基于3DAST的軌道車輛三維裝配工藝設計與應用技術

丁潔瓊 李樹棟 陳正瑋 李興斐

摘要：就數字化裝配技術的特性，結合軌道車輛行業特點，著重研究了軌道車輛的三維裝配工藝設計技術。在三維虛擬環境下，通過人機交互的方式，將已有裝配工藝經驗和知識繼承，實現了裝配過程的總體規劃與優化，裝配工藝的可視化。詳細介紹了軌道車輛三維裝配工藝設計過程，對裝配質量和效率做到了有效提高;通過模擬仿真，實現了對二維工藝文件質地改良，實現了裝配工藝文件的可視化。

關鍵詞：軌道車輛;數字化裝配技術;可視化

中圖分類號：TG95 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0102-03

軌道車輛行業的產品結構普遍比較復雜，零部件數量和種類眾多，裝配工作量大，裝配空間復雜，涉及到的裝配人員多，如何將軌道車輛產品的零件按照規定的技術要求進行組裝和連接，使之成為成品的工藝過程即為軌道車輛裝配工藝所要研究的內容。軌道車輛產品裝配費用占整個生產成本很高的比例，因此提高裝配質量和效率、降低成本為目標，對軌道車輛裝配工藝進行改進和優化是增強企業競爭力的重要環節。

現有的工藝文件多是靜態文本和二維圖紙，雖然對產品生產過程和產品質量控制項點進行了詳細的規定，但由于與工人的交互性較差，工人在完成裝配工作時需花費一定的時間去查閱紙質資料并篩選臨時需要用的信息，降低了生產效率，同時也缺少了在工藝規劃階段進行工藝仿真和驗證的手段。在目前企業已經大量使用三維設計手段的今天，利用二維圖以及二維工藝卡片的工藝設計方式已經不能適應企業迅速發展的需求。

基于虛擬現實技術開展的裝配工藝規劃研究是涉及計算機技術和機械制造技術的交叉領域，長期以來是智能制造領域的一個研究熱點。隨著數字化裝配技術的發展成熟，使得模擬仿真以及工藝驗證成為了現實。在數字化裝配仿真系統中，發現并解決數字化產品模型裝配過程中所遇到的產品、工裝以及工藝設計中的各類問題，比實際中發現問題，大大節約了成本，并且基于可視化的環境下進行工藝設計大大提高了工藝設計效率。

基于軌道車輛行業的特點，以裝配工藝為切入點，應用面向三維的裝配工藝規劃及裝配過程執行的工具——KM3DAST，以實現軌道車輛的三維模擬仿真為目標，進而使得裝配工藝易于理解，提高裝配過程的可控制性，增強裝配人員對裝配進程的把握能力，完成對裝配順序以及工件選型的綜合化、數字化檢查，兼顧裝配質量和效率，整體提高企業的信息化系統的一體化程度，達到企業內部數據流通快捷、暢通的目的。

1軌道車輛三維裝配工藝設計總體規劃

裝配工藝設計是指導裝配工裝的重要階段，編制的工藝文件質量直接關系到產品裝配的準確性和效率。數字化裝配工藝規劃技術基于虛擬裝配技術的裝配工藝設計模式，即利用虛擬裝配技術，在虛擬環境中人機交互地對產品的虛擬模型進行試裝操作，以分析和確定產品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配過程中的干涉及裝配工裝與夾具的可操作性等，并形成產品的裝配工藝。

要實現三維工藝設計，重點需要解決兩方面問題，一是實現以三維模型為核心的工藝設計、仿真、驗證;二是解決好三維裝配工藝在車間的展示和應用。3DAST在三維數字化實體模型的基礎上，借助于虛擬仿真技術等交互手段，來規劃與仿真產品的設計裝配過程，最終生成三維作業指導書并指導現場生產。3DAST全面地實現了工藝設計、仿真、驗證，以及裝配指導的可視化，提高了裝配的準確率，且實現了與企業原有數據集成系統的完美對接，使產品設計和產品制造首尾呼應。

根據軌道車輛行業的特點，整車的裝配不僅僅有傳統機械工件的裝配，還包括電氣連接，電線布置等環節，此系統提供由裝配工藝規劃人員操作的交互式的裝配工藝規劃和分析功能。該功能包括軌道車輛的零件以及裝配工具等的三維模型的建立或者引入，對工藝規劃的決策，三維裝配的模擬仿真，路徑生成，以及不同格式工藝文件的生成和輸出。全方位實現可視化，加之對裝配過程的局部放大等功能，使裝配人員能夠對裝配要求等做到實實在在掌握。

軌道車輛三維裝配工藝設計總體規劃如圖1所示。

2軌道車輛三維裝配工藝設計過程

通過對3DAST的三維裝配工藝設計過程進行分析，結合軌道車輛的產品特點，建立了如圖2所示的三維裝配工藝設計過程。

2.1模型輕量化

3DAST系統是構架在統一的三維輕量化模型上的，對設計的軌道車輛產品的三維模型，首先經過模型轉換器產生統一的三維輕量化模型，然后再導入到3DAST系統中。在轉換過程中讀取三維設計模型的模型信息、產品結構信息、模型屬性信息以及PMI信息。

2.2 PBOM構建

根據獲取到的軌道車輛產品的EBOM結構，在其基礎上，為滿足制造工藝需要，創建虛擬件節點，重新定義零組件層級關系，并過濾零部件部分屬性信息從而形成PBOM結構。

2.3裝配工藝路線設計

裝配工藝路線設計是對產品進行工序創建、裝配件分配、制定流程，形成裝配工藝路線的過程。根據軌道車輛產品零件數量多、模型復雜的特點，整個裝配工藝路線設計是基于三維環境下生成的。并且采用消耗式裝入件分配模式，在三維視圖中直接對每道工序分配對應的零部件，通過工序流程圖與三維模型相結合的方式生成軌道車輛產品的工藝路線。

2.4裝配工藝詳細設計

工藝路線設計完畢后，對軌道車輛產品的具體每一個工序進行詳細設計，具體包括工序中每個零件的運動軌跡、三維裝配工藝標注、裝配過程中的工裝工具等輔助用具，從而完成軌道車輛產品裝配工藝詳細設計。

2.5裝配工藝仿真驗證

通過仿真驗證功能，可以檢查軌道車輛產品的裝配工藝規劃的合理性，檢查被裝配的零部件之間、工裝/工具與零部件之間是否有干涉。3DAST通過對結果進行裝配過程模擬以及干涉檢查，發現在裝配過程中的碰撞問題以及不協調問題，然后重新優化裝配過程。

2.6發布

通過仿真驗證的軌道車輛三維工藝文件，可下發到車間現場進行可視化指導。

3軌道車輛三維裝配工藝車間現場可視化指導

軌道車輛的零部件數目眾多，而軌道車輛本身屬于大型復雜裝配件，所以，在裝配過程中有著比普通裝配更多的困難，對零件的加工制造也有著更高的要求。通過裝配工藝設計手段的增強，使用3DAST編制好的三維工藝文件可下發到車間現場進行可視化指導，通過可視化仿真可提高裝配成功率，改善裝配質量，幫助企業在車間現場解決以下問題：

（1）三維工藝文件對裝配的全過程進行了仿真模擬，直觀全面地指導了裝配工作，解決了可能導致返工現象的錯裝、漏裝現象。

（2）三維裝配工藝可模擬現場生產節拍，通過優化裝配作業順序可提高生產效率。

（3）三維裝配工藝可有效指導新員工進行裝配作業指導，提高生產效率，從而降低成本。

軌道車輛三維裝配工藝車間現場可視化指導如圖3所示。

4結束語

本文以數字化三維裝配系統在軌道車輛的應用為實例，結合軌道車輛的行業特點，分析了基于3DAST的軌道車輛三維工藝設計過程，以及三維裝配工藝車間現場可視化指導的意義。通過研究基于3DAST的軌道車輛三維裝配工藝設計技術來提高產品裝配質量和效率，提高復雜產品的數字化水平，對行業內的三維工藝設計與應用有一定的指導作用。