基于Teamcenter的彈箭產品三維數字化裝配工藝設計技術研究

劉殷杰，李文昊，蒲瑤，楊倩，柳林，應嘉奇，王治平

(西安現代控制技術研究所，陜西西安 710065)

0 前言

裝配是產品研制過程中最后也是最重要的環節，直接決定了產品的最終質量和性能[1-2]。對于彈箭產品而言，它具有制造資源眾多、線束布局空間狹窄、裝配關系復雜的特點，裝配工藝設計難度大。目前，彈箭產品裝配工藝設計仍主要以二維圖紙和文字信息為核心，抽象難懂，數字化程度低，過度依賴工藝人員經驗，無法準確傳遞設計及工藝意圖，缺乏工藝數字化驗證手段，常常在現場出現裝配不合理的問題，造成大量的裝配返工和工藝更改，裝配質量問題頻發，導致研制周期延長。隨著信息化技術的發展，以三維模型為單一數據源的數字化設計已經成為制造企業的迫切需求[3-5]。我國航空企業在數字化建設方面取得了比較突出的成果，通過研究和應用基于模型定義(Model-Based Definition，MBD)技術[6-9]，基本實現了飛機產品的三維數字化設計及管理[10]。但彈箭產品的數字化建設水平較低，尚未完全實現裝配工藝的數字化設計，無法滿足當前彈箭產品快速研制、高質量管控的需求。因此，本文作者基于Teamcenter搭建了彈箭產品數字化研制平臺，分析彈箭產品三維數字化裝配工藝設計過程，實現彈箭產品的數字化快速研制。

1 基于Teamcenter的彈箭產品數字化研制平臺

Teamcenter是西門子推出的一款產品全生命周期管理軟件，可用來管理設計數模、制造工藝、仿真數據及流程信息等產品研制過程中的數據，通過集成可實現產品全生命周期的數字化設計及制造，為制造行業提供了可行的數字化生命周期管理解決方案。

裝配工藝設計是連接彈箭產品設計與制造的關鍵環節。為實現彈箭產品裝配工藝的三維數字化設計，提出基于Teamcenter的彈箭產品數字化研制平臺架構，如圖1所示，包括基礎數據層、業務功能層和交互應用層。基礎數據層存儲裝配知識、裝配資源等數據以供工藝重用，包括工藝知識庫、工藝參數庫、裝配工裝庫、裝配設備庫和輔助材料庫等。業務功能層是實現系統業務內容的核心，為系統提供了一系列的功能組件，包括BOM構建、裝配順序及路徑規劃、裝配工序及工步設計、裝配資源關聯、裝配過程仿真、三維工藝標注、工藝文件生成及發布等。交互應用層為用戶提供了與系統進行交互操作的窗口，使用戶在三維可視化環境下調用相關功能組件，完成裝配工藝的數字化設計與仿真，包括結構管理器、制造工藝規劃器、裝配過程仿真工具、MES集成等。

圖1 基于Teamcenter的彈箭產品數字化研制平臺架構

2 彈箭產品三維數字化裝配工藝設計過程

彈箭產品三維數字化裝配工藝設計是以產品三維模型為核心，開展裝配工藝規劃和裝配工藝設計工作，同時通過裝配過程仿真工具對工藝進行驗證與優化，并按照工藝模板自動生成裝配工藝文件并審批發布至制造執行系統，從而保證彈箭產品裝配工藝設計的效率和質量，實現與制造環節的無縫銜接。

2.1 裝配工藝規劃與管理

裝配工藝規劃與管理是根據產品三維模型及EBOM，分析產品組成并進行裝配工藝頂層規劃，包括裝配單元劃分、裝配順序規劃、裝配工藝路線規劃，從而構建形成頂層MBOM。彈箭產品BOM構建與轉換過程見圖2。

圖2 彈箭產品BOM構建與轉換

彈箭產品EBOM描述了產品的結構組成，裝配單元則是工藝裝配件的總稱。在分析EBOM的基礎上，根據功能或結構相對獨立原則，通過三維輕量化模型交互查看方式劃分裝配單元。對于彈箭產品而言，一般可分為儀器艙、控制艙、發動機艙、戰斗部艙、通電前和總裝等多個裝配單元[11-12]。在此基礎上，分析確定裝配單元的裝配順序，規劃裝配工藝路線，結構化定義裝配工藝及裝配工序節點，添加屬性信息，形成頂層MBOM。頂層MBOM由多層次的裝配單元工藝、裝配工序構成，是裝配工藝的頂層規劃，描述了裝配單元的裝配層次關系及裝配路線，可有效組織和管理裝配工藝數據，為進一步進行裝配工藝詳細設計提供基礎。

2.2 裝配工藝詳細設計

裝配工藝詳細設計是對頂層裝配工藝的進一步細化設計，根據彈箭產品各項技術要求，進行裝配工序設計和裝配工步設計。在三維環境下，對產品設計模型進行三維裝配工藝信息標注，形成三維裝配工藝模型;定義裝配工步節點，添加工藝參數、工藝標準、工時定額、材料定額、操作要求及裝配注意事項等制造信息;通過電子表格錄入導線標識、部件焊裝、對接焊線等電氣數據;從基礎數據庫中調用裝配所用的工裝、設備、檢具和輔助材料等。同時針對裝配工序添加消耗件，消耗件包括零件、組件和接插件，從而實現全部裝配資源的關聯，最終構建形成底層MBOM，完成由頂層MBOM向底層MBOM的轉換。

2.3 裝配工藝仿真與優化

裝配工藝仿真與優化是在三維環境下，利用彈箭產品三維輕量化模型對裝配工藝進行仿真分析，驗證裝配工藝設計的合理性，并針對工藝中不合理的內容進行優化，如圖3所示。

圖3 裝配工藝仿真與優化

裝配工藝仿真包括裝配路徑仿真、裝配精度仿真等。彈箭產品裝配涉及線纜的鋪設、接插件的接插等內容，實際裝配中常常因為對裝配路徑考慮不周而造成接插件無法接插等問題。在工藝設計環節，預先進行裝配路徑仿真，對裝配過程中零件、工裝及工具等的可達性、操作空間的開敞性開展仿真驗證[13]，同時檢查零件和工裝等資源在裝配過程中是否會發生干涉。若裝配工藝不合理，根據仿真結果對裝配工藝進行優化改進。

裝配精度仿真是針對產品的關鍵特性[14]，利用彈箭產品及工裝的三維輕量化模型，根據裝配工藝中零組件的定位方式建立零組件及工裝之間的裝配約束關系，并引入零組件和工裝制造偏差，建立裝配偏差傳遞模型[15]，對裝配精度進行統計預測分析，并根據預測結果優化導致裝配精度超差的裝配工藝內容，包括零組件裝配順序、定位方案以及工裝精度的優化等。彈箭產品的裝配精度分析目標一般包括前后滑塊的平面度、彈體的同軸度以及彈翼安裝角等。

2.4 裝配工藝文件生成與發布

裝配工藝規程是指導與規范產品裝配的重要文件。在彈箭產品數字化研制平臺中定制開發裝配工藝規程模板及工藝文件生成工具，工藝人員完成裝配工藝設計后，一鍵自動生成PDF格式的裝配工藝規程文件并發起審批，同時完成工藝文件的成冊管理，并通過MES集成工具發布到制造執行系統，以指導現場裝配人員快速、準確操作。

3 應用案例

以某型導彈為例，基于彈箭產品數字化研制平臺，對其開展三維數字化裝配工藝設計工作，如圖4所示。

圖4 某型導彈三維數字化裝配工藝設計過程

(1)工藝人員接收某型導彈三維數模及EBOM信息，在結構管理器中查看并分析其產品組成及三維輕量化模型；(2)劃分裝配單元，在制造工藝規劃器中對裝配單元的裝配順序及裝配工藝路線進行規劃，定義裝配工藝及裝配工序節點，構建頂層MBOM；(3)詳細設計其裝配工序、裝配工步內容，添加工時定額、材料定額等信息，關聯所用裝配設備、工裝、輔料及消耗件等裝配資源，同時基于三維輕量化模型標注三維工藝信息，形成面向制造環節的底層MBOM；(4)進行裝配工藝仿真，根據裝配工藝建立裝配路徑，檢驗其裝配過程中是否存在裝配資源及操作空間的干涉問題；(5)生成PDF格式的裝配工藝文件并進行審批；(6)通過MES集成工具將裝配工藝文件發布至制造執行系統。

4 結束語

彈箭產品全過程的數字化設計與制造是保證產品質量、實現快速研制的必經之路，而裝配工藝的三維數字化設計是其中重要的一環。本文作者基于Teamcenter構建了彈箭產品數字化研制平臺架構，分析了彈箭產品三維數字化裝配工藝設計過程，研究了EBOM→頂層MBOM→底層MBOM的構建與轉換，并以某型導彈為例進行了應用說明。結果表明：文中研究能夠實現彈箭產品的三維數字化裝配工藝設計，具有很高的應用和推廣價值。