基于Tecnomatix的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究

田富君，張紅旗，陳帝江，程五四

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

隨著三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer A ided Design, CAD）軟件的廣泛應(yīng)用，我國(guó)大部分制造企業(yè)已經(jīng)基本采用三維CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。然而，在裝配工藝設(shè)計(jì)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(jì)方法，這種裝配工藝設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案，整個(gè)過程浪費(fèi)了大量的時(shí)間；其次，傳統(tǒng)的二維裝配工藝設(shè)計(jì)缺乏仿真驗(yàn)證手段，導(dǎo)致編制出來的工藝很難指導(dǎo)裝配，時(shí)常出現(xiàn)零部件錯(cuò)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(jì)不能夠?qū)ぱb的合理性和工具的可達(dá)性進(jìn)行驗(yàn)證；最后，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)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(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)成為可能。工藝設(shè)計(jì)人員可以在三維可視化環(huán)境下進(jìn)行裝配順序的規(guī)劃，裝配工藝的設(shè)計(jì)，并在工裝、工具三維模型的支持下對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)的可行性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證，從而對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并輸出三維裝配工藝文件以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)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(guó)的航空、航天、汽車、船舶等復(fù)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(guó)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(duì)象，導(dǎo)致Tecnomatix不能直接應(yīng)用于我國(guó)的制造企業(yè)。為此，本文通過對(duì)Tecnomatix系統(tǒng)的研究，分析了三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真過程，建立了裝配工藝信息模型，并對(duì)Tecnomatix系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)Tecnomatix系統(tǒng)在我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用。

1 三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)功能模型

Tecnomatix系統(tǒng)主要包括兩個(gè)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(xì)的裝配工藝信息，以及用到的裝配資源信息；Process Simulate主要對(duì)Process Designer中定義的裝配工藝過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過對(duì)Tecnomatix的應(yīng)用過程進(jìn)行分析，建立了如圖1所示的三維裝配工藝設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)BOM進(jìn)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(shí)對(duì)產(chǎn)品的裝配順序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，形成裝配BOM。

2）裝配工藝路線設(shè)計(jì)

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(xì)設(shè)計(jì)

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(jì)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(dāng)中，規(guī)劃零部件的裝配路徑。在裝配路徑規(guī)劃過程當(dāng)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(huì)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(jì)，以便對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。

5）三維裝配工藝輸出

裝配工藝設(shè)計(jì)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(dāng)中進(jìn)行發(fā)布，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作工人的裝配。

圖1 三維裝配工藝設(shè)計(jì)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(duì)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(guó)制造企業(yè)對(duì)信息的需求。為此，本文通過對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)涉及到的信息進(jìn)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(gè)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(jì)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(duì)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(gè)工作地點(diǎn)，由一個(gè)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(gè)或多個(gè)對(duì)象的安裝而采取的連續(xù)的裝配工作；裝配操作是指對(duì)一個(gè)裝配對(duì)象實(shí)施的連續(xù)操作過程[3]，裝配操作對(duì)象是指裝配過程中的所有可操作實(shí)體，操作對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)裝配工裝和工具。

圖2 裝配工藝信息模型

3 應(yīng)用實(shí)例

基于以上方法，作者利用eM-Planner工具定制了工藝對(duì)象（裝配工藝、裝配工序、裝配工步），資源對(duì)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(duì)象（裝配工藝、裝配工序、裝配工步）和資源對(duì)象（裝配環(huán)境、裝配設(shè)備、裝配工裝、裝配工具）的屬性頁(yè)，形成了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)。首先，將三維模型導(dǎo)入到Tecnomatix系統(tǒng)當(dāng)中；然后，可以直接在裝配BOM樹上面進(jìn)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(jìn)行裝配工藝路線的設(shè)計(jì)，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(yè)；之后，進(jìn)行裝配工序的詳細(xì)設(shè)計(jì)，定義裝配工步信息；當(dāng)裝配工藝設(shè)計(jì)完成之后，切換到Process Simulate模塊，進(jìn)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(jìn)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(yǔ)

三維環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計(jì)一直是制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文分析了三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真過程，建立了裝配工藝信息模型，并通過對(duì)Tecnomatix系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了三維環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計(jì)。本文的研究，對(duì)于國(guó)內(nèi)在三維裝配工藝設(shè)計(jì)的研究、應(yīng)用方面有一定的借鑒作用。

[1] 蘇潤(rùn)峰.基于eMPower的車身焊接線虛擬仿真研究[D].山東大學(xué),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(xué),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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2009,15(8):1522-1527.