葛紅影 劉偉潔 寧鑫 張學(xué)秀

一、三維工藝技術(shù)的背景、現(xiàn)狀及意義

隨著三維工藝信息化技術(shù)適應(yīng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和壯大，這項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于企業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，這使企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計能力和制造能力有了很大的提高，研發(fā)設(shè)計部門通過三維設(shè)計系統(tǒng)平臺的開發(fā)實施，在三維研發(fā)方面已取得了一定成果和經(jīng)驗。但數(shù)字化工藝規(guī)劃、設(shè)計技術(shù)還處于初步實施階段。在全數(shù)字化產(chǎn)品建模的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字化三維工藝設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)車輛全過程的動態(tài)裝配仿真，并在仿真過程中檢查干涉以確保所有零部件的準確安裝。同時驗證操作人員在該環(huán)境下的可視性、可達性和可操作性。直觀形象地對產(chǎn)品原型及車間生產(chǎn)現(xiàn)場進行規(guī)劃設(shè)計、仿真分析，評估工藝設(shè)計、規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，提高工藝設(shè)計質(zhì)量和能力，全面提升公司的工藝設(shè)計和制造能力。

二、三維工藝設(shè)計技術(shù)流程

三維工藝設(shè)計技術(shù)是通過將產(chǎn)品零部件及工藝裝備的三維數(shù)字模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實環(huán)境，通過多種交互手段對模型進行控制，依照制造工藝過程進行BOM重組、定義產(chǎn)品制造工藝流程、模擬實際產(chǎn)品的裝配過程，最后輸出可視化工藝文檔的技術(shù)。三維工藝設(shè)計技術(shù)流程如圖1所示。

1、構(gòu)建虛擬場景

為了能夠真實地對產(chǎn)品的裝配過程進行模擬，首先需要構(gòu)建出逼真的裝配車間工作環(huán)境。車間環(huán)境包括工藝裝備和臺位信息。為了能夠使工藝仿真切實反映實際的產(chǎn)品制造過程，虛擬環(huán)境應(yīng)盡可能按照實際的車間環(huán)境布局構(gòu)建，車間的形狀、工裝工具的位置和放置形式都要與車間實物保持一致。如果由于車間環(huán)境過于復(fù)雜，可只構(gòu)建出對仿真對象構(gòu)成直接影響的車間環(huán)境要素。

2、導(dǎo)入產(chǎn)品和工藝裝備的三維模型

將產(chǎn)品和工藝裝備三維模型導(dǎo)入到3D 體驗平臺中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)生成EBOM，同時對EBOM數(shù)據(jù)進行輕量化處理，該EBOM模型作為工藝設(shè)計的數(shù)據(jù)源頭，不能隨意更改，如需變動也只能是來自于設(shè)計的升版數(shù)據(jù)生效，才能對工藝信息系統(tǒng)中的EBOM數(shù)據(jù)進行更改。工藝裝備是定義工藝流程和裝配仿真過程中不可缺少的，導(dǎo)入的工藝裝備模型保存到資源樹中。

3、 BOM結(jié)構(gòu)重組

導(dǎo)入設(shè)計EBOM結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品類型數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)換成制造裝配體類型的數(shù)據(jù)即工藝MBOM，根據(jù)生產(chǎn)線布局、裝配順序及現(xiàn)場生產(chǎn)實際需求等因素對MBOM數(shù)據(jù)模型進行轉(zhuǎn)移調(diào)整，同時在此階段可以增加工藝輔料BOM。

4、定義工藝流程

在創(chuàng)建MBOM結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，編制各部件的安裝工藝流程，定義安裝位置、安裝工序之間的邏輯關(guān)系、安裝時間、所需工藝裝備及數(shù)量等，并將產(chǎn)品模型關(guān)聯(lián)到各安裝工序展板上。在系統(tǒng)中通過甘特圖可以查看工序之間的邏輯關(guān)系，每個展板上所關(guān)聯(lián)的三維模型即每個工序上所分配的物料，如圖2、圖3所示。

5、 三維裝配仿真分析

基于已規(guī)劃布局完成的產(chǎn)品和工藝裝備模型，以及定義完成的工藝流程，使用3D體驗平臺系統(tǒng)中的仿真模塊編輯安裝過程的裝配順序和裝配路徑，實現(xiàn)產(chǎn)品可視化的全三維動態(tài)裝配仿真過程。

裝配過程仿真包括兩個方面：裝配順序仿真和裝配路徑仿真。裝配順序仿真是指對產(chǎn)品零部件按照工藝方案制定的裝配順序進行三維模擬，以檢驗產(chǎn)品所有零部件是否能夠依據(jù)裝配工藝方案設(shè)定的裝配順序裝配到位，從而評價工藝方案中裝配順序的合理性。裝配路徑仿真是指對產(chǎn)品在裝配過程中運動路徑進行模擬，以檢驗裝配操作過程中是否會發(fā)生干涉現(xiàn)象，裝配路徑規(guī)劃是否合理和最優(yōu)。

通過裝配干涉檢查，從而驗證產(chǎn)品設(shè)計和裝配過程中是否存在安裝干涉，當(dāng)發(fā)現(xiàn)裝配存在干涉時予以報警提示，并顯示干涉區(qū)域和干涉量，幫助設(shè)計人員查找和分析原因。

對工藝流程進行虛擬仿真、分析和驗證，及時發(fā)現(xiàn)和修改其中存在的問題，通過迭代得到優(yōu)化的工藝方案，避免實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的種種問題。

6、輸出三維可視化工藝文檔

整個裝配過程經(jīng)驗證無誤后，在產(chǎn)品模型及工藝流程的基礎(chǔ)上，進行詳細的工藝設(shè)計。編輯各工序安裝工藝方法、標(biāo)準及約束條件等，還可以對安裝要點處增加詳細視圖，最后生成三維可視化工藝文檔，發(fā)布至現(xiàn)場指導(dǎo)生產(chǎn)人員操作，如圖4、圖5所示。

三、地鐵車窗安裝的三維工藝設(shè)計流程

本文借助3D體驗平臺，將三維工藝設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到地鐵車窗安裝工藝中。

1、構(gòu)建車窗安裝的工作場景

根據(jù)實際的生產(chǎn)車間布局構(gòu)建生產(chǎn)廠房及工作臺位等工作場景，如圖6所示。

2、導(dǎo)入產(chǎn)品和工藝裝備的三維模型

進行車窗安裝前需準備的產(chǎn)品模型包含車體、地板、塞拉門及車窗部件等，工藝裝備包含工具（盒尺、專用平尺、塞尺、膠槍、噴壺和毛筆）、工裝（廠房和工藝轉(zhuǎn)向架）等，將準備好的產(chǎn)品和工藝裝備三維模型導(dǎo)入到3D體驗平臺系統(tǒng)中，為創(chuàng)建MBOM、工藝流程及裝配仿真作準備，如圖7、圖8所示。

4、定義車窗安裝工藝流程

在創(chuàng)建MBOM結(jié)構(gòu)界面的基礎(chǔ)上，將模塊切換到Process Planning模塊，編制車窗安裝的三維工藝流程，車窗安裝過程大致為窗口檢測、車窗粘接和車窗密封三步，定義各工步所用工時以及串聯(lián)的邏輯關(guān)系，將物料模型和所需工藝裝備模型拖拽到各工步對應(yīng)的展板上，如圖11所示。

5、車窗安裝裝配仿真

將車體、物料和工藝裝備模型都導(dǎo)入3D體驗平臺系統(tǒng)進行布局后，進入裝配仿真模塊進行編輯車窗安裝仿真過程，如圖12所示。

例如，將車窗粘接過程及打膠過程進行模擬，具體過程為：將手動吸盤固定在車窗外層玻璃上，固定牢固后放入車體鋁窗框中；用膠槍對窗口間隙處注膠，保證打膠連續(xù)、飽滿。圖13為車窗粘接及打膠的裝配路徑、裝配位置，實現(xiàn)產(chǎn)品可視化的全三維動態(tài)裝配仿真過程。

裝配仿真過程完成后需要對車窗安裝進行動態(tài)干涉分析，檢查粘接車窗是否與車體窗口干涉，創(chuàng)建干涉時選擇組與組，新建制造方案選擇車窗粘接裝配路徑，模擬并生成結(jié)果，如圖14所示，可以查看車窗粘接仿真過程中每個時間點干涉的數(shù)量，根據(jù)出現(xiàn)干涉的時間及位置分析產(chǎn)品模型的缺陷及時進行調(diào)整，再通過仿真驗證直到?jīng)]有干涉為止。

6、輸出車窗安裝可視化工藝文檔

通過仿真分析，裝配過程驗證無誤后需要進行詳細的車窗安裝工藝設(shè)計過程，即編制工藝文檔用于指導(dǎo)車間生產(chǎn)，如圖15所示。將模塊轉(zhuǎn)換到Work Instruction進行編制工藝文檔，以車窗粘接工步為例，編寫詳細的文字描述：先對車窗四周粘接面進行表面清潔，晾置至少10分鐘后，然后進行表面活化，晾置至少10分鐘后，最后對車體鋁窗框四周打兩圈膠粘劑，打膠要求連續(xù)、均勻和飽滿。還可以對工步中增加安裝視圖以及在視圖上進行標(biāo)注，如圖16所示，能夠很直觀地指導(dǎo)現(xiàn)場人員操作。

對工序各工步編輯作業(yè)內(nèi)容后，生成車窗粘接作業(yè)指導(dǎo)書，如圖17所示，車窗粘接工序生成的作業(yè)指導(dǎo)書，共分為三個工步：車窗樣裝、清潔活化和安裝車窗。

以上六步為車窗安裝完整的三維工藝設(shè)計過程，都是基于三維模型進行設(shè)計的，在3D體驗平臺系統(tǒng)中操作的整個過程靈活生動，能夠完整地指導(dǎo)車窗安裝的過程。

四、結(jié)論

三維工藝設(shè)計能夠直觀形象地對產(chǎn)品原型及車間生產(chǎn)現(xiàn)場進行規(guī)劃設(shè)計和仿真分析，評估工藝設(shè)計和規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，如新產(chǎn)品試制之前進行三維虛擬裝配仿真，可以檢驗新產(chǎn)品的裝配順序、裝配空間及裝配路徑，對工藝流程進行合理性評價并不斷優(yōu)化，通過檢查裝配過程中的碰撞干涉，輸出干涉結(jié)果反饋給設(shè)計部門提前分析解決問題。

通過三維工藝設(shè)計過程，提高了工藝設(shè)計質(zhì)量和能力，進一步全面提升公司的工藝設(shè)計、制造能力。通過在3DEXPERIENCE平臺系統(tǒng)中對地鐵車窗安裝進行工藝設(shè)計及仿真，實現(xiàn)了車窗安裝的3D MBOM搭建、工藝流程編制、動態(tài)裝配仿真及作業(yè)指導(dǎo)書輸出，能夠形象地指導(dǎo)車間生產(chǎn)。