三維裝配工藝設計仿真技術在電子設備中的應用

胡國高

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

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三維裝配工藝設計仿真技術在電子設備中的應用

胡國高

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

摘要：針對軍用電子設備二維裝配工藝的設計現狀，開展了基于DELMIA軟件系統進行三維裝配工藝設計仿真技術的研究，對電子設備三維裝配工藝設計仿真的關鍵技術進行了重點研究與分析，從PDM下載UG三維模型文件，將其轉換為DELMIA軟件可識別的格式后導入并建立裝配結構樹，進行三維裝配工藝設計與仿真。對某毫米波雷達俯仰裝置的裝配過程進行了裝配干涉、裝配順序和人機工效仿真并輸出工藝文檔，按照工藝文件對該雷達俯仰裝置進行了實物裝配以驗證其仿真符合率，結果達到了98%。

關鍵詞：三維裝配工藝設計；裝配仿真；DELMIA；俯仰裝置

目前，電子裝備行業內工藝設計的主要手段是采用填卡片式的二維CAPP，裝配工藝設計主要依靠圖樣和二維裝配工藝規程卡片來表達。電氣結構設計階段所形成的產品數字三維模型得不到充分利用，已有的數字化設計信息需要工藝人員分析和重新輸入，與數字化三維CAD系統沒有建立有效傳遞途徑，不能與設計協同工作，工藝設計工作繁瑣，效率低下，表達不直觀，線纜敷設根據實物在現場進行手工實施，線纜設計沒有三維模型化，布線路徑不具體，機械裝配和電氣互聯交錯裝配工藝過程不能準確清晰表達，不能進行裝配工藝定量虛擬仿真和流程優化，裝配工藝靠工藝人員的知識水平和裝配經驗來完成復雜的裝配工藝設計，裝配工藝可行性、裝配順序工藝合理性、裝配工具及路徑最優化、裝配操作空間可達性等問題無法在裝配設計階段得到有效驗證，導致工藝更改較為頻繁，輸出的工藝規程可讀性差，指導性不夠，裝配工藝規劃編制周期長。

在電子設備的樣機研制過程中，對其裝配性能的分析和評價都是根據零部件實物來完成的，即在零件加工完成后，在產品實際的裝配過程中對其裝配工藝可行性、合理性進行分析和驗證，根據裝配結果對其裝配工藝性進行修改迭代，使其滿足設計要求，是一種典型的“試裝配→調試→修正設計→再試裝配”傳統電子設備研制生產流程，大大增加了裝備研制周期和費用。先進的產品設計生產制造流程迫切需要以產品三維模型和設計物料清單(EBOM)為基礎，改變現有的工藝集成制造體系，建立數字化工藝模型，形成以數字化模型為核心的數字化三維工藝設計體系，實現三維裝配工藝設計仿真與產品設計并行，真正實現數字化設計制造一體化[1-2]。

1三維裝配工藝設計仿真規劃

裝配工藝過程仿真為產品裝配提供一個三維的虛擬制造環境來驗證和評價工藝規劃的裝配順序、路徑及操作程序的合理可達性。基于模型定義的數字化三維裝配工藝設計過程需從產品數據管理平臺(PDM)中獲取某雷達產品設計數據，通過自行集成開發的數據轉換程序將產品設計數據轉換成DELMIA軟件可以編輯識別的三維工藝設計數據，形成適用于工藝設計過程的產品結構樹；將已定義的相關資源(如車間、工作臺、工裝、工具和人等)加入到DELMIA軟件系統的裝配工藝規劃模塊(DPE)環境中，形成工藝資源結構樹，并在DPE中創建詳細產品工藝結構樹，進行三維裝配單元組件劃分、裝配順序和裝配路徑規劃等工藝過程設計；根據規劃好的裝配組件、裝配順序及路徑在DELMIA軟件的工藝仿真與驗證模塊(DPM)中進行裝配干涉檢查、裝配順序仿真、裝配工裝工具仿真和人機功效仿真，根據仿真結果評判其合理可行性，優化迭代三維裝配工藝，并將根據最終仿真結果固化的工藝輸出可視化操作文檔；將文檔檢入工藝管理系統(CAPP)中，同時從產品數據管理平臺(PDM)導入設計物料清單(EBOM)，在CAPP系統中進行計劃物料清單(PBOM)配置，并進行編輯形成二維和三維可視化集成的工藝文件；然后將可視化集成工藝文件檢入PDM系統進行歸檔發布，將發布的工藝文件傳輸到車間MES生產制造管理系統中，進行排產和作業分配，并將可視化文檔在車間終端上進行顯示，指導技術工人裝配，實現無紙化裝配生產。基于DELMIA軟件的三維裝配工藝設計與仿真總體規劃如圖1所示。

圖1　三維裝配工藝設計與仿真總體規劃

2三維裝配工藝設計與仿真的關鍵技術

2.1三維裝配工藝仿真數據轉換接口

首先，從產品設計數據管理系統PDM中下載三維UG模型文件(*.prt)轉換成DELMIA軟件系統可以讀取的STEP格式文件模型；然后，在DELMIA系統中導入STEP格式的模型文件，建立裝配結構樹[3-4]。在DELMIA軟件裝配環境中，利用VB軟件自行集成開發的宏程序，調用產品設計數據管理系統(PDM)中輸出的物料清單文件，將零件編號、名稱和材料屬性等相關信息自動添加到STEP格式的中性幾何模型中，更新零件屬性、為數字化裝配工藝設計進行數據預處理。

2.2快速三維裝配工藝規劃設計

在DELMIA軟件裝配環境中，通過人機交互的方式進行裝配工藝設計，規劃裝配單元組件的裝配順序，定義裝配工序及工步。其中，工步主要有直線運動、平面運動、徑向運動、螺旋運動、牽引運動及典型運動[5]。而復雜電子設備的裝配過程涉及電子元器件組裝、線纜裝配、機械裝配和系統聯試等，同時軍用電子產品研制特點是多品種小批量生產，研制周期短，而且大多數產品處于研制狀態，變化頻繁，其裝配過程就成為一個經驗性很強的工藝活動，裝配路徑和裝配順序規劃、裝配操作過程指令生成等需要反復迭代。軍用電子設備的聯接螺釘數量較多，需根據工藝人員的裝配經驗和裝配生產環境，分析制定合理的工藝組件，分層次劃分裝配單元，并將裝配工藝流程信息添加到工藝組件的名稱中，通過工藝組件及其工藝(工步)流程信息，不斷優化裝配順序路線，提高裝配順序的并行度以提高裝配生產資源利用率，使裝配過程中差異不大的裝配作業集中完成，減少工藝組件的裝夾和裝配工具的更換次數，縮短裝配所用時間，降低裝配成本。

2.3某電子設備雷達俯仰裝置裝配的工藝過程仿真

2.3.1俯仰裝置裝配特點

圖2　俯仰裝置模型

俯仰裝置是該電子設備雷達轉臺中最重要的結構件之一，是整個雷達最重要的俯仰轉動與承力結構，裝配精度高且過程復雜。主要結構件包括俯仰支架、軸承端蓋、擋板、齒輪、軸承、電動機、軸套和平鍵，在擋板與支架之間還有定位銷(見圖2)。

2.3.2裝配干涉的仿真

在DELMIA虛擬裝配環境中，依據在工藝規劃模塊(DPE)中設計好的裝配工藝流程和工藝組件裝配順序，通過對每個工藝組件的移動、定位和裝配過程等進行組件與組件、組件與工裝之間的干涉檢查，一旦系統發現有干涉情況，自動停止模擬仿真過程并報警，同時給出干涉位置和干涉量，這樣可以有效幫助查找和分析干涉原因(見圖3)。該項是檢查工藝裝配單元組件沿著設計好的模擬裝配路徑在移動過程中是否與周邊環境或產品有碰撞，整個檢查過程在三維環境中進行直觀地顯示，為裝配工藝過程優化提供可靠有效的數據。

圖3　裝配干涉仿真

2.3.3裝配順序的仿真

在DELMIA軟件的三維裝配環境中，利用已定義的裝配工藝流程設計信息、產品設計信息和工藝資源信息，依據在工藝規劃模塊(DPE)中規劃的裝配工藝過程及定義好的工藝組件裝配路徑，對產品裝配過程和拆卸過程進行三維裝配工藝動態仿真，驗證每個工藝組件按照設計好的工藝順序是否能夠無阻礙裝配。如果發現工藝設計過程中存在裝配順序的錯誤，則可以重新定義工藝裝配單元組件裝配順序、裝配工序和裝配工步，反復迭代裝配順序，避免出現在實際裝配時才發現工藝組件裝不上去的情況(見圖4)。裝配順序雖然是按先工裝后工藝組件，自下而上，由里向外的原則進行設計的，但仍不能保證規劃的裝配順序合理可行，因為電子設備的各個裝配結構單元之間需要用各種各樣的線纜進行電氣連接，導致規劃的工藝組件裝配順序在接線時發現無法操作，同時實際裝配生產現場制造資源布局、裝配技能及操作習慣也會影響產品工藝組件的裝配順序、裝配作業指令；所以裝配知識與經驗在裝配工藝過程中占據舉足輕重的地位，尤其在電氣互聯復雜的電子設備研制過程中，這種產品裝配特性體現得更明顯。

圖4　裝配順序仿真過程

2.3.4人機工程的仿真

電子設備的裝配過程，會涉及很多種類的工具、工裝和操作工人的各種運動及動作，設備工藝組件裝配移動的過程是一個人機互動的過程。在DELMIA軟件三維虛擬裝配環境中，通過控制虛擬人體模型，模擬現場裝配人員在裝配時的站位及各種實際操作動作，并進行計算和仿真分析，實現裝配工藝方案的預裝配及人機工效評估，這樣就可以及時發現產品在裝配過程中可能遇到的問題[6]。在DELMIA軟件中可以根據虛擬裝配環境進行人機功效仿真，分析各個工藝組件的裝配順序，可以對人體各種極限姿勢進行模擬，檢查裝配路徑對人體操作可達性的影響，工藝組件的裝配是否在極限姿勢的操作范圍之內；同時也可以檢查裝配的操作空間是否能滿足人體作業需求，裝配操作是否舒適，相關設備布局是否合理(見圖5)。在產品及工藝資源模擬結構環境中，將人體的標準三維模型放入虛擬裝配環境中，根據可視、可達、可操作、舒適以及安全等5個要求，按照工藝設計流程對工人的每一個操作特性動作進行仿真。

圖5　人機工程仿真

2.3.5裝配過程的記錄及生成相關文檔

利用上述裝配過程的三維數字化裝配工藝仿真功能，將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的可視化文檔及動畫視頻文件，指導現場操作人員進行該雷達俯仰裝置裝配，實現可視化裝配，驗證雷達俯仰裝置裝配工藝設計的合理性和仿真符合度，整個裝配仿真過程經裝配驗證無誤后，可以根據產品裝配生產需要，定制生成相關文檔(見圖6)。同時，也可以制作維護保養電子手冊和對雷達維護人員進行上崗培訓，幫助操作人員直觀地了解設備操作全過程。

圖6　裝配過程記錄及文檔生成

3工程驗證

以某雷達部件裝配為對象，利用數據轉換器將產品設計數據轉換成DELMIA軟件可以識別的工藝模型數據，該數據導入DELMIA軟件中構建裝配工藝結構樹，將裝配過程中的工裝模型、夾具模型等相關資源加入模擬仿真環境；同時，進行裝配工藝順序規劃和裝配路徑規劃，分配工藝裝配單元組件，針對規劃好的裝配順序和路徑進行裝配干涉動態檢查、裝配順序仿真和人機工程仿真，并根據規劃好的裝配工藝指令，對裝配工藝規劃進行可視化的展示，交互式實現對每步裝配操作的可視化分析，對裝配協調過程中的可達性、可操作性和安全性等進行全面的分析，同時檢查裝配工藝方案是否可行。最終根據仿真的結果生成電子的三維裝配工藝文件，指導裝配生產，顯著提高了工藝指導性以及現場執行效率。利用實物裝配來驗證依據仿真結果輸出的工藝文件的正確性，結果其仿真符合率>98%，證實基于DELMIA軟件的三維裝配工藝設計與仿真方法的可靠性和準確性。仿真過程分析了裝配過程中操作工具的可達性，操作空間的可行性，以及人機操作過程的工效，驗證了毫米波雷達部件和其配套工裝的可行性。創建的裝配資源庫如圖7所示。

圖7　裝配工藝仿真資源庫

4結語

以某雷達俯仰裝置為例，開展了基于DELMIA軟件系統的三維裝配工藝設計和仿真技術研究，實現了三維裝配工藝的規劃、裝配過程的三維模擬仿真以及整個裝配過程的可視化輸出，實現了裝配信息從設計到工藝的有效傳遞與共享，提高了裝配工藝設計效率和指導性，減少了裝配現場的問題，提高了裝配質量和效率，三維裝配工藝設計和仿真是提高復雜電子產品數字化水平的必要途徑。

本文未對基于三維模型的電子設備線纜敷設作業分析技術進行相關討論，但其今后將是電子設備三維裝配工藝設計的一個重點研究方向。目前的線纜敷設作業分析不是基于電子設備數字化樣機來完成的，而是根據工藝人員的知識和經驗來確定線纜敷設操作指令，容易導致線纜敷設設計的隨意性；布線是否合理很大程度上取決于從事線纜敷設設計人員的技術水平和經驗。線纜敷設工序的合理選擇、分配與優化，能夠提升電子設備的一次性裝配成功率，實現電子設備線纜敷設的快速分析、分配與優化，這對于提高零件線纜敷設的可實現性和操作性至關重要。

參考文獻

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[3] 景武，趙所，劉春曉. 基于DELMIA 的飛機三維裝配工藝設計與仿真[J].航空制造技術， 2012(12)：80-82.

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責任編輯鄭練

The Application of the Simulation of 3D Assembly Process Design in Electronic Equipments

HU Guogao

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Abstract：The simulation of 3D assembly process design based on DELMIA software system is studied according to the present status of 2D assembly process plan and design in military electronic equipment. The key technology of the simulation of 3D assembly process design in electronic equipment is studied and analyzed selectively. The UG 3D-model files downloaded from PDM are transformed to the form which could be recognized by DELMIA. The simulation of 3D assembly process design is carried on using the assembly structure tree which is built by the transformed form. Assembly interference, assembly order and simulation of human-computer interaction efficiency are done during the assembly process of pitch device of one millimeter-wave radar and process documents are exported. According to the process documents, the coincidence rate between simulation result and practical assembly of the pitch device of millimeter-wave radar could achieve 98%.

Key words:3D assembly process design, assembly simulation, DELMIA, pitch device

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：胡國高(1977-)，男，高級工程師，主要從事航空電子產品系統工藝總體設計等方面的研究。

中圖分類號：TP 391.7

文獻標志碼:B