面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配仿真系統(tǒng)研究

史亞貝 楊 筍

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面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配仿真系統(tǒng)研究

史亞貝1楊 筍2

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽(yáng) 473009；2.河南省經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校 河南南陽(yáng) 473000）

針對(duì)機(jī)械新產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造的需求，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向數(shù)字化生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。數(shù)字化系統(tǒng)的研究是基于統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化裝配工藝仿真、數(shù)字化制造執(zhí)行系統(tǒng)。建立了新產(chǎn)品工藝、制造全過(guò)程集成的一體化數(shù)字系統(tǒng)。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理 PDM 三維裝配仿真

1 前言

在新產(chǎn)品的研制中，雖然全面采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)定義，消除了物理樣機(jī)的使用。但在制造階段，依然采用的是傳統(tǒng)的裝配方法和手段，在工藝準(zhǔn)備中還是基于二維定義的串行工作方式。由于傳統(tǒng)工藝文件以二維表述為主要方式，工藝文件更改、優(yōu)化周期長(zhǎng)，方案優(yōu)劣依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，造成工藝文件水平因人而異，增加了制造周期和制造成本。

傳統(tǒng)的基于紙面工藝文件的管理模式仍然是通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大量生產(chǎn)控制人員現(xiàn)場(chǎng)采集；在信息的傳遞中，仍然是依靠報(bào)表及會(huì)議的形式逐層匯總、逐層傳遞。同時(shí)由于信息收集和傳遞時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，信息傳遞過(guò)程可能產(chǎn)生大量的信息失真，由此直接導(dǎo)致企業(yè)關(guān)注的均衡生產(chǎn)、配套生產(chǎn)、減少批量，減少在制品的等待時(shí)間、縮短零件制造周期等失去了信息基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。三維工藝仿真實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品數(shù)字化裝配的虛擬環(huán)境，多模式人機(jī)交互的虛擬裝配仿真和驗(yàn)證，裝配序列規(guī)劃及路徑規(guī)劃的優(yōu)化，生成三維可視化的工藝文件。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中所發(fā)生、涉及的工程數(shù)據(jù)信息，包括AO、FO、ICL等工藝文件的管理；針對(duì)產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、流動(dòng)、處理、共享和應(yīng)用等提供的AO等的動(dòng)態(tài)審批、發(fā)放等流程管理；產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)管理及配置管理。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)接收產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)發(fā)放的工藝文件等，存儲(chǔ)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及關(guān)聯(lián)工藝文件的現(xiàn)場(chǎng)墨水更改等信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量監(jiān)控等功能。

圖1 面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊介紹

主要功能模塊如圖2所示分為三大模塊：

（1）產(chǎn)品信息管理平臺(tái)，在PTC公司的Windchill系統(tǒng)的PDMLink模塊功能上，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)及界面集成實(shí)現(xiàn)工藝文件信息的輸入、流程管理及與制造執(zhí)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

（2）三維數(shù)字化裝配工藝模塊，選用Dassault公司的DELMIA軟件，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化裝配的虛擬環(huán)境，多模式人機(jī)交互的虛擬裝配仿真和驗(yàn)證，裝配序列規(guī)劃及路徑規(guī)劃的優(yōu)化，生成三維可視化的工藝文件。該模塊由四個(gè)功能子模塊組成，分別是“EBOM導(dǎo)入”模塊、“工藝設(shè)計(jì)裝配順序算法”模塊、“工藝驗(yàn)證與優(yōu)化”模塊以及“三維可視化工藝輸出”模塊。

（3）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)，分為三個(gè)部分實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理和權(quán)限管理。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)可以接收產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)發(fā)放的工藝文件等，存儲(chǔ)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及關(guān)聯(lián)工藝文件的現(xiàn)場(chǎng)墨水更改等信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量監(jiān)控等功能[1,2]。

圖2 面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配仿真系統(tǒng)功能圖

3 各模塊介紹

3.1 產(chǎn)品信息管理平臺(tái)

產(chǎn)品信息統(tǒng)一管理平臺(tái)框架的構(gòu)架如圖3所示。通過(guò)PTC公司的Windchill系統(tǒng)的PDMLink模塊管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中所發(fā)生涉及的工程數(shù)據(jù)信息，針對(duì)產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、流動(dòng)、處理、共享和應(yīng)用等提供的AO等的動(dòng)態(tài)管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理及配置管理、工程數(shù)據(jù)圖檔的審批發(fā)放流程管理。在PTC公司的Windchill系統(tǒng)的PDMLink模塊功能上，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)及界面集成實(shí)現(xiàn)工藝文件信息的輸入、流程管理及與制造執(zhí)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

圖3 產(chǎn)品信息統(tǒng)一管理平臺(tái)框架

基于集成需求分析，采用了XML作為存儲(chǔ)載體的方式來(lái)編輯AO工藝文檔的方式。信息集成的方式主要采用三種：SOAP訪問(wèn)、數(shù)據(jù)流傳輸與對(duì)象數(shù)據(jù)讀取。利用XML存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，建立WebService，采用SOAP的方式來(lái)訪問(wèn)XML中的內(nèi)容。AO文檔參數(shù)的讀取，通過(guò)PDM本身提供的參數(shù)獲取接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，物理文件是指AO文檔中的附件附圖等文件，這類(lèi)文件與不具有XML的文本特性，卻是存在的文件，對(duì)于這類(lèi)文件，采用數(shù)據(jù)流的傳輸方式進(jìn)行信息交互。

在MES本地不存儲(chǔ)AO文檔文件本身，保證PDM系統(tǒng)中AO文檔的唯一性與標(biāo)準(zhǔn)型。MES系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布時(shí)獲取PDM中相應(yīng)AO文檔的XML及其他物理文件。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行墨水更改時(shí)，記錄現(xiàn)場(chǎng)墨水更改數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，與PDM中AO原文件內(nèi)容集合關(guān)聯(lián)。當(dāng)墨水更改累計(jì)到需要更新AO版次的狀態(tài)時(shí)，PDM從MES讀取所有墨水更改信息，存放至PDM數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成新版次的AO工藝文檔。同步的時(shí)機(jī)定義在創(chuàng)建新的工藝文檔與修訂新版次的工藝文檔的狀態(tài)，PDM系統(tǒng)上的AO文檔內(nèi)容是同步的最終標(biāo)準(zhǔn)。AO文檔的過(guò)程集成原理圖如圖4所示[3,4]。

圖4 PDM系統(tǒng)與MES系統(tǒng)過(guò)程集成方案

3.2 三維數(shù)字化裝配工藝模塊

圍繞產(chǎn)品的總裝，研制開(kāi)發(fā)一套基于PC機(jī)的數(shù)字裝配工藝系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的虛擬環(huán)境，多模式人機(jī)交互的虛擬裝配仿真和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)裝配序列規(guī)劃及路徑規(guī)劃的優(yōu)化，生成三維可視化的工藝文件，指導(dǎo)產(chǎn)品裝配，提高總裝能力。其系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字裝配工藝系統(tǒng)由四個(gè)功能模塊組成，分別是EBOM導(dǎo)入模塊、工藝設(shè)計(jì)裝配順序算法模塊、工藝驗(yàn)證與優(yōu)化模塊以及三維可視化工藝輸出模塊。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大大改善產(chǎn)品裝配的工藝設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真和驗(yàn)證，完成裝配序列規(guī)劃及路徑規(guī)劃的優(yōu)化，生成三維可視化的工藝文件，指導(dǎo)產(chǎn)品的裝配，提高產(chǎn)品的總裝能力。縮短產(chǎn)品制造的周期、降低制造成本、提高制造質(zhì)量，從而提升產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

數(shù)字裝配工藝模塊在操作系統(tǒng)平臺(tái)上的層次結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有四個(gè)層次，即底層的硬件資源、軟件操作系統(tǒng)、DELMIA支撐軟件平臺(tái)和三維可視化工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[5]。

圖6 三維數(shù)字化裝配工藝模塊的架構(gòu)

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)分為三個(gè)部分分別實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理和權(quán)限管理。整個(gè)系統(tǒng)采用典型的MVC架構(gòu)，如圖7所示，其中權(quán)限管理部分相對(duì)獨(dú)立，所以未畫(huà)出。在數(shù)據(jù)模型層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和相關(guān)配置文件的存儲(chǔ)，這一層為控制層提供最基本的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口以及相關(guān)配置文件的操作接口。控制層執(zhí)行主要的業(yè)務(wù)邏輯，一方面將業(yè)務(wù)的執(zhí)行結(jié)果持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，另一方面為表現(xiàn)層提供接口，滿足用戶的各種功能需求。表現(xiàn)層提供基本的用戶界面。

圖7 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)功能架框圖

存儲(chǔ)模塊的功能為：存儲(chǔ)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中所產(chǎn)生的一切數(shù)據(jù)、信息、以及彼此之間的聯(lián)系。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理模塊的功能為：提供對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的定義、查詢和修改。權(quán)限管理模塊的功能為：控制各種人員對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)的操作的權(quán)力。而整個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)的目的是有效地管理和控制產(chǎn)品生產(chǎn)制造，提高生產(chǎn)效率。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維裝配工藝仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)新支線項(xiàng)目工藝準(zhǔn)備、工藝文件、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝記錄的全數(shù)字化管理，使裝配現(xiàn)場(chǎng)返工率大大降低，提高產(chǎn)品和工作質(zhì)量，節(jié)約各類(lèi)生產(chǎn)費(fèi)用。系統(tǒng)測(cè)試查詢界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)查詢界面

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)能夠應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品制造企業(yè)，如在航空工業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)、機(jī)床制造業(yè)中，能夠解決信息流問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化管理，以便高效率地組織新產(chǎn)品制造，尤其是解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理信息流問(wèn)題。

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