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(xiàn)狀，基于數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化設計及管理。但是當產(chǎn)品從設計階段延伸到工藝階段時卻出現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)傳遞的“斷層”，在工藝系統(tǒng)中基于三維產(chǎn)品模型應用等方面還很薄弱?，F(xiàn)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(chǎn)品和資源表現(xiàn)形式，工藝設計人員依據(jù)二維圖紙去理解產(chǎn)品的裝配關系及工裝的使用方式，并構想產(chǎn)品的裝配順序，整個過程耗費時間，且容易出現(xiàn)歧義。

（2）工藝數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(chǎn)品的裝配過程。

（3）工藝人員在工藝編制過程中根據(jù)生產(chǎn)要求提出的工裝需求，只能在實際生產(chǎn)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(shù)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(xiàn)三維設計、工藝數(shù)據(jù)的完整搭接，為最終實現(xiàn)數(shù)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(xiàn)途徑如下。

（1）從 Teamcenter系統(tǒng)中獲取設計 BOM及產(chǎn)品三維模型，進行裝配結構的可視化調整，形成工藝 BOM，根據(jù)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(xiàn)場生產(chǎn)。

（5）三維裝配工藝設計系統(tǒng)產(chǎn)生的結果信息存儲在 Teamcenter系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)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(shù)據(jù)用于指導生產(chǎn)。

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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品輕量化模型。根據(jù)產(chǎn)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(chǎn)品樹上選取零組件分配到相應生產(chǎn)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(chǎn)分廠接到生產(chǎn)任務后，主管工藝人員根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(xiàn)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(jù)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(jù)生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(jù)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(chǎn)品的裝配過程，達到驗證產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)現(xiàn)場，從而指導現(xiàn)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(xiàn)意義

通過開展基于三維模型的裝配工藝研究，實現(xiàn)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(chǎn)品三維設計模型為基礎，通過構造數(shù)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(xiàn)場應用等方面的需求，基于三維設計模型構建面向生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝，豐富工藝展現(xiàn)形式，提高工藝指導生產(chǎn)的能力。

（3）一方面對產(chǎn)品的設計結果進行驗證，實現(xiàn)面向裝配的設計；另一方面實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)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(chǎn)品裝配工藝性，從而指導實際裝配生產(chǎn)。

（4）將裝配工藝設計與產(chǎn)品結構設計緊密結合，裝配工藝設計能夠在產(chǎn)品設計過程中同步開展，在產(chǎn)品實物到達裝配現(xiàn)場前直觀的開展工藝設計工作，充分體現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)象的發(fā)生。