慣性平臺三維工藝設計技術研究

黃 俊， 張 惠， 馬步川， 鮑立國

（北京航天控制儀器研究所， 北京 100039）

0 引言

慣性平臺系統作為多層級精密復雜光機電產品的典型代表，具有研制周期長、精度影響因素多、精度要求高和裝配過程難以控制等特點[1]。慣性平臺裝焊主要以手工裝配焊接為主，生產用圖紙均為二維圖。受二維圖紙局限性，很難在二維圖中對導線走線路徑、導線綁扎及固定位置進行工藝細化量化，造成不同操作人員走線路徑、綁扎及加固位置不一致，影響產品美觀性及可靠性。 因此，針對傳統工藝指導效果差，布線工藝表達欠缺的問題，需要開展三維布線工藝技術研究，細化量化工藝要求，更好的指導生產。

國內眾多研究人員對三維裝配工藝設計系統進行了深入的研究，并開發了原型系統，如Smart APDTools、SVMAN-A 等工藝設計平臺。航天211 廠通過單一數據源的三維模型，制定了“三維到工藝”等發展步驟，重點解決了基于三維模型的設計工藝協同、信息傳遞、加工、裝配、檢測等裝備的數控化問題。 李偉[2]提出了基于Pro/E、APDTools和Avidm5 的MPM 系統三者集成三維可視化裝配工藝設計系統方案，并以某航天產品為例進行驗證。 田富君[3]以PDM 為協同工作平臺，利用VC++語言對Pro/E 進行二次開發，實現了雷達結構三維裝配工藝設計系統，并將裝配工藝信息保存至PDM 系統進行管理。 孫剛等[4]以衛星總裝為背景， 將基于裝配仿真的裝配工藝設計與面向現場的三維工藝應用結合起來， 系統地提出了一種基于三維模型的衛星裝配工藝設計、仿真與應用方法。 以上研究內容均為大型機械產品，而慣性平臺空間狹小，因此，根據慣性平臺裝配工藝設計特點， 分析了慣性平臺結構三維裝配工藝設計過程， 建立了慣性平臺結構裝配工藝信息模型， 并展示慣性平臺裝配的三維工藝設計過程以及車間工藝瀏覽的應用效果。

1 三維工藝總體框架

三維工藝技術是將三維設計的模型進行信息提取和輕量化處理后，再進行工藝設計，有效組織和管理裝配工藝設計數據，并處理系統的多輸入與輸出。利用Pro/E 5.0、UG 等軟件設計平臺、基于SVMAN-A 的三維可視化裝配工藝仿真平臺，實現三維工藝的編制。通過與TC、MES 系統集成應用， 實現TC 系統對三維工藝的管理， 以及在MES 系統進行三維工藝的瀏覽查看。 通過三維裝配工藝的應用，實現設計、制造三維貫通，提升裝配布線指導效果，從而保障產品質量的穩定性。三維裝配工藝技術總體框架，包括模型預處理、三維工藝設計、三維工藝瀏覽和三維工藝發布等4 個步驟，見圖1。

圖1 三維裝配工藝總體框架

2 三維可視化裝配仿真

三維工藝設計模塊導入三維CAD 生成產品三維數據模型，并在其基礎上，根據企業實際工藝路線、產品零部件裝配的工藝性原則，調整產品的裝配結構，工藝人員根據產品模型，可視化的規劃裝配工藝過程（主要包含產品的裝配工序/工步），同時進行可視化工序組件分配（工序的裝入件清單），調用裝配過程中的工裝資源，然后在虛擬環境中模擬仿真產品的裝配過程、 工裝資源的操作過程，驗證產品的可裝配性、工裝資源的可達性等，最后輸出可視化的工藝文件及工藝報表等，見圖2。

圖2 三維裝配工藝總體設計流程

2.1 三維模型預處理

三維裝配設計模型的獲取可通過集成的方式從PDM 系統中獲取或從本地導入。 對Pro/E、UG 等三維軟件設計的三維模型進行輕量化轉換， 輕量化后保留原始模型的幾何、尺寸、空間位置、PMI 等信息，可以對待輕量化的數模進行配置設置，如設置轉換精度，設置幾何信息邊界線、隱藏對象的轉換、視圖信息、屬性信息、線纜信息、PMI 信息等，對線纜與結構件設置不同的轉換精度，提高輕量化質量。

2.2 三維工藝設計

建立基于面向對象層次時間Petri 網的裝配工藝模型， 首先對裝配和拆卸過程進行圖形化描述， 建立對象PN 子網和輔助PN 子網[4]；在此基礎上，人工交互式進行裝配序列規劃和路徑規劃；對結構件、線纜和人機工程進行裝配過程的混合仿真和迭代優化， 確定最優的裝配序列和路徑。

慣性平臺的三維裝配工藝的設計以裝配工藝設計流程為主線展開，主要包含裝配工藝的劃分、工藝流程的設計、工藝信息建模、裝配工序與工步的生產，以及三維裝配動畫的制作。在三維工藝設計中，會產生包含層次關系的裝配工藝流程、 三維裝配動畫和結構化的工藝卡片燈在內的二維和三維、結構化和非結構化的數據。

2.3 三維可視化操作

三維裝配工藝設計內嵌自主研發的三維可視化內核，集成了高性能3D 可視化功能，高保真的輕量化，完整保留PMI、產品BOM 結構、屬性等。 在車間現場，通過三維工藝瀏覽器讀取XML 工藝文件，可以瀏覽BOM 信息、工藝附圖、裝配過程動畫、字幕或注釋文件等工藝信息。

2.4 三維工藝發布

PDM 作為集成應用平臺， 集中管理制造工藝設計過程及數據，對于制造工藝過程數據進行統一管理，包括：結構化工藝數據以及相關文檔（三維工藝模型）以及規程文檔數據；工藝設計過程中需要調用的管理性數據（工藝過程路線，其他相關數據）。此外，針對工藝設計管理和工藝協同應用方面的需求，PDM 提供結合版本管理、流程管理、任務管理、權限管理，檢入檢出機制。 通過TC 輸出的工藝過程路線，進行三維工藝的設計，設計過程中調用基礎資源庫中的工藝資源。完成工藝設計后，將結構化工藝及三維工藝模型保存至PDM 系統中；當存在工藝變更更改時，可以從PDM 中觸發，調取三維工藝信息，進行工藝的修改等，發布的三維工藝由PDM 下發至MES 平臺，在MES 系統中進行查看，見圖3。

圖3 三維工藝下發流程

3 三維可視化工藝設計系統應用

本文以某慣性平臺可視化工藝輸出過程為例， 展示慣性平臺機裝和線纜走線的三維工藝設計過程以及車間工藝瀏覽的應用效果。

3.1 三維裝配動畫編制

編制三維裝配仿真動畫是SVMAN-A 系統的主要功能，也是實現可視化裝配工藝技術的核心。將原始三維模型輕量化處理后導入系統，SVMAN-A 提供基礎的拆裝動作外，見圖4。 還提供了設置淡入淡出、設置顏色、閃爍效果，插入聲音、圖片等方式，協助完善裝配工藝過程設計。

圖4 拆裝動作制作圖

3.2 三維布線動畫編制

針對慣性平臺的線纜等柔性部件， 利用透明度漸變功能實現電纜線布線過程的動態展示，見圖5。 線束創建后，以零件的方式加載在裝配結構中，可通過刪除零件來實現對線束的刪除。

圖5 線纜設計與布線規劃

3.3 三維工藝瀏覽與使用

采用SmartViewer 用于瀏覽可視化裝配工藝，在MES機終端安裝后只能查看編制好的裝配動畫及工藝信息，無法進行二次編輯。 將工藝結構化數據（材料信息、設備信息、路線、模型、屬性、仿真等信息）以及三維工藝文件集成到PDM 系統中， 由PDM 將三維工藝文件及結構化信息推送給MES 系統進行車間調用查看，MES 系統調用三維工藝可視化顯示控件， 在車間現場瀏覽三維輕量化模型以及瀏覽三維工藝文件，見圖6。

圖6 慣性平臺三維裝配工藝集成

4 結束語

本文針對傳統二維工藝生產制造痛點， 提出了一套三維工藝設計及仿真解決方案。 三維工藝提供可視化裝配與布線仿真，可以最大程度在工藝設計階段暴露問題，確保工藝設計質量和效率。 通過三維工藝設計與仿真技術的應用，實現了對產品裝配、布線全過程的有效指導，保證了產品質量的一致性。