三維裝配工藝設(shè)計仿真技術(shù)在電子設(shè)備中的應(yīng)用

胡國高

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

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三維裝配工藝設(shè)計仿真技術(shù)在電子設(shè)備中的應(yīng)用

胡國高

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

摘要：針對軍用電子設(shè)備二維裝配工藝的設(shè)計現(xiàn)狀，開展了基于DELMIA軟件系統(tǒng)進行三維裝配工藝設(shè)計仿真技術(shù)的研究，對電子設(shè)備三維裝配工藝設(shè)計仿真的關(guān)鍵技術(shù)進行了重點研究與分析，從PDM下載UG三維模型文件，將其轉(zhuǎn)換為DELMIA軟件可識別的格式后導(dǎo)入并建立裝配結(jié)構(gòu)樹，進行三維裝配工藝設(shè)計與仿真。對某毫米波雷達俯仰裝置的裝配過程進行了裝配干涉、裝配順序和人機工效仿真并輸出工藝文檔，按照工藝文件對該雷達俯仰裝置進行了實物裝配以驗證其仿真符合率，結(jié)果達到了98%。

關(guān)鍵詞：三維裝配工藝設(shè)計；裝配仿真；DELMIA；俯仰裝置

目前，電子裝備行業(yè)內(nèi)工藝設(shè)計的主要手段是采用填卡片式的二維CAPP，裝配工藝設(shè)計主要依靠圖樣和二維裝配工藝規(guī)程卡片來表達。電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計階段所形成的產(chǎn)品數(shù)字三維模型得不到充分利用，已有的數(shù)字化設(shè)計信息需要工藝人員分析和重新輸入，與數(shù)字化三維CAD系統(tǒng)沒有建立有效傳遞途徑，不能與設(shè)計協(xié)同工作，工藝設(shè)計工作繁瑣，效率低下，表達不直觀，線纜敷設(shè)根據(jù)實物在現(xiàn)場進行手工實施，線纜設(shè)計沒有三維模型化，布線路徑不具體，機械裝配和電氣互聯(lián)交錯裝配工藝過程不能準(zhǔn)確清晰表達，不能進行裝配工藝定量虛擬仿真和流程優(yōu)化，裝配工藝靠工藝人員的知識水平和裝配經(jīng)驗來完成復(fù)雜的裝配工藝設(shè)計，裝配工藝可行性、裝配順序工藝合理性、裝配工具及路徑最優(yōu)化、裝配操作空間可達性等問題無法在裝配設(shè)計階段得到有效驗證，導(dǎo)致工藝更改較為頻繁，輸出的工藝規(guī)程可讀性差，指導(dǎo)性不夠，裝配工藝規(guī)劃編制周期長。

在電子設(shè)備的樣機研制過程中，對其裝配性能的分析和評價都是根據(jù)零部件實物來完成的，即在零件加工完成后，在產(chǎn)品實際的裝配過程中對其裝配工藝可行性、合理性進行分析和驗證，根據(jù)裝配結(jié)果對其裝配工藝性進行修改迭代，使其滿足設(shè)計要求，是一種典型的“試裝配→調(diào)試→修正設(shè)計→再試裝配”傳統(tǒng)電子設(shè)備研制生產(chǎn)流程，大大增加了裝備研制周期和費用。先進的產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)制造流程迫切需要以產(chǎn)品三維模型和設(shè)計物料清單(EBOM)為基礎(chǔ)，改變現(xiàn)有的工藝集成制造體系，建立數(shù)字化工藝模型，形成以數(shù)字化模型為核心的數(shù)字化三維工藝設(shè)計體系，實現(xiàn)三維裝配工藝設(shè)計仿真與產(chǎn)品設(shè)計并行，真正實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計制造一體化[1-2]。

1三維裝配工藝設(shè)計仿真規(guī)劃

裝配工藝過程仿真為產(chǎn)品裝配提供一個三維的虛擬制造環(huán)境來驗證和評價工藝規(guī)劃的裝配順序、路徑及操作程序的合理可達性?；谀Ｐ投x的數(shù)字化三維裝配工藝設(shè)計過程需從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(PDM)中獲取某雷達產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)，通過自行集成開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?qū)a(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件可以編輯識別的三維工藝設(shè)計數(shù)據(jù)，形成適用于工藝設(shè)計過程的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；將已定義的相關(guān)資源(如車間、工作臺、工裝、工具和人等)加入到DELMIA軟件系統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃模塊(DPE)環(huán)境中，形成工藝資源結(jié)構(gòu)樹，并在DPE中創(chuàng)建詳細(xì)產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹，進行三維裝配單元組件劃分、裝配順序和裝配路徑規(guī)劃等工藝過程設(shè)計；根據(jù)規(guī)劃好的裝配組件、裝配順序及路徑在DELMIA軟件的工藝仿真與驗證模塊(DPM)中進行裝配干涉檢查、裝配順序仿真、裝配工裝工具仿真和人機功效仿真，根據(jù)仿真結(jié)果評判其合理可行性，優(yōu)化迭代三維裝配工藝，并將根據(jù)最終仿真結(jié)果固化的工藝輸出可視化操作文檔；將文檔檢入工藝管理系統(tǒng)(CAPP)中，同時從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(PDM)導(dǎo)入設(shè)計物料清單(EBOM)，在CAPP系統(tǒng)中進行計劃物料清單(PBOM)配置，并進行編輯形成二維和三維可視化集成的工藝文件；然后將可視化集成工藝文件檢入PDM系統(tǒng)進行歸檔發(fā)布，將發(fā)布的工藝文件傳輸?shù)杰囬gMES生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)中，進行排產(chǎn)和作業(yè)分配，并將可視化文檔在車間終端上進行顯示，指導(dǎo)技術(shù)工人裝配，實現(xiàn)無紙化裝配生產(chǎn)?；贒ELMIA軟件的三維裝配工藝設(shè)計與仿真總體規(guī)劃如圖1所示。

圖1　三維裝配工藝設(shè)計與仿真總體規(guī)劃

2三維裝配工藝設(shè)計與仿真的關(guān)鍵技術(shù)

2.1三維裝配工藝仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

首先，從產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM中下載三維UG模型文件(*.prt)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件系統(tǒng)可以讀取的STEP格式文件模型；然后，在DELMIA系統(tǒng)中導(dǎo)入STEP格式的模型文件，建立裝配結(jié)構(gòu)樹[3-4]。在DELMIA軟件裝配環(huán)境中，利用VB軟件自行集成開發(fā)的宏程序，調(diào)用產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)中輸出的物料清單文件，將零件編號、名稱和材料屬性等相關(guān)信息自動添加到STEP格式的中性幾何模型中，更新零件屬性、為數(shù)字化裝配工藝設(shè)計進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2快速三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計

在DELMIA軟件裝配環(huán)境中，通過人機交互的方式進行裝配工藝設(shè)計，規(guī)劃裝配單元組件的裝配順序，定義裝配工序及工步。其中，工步主要有直線運動、平面運動、徑向運動、螺旋運動、牽引運動及典型運動[5]。而復(fù)雜電子設(shè)備的裝配過程涉及電子元器件組裝、線纜裝配、機械裝配和系統(tǒng)聯(lián)試等，同時軍用電子產(chǎn)品研制特點是多品種小批量生產(chǎn)，研制周期短，而且大多數(shù)產(chǎn)品處于研制狀態(tài)，變化頻繁，其裝配過程就成為一個經(jīng)驗性很強的工藝活動，裝配路徑和裝配順序規(guī)劃、裝配操作過程指令生成等需要反復(fù)迭代。軍用電子設(shè)備的聯(lián)接螺釘數(shù)量較多，需根據(jù)工藝人員的裝配經(jīng)驗和裝配生產(chǎn)環(huán)境，分析制定合理的工藝組件，分層次劃分裝配單元，并將裝配工藝流程信息添加到工藝組件的名稱中，通過工藝組件及其工藝(工步)流程信息，不斷優(yōu)化裝配順序路線，提高裝配順序的并行度以提高裝配生產(chǎn)資源利用率，使裝配過程中差異不大的裝配作業(yè)集中完成，減少工藝組件的裝夾和裝配工具的更換次數(shù)，縮短裝配所用時間，降低裝配成本。

2.3某電子設(shè)備雷達俯仰裝置裝配的工藝過程仿真

2.3.1俯仰裝置裝配特點

圖2　俯仰裝置模型

俯仰裝置是該電子設(shè)備雷達轉(zhuǎn)臺中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，是整個雷達最重要的俯仰轉(zhuǎn)動與承力結(jié)構(gòu)，裝配精度高且過程復(fù)雜。主要結(jié)構(gòu)件包括俯仰支架、軸承端蓋、擋板、齒輪、軸承、電動機、軸套和平鍵，在擋板與支架之間還有定位銷(見圖2)。

2.3.2裝配干涉的仿真

在DELMIA虛擬裝配環(huán)境中，依據(jù)在工藝規(guī)劃模塊(DPE)中設(shè)計好的裝配工藝流程和工藝組件裝配順序，通過對每個工藝組件的移動、定位和裝配過程等進行組件與組件、組件與工裝之間的干涉檢查，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有干涉情況，自動停止模擬仿真過程并報警，同時給出干涉位置和干涉量，這樣可以有效幫助查找和分析干涉原因(見圖3)。該項是檢查工藝裝配單元組件沿著設(shè)計好的模擬裝配路徑在移動過程中是否與周邊環(huán)境或產(chǎn)品有碰撞，整個檢查過程在三維環(huán)境中進行直觀地顯示，為裝配工藝過程優(yōu)化提供可靠有效的數(shù)據(jù)。

圖3　裝配干涉仿真

2.3.3裝配順序的仿真

在DELMIA軟件的三維裝配環(huán)境中，利用已定義的裝配工藝流程設(shè)計信息、產(chǎn)品設(shè)計信息和工藝資源信息，依據(jù)在工藝規(guī)劃模塊(DPE)中規(guī)劃的裝配工藝過程及定義好的工藝組件裝配路徑，對產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程進行三維裝配工藝動態(tài)仿真，驗證每個工藝組件按照設(shè)計好的工藝順序是否能夠無阻礙裝配。如果發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計過程中存在裝配順序的錯誤，則可以重新定義工藝裝配單元組件裝配順序、裝配工序和裝配工步，反復(fù)迭代裝配順序，避免出現(xiàn)在實際裝配時才發(fā)現(xiàn)工藝組件裝不上去的情況(見圖4)。裝配順序雖然是按先工裝后工藝組件，自下而上，由里向外的原則進行設(shè)計的，但仍不能保證規(guī)劃的裝配順序合理可行，因為電子設(shè)備的各個裝配結(jié)構(gòu)單元之間需要用各種各樣的線纜進行電氣連接，導(dǎo)致規(guī)劃的工藝組件裝配順序在接線時發(fā)現(xiàn)無法操作，同時實際裝配生產(chǎn)現(xiàn)場制造資源布局、裝配技能及操作習(xí)慣也會影響產(chǎn)品工藝組件的裝配順序、裝配作業(yè)指令；所以裝配知識與經(jīng)驗在裝配工藝過程中占據(jù)舉足輕重的地位，尤其在電氣互聯(lián)復(fù)雜的電子設(shè)備研制過程中，這種產(chǎn)品裝配特性體現(xiàn)得更明顯。

圖4　裝配順序仿真過程

2.3.4人機工程的仿真

電子設(shè)備的裝配過程，會涉及很多種類的工具、工裝和操作工人的各種運動及動作，設(shè)備工藝組件裝配移動的過程是一個人機互動的過程。在DELMIA軟件三維虛擬裝配環(huán)境中，通過控制虛擬人體模型，模擬現(xiàn)場裝配人員在裝配時的站位及各種實際操作動作，并進行計算和仿真分析，實現(xiàn)裝配工藝方案的預(yù)裝配及人機工效評估，這樣就可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在裝配過程中可能遇到的問題[6]。在DELMIA軟件中可以根據(jù)虛擬裝配環(huán)境進行人機功效仿真，分析各個工藝組件的裝配順序，可以對人體各種極限姿勢進行模擬，檢查裝配路徑對人體操作可達性的影響，工藝組件的裝配是否在極限姿勢的操作范圍之內(nèi)；同時也可以檢查裝配的操作空間是否能滿足人體作業(yè)需求，裝配操作是否舒適，相關(guān)設(shè)備布局是否合理(見圖5)。在產(chǎn)品及工藝資源模擬結(jié)構(gòu)環(huán)境中，將人體的標(biāo)準(zhǔn)三維模型放入虛擬裝配環(huán)境中，根據(jù)可視、可達、可操作、舒適以及安全等5個要求，按照工藝設(shè)計流程對工人的每一個操作特性動作進行仿真。

圖5　人機工程仿真

2.3.5裝配過程的記錄及生成相關(guān)文檔

利用上述裝配過程的三維數(shù)字化裝配工藝仿真功能，將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的可視化文檔及動畫視頻文件，指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員進行該雷達俯仰裝置裝配，實現(xiàn)可視化裝配，驗證雷達俯仰裝置裝配工藝設(shè)計的合理性和仿真符合度，整個裝配仿真過程經(jīng)裝配驗證無誤后，可以根據(jù)產(chǎn)品裝配生產(chǎn)需要，定制生成相關(guān)文檔(見圖6)。同時，也可以制作維護保養(yǎng)電子手冊和對雷達維護人員進行上崗培訓(xùn)，幫助操作人員直觀地了解設(shè)備操作全過程。

圖6　裝配過程記錄及文檔生成

3工程驗證

以某雷達部件裝配為對象，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件可以識別的工藝模型數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA軟件中構(gòu)建裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，將裝配過程中的工裝模型、夾具模型等相關(guān)資源加入模擬仿真環(huán)境；同時，進行裝配工藝順序規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃，分配工藝裝配單元組件，針對規(guī)劃好的裝配順序和路徑進行裝配干涉動態(tài)檢查、裝配順序仿真和人機工程仿真，并根據(jù)規(guī)劃好的裝配工藝指令，對裝配工藝規(guī)劃進行可視化的展示，交互式實現(xiàn)對每步裝配操作的可視化分析，對裝配協(xié)調(diào)過程中的可達性、可操作性和安全性等進行全面的分析，同時檢查裝配工藝方案是否可行。最終根據(jù)仿真的結(jié)果生成電子的三維裝配工藝文件，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)，顯著提高了工藝指導(dǎo)性以及現(xiàn)場執(zhí)行效率。利用實物裝配來驗證依據(jù)仿真結(jié)果輸出的工藝文件的正確性，結(jié)果其仿真符合率>98%，證實基于DELMIA軟件的三維裝配工藝設(shè)計與仿真方法的可靠性和準(zhǔn)確性。仿真過程分析了裝配過程中操作工具的可達性，操作空間的可行性，以及人機操作過程的工效，驗證了毫米波雷達部件和其配套工裝的可行性。創(chuàng)建的裝配資源庫如圖7所示。

圖7　裝配工藝仿真資源庫

4結(jié)語

以某雷達俯仰裝置為例，開展了基于DELMIA軟件系統(tǒng)的三維裝配工藝設(shè)計和仿真技術(shù)研究，實現(xiàn)了三維裝配工藝的規(guī)劃、裝配過程的三維模擬仿真以及整個裝配過程的可視化輸出，實現(xiàn)了裝配信息從設(shè)計到工藝的有效傳遞與共享，提高了裝配工藝設(shè)計效率和指導(dǎo)性，減少了裝配現(xiàn)場的問題，提高了裝配質(zhì)量和效率，三維裝配工藝設(shè)計和仿真是提高復(fù)雜電子產(chǎn)品數(shù)字化水平的必要途徑。

本文未對基于三維模型的電子設(shè)備線纜敷設(shè)作業(yè)分析技術(shù)進行相關(guān)討論，但其今后將是電子設(shè)備三維裝配工藝設(shè)計的一個重點研究方向。目前的線纜敷設(shè)作業(yè)分析不是基于電子設(shè)備數(shù)字化樣機來完成的，而是根據(jù)工藝人員的知識和經(jīng)驗來確定線纜敷設(shè)操作指令，容易導(dǎo)致線纜敷設(shè)設(shè)計的隨意性；布線是否合理很大程度上取決于從事線纜敷設(shè)設(shè)計人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗。線纜敷設(shè)工序的合理選擇、分配與優(yōu)化，能夠提升電子設(shè)備的一次性裝配成功率，實現(xiàn)電子設(shè)備線纜敷設(shè)的快速分析、分配與優(yōu)化，這對于提高零件線纜敷設(shè)的可實現(xiàn)性和操作性至關(guān)重要。

參考文獻

[1] 鄒曉明，許建新，耿俊浩. 基于三維模型的裝配工藝規(guī)劃技術(shù)研究[J]. 工藝與裝備， 2008(7)：97-100.

[2] 馮廷廷，金霞，王珉. 基于MBD的飛機裝配工藝模型設(shè)計[J]. 航空制造技術(shù)， 2010(24)：95-98.

[3] 景武，趙所，劉春曉. 基于DELMIA 的飛機三維裝配工藝設(shè)計與仿真[J].航空制造技術(shù)， 2012(12)：80-82.

[4] 孫中雷，陶華. 飛機裝配工藝仿真與可視化技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2006(2)：55-58.

[5] 張雋，翟正軍. 虛擬裝配技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 航空制造技術(shù)， 2009(1)：70-73.

[6] Mavrikios D, Karabatsou V, Alexopoulos K, et al. A virtual reality based paradigm for human-oriented design for maintainability in aircraft development[C]//Proceedings of 7th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference, Washington: AIAA, 2007.

責(zé)任編輯鄭練

The Application of the Simulation of 3D Assembly Process Design in Electronic Equipments

HU Guogao

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Abstract：The simulation of 3D assembly process design based on DELMIA software system is studied according to the present status of 2D assembly process plan and design in military electronic equipment. The key technology of the simulation of 3D assembly process design in electronic equipment is studied and analyzed selectively. The UG 3D-model files downloaded from PDM are transformed to the form which could be recognized by DELMIA. The simulation of 3D assembly process design is carried on using the assembly structure tree which is built by the transformed form. Assembly interference, assembly order and simulation of human-computer interaction efficiency are done during the assembly process of pitch device of one millimeter-wave radar and process documents are exported. According to the process documents, the coincidence rate between simulation result and practical assembly of the pitch device of millimeter-wave radar could achieve 98%.

Key words:3D assembly process design, assembly simulation, DELMIA, pitch device

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：胡國高(1977-)，男，高級工程師，主要從事航空電子產(chǎn)品系統(tǒng)工藝總體設(shè)計等方面的研究。

中圖分類號：TP 391.7

文獻標(biāo)志碼:B