數字化裝配工藝設計系統開發

王 健

中車長春軌道客車股份有限公司

數字化裝配工藝設計系統開發

王 健

中車長春軌道客車股份有限公司

傳統的裝配工藝設計模式中，產品設計數據以二維形式發布，制造依據是二維數據；工藝設計仍采用二維方法，設計制造數據之間缺乏相關性；裝配仿真需要根據二維圖紙重構三維模型；工藝審簽發布過程中仍采用二維形式發布，二維作業指令是現場制造的依據。設計數據在工藝設計環節的繼承性差、重用性差、集成度低。裝配工藝多憑經驗設計，工藝人員在工藝設計階段無法或很少考慮實際裝配環節中的各種因素，使產品在裝配時常常發生各種裝配問題，嚴重影響了裝配工藝設計的質量、效率和水平。因此，為了滿足高速動車組結構復雜、制造精度高、制造周期短、可靠性要求高等研制需求，提高產品核心研制能力，必須進行技術創新，探索出一種新模式來滿足企業數字化裝配工藝設計發展需求，提高企業競爭力。

數字化裝配；工藝設計；系統

1 傳統的裝配工藝設計方法

1.1 裝配工藝設計屬二維方式，表述不直觀

傳統二維工藝設計由工藝人員抽象理解，形成立體的裝配空間與操作順序，然后用平面(二維)方式表述。工藝設計的優劣主要由工藝人員個人的工作經驗和技術水平決定。操作者再根據二維的工藝設計在大腦中再次構建三維裝配空間，將裝配內容、操作順序反向還原，這樣非常容易產生理解的二義性，造成裝配錯誤。

1.2 無法進行三維工藝設計驗證

傳統工藝設計不具備驗證能力，無法及時將裝配中的干涉、操作空間開敞性、工具可達性等問題提前暴露。這些問題在實際裝配階段才會反映出來，必然會影響產品研制的進度和質量。實際的型號研制也表明，在試制階段裝配車間的工藝人員大約80%的時間用于處理各類現場裝配問題。

1.3 缺少科學的工藝設計優化手段

由于傳統工藝設計以二維表述為主要方式，工藝設計更改、優化周期長，方案優劣依賴個人經驗，缺乏定性定量分析手段，工藝設計質量因人而異。在生產節拍的安排、裝配順序設計、制造資源的使用等方面缺乏合理地、定量地控制，需要在后續過程中不斷進行改進優化，增加了研制的周期與成本。

2 裝配工藝設計與仿真平臺

以PDM系統為核心，集成裝配仿真軟件Visualization Mockup和Visio構建裝配工藝設計系統平臺。平臺基于PDM系統進行集成開發，由Teamcenter作為數據管理平臺，并在其基礎上實現數據庫管理、可視化、更改、流程管理；Teamcenter Engineering實現數據和文檔管理；Teamcenter Manufacturing實現工藝設計，仿真資源管理。該裝配工藝設計平臺具有數據集成性高、實用性強、開放性好的特點。可實現Teamcenter平臺與Mockup仿真軟件之間信息數據交互與關聯管理，建立產品、工藝、工裝、設備、仿真動畫文件等關聯關系，方便相關工藝數據的查詢和匯總，支持輕量化JT模型的生成與關聯管理，滿足與相關系統的工藝信息集成化應用需求。

3 數字化裝配工藝設計

3.1 裝配BOM構建

為了便于產品生產制造，制造企業工藝員需要依據設計BOM，同時考慮產品裝配順序、企業生產組織形式、制造資源分布以及相關的工藝規范等因素，對設計BOM進行部分調整，形成裝配BOM。裝配BOM實質是各裝配部門或班組的裝配工藝業務和生產任務的劃分。平臺提供直觀的產品結構使用界面，在系統三維可視化環境下基于設計BOM，創建、編輯BOM結構，考慮產品裝配順序、企業生產組織形式、制造資源分布以及相關的工藝規范等因素，構建ABOM支持產品結構相關的三維模型和技術文件顯示查看。

3.2 裝配工藝規劃

裝配序列規劃。通過求解零件的拆卸順序來獲得零件裝配順序。一般可根據拆卸法和爆炸圖等方法實現裝配序列的設計。裝配序列規劃確定了零件裝配的順序，但沒有確定零件按照什么方向或路徑裝配。在裝配過程中，每個零部件都是沿著初始的裝配軌跡運動到目標位置，若移動過程中不和其他零部件發生碰撞，則稱這樣的運動軌跡為該零部件的(可行)裝配路徑。裝配路徑規劃就是按照裝配序列給出每一個零部件單獨的裝配路徑方式。

3.3 裝配過程仿真

在基于結構化的裝配工藝中，利用虛擬仿真技術，對裝配過程進行虛擬驗證，事前校核裝配方案的可行性，提高首件裝配的一次成功率。(1)裝配干涉分析：分析產品與夾具、設備之間的干涉和操作空間情況。(2)裝配過程仿真：裝配干涉檢查；裝配順序和路徑定義；工裝、夾具干涉檢查。(3)裝配容差仿真：尋求滿足公差要求的最佳裝配過程以及相關因素。(4)工藝布局仿真：在三維工藝布局中，按照已經設計好的裝配工藝流程，進行產品、資源、流程及操作者之間融為一體的三維動態仿真，使工作現場更加符合工藝布局原則。

3.4 工藝卡片編制

卡片中物料資源信息可從系統集成的制造資源庫中提取資源、物料信息(包括裝配零件、輔料，資源信息包括工裝、設備等)進行填寫，當信息更改時，卡片內容會自動更新。平臺通過開發生成報表功能，支持工藝信息匯總輸出。在卡片內容填寫完成后，可利用開發的“生成報表”功能生成零件目錄表、工夾具設備表、工藝輔助材料表，系統會自動提取結構化的制造工藝數據，自動匯總零件目錄、工裝夾設備表和輔助材料表等信息。

保存文件自動輸出PDF。系統保存時，將Visio中卡片文件保存，自動將文件轉換成PDF文件，并將PDF文件以數據集的形式掛到對應工序節點下管理，每次更改保存PDF數據集都會自動進行文件更新。

結語

就目前來看，數字化工藝設計與仿真在設計制造并行工作、工藝設計過程、工裝設計過程、檢驗程序制定、工藝文件發放與使用、生產組織模式的等多方面都與以往有很大不同，它的深入應用與實施需要一整套的體系及規范來指引。需要眾多部門共同協作，打破以往產品研制模式，更為廣泛與深入地進行研究，制定一套合理可行制度與措施，從而真正意義上實現產品的數字化制造。

[1]姚英學，毛維華，夏平均.一種數字化裝配工藝設計系統的裝配建模方法[J].現代制造工程，2009，09：79-82.

[2]華軍.船用柴油機數字化裝配工藝規劃系統的開發[D].江蘇科技大學，2012.