基于Tecnomatix的三維裝配工藝規劃研究

欒 浩，何文松，方紅根

(上海航天設備制造總廠 上海航天技術研究院，上海 200245)

基于Tecnomatix的三維裝配工藝規劃研究

欒 浩，何文松，方紅根

(上海航天設備制造總廠 上海航天技術研究院，上海 200245)

介紹了三維裝配工藝規劃技術以及所用的軟件環境?；赥ecnomatix軟件平臺進行三維工藝設計與仿真，針對Tecnomatix在工藝輸出與發布方面存在不足的問題，提出了通過二次開發完成工藝信息提取以及通過開發定制完成工藝發布的方法，并利用C#開發了工藝信息輸出功能模塊和工藝發布平臺。最后通過實例驗證了技術和方案的可行性。

三維裝配工藝;裝配序列規劃;裝配示教;Tecnomatix

0 引言

裝配在航天產品的制造中屬于關鍵環節，產品的質量需要通過裝配得到保證，而裝配工藝作為裝配準備階段，它的優劣對產品的總體性能和可靠性有直接的影響。目前企業主要使用計算機輔助工藝設計系統(二維CAPP)來完成裝配工藝的設計，并生成相應的工藝卡片作為操作人員的裝配指導文件。以二維簡圖和文字描述為對象的CAPP在裝配工藝規劃過程中暴露出許多問題：工藝設計的依據主要是二維圖，缺乏立體感導致可預見性差；文字描述為主的工藝文件，使裝配人員容易理解出錯，增加成本，降低裝配質量，因此無法滿足高效高質的裝配工藝設計的需要。

而三維裝配工藝規劃技術的出現與發展較好的改善了上述問題。三維裝配工藝規劃以可視化仿真為基礎進行與裝配相關的工程決策活動，可以實現裝配工藝的規劃、評價與驗證，裝配人員的示教培訓等。在產品三維模型和裝配過程仿真的基礎上進行人機交互式裝配順序規劃，對裝配方案進行驗證，生成優化的裝配工藝方案和裝配現場示教文件，達到縮短裝配準備周期、提高裝配質量、減少現場返工降低成本的目的。因此本文針對目前企業裝配工藝規劃現狀進行三維裝配工藝規劃研究，重點研究了三維裝配工藝設計以及裝配工藝發布技術[1]。

1 工藝設計與發布平臺

目前國內許多三維裝配工藝規劃系統都是基于商業化三維CAD平臺，如CATIA、Solidworks、UG等，這些平臺擁有強大的二次開發工具，利用二次開發技術開發基于特定CAD軟件的系統，雖然這些系統已經逐步應用到實際生產中，但吸收工藝人員已有裝配知識和經驗的研究還相對較少，而且這些系統的仿真功能較弱，無法真實模擬裝配場景，工藝文件大多仍是圖片加文字的方式，對于很多操作無法描述清楚。而國外目前已經有相對成熟的三維裝配工藝規劃軟件，如西門子的Tecnomatix、UG的WindChill等，擁有強大的工藝編輯功能和裝配仿真功能，利用這些平臺的優點結合企業生產的特點展開相關研究，可以較好的實現裝配工藝規劃?；谝陨弦蛩?，本文選擇國外成熟的PLM商業軟件為平臺展開后續研究，包括構建三維裝配環境、管理產品和資源原型，完成三維裝配工藝規劃[2]。

西門子公司是PLM領域的全球領先者，它提供的Tecnomatix平臺是一套完整的數字化制造平臺，Tecnomatix的工藝過程設計模塊可以管理三維裝配仿真和人因仿真所需數據，在里面可以建立產品樹、資源樹、操作樹，工藝人員可以進行諸如工序操作的pert圖分析，三維可視化、工藝設計與編制操作。它的仿真模塊可以進行裝配路徑的分析、順序的調整、人機工程的分析評價等操作。相比于傳統的二維CAPP軟件和一般的三維裝配工藝規劃系統，Tecnomatix可以極大延伸工藝設計人員的設計手段，提高工藝設計效率與質量，以及工藝的可視性。因此選擇Tecnomatix平臺進行三維裝配工藝設計。

但目前Tecnomatix沒有較好的工藝發布展示方法，編制的工藝信息沒有很好的輸出環境和展示平臺，因此通過二次開發技術生成Tecnomatix的工藝信息提取模塊，以及根據工藝信息內容開發特定的工藝發布平臺，從而可以充分展示裝配操作細則、裝配動畫、零件的三維模型等，縮短操作人員的學習周期，提高裝配作業質量。

2 基于Tecnomatix的三維裝配工藝規劃方案

結合Tecnomatix平臺的特點，以及企業裝配作業流程，總結出三維裝配工藝規劃流程，如圖1所示。

圖1 基于Tecnomatix的裝配工藝規劃方案

2.1 裝配工藝設計

傳統的裝配工藝規劃研究把序列規劃、路徑規劃及裝配過程仿真劃分成幾個相互隔離的部分，造成了裝配工藝規劃各部分工作結果難以及時共享[3]，這顯然不利于提高裝配工藝規劃效率、有悖于并行工程思想。而Tecnomatix平臺可以將序列路徑規劃以及仿真驗證有機結合，所見即所得，提高了工藝編制的效率與質量。

(1)裝配順序規劃

產品裝配順序規劃作為一項復雜的系統性工程，涉及工裝工具的可達性和操作空間、人的經驗知識等諸多問題，而人的經驗知識又是影響順序規劃的重要因素，因此本文提出一種基于仿真拆卸的人機交互裝配工藝規劃方法，基本思路是：根據產品的裝配結構樹和三維CAD模型劃分裝配結構，通過控制模型的“顯/隱”進行模擬拆卸仿真，并在仿真時引入工裝工具，驗證工裝工具運動的可達性、操作空間是否合理，如發生干涉則修改裝配序列、路徑或重新設計工裝工具，直至無干涉產生，從而獲得拆卸序列，取反獲得裝配順序。

(2)路徑規劃與仿真驗證

裝配路徑規劃是在已建立的裝配順序的基礎上，在三維場景中對零部件進行移動、旋轉等操作過程的空間軌跡信息進行記錄，保證零部件能夠沿路徑無干涉安裝到位以及檢驗裝配序列的合理性。在規劃零件裝配路徑的過程中，進行實時碰撞干涉檢測，分析可裝配性，根據檢測結果優化裝配順序，保證獲得合理的裝配路徑[4-7]。路徑規劃的過程也是仿真驗證的過程，路徑規劃完畢以后，操作人員可以根據工藝安排對規劃操作進行編排，完成整個裝配流程的仿真動畫制作。

(3)工序工步定義

根據裝配順序、路徑規劃結果，工藝人員編輯工序工步，制定合理的裝配工藝方案，并將工裝夾具、裝配工具、零部件、圖片動畫等附件關聯到相關工步工序上。

基于仿真拆卸的人機交互裝配工藝規劃方法，充分利用工藝人員的知識、經驗以及工藝設計平臺的優點，提高了裝配規劃效率與質量。

2.2 工藝信息提取與輸出

利用Tecnomatix數字化平臺完成產品的詳細工藝設計和仿真優化后，需要將相關工藝信息進行展示發布，用于培訓和指導操作人員從事裝配活動，但目前Tecnomatix沒有很好的工藝發布方法，因此需要根據實際情況進行后續開發，將工藝信息提取輸出，并在特定的裝配工藝發布平臺進行展示發布。

目前主要有兩種方式完成工藝信息的提取：利用Tecnomatix的底層數據庫，直接查找相關表信息，從而實現信息提??；通過Tecnomatix.Net進行二次開發。第一種方法，比較直接簡單，但Tecnomatix數據庫的結構無法確定，在上千個數據表中找到相關表比較困難，無法找全所有信息，在信息提取過程中會出現信息遺漏的問題；而通過Tecnomatix二次開發技術完成信息的提取，可以保證裝配工藝樹上所有信息都有效提取，并在提取過程中將其中裝配操作細則以及零件明細表等信息與三維產品模型和三維裝配操作動畫進行關聯，方便快捷，且不會遺漏信息。

圖2 二次開發

如圖2所示，通過使用Tecnomatix提供的二次開發接口[8]，將功能函數編譯為DLL應用程序，并集成到Tecnomatix應用程序中，實現工藝信息的讀取，輸出到裝配工藝信息數據庫中。信息提取模塊的功能是在VS2008平臺下，選用C#語言[9-10]，通過Tecnomatix提供的.net API完成的。其中主要包括以下幾個關鍵技術：

(1)編譯環境配置：在用C#編制DLL代碼時，必須引用Tecnomatix.Engineering.dll文件，以調取Tecnomatix.Net提供的函數和接口，完成編譯環境的配置。

(2)功能模塊的程序設計：根據實際要實現的功能(工藝信息的讀取與關聯)，進行詳細代碼的編制。

(3)DLL文件的生成：將編制好的程序進行調試編譯，生成DLL文件。

(4)模塊集成：將DLL文件放入TecnomatixeMPower安裝目錄或其子目錄下，并運行CommandReg文件完成注冊，從而實現二次開發功能模塊與Tecnomatix的無縫集成。

二次開發模塊以按鈕形式集成在Tecnomatix應用程序中。將已經編制好的工藝樹加載，點擊集成按鈕激活命令，就可以完成信息的提取了。

2.3 工藝信息發布

針對工藝信息發布問題，本文在VS2008平臺下利用ASP.NET技術結合工藝信息內容開發了工藝信息發布系統，系統將工藝設計過程生成的動畫、附圖等可視化信息通過Web引入車間現場，通過文字描述、動畫演示、模型展示的方式交互完成工藝示教。

圖3 系統層次結構

基于Web的裝配工藝發布提供了一種新的工藝發布模式，通過采用客戶端/服務器的模式，可以將工藝設計人員設計好的工藝路線、規劃好的裝配路徑以及制作的裝配動畫等信息，與相關的工藝文檔進行關聯提交到工藝數據服務器上。裝配工人通過安裝在裝配現場的客戶端，利用局域網訪問數據服務器，瀏覽相關工藝信息，從而迅速、準確地掌握產品的裝配過程以及裝配的關鍵技巧。工藝發布系統由界面層、接口層、應用層和數據層組成，具體的結構如圖3所示。

(1)界面層：界面層是用戶與系統交互的方式和接口，主要包括零件配套界面、裝配作業指導界面、工藝信息管理界面等內容。

(2)集成接口層：集成接口層主要用于Tecnomatix平臺與發布系統的信息的傳遞。

(3)應用層：應用層是系統應用實現的核心，主要包括零件配套、裝配作業指導和工藝信息管理具體功能的實現。零件配套界面可以輔助用戶完成裝配對象的所有零件、工裝、輔助材料等的配套準備。裝配作業指導界面可以詳細展示裝配過程，使用戶能夠充分了解、理解裝配操作。工藝信息管理界面主要提供對于所有工藝信息的編輯管理功能，通過此界面工藝編制人員根據操作人員反饋進行相關內容的修改。

(4)數據層：數據服務層是系統的數據信息基礎，用于存取、維護和管理系統運行過程中的產品模型對象、裝配過程模型對象以及有關的裝配知識和工藝文件等數據信息。

系統以Tecnomatix平臺為基礎，結合網頁技術，實現了三維工藝文檔下車間的目標，充分利用了網頁技術在線瀏覽的優勢，打通了三維工藝設計與現場使用之間的信息鴻溝。

3 實例驗證

以齒輪減速器的裝配為例，進行上述關鍵技術的實例驗證。整個平臺基于產品的三維輕量化JT模型，引入工裝夾具、裝配工具等資源, 在計算機上實現了裝配順序規劃、裝配過程仿真、裝配工序工步定義及詳細工藝編制，并完成了信息的輸出與展示，為操作人員提供了一個人機交互式示教平臺。

圖4為三維裝配工藝設計過程，其中圖4a為裝配順序規劃界面，通過人機交互方式拆卸零件，獲得拆卸順序，取反，獲得裝配順序；圖4b為裝配路徑規劃界面，根據裝配順序進行裝配路徑規劃，選擇合適的路徑，使零件可以無干涉的安裝到位，對于整個無干涉的裝配過程可以進行編排制作裝配過程指導動畫；圖4c為工藝編輯界面，在裝配順序、路徑規劃完成的基礎上進行工序工步的劃分，建立裝配工序樹，以此為基礎進行詳細操作細則的編制，并將相關零件工裝模型、動畫圖片資源與相應的工序工步進行關聯。

(a)裝配順序規劃

(b)裝配路徑規劃

(c)詳細工藝編制圖4 三維裝配工藝設計

圖5 信息輸出

圖5為信息輸出界面，在裝配操作結構樹區域將所需導出的信息進行加載，得到裝配工藝樹，點擊信息輸出功能按鈕，就可以將工藝信息輸出到裝配工藝信息數據庫中。圖6為工藝發布系統的作業指導界面，用于指導操作人員進行裝配工作的開展：通過在產品結構樹中選取需要裝配的零部件，點擊相關標簽查看其二維附圖、三維模型，相關技術要求和裝配工序；選則操作工序，查看與之對應的詳細工步的文字描述和零件工裝列表，點擊標簽查看與之關聯的裝配動畫。文字與附圖、模型、動畫共同作用，可以加快操作人員對于裝配過程的理解、充分了解裝配操作，從而提高產品質量。

圖6 工藝信息發布

4 結論

本文針對基于Tecnomatix的三維裝配工藝設計與發布相關技術進行了研究，詳細分析了裝配工藝設計、裝配工藝輸出以及裝配工藝示教的方法，實現三維裝配工藝規劃、裝配工藝過程的三維仿真和裝配過程的可視化，實現裝配信息從裝配設計向裝配工藝有效傳遞與共享，有效提高了裝配工藝設計效率、減少裝配工藝設計返工、提高裝配質量。

通過三維裝配工藝設計與發布技術的研究，實現了三維數據到車間、三維工藝到現場的需求，對于企業提高工藝設計水平、實現車間無紙化具有很好的輔助作用。

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(編輯 趙蓉)

Research on Three-dimensional Assembly Process Planning on the Basis of Tecnomatix Platform

LUAN Hao,HE Wen-song,FANG Hong-gen

(Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai Aerospace Equipments Manufacture, Shanghai 200245, China)

This paper mentioned the techniques of Three-dimensional assembly process planning, and the software tool is introduced. Three-dimensional assembly process designing and simulation were developed on the Tecnomatix platform, and a method of secondary development for the drawing of process information is mentioned to solve the problem of outputting information. To solve the problem of publishing assembly process information with the Tecnomatix platform, a system was developed. Both the two modules were compiled by C# based on Visual Studio 2008. At last, a case is used to confirmation the feasibility of this plan.

three-dimensional assembly process; assembly sequence planning；assembly teaching； Tecnomatix

1001-2265(2014)04-0142-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.040

2013-08-09；

2013-09-06

欒浩(1989—)，男，江蘇句容人，上海航天設備制造總廠碩士研究生，研究方向為航天制造技術，(E-mail)：luanhaoht@163.com。

TH16 ；TG65

A