徐宏聚

（山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

工藝路線及工藝規(guī)程是為了將設計圖紙轉化為實際產品而制定的包含過程規(guī)劃、 技術要求和生產資源清單的文件，是產品制造企業(yè)的核心業(yè)務。煤機產品作為井下采煤的主要裝備， 產品質量直接決定了煤礦的產能及安全性。目前，煤機裝備制造行業(yè)在整機裝配方面普遍沿襲傳統(tǒng)二維平面軟件來規(guī)劃設計其裝配工藝路線， 無法解決產品裝配過程的仿真與分析、裝配過程動態(tài)演示等，使得裝配已成為影響產品質量、時間和成本的瓶頸。面對嚴酷的市場競爭， 迫切需要煤機裝備制造行業(yè)加強對可視化裝配工藝技術研究， 用可視化的裝配工藝技術指導工人生產，提高煤機產品的裝配效率和質量，贏得市場。

1 二維裝配工藝存在的不足

煤機裝備制造行業(yè)大多數(shù)是由科研單位轉制而來，普遍存在重研發(fā)輕工藝現(xiàn)象， 基本上都使用三維軟件進行產品設計， 整機裝配工藝基本上還停留在二維裝配模式上，缺乏有效的裝配工藝規(guī)劃手段。 目前，大多數(shù)煤機裝備制造企業(yè)只是采取了CAPP 手段，實現(xiàn)了對紙質工藝卡片的電子化管理、 對工藝信息自動統(tǒng)計匯總及應用權限的管理與控制。 但是，由于受到智能化程度低、與CAD環(huán)境集成效果差，限制了其在高、精、尖端機械制造領域的應用。①二維裝配工藝的建立在很大程度上依賴于經驗和基于實物模型的反復試裝，研發(fā)周期和成本大幅增加；②編制二維裝配工藝文件勞動強度大、周期長；③裝配工人進行裝配作業(yè)時對圖紙、工藝文件依賴程度大，易出現(xiàn)理解失誤，造成裝配質量問題，影響裝配周期；④產品的許多結構設計問題只有在裝配調試期間才能暴露出來，因此產品定型周期長。

目前亟需一種有效的工藝規(guī)劃及驗證手段， 可以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)從工藝設計到生產的整個流程， 提前發(fā)現(xiàn)問題。 同時現(xiàn)行工藝文件多以二維、紙質形式發(fā)布，在此過程中增加了非增值勞動（三維到二維的轉化），并且跨系統(tǒng)的數(shù)據變更需要手工完成更新， 也帶來了管理成本的增加。

綜上所述， 二維工藝軟件無論在廣度和深度上均已經無法適應企業(yè)數(shù)字化研發(fā)的需求， 只有建立三維數(shù)字化工藝解決方案， 充分采用基于三維數(shù)據及模型設計的MBD 技術，才能更好地解決工藝自身的數(shù)字化、可視化和虛擬化裝配問題， 同時解決設計與工藝的過程協(xié)同和數(shù)據關聯(lián)管理。

2 數(shù)字裝配工藝系統(tǒng)設計

數(shù)字化裝配工藝就是利用現(xiàn)在計算機和網絡技術，在車間裝配現(xiàn)場建立信息可視化的人機交互系統(tǒng)， 把產品設計、 裝配工藝的信息以數(shù)字量的形式傳遞到車間現(xiàn)場， 產品和資源的信息采用數(shù)字化產品定義技術以三維立體數(shù)模展示， 裝配過程用可交互動畫形式播放， 讓裝配工人以更直觀的方式了解產品的裝配屬性， 理解產品的裝配工藝流程、裝配方法、裝配技術要求、裝配控制檢驗項目等，建立數(shù)字化裝配工藝就應從系統(tǒng)軟件開發(fā)、信息傳輸網絡、信息發(fā)布終端等方面進行系統(tǒng)設計。

建立三維數(shù)字化工藝管理系統(tǒng)平臺， 實現(xiàn)快速制定工藝路線，自頂向下或自底向上制定裝配工序，全面管理工藝資源，使工藝人員能夠快速、統(tǒng)一、直觀地描述裝配過程和要點。

三維數(shù)字化工藝管理系統(tǒng)平臺中嵌入工藝資源數(shù)據，將產品所使用工藝規(guī)程、工量器具、工藝要求、表格清單等制定模板并加入該數(shù)據庫。

建立工藝文件遠程發(fā)布網絡， 使工人在裝配現(xiàn)場可通過觸摸終端屏幕觀看視頻及工藝文件， 了解裝配過程并掌握裝配要點，達到快速培訓的目的。

利用該數(shù)據平臺制作三維數(shù)字化裝配工藝文件，對裝配過程進行模擬，指導裝配作業(yè)人員完成裝配作業(yè)。

3 數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)架構設計

基于產品全生命周期管理PLM 理念， 采用平臺化、分層研發(fā)技術，分為系統(tǒng)、應用和客戶三個層次，所有功能模塊根據本業(yè)務流程進行設計。

3.1 工藝數(shù)據資源管理庫

該數(shù)據庫中將包括3D 模型數(shù)據MBD、設計數(shù)據EBOM、工藝數(shù)據PBOM、裝配工藝要求知識庫、裝配工藝MBOM、工量器具等資源。

3.2 基礎應用平臺

能實現(xiàn)公用的基礎應用模塊如數(shù)據建模、過程建模、用戶組織建模、行為建模、查詢建模、訪問控制建模、界面建模等系列工具及執(zhí)行引擎， 提供強大的應用建模能力和開發(fā)能力。

3.3 應用模塊層

定制業(yè)務模塊均在基礎應用平臺上基于工藝數(shù)據資源模型搭建而成，從而保證數(shù)據模型的一致性、完整性和關聯(lián)性。

3.4 人機交互界面

工藝人員通過計算機終端的鼠標、鍵盤操作，可以自頂向下或自底向上對產品進行工藝路線劃分、裝配工序制定、工藝文件發(fā)布、工藝資源管理等。

4 數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)流程設計

4.1 基于MBD 的工藝性審查

直接基于MBD 輕量化模型進行可制造性和裝配性審查，同時提供三維視圖瀏覽和三維批注，可以通過建立工藝視圖或切面進行工藝審核的詳細說明。在審查階段，制定工藝方案中的整體方案、工藝分析、外協(xié)要求。

4.2 基于MBD 的EBOM-＞PBOM 的調整

基于三維輕量化模型和MBD 信息進行BOM 主體結構調整， 基于MBD 中的零部件可制造性設定工藝組件（部件/段件/組件/系統(tǒng)），生成PBOM。 根據模型關聯(lián)參考關系MBD 尺寸鏈信息進行調整合理性約束和建議。 支持基于MBD 的零部件劃分（鑄件、鍛件、焊接件、標準件等），編制工藝方案（制造方案、研制周期、材料消耗定額、技術狀態(tài)、工藝質量等）。

4.3 基于MBD 的三維裝配工藝規(guī)劃

基于輕量化模型和MBD/PMI 信息，采用工藝基準面進行裝配工藝規(guī)劃，提出工裝申請單/采購單/制造資源清單，輔助生成檢驗工藝和面向可視化的工序模型。同時在系統(tǒng)中依據模型關聯(lián)參考信息和裝配尺寸鏈進行規(guī)劃合理性約束檢查。 采用視圖和動畫技術進行裝配工藝詳細說明，支持零部件與模型、MBD/PMI 信息以及制造資源間的交互聯(lián)動。

煤礦安全生產大數(shù)據分析平臺提供了數(shù)據接入、存儲、處理和可視化展示等功能，如圖3所示。數(shù)據引擎提供CSV、TXT、文件文檔和關系數(shù)據庫等數(shù)據進入云存儲環(huán)境為大數(shù)據計算做基礎準備。為不同的應用場景提供了3種存儲方式：HBase、Hive，HDFS。為大數(shù)據的統(tǒng)計分析提供了SparkSQL分析、RDD、DataFrame、DataSet任務提交接口；為機器學習和預測預報提供決策樹、回歸、貝葉斯分析以及通風網絡解算等算法；提供了餅狀圖、柱狀圖、雷達圖曲線圖以及GIS專題地圖等接口，使計算分析結果能夠直觀展現(xiàn)。

4.4 數(shù)字化裝配工藝發(fā)布

實現(xiàn)了基于裝配工藝規(guī)劃的內容和檢測內容， 生成可視化車間操作指令。產品設計數(shù)據、制造流程的可視化和PPR 數(shù)據的報表統(tǒng)計發(fā)布，支持以圖文混排、3D/2D/圖示化的可視化方式進行制造流程模型的動態(tài)可視化/發(fā)布。 支持動態(tài)發(fā)布制造流程，支持離線/在線瀏覽。

5 數(shù)字化裝配工藝設計

數(shù)字化轉配工藝設計是通過對產品結構進行分析，在企業(yè)現(xiàn)有制造能力及產品質量管理的基礎上， 按組件對產品的裝配單元進行劃分，制定裝配流程，確定裝配方案， 裝配控制要素， 各裝配環(huán)節(jié)所配備的制造資源要素等。 在數(shù)字化裝配工藝設計中，主要由產品結構樹、工藝結構樹、資源結構樹3 個分支構成，具體結構特征根據企業(yè)需求進行工藝模板制定。

6 數(shù)字化裝配工藝資源數(shù)據庫管理

6.1 基礎數(shù)據

包括三維CAD 模型、 基于CAD 模型的產品信息列表設計EBOM、 基于生產組織模式的工藝路線PBOM、基于裝配現(xiàn)場實際情況的裝配工藝MBOM、 裝配實際需要的工裝、各種BOM 發(fā)布需要的表格模板、工藝規(guī)程、根據實際生產需要定制的清單列表等。

6.2 工藝相關標準管理

主要是針對行業(yè)、專業(yè)標準進行管理和執(zhí)行，并納入到制造流程設計中，比如：基于MBD 的裝配工藝設計技術標準、基于MBD 的質檢工藝技術標準、焊接工藝技術標準等。

6.3 工藝知識管理

主要是針對如何快速進行工藝規(guī)劃設計， 其主要提供了基于MBD 的典型工藝管理、典型工藝路線管理等典型工藝工序， 基于專業(yè)工藝知識管理的計算機輔助工藝設計等內容。

7 數(shù)字化裝配工藝技術難點

建立適合產品快速研制的企業(yè)級設計、 工藝和生產的信息化工藝平臺和支撐體系，快速進行新產品開發(fā)，提高質量，縮短研制周期。根據本企業(yè)的工作流程設計相應的數(shù)據功能模塊，建立相應的工藝資源管理數(shù)據庫。

基于3D 模型進行工藝規(guī)劃和設計， 在MBD 設計的基礎上擴展到MBD 工藝，實現(xiàn)數(shù)據模型及其所關聯(lián)的標注、注釋、公差、尺寸等信息（MBD/PMI/FTA）在設計、制造、裝配等過程中的一致性。

數(shù)字化工藝管理系統(tǒng)平臺需要標準、開放的數(shù)據接口。平臺本身是無法實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的裝配設計、路徑仿真和碰撞檢查等功能， 這就需要平臺能在自身運行環(huán)境下調用或引用其它三維軟件的功能模塊， 而且平臺需要能與CAD/PDM/ERP/MES 等系統(tǒng)具有可編輯的對接數(shù)據接口。

8 結束語

通過基于MBD 的三維數(shù)字化裝配工藝設計及現(xiàn)場可視化技術應用研究及實施，打通了基于MBD 的產品設計與工藝設計及現(xiàn)場可視化裝配的技術路線。 三維數(shù)字化裝配工藝設計及現(xiàn)場可視化系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)點：

實現(xiàn)了產品設計、工藝設計、工裝設計的并行進行，縮短了產品研制周期，降低研發(fā)費用。

使工藝研制更便捷、更直觀，特別在新產品研制中，通過三維數(shù)字化裝配工藝設計使得工藝方案的制定、技術決策更準確、便捷。

通過裝配過程三維仿真驗證，及時發(fā)現(xiàn)了產品設計、工藝設計、工裝設計存在的質量問題。

通過現(xiàn)場可視化系統(tǒng)的應用， 三維裝配仿真通過三維數(shù)據直觀地顯現(xiàn)了裝配過程， 使裝配操作者更容易理解裝配工藝，減少了裝配過程中的反復和人為差錯。

通過多個系統(tǒng)的集成，使設計、工藝、生產的信息可以更方便被調用，數(shù)據流通更加暢通。