基于Tecnomatix的三維裝配工藝設計與仿真技術研究

田富君，張紅旗，陳帝江，程五四

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

隨著三維計算機輔助設計（Computer A ided Design, CAD）軟件的廣泛應用，我國大部分制造企業已經基本采用三維CAD軟件進行產品的設計。然而，在裝配工藝設計方面，大部分制造企業仍然采用傳統的基于二維工程圖的裝配工藝設計方法，這種裝配工藝設計存在如下問題：首先，由于缺少直觀的產品表現形式，工藝設計人員不得不根據二維工程圖紙，去構想產品的裝配關系，根據自己的經驗規劃出產品的裝配方案，整個過程浪費了大量的時間；其次，傳統的二維裝配工藝設計缺乏仿真驗證手段，導致編制出來的工藝很難指導裝配，時常出現零部件錯裝、漏裝、裝不上的情況；再次，由于缺乏工裝、工具等三維模型的支持，傳統的二維裝配工藝設計不能夠對工裝的合理性和工具的可達性進行驗證；最后，生產現場仍然采用傳統的二維裝配工藝文件，經常需要工藝設計人員現場指導裝配。

隨著三維CAD技術和虛擬裝配技術的發展，在三維環境下進行裝配工藝設計已經成為可能。工藝設計人員可以在三維可視化環境下進行裝配順序的規劃，裝配工藝的設計，并在工裝、工具三維模型的支持下對裝配工藝設計的可行性和合理性進行驗證，從而對裝配工藝設計進行持續優化，并輸出三維裝配工藝文件以指導現場操作人員進行產品的裝配。Tecnomatix是西門子推出的數字化制造軟件，廣泛應用于我國的航空、航天、汽車、船舶等復雜產品制造業，例如在白車身焊接工藝[1,2]中的應用。在Tecnomatix系統中，有車間工藝（PlantProcess）、生產線工藝（LineProcess）、工位工藝（StationProcess）等，而沒有我國傳統制造業中的裝配工藝、裝配工序、裝配工步等工藝對象，導致Tecnomatix不能直接應用于我國的制造企業。為此，本文通過對Tecnomatix系統的研究，分析了三維裝配工藝設計與仿真過程，建立了裝配工藝信息模型，并對Tecnomatix系統進行二次開發，以實現Tecnomatix系統在我國傳統制造業中的應用。

1 三維裝配工藝設計與仿真系統功能模型

Tecnomatix系統主要包括兩個模塊，Process Designer模塊和Process Simulate模塊。其中，Process Designer模塊主要用于工藝結構的定義，從而確定詳細的裝配工藝信息，以及用到的裝配資源信息；Process Simulate主要對Process Designer中定義的裝配工藝過程進行仿真驗證。通過對Tecnomatix的應用過程進行分析，建立了如圖1所示的三維裝配工藝設計與仿真系統功能模型。

1）裝配BOM管理

裝配BOM管理主要是根據輸入的產品部件組件模型，對設計BOM進行調整，建立虛擬裝配組件，并調整裝配層次關系，確定零部件之間的裝配順序，同時對產品的裝配順序進行仿真驗證，形成裝配BOM。

2）裝配工藝路線設計

根據零部件的裝配順序關系，確定裝配工藝路線，定義裝配工序。裝配工序的定義包括零部件配套信息的定義和裝配資源信息的定義。其中，裝配資源信息包括裝配環境信息、裝配設備信息、裝配工裝信息和裝配工具信息等。裝配工序定義的裝配資源信息主要是裝配環境模型、裝配設備模型。

3）裝配工序詳細設計

確定每道裝配工序下的裝配工步信息，裝配工步的定義主要確定裝配工步所用到的工裝、工具等裝配資源信息。

4）裝配路徑規劃與仿真

裝配工藝設計完成之后，將裝配設備、工裝、工具以及產品三維模型引入到裝配環境當中，規劃零部件的裝配路徑。在裝配路徑規劃過程當中，利用干涉檢查工具，確定裝配設備、工裝，以及零部件之間是否會產生干涉。若產生干涉，則將仿真信息反饋給裝配工藝設計，以便對裝配工藝設計進行修改。

5）三維裝配工藝輸出

裝配工藝設計與仿真完成之后，將裝配工藝信息以及裝配仿真信息，嵌入到三維裝配工藝模板當中進行發布，以指導現場操作工人的裝配。

圖1 三維裝配工藝設計與仿真系統功能模型

2 裝配工藝信息模型建立

Tecnomatix系統中的工藝對象主要有車間工藝（PlantProcess）、生產線工藝（LineProcess）、工位工藝（StationProcess）等，不能夠滿足我國制造企業對信息的需求。為此，本文通過對裝配工藝設計涉及到的信息進行分析，建立了裝配工藝信息模型，如圖2所示，包括裝配結構層、裝配工藝層和裝配資源層。

1）裝配結構層

裝配結構層描述了零部件之間的裝配層次關系和裝配約束關系，產品包含若干個裝配單元，裝配單元包含更小的裝配單元，直到最底層的零件。裝配單元中的零組件類別描述了裝配單元的粒度大小，如部件、組件等。

2）裝配工藝層

裝配工藝層描述了裝配工藝設計信息，主要包括裝配工藝、裝配工序、裝配工步和裝配操作四類工藝對象。其中，裝配工藝按照裝配單元的粒度大小又分為總裝工藝、部裝工藝、組裝工藝等；裝配工序是指在一個工作地點，由一個或一組工人，采用一套設備連續完成的那部分裝配工作；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；裝配操作是指對一個裝配對象實施的連續操作過程[3]，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。

3）裝配資源層

裝配資源層描述了裝配過程中所采用的裝配資源對象信息，主要包括裝配環境模型信息、裝配設備信息、裝配工裝信息和裝配工具信息。其中，裝配工序對應裝配環境和裝配設備，裝配工步對應裝配工裝和工具。

圖2 裝配工藝信息模型

3 應用實例

基于以上方法，作者利用eM-Planner工具定制了工藝對象（裝配工藝、裝配工序、裝配工步），資源對象（裝配環境、裝配設備、裝配工裝、裝配工具），并通過VB 6.0開發了工藝對象（裝配工藝、裝配工序、裝配工步）和資源對象（裝配環境、裝配設備、裝配工裝、裝配工具）的屬性頁，形成了面向復雜產品裝配的三維裝配工藝設計與仿真系統。首先，將三維模型導入到Tecnomatix系統當中；然后，可以直接在裝配BOM樹上面進行裝配BOM的調整，劃分裝配層次關系，并確定零部件的裝配順序；接著進行裝配工藝路線的設計，確定裝配工序，并確定本道裝配工序的配套零部件以及用到的裝配資源信息，如圖3所示為定義裝配工序的配套零部件信息，圖中下側為開發的裝配工序屬性Tab頁；之后，進行裝配工序的詳細設計，定義裝配工步信息；當裝配工藝設計完成之后，切換到Process Simulate模塊，進行裝配工藝的仿真工作，如圖4所示為裝配路徑規劃界面；最后，輸出三維裝配仿真信息，將仿真信息嵌入到3D PDF進行發布，如圖5所示。

圖3 裝配工序定義

圖4 裝配路徑規劃

圖5 3D裝配仿真輸出

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。本文分析了三維裝配工藝設計與仿真過程，建立了裝配工藝信息模型，并通過對Tecnomatix系統進行二次開發，實現了三維環境下的裝配工藝設計。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。

[1] 蘇潤峰.基于eMPower的車身焊接線虛擬仿真研究[D].山東大學,2008.

[2] 曾魁.基于數字化工廠的車身地板焊裝線工藝規劃及仿真[D].大連交通大學,2011.

[3] 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.