎn)品裝配生產(chǎn)需要，定制生成相關(guān)文檔(見圖6)。同時(shí)，也可以制作維護(hù)保養(yǎng)電子手冊(cè)和對(duì)雷達(dá)維護(hù)人員進(jìn)行上崗培訓(xùn)，幫助操作人員直觀地了解設(shè)備操作全過程。

圖6　裝配過程記錄及文檔生成

3工程驗(yàn)證

以某雷達(dá)部件裝配為對(duì)象，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件可以識(shí)別的工藝模型數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA軟件中構(gòu)建裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，將裝配過程中的工裝模型、夾具模型等相關(guān)資源加入模擬仿真環(huán)境；同時(shí)，進(jìn)行裝配工藝順序規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃，分配工藝裝配單元組件，針對(duì)規(guī)劃好的裝配順序和路徑進(jìn)行裝配干涉動(dòng)態(tài)檢查、裝配順序仿真和人機(jī)工程仿真，并根據(jù)規(guī)劃好的裝配工藝指令，對(duì)裝配工藝規(guī)劃進(jìn)行可視化的展示，交互式實(shí)現(xiàn)對(duì)每步裝配操作的可視化分析，對(duì)裝配協(xié)調(diào)過程中的可達(dá)性、可操作性和安全性等進(jìn)行全面的分析，同時(shí)檢查裝配工藝方案是否可行。最終根據(jù)仿真的結(jié)果生成電子的三維裝配工藝文件，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)，顯著提高了工藝指導(dǎo)性以及現(xiàn)場執(zhí)行效率。利用實(shí)物裝配來驗(yàn)證依據(jù)仿真結(jié)果輸出的工藝文件的正確性，結(jié)果其仿真符合率>98%，證實(shí)基于DELMIA軟件的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真方法的可靠性和準(zhǔn)確性。仿真過程分析了裝配過程中操作工具的可達(dá)性，操作空間的可行性，以及人機(jī)操作過程的工效，驗(yàn)證了毫米波雷達(dá)部件和其配套工裝的可行性。創(chuàng)建的裝配資源庫如圖7所示。

圖7　裝配工藝仿真資源庫

4結(jié)語

以某雷達(dá)俯仰裝置為例，開展了基于DELMIA軟件系統(tǒng)的三維裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了三維裝配工藝的規(guī)劃、裝配過程的三維模擬仿真以及整個(gè)裝配過程的可視化輸出，實(shí)現(xiàn)了裝配信息從設(shè)計(jì)到工藝的有效傳遞與共享，提高了裝配工藝設(shè)計(jì)效率和指導(dǎo)性，減少了裝配現(xiàn)場的問題，提高了裝配質(zhì)量和效率，三維裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真是提高復(fù)雜電子產(chǎn)品數(shù)字化水平的必要途徑。

本文未對(duì)基于三維模型的電子設(shè)備線纜敷設(shè)作業(yè)分析技術(shù)進(jìn)行相關(guān)討論，但其今后將是電子設(shè)備三維裝配工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。目前的線纜敷設(shè)作業(yè)分析不是基于電子設(shè)備數(shù)字化樣機(jī)來完成的，而是根據(jù)工藝人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來確定線纜敷設(shè)操作指令，容易導(dǎo)致線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)的隨意性；布線是否合理很大程度上取決于從事線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。線纜敷設(shè)工序的合理選擇、分配與優(yōu)化，能夠提升電子設(shè)備的一次性裝配成功率，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備線纜敷設(shè)的快速分析、分配與優(yōu)化，這對(duì)于提高零件線纜敷設(shè)的可實(shí)現(xiàn)性和操作性至關(guān)重要。

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責(zé)任編輯鄭練

The Application of the Simulation of 3D Assembly Process Design in Electronic Equipments

HU Guogao

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Abstract：The simulation of 3D assembly process design based on DELMIA software system is studied according to the present status of 2D assembly process plan and design in military electronic equipment. The key technology of the simulation of 3D assembly process design in electronic equipment is studied and analyzed selectively. The UG 3D-model files downloaded from PDM are transformed to the form which could be recognized by DELMIA. The simulation of 3D assembly process design is carried on using the assembly structure tree which is built by the transformed form. Assembly interference, assembly order and simulation of human-computer interaction efficiency are done during the assembly process of pitch device of one millimeter-wave radar and process documents are exported. According to the process documents, the coincidence rate between simulation result and practical assembly of the pitch device of millimeter-wave radar could achieve 98%.

Key words:3D assembly process design, assembly simulation, DELMIA, pitch device

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：胡國高(1977-)，男，高級(jí)工程師，主要從事航空電子產(chǎn)品系統(tǒng)工藝總體設(shè)計(jì)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 391.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B