田富君，張紅旗，胡祥濤，陳帝江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

裝配是復(fù)雜產(chǎn)品研制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和研制周期。在制造過(guò)程中，裝配時(shí)間約占生產(chǎn)時(shí)間的20%~50%，裝配費(fèi)用占制造總費(fèi)用的20%~30%，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這個(gè)比例可能更高。為了提高裝配效率，改進(jìn)裝配質(zhì)量，降低裝配成本，人們對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)（Com pu ter Aided Assem b ly Process Planning, CAAPP）進(jìn)行了大量的研究（如哈爾濱工業(yè)大學(xué)[1]、北京理工大學(xué)[2]、東北大學(xué)[3]、西北工業(yè)大學(xué)[4]等），并取得了許多研究成果，有一些已經(jīng)在企業(yè)內(nèi)得到了局部應(yīng)用。然而，目前，大部分企業(yè)的裝配工藝設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的基于二維工程圖的工藝設(shè)計(jì)方法，這種工藝設(shè)計(jì)方法存在很多問(wèn)題，如不能直接利用設(shè)計(jì)部門(mén)發(fā)放的三維模型、工藝設(shè)計(jì)不直觀等。隨著企業(yè)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，三維裝配工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)成為企業(yè)的迫切需求。

Team cen ter是西門(mén)子推出的一款數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造軟件，廣泛應(yīng)用于我國(guó)的復(fù)雜產(chǎn)品制造行業(yè)（如航空、航天、船舶及汽車(chē)等），已經(jīng)從最初的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Managem ent,PDM）軟件逐漸發(fā)展成為產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Managem en t, PLM）軟件。Team cen ter中的制造工藝規(guī)劃器作為連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的橋梁，將產(chǎn)品、工藝和資源進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了工藝知識(shí)的積累和重用，并將Tecnom atix的仿真模塊集成到Team center當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)與工藝仿真的無(wú)縫集成。本文通過(guò)Team center平臺(tái)下的裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，建立了產(chǎn)品-工藝-資源（Product-Process-Resource,PPR）模型，并對(duì)三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析。

1 PPR模型建立

在裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，主要涉及到三類(lèi)對(duì)象：產(chǎn)品、工藝和資源，這三類(lèi)對(duì)象貫穿于整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中。通過(guò)對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的產(chǎn)品、工藝、資源及其之間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立了如圖1所示PPR模型。

1）裝配對(duì)象

裝配對(duì)象描述了裝配BOM信息，體現(xiàn)了裝配體的裝配層次關(guān)系和裝配順序。一個(gè)裝配體由若干個(gè)子裝配體和零件按照一定的裝配約束關(guān)系組合而成，子裝配體可以包含更小的子裝配體，直至最底層的零件節(jié)點(diǎn)，零件是組成裝配體的最基本單元。裝配體中的每個(gè)裝配單元都有其物料屬性，如零部件代號(hào)、零部件名稱(chēng)、父件號(hào)等。

2）裝配工藝

裝配工藝描述了產(chǎn)品或部件的裝配順序、裝配方法、裝配技術(shù)要求以及裝配過(guò)程所采用的裝配設(shè)備、工裝和工具等信息。裝配工序是指在一個(gè)工作地點(diǎn)，采用一套設(shè)備，連續(xù)完成的裝配工作；裝配工步是指完成一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的安裝而采取的連續(xù)的裝配工作；裝配工藝的最底層是裝配操作，它是指對(duì)一個(gè)裝配對(duì)象實(shí)施的連續(xù)的操作過(guò)程，裝配操作對(duì)象是指裝配過(guò)程中的所有可操作實(shí)體，操作對(duì)象不同，裝配操作亦不同[5]。

3）裝配資源

裝配資源描述了完成某個(gè)零部件的裝配所采用的裝配設(shè)備、工裝和工具等裝配資源信息。裝配資源庫(kù)的建立應(yīng)按照資源的類(lèi)型去組織，以便于裝配資源的快速檢索。此外，為了實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的裝配工藝仿真，需要有三維模型的支持，因此，裝配資源庫(kù)當(dāng)中應(yīng)包含資源的三維模型。

在PPR模型當(dāng)中，裝配工藝是其中的核心，他將裝配對(duì)象、裝配資源關(guān)聯(lián)起來(lái)。

圖1 PPR模型

2 三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

在Team center當(dāng)中，裝配工藝設(shè)計(jì)是通過(guò)多個(gè)模塊來(lái)共同實(shí)現(xiàn)的，包括結(jié)構(gòu)管理器，制造工藝規(guī)劃器，以及Process Sim u late on Team center。通過(guò)對(duì)Team center的裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，建立了如圖2所示的三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。

1）裝配BOM管理

根據(jù)獲取到的產(chǎn)品/部件/組件BOM，對(duì)BOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，定義虛擬裝配單元節(jié)點(diǎn)，并確定裝配單元的裝配順序。同時(shí)，完善零組件的基本信息，包括零組件號(hào)、零組件名稱(chēng)等。

2）裝配工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)零組件的裝配順序，確定裝配體的裝配工藝路線，確定每道裝配工序的配套零部件、裝配設(shè)備信息。然后，進(jìn)行裝配工序詳細(xì)設(shè)計(jì)，定義裝配工步，并確定每道裝配工步所采用的裝配工具及裝配內(nèi)容。

3）裝配工藝仿真

通過(guò)裝配工藝仿真對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，定義裝配操作，并對(duì)零部件的裝配路徑進(jìn)行規(guī)劃。在裝配路徑規(guī)劃過(guò)程當(dāng)中，利用干涉檢查工具，確定零部件之間、零部件和裝配資源之間是否發(fā)生干涉。對(duì)于狹小空間的裝配路徑規(guī)劃，可以采用自動(dòng)路徑規(guī)劃工具，形成無(wú)干涉的裝配路徑。若裝配工藝不可行，將仿真信息反饋給裝配BOM管理和裝配工藝設(shè)計(jì)，以對(duì)裝配工藝做出更改和優(yōu)化。

4）三維裝配工藝輸出

將三維裝配工藝信息和裝配仿真信息通過(guò)3D PDF進(jìn)行發(fā)布，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作工人的裝配。

圖2 三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

3 應(yīng)用實(shí)例

下面以某部件為例，對(duì)Team center平臺(tái)下的三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。1）在結(jié)構(gòu)管理器當(dāng)中，對(duì)部件的BOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，劃分裝配層次關(guān)系，并確定裝配順序；2）在制造工藝規(guī)劃器當(dāng)中，進(jìn)行裝配工藝的設(shè)計(jì)，確定裝配工序，并關(guān)聯(lián)本道裝配工序所要裝配的零組件以及本道工序用到的裝配資源，如圖3所示；3）進(jìn)行裝配工藝仿真，定義裝配操作，并確定零組件的裝配路徑，如圖4所示；4）將裝配工藝設(shè)計(jì)信息和裝配工藝仿真信息進(jìn)行輸出，如圖5所示。

圖3 裝配工藝設(shè)計(jì)

圖4 裝配路徑規(guī)劃

4 結(jié)束語(yǔ)

三維環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計(jì)一直是制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文在分析Team center平臺(tái)下的三維裝配工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了PPR模型，分析了三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例對(duì)三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明。本文的研究，對(duì)于國(guó)內(nèi)在三維裝配工藝設(shè)計(jì)的研究、應(yīng)用方面有一定的借鑒作用。

圖5 三維裝配工藝輸出

[1] 夏平均,姚英學(xué),李建廣,等.三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,37(1):36-39.

[2] 劉檢華,寧汝新,萬(wàn)畢樂(lè).面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的虛擬裝配工藝規(guī)劃技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2007,13(1):67-73.

[3] 王成恩,于宏,于嘉鵬,等.復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(5):952-960.

[4] 田富君.基于輕量化模型的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2012.

[5] 侯偉偉,劉檢華,寧汝新,等.基于層次鏈的產(chǎn)品裝配過(guò)程建模方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2009,15(8):1522-1527.