基于Team cen ter的三維裝配工藝設計技術研究

田富君，張紅旗，胡祥濤，陳帝江

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

裝配是復雜產品研制過程中的重要環節，其結果直接影響到產品的質量、成本和研制周期。在制造過程中，裝配時間約占生產時間的20%~50%，裝配費用占制造總費用的20%~30%，對于復雜產品來說，這個比例可能更高。為了提高裝配效率，改進裝配質量，降低裝配成本，人們對計算機輔助裝配工藝設計（Com pu ter Aided Assem b ly Process Planning, CAAPP）進行了大量的研究（如哈爾濱工業大學[1]、北京理工大學[2]、東北大學[3]、西北工業大學[4]等），并取得了許多研究成果，有一些已經在企業內得到了局部應用。然而，目前，大部分企業的裝配工藝設計仍然采用傳統的基于二維工程圖的工藝設計方法，這種工藝設計方法存在很多問題，如不能直接利用設計部門發放的三維模型、工藝設計不直觀等。隨著企業信息化建設的不斷推進，三維裝配工藝設計已經成為企業的迫切需求。

Team cen ter是西門子推出的一款數字化設計與制造軟件，廣泛應用于我國的復雜產品制造行業（如航空、航天、船舶及汽車等），已經從最初的產品數據管理（Product Data Managem ent,PDM）軟件逐漸發展成為產品生命周期管理（Product Lifecycle Managem en t, PLM）軟件。Team cen ter中的制造工藝規劃器作為連接產品設計和產品制造的橋梁，將產品、工藝和資源進行有效關聯，實現了工藝知識的積累和重用，并將Tecnom atix的仿真模塊集成到Team center當中，實現了工藝設計與工藝仿真的無縫集成。本文通過Team center平臺下的裝配工藝設計過程進行分析，建立了產品-工藝-資源（Product-Process-Resource,PPR）模型，并對三維裝配工藝設計過程進行了分析。

1 PPR模型建立

在裝配工藝設計過程當中，主要涉及到三類對象：產品、工藝和資源，這三類對象貫穿于整個工藝設計過程當中。通過對裝配工藝設計過程中涉及到的產品、工藝、資源及其之間的關系進行分析，建立了如圖1所示PPR模型。

1）裝配對象

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

2）裝配工藝

裝配工藝描述了產品或部件的裝配順序、裝配方法、裝配技術要求以及裝配過程所采用的裝配設備、工裝和工具等信息。裝配工序是指在一個工作地點，采用一套設備，連續完成的裝配工作；裝配工步是指完成一個或多個對象的安裝而采取的連續的裝配工作；裝配工藝的最底層是裝配操作，它是指對一個裝配對象實施的連續的操作過程，裝配操作對象是指裝配過程中的所有可操作實體，操作對象不同，裝配操作亦不同[5]。

3）裝配資源

裝配資源描述了完成某個零部件的裝配所采用的裝配設備、工裝和工具等裝配資源信息。裝配資源庫的建立應按照資源的類型去組織，以便于裝配資源的快速檢索。此外，為了實現三維環境下的裝配工藝仿真，需要有三維模型的支持，因此，裝配資源庫當中應包含資源的三維模型。

在PPR模型當中，裝配工藝是其中的核心，他將裝配對象、裝配資源關聯起來。

圖1 PPR模型

2 三維裝配工藝設計過程

在Team center當中，裝配工藝設計是通過多個模塊來共同實現的，包括結構管理器，制造工藝規劃器，以及Process Sim u late on Team center。通過對Team center的裝配工藝設計過程進行分析，建立了如圖2所示的三維裝配工藝設計過程。

1）裝配BOM管理

根據獲取到的產品/部件/組件BOM，對BOM結構進行調整，定義虛擬裝配單元節點，并確定裝配單元的裝配順序。同時，完善零組件的基本信息，包括零組件號、零組件名稱等。

2）裝配工藝設計

根據零組件的裝配順序，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、裝配設備信息。然后，進行裝配工序詳細設計，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容。

3）裝配工藝仿真

通過裝配工藝仿真對裝配工藝設計結果進行驗證，定義裝配操作，并對零部件的裝配路徑進行規劃。在裝配路徑規劃過程當中，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生干涉。對于狹小空間的裝配路徑規劃，可以采用自動路徑規劃工具，形成無干涉的裝配路徑。若裝配工藝不可行，將仿真信息反饋給裝配BOM管理和裝配工藝設計，以對裝配工藝做出更改和優化。

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3D PDF進行發布，以指導現場操作工人的裝配。

圖2 三維裝配工藝設計過程

3 應用實例

下面以某部件為例，對Team center平臺下的三維裝配工藝設計過程進行說明。1）在結構管理器當中，對部件的BOM結構進行調整，劃分裝配層次關系，并確定裝配順序；2）在制造工藝規劃器當中，進行裝配工藝的設計，確定裝配工序，并關聯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）將裝配工藝設計信息和裝配工藝仿真信息進行輸出，如圖5所示。

圖3 裝配工藝設計

圖4 裝配路徑規劃

4 結束語

三維環境下的裝配工藝設計一直是制造領域的研究熱點。本文在分析Team center平臺下的三維裝配工藝設計的基礎上，建立了PPR模型，分析了三維裝配工藝設計過程，并通過一個實例對三維裝配工藝設計過程進行了說明。本文的研究，對于國內在三維裝配工藝設計的研究、應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,李建廣,等.三維數字化裝配工藝系統的研究[J].哈爾濱工業大學學報,2005,37(1):36-39.

[2] 劉檢華,寧汝新,萬畢樂.面向生產現場的虛擬裝配工藝規劃技術[J].計算機集成制造系統,2007,13(1):67-73.

[3] 王成恩,于宏,于嘉鵬,等.復雜產品裝配規劃系統[J].計算機集成制造系統,2011,17(5):952-960.

[4] 田富君.基于輕量化模型的三維裝配工藝設計與仿真技術研究[D].西北工業大學,2012.

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