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(shè)計（Computer A ided Design, CAD）軟件的廣泛應(yīng)用，我國大部分制造企業(yè)已經(jīng)基本采用三維CAD軟件進行產(chǎn)品的設(shè)計。然而，在裝配工藝設(shè)計方面，大部分制造企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的基于二維工程圖的裝配工藝設(shè)計方法，這種裝配工藝設(shè)計存在如下問題：首先，由于缺少直觀的產(chǎn)品表現(xiàn)形式，工藝設(shè)計人員不得不根據(jù)二維工程圖紙，去構(gòu)想產(chǎn)品的裝配關(guān)系，根據(jù)自己的經(jīng)驗規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案，整個過程浪費了大量的時間；其次，傳統(tǒng)的二維裝配工藝設(shè)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(xiàn)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(tǒng)的二維裝配工藝設(shè)計不能夠?qū)ぱb的合理性和工具的可達性進行驗證；最后，生產(chǎn)現(xiàn)場仍然采用傳統(tǒng)的二維裝配工藝文件，經(jīng)常需要工藝設(shè)計人員現(xiàn)場指導裝配。

隨著三維CAD技術(shù)和虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展，在三維環(huán)境下進行裝配工藝設(shè)計已經(jīng)成為可能。工藝設(shè)計人員可以在三維可視化環(huán)境下進行裝配順序的規(guī)劃，裝配工藝的設(shè)計，并在工裝、工具三維模型的支持下對裝配工藝設(shè)計的可行性和合理性進行驗證，從而對裝配工藝設(shè)計進行持續(xù)優(yōu)化，并輸出三維裝配工藝文件以指導現(xiàn)場操作人員進行產(chǎn)品的裝配。Tecnomatix是西門子推出的數(shù)字化制造軟件，廣泛應(yīng)用于我國的航空、航天、汽車、船舶等復雜產(chǎn)品制造業(yè)，例如在白車身焊接工藝[1,2]中的應(yīng)用。在Tecnomatix系統(tǒng)中，有車間工藝（PlantProcess）、生產(chǎn)線工藝（LineProcess）、工位工藝（StationProcess）等，而沒有我國傳統(tǒng)制造業(yè)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(yīng)用于我國的制造企業(yè)。為此，本文通過對Tecnomatix系統(tǒng)的研究，分析了三維裝配工藝設(shè)計與仿真過程，建立了裝配工藝信息模型，并對Tecnomatix系統(tǒng)進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)Tecnomatix系統(tǒng)在我國傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用。

1 三維裝配工藝設(shè)計與仿真系統(tǒng)功能模型

Tecnomatix系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用過程進行分析，建立了如圖1所示的三維裝配工藝設(shè)計與仿真系統(tǒng)功能模型。

1）裝配BOM管理

裝配BOM管理主要是根據(jù)輸入的產(chǎn)品部件組件模型，對設(shè)計BOM進行調(diào)整，建立虛擬裝配組件，并調(diào)整裝配層次關(guān)系，確定零部件之間的裝配順序，同時對產(chǎn)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(shè)計

根據(jù)零部件的裝配順序關(guān)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(huán)境信息、裝配設(shè)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(huán)境模型、裝配設(shè)備模型。

3）裝配工序詳細設(shè)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(guī)劃與仿真

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

5）三維裝配工藝輸出

裝配工藝設(shè)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(fā)布，以指導現(xiàn)場操作工人的裝配。

圖1 三維裝配工藝設(shè)計與仿真系統(tǒng)功能模型

2 裝配工藝信息模型建立

Tecnomatix系統(tǒng)中的工藝對象主要有車間工藝（PlantProcess）、生產(chǎn)線工藝（LineProcess）、工位工藝（StationProcess）等，不能夠滿足我國制造企業(yè)對信息的需求。為此，本文通過對裝配工藝設(shè)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(jié)構(gòu)層、裝配工藝層和裝配資源層。

1）裝配結(jié)構(gòu)層

裝配結(jié)構(gòu)層描述了零部件之間的裝配層次關(guān)系和裝配約束關(guān)系，產(chǎn)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(shè)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(shè)備連續(xù)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(xù)的裝配工作；裝配操作是指對一個裝配對象實施的連續(xù)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(huán)境模型信息、裝配設(shè)備信息、裝配工裝信息和裝配工具信息。其中，裝配工序?qū)?yīng)裝配環(huán)境和裝配設(shè)備，裝配工步對應(yīng)裝配工裝和工具。

圖2 裝配工藝信息模型

3 應(yīng)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(huán)境、裝配設(shè)備、裝配工裝、裝配工具），并通過VB 6.0開發(fā)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(huán)境、裝配設(shè)備、裝配工裝、裝配工具）的屬性頁，形成了面向復雜產(chǎn)品裝配的三維裝配工藝設(shè)計與仿真系統(tǒng)。首先，將三維模型導入到Tecnomatix系統(tǒng)當中；然后，可以直接在裝配BOM樹上面進行裝配BOM的調(diào)整，劃分裝配層次關(guān)系，并確定零部件的裝配順序；接著進行裝配工藝路線的設(shè)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(cè)為開發(fā)的裝配工序?qū)傩訲ab頁；之后，進行裝配工序的詳細設(shè)計，定義裝配工步信息；當裝配工藝設(shè)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(guī)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(fā)布，如圖5所示。

圖3 裝配工序定義

圖4 裝配路徑規(guī)劃

圖5 3D裝配仿真輸出

4 結(jié)束語

三維環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計一直是制造領(lǐng)域的研究熱點。本文分析了三維裝配工藝設(shè)計與仿真過程，建立了裝配工藝信息模型，并通過對Tecnomatix系統(tǒng)進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了三維環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計。本文的研究，對于國內(nèi)在三維裝配工藝設(shè)計的研究、應(yīng)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(shù)字化工廠的車身地板焊裝線工藝規(guī)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(chǎn)品裝配過程建模方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2009,15(8):1522-1527.