基于UG軟件信息產(chǎn)品的數(shù)字化裝配工藝技術(shù)研究

韓　鵬，孟慶孔，門士瀅，高月峰

(北方信息控制集團有限公司，江蘇 南京 211153)

?

基于UG軟件信息產(chǎn)品的數(shù)字化裝配工藝技術(shù)研究

韓鵬，孟慶孔，門士瀅，高月峰

(北方信息控制集團有限公司，江蘇 南京 211153)

摘要：裝配是產(chǎn)品制造全生命周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的可裝配性和裝配質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的開發(fā)成本和使用性能。為了提高復(fù)雜信息產(chǎn)品裝配的質(zhì)量和效率，應(yīng)進行數(shù)字化裝配工藝仿真技術(shù)研究及應(yīng)用。首先，分析了傳統(tǒng)二維裝配工藝存在的問題，并提出了發(fā)展數(shù)字化裝配工藝的需求；其次，基于UG工程軟件，提出了數(shù)字化裝配工藝仿真流程(模型建立、裝配仿真及工藝輸出)；最后，根據(jù)上述仿真流程，對典型信息產(chǎn)品進行了三維裝配仿真，并生成了可視化裝配工藝。為三維裝配工藝的實施提供了重要技術(shù)支持，對于發(fā)展數(shù)字化裝配工藝技術(shù)的制造行業(yè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化裝配；工藝仿真；UG

隨著信息技術(shù)和國防裝備的日益發(fā)展，防務(wù)信息產(chǎn)品研制企業(yè)面臨研制任務(wù)重、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)周期短和產(chǎn)品質(zhì)量要求高等問題，而傳統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)模式已經(jīng)遠遠不能滿足當(dāng)前需求，尤其是在裝配工藝方面[1-2]。對于防務(wù)信息產(chǎn)品，裝配是生產(chǎn)中極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的可裝配性和裝配質(zhì)量將直接影響著產(chǎn)品的開發(fā)成本和使用性能。有些企業(yè)已經(jīng)在信息產(chǎn)品研發(fā)階段和制造階段實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計及加工，但是在裝配工藝階段未能有效地串聯(lián)研發(fā)和制造，成為企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸。數(shù)字化裝配工藝是解決防務(wù)信息產(chǎn)品制造問題的最為有效的技術(shù)之一。

數(shù)字化裝配技術(shù)是指利用數(shù)字化模型對產(chǎn)品可裝配性、可拆卸性和可維修性進行分析、驗證和優(yōu)化，以及對產(chǎn)品的裝配工藝過程(包括產(chǎn)品的裝配順序、裝配路徑以及裝配精度、裝配性能等)進行規(guī)劃、仿真和優(yōu)化，從而達到有效減少產(chǎn)品研制過程中的實物試裝次數(shù)，提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量、效率和可靠性的技術(shù)[3]。UG軟件具有強大的虛擬產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計功能，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方案。本文根據(jù)數(shù)字化裝配工藝技術(shù)的發(fā)展及需求，應(yīng)用UG軟件描述了數(shù)字化裝配工藝技術(shù)研究的主要思路及內(nèi)容，以典型防務(wù)信息產(chǎn)品為對象，進行了數(shù)字化裝配仿真分析，生成了帶注釋的三維動畫裝配工藝以指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。

1數(shù)字化裝配工藝技術(shù)需求分析

長期以來，國內(nèi)外研究機構(gòu)都在探索一種自然(便于理解)、準(zhǔn)確和高效的產(chǎn)品設(shè)計、制造和裝配等信息的表達方法，以支持產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、加工、裝配和維修等產(chǎn)品全生命周期各個階段的數(shù)據(jù)定義和傳遞。

采用三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)后，產(chǎn)品的制造過程(即產(chǎn)品的工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、零部件加工、裝配與檢測)是直接利用產(chǎn)品的基于模型數(shù)字化定義(MBD)數(shù)據(jù)來驅(qū)動的，從而消除了產(chǎn)品研制中“模擬量傳遞”所帶來的形狀和尺寸的傳遞誤差，也避免了傳統(tǒng)“三維設(shè)計模型→二維紙質(zhì)圖樣→三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂，既提高了研制效率，又保證了研制質(zhì)量。傳統(tǒng)二維工藝與三維工藝的設(shè)計流程圖如圖1所示。

圖1　二維工藝與三維工藝設(shè)計流程圖

以往的裝配工藝設(shè)計工作主要依賴工藝人員的個人技術(shù)水平和經(jīng)驗，工藝人員根據(jù)產(chǎn)品圖樣、工藝標(biāo)準(zhǔn)、工裝和設(shè)備等，設(shè)計的工藝方案在車間實際生產(chǎn)(試制)時，還要不斷地更改，不能保證其裝配工藝的合理性及適用性。

復(fù)雜的防務(wù)信息產(chǎn)品，由于零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，協(xié)調(diào)部位較多，以往的工藝設(shè)計不可避免地存在問題。目前，大多數(shù)防務(wù)信息產(chǎn)品制造中存在下述問題[4]。

1)工藝設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計之間協(xié)同性較差。產(chǎn)品設(shè)計與工藝制定沒有一個協(xié)同平臺，產(chǎn)品設(shè)計無法充分考慮工藝性問題，工藝往往只能等待設(shè)計數(shù)據(jù)，不能提前介入設(shè)計，這種串行的方式不利于盡早對產(chǎn)品設(shè)計進行全面的工藝性、制造分析，需工藝多次反饋才能確定設(shè)計。

2)新研品工藝更新繁瑣且工作量大。對于新產(chǎn)品的研制，設(shè)計更改較易，而傳統(tǒng)工藝則需要工藝人員進行大量繁瑣重復(fù)的變更、現(xiàn)場替換和人員溝通等工作。有可能造成后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的停滯、返工和變更等，大大地延長了新產(chǎn)品的研制周期。

3)工藝規(guī)劃缺乏完善的工藝驗證。傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計不能充分利用設(shè)計模型，缺乏工藝驗證。裝配中是否干涉、裝配順序是否合理等問題只有在現(xiàn)場試制中才能暴露出來，影響研制周期和生產(chǎn)進度。

兒厭食癥的誘發(fā)因素較多,和喂養(yǎng)不當(dāng)、脾胃失調(diào)等因素均存在密切關(guān)系;不同方法對于患兒起到的效果往往不同,故本次我們針對小兒推拿療法這一方案的效果作出探討,目的在于總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗供同行參考和借鑒,現(xiàn)將詳情作出整理報道。

4)二維工藝對裝配工人技能要求較高。二維工藝無法直接展示裝配細節(jié)和要求，對車間的指導(dǎo)不足，車間裝配工人需要根據(jù)二維圖樣和二維工藝，花費一定的時間和精力構(gòu)建裝配過程。這樣對裝配工人的個人技能和工作經(jīng)驗要求較高，若存在人員流動，同類產(chǎn)品裝配工作不具有較好的延續(xù)性，影響生產(chǎn)周期。

目前，大多數(shù)的防務(wù)信息產(chǎn)品主要利用二維圖樣數(shù)據(jù)來進行工藝設(shè)計，該方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代信息化、智能化和高效化的研制需求。在信息產(chǎn)品真正制造之前，需要在虛擬環(huán)境中以數(shù)字樣機代替物理樣機進行驗證及優(yōu)化，對可裝配性進行預(yù)測評價及分析[5]。數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)利用三維虛擬仿真技術(shù)，由工藝人員在虛擬環(huán)境中相互地建立產(chǎn)品零部件的裝配順序和空間裝配路徑，選擇相關(guān)的裝配工裝及工具，確定裝配操作方式，在可視化裝配環(huán)境中模擬裝配順序，最終得到合理、經(jīng)濟和符合實際生產(chǎn)需求的裝配工藝。

2UG軟件的裝配工藝仿真流程

在UG軟件的三維環(huán)境下，建立產(chǎn)品零部件的三維模型，實現(xiàn)產(chǎn)品從零件、組件、部件裝配成產(chǎn)品的整個過程的仿真及分析，并生成可視化工藝文件。

數(shù)字化裝備工藝仿真流程(見圖2)主要分為3個關(guān)鍵步驟：模型建立、裝配仿真及工藝輸出。

圖2　數(shù)字化裝配工藝仿真流程

2.1模型建立

數(shù)字化裝配仿真的三維模型主要分為產(chǎn)品模型、環(huán)境模型和虛擬操作者模型。產(chǎn)品模型主要包含了模型本身的點、線、面、體和位置等幾何信息，也包含裝備模型所含裝備單元之間的約束信息。環(huán)境模型主要為裝配環(huán)境中所涉及的輔助工裝、工具和設(shè)備等數(shù)字模型。虛擬操作者模型包含完整或是部分的虛擬人模型信息，主要有幾何信息、標(biāo)識信息、姿態(tài)信息以及疲勞特性等信息。

模型建立過程如下：在UG三維建模環(huán)境下，通過點、線和面等命令創(chuàng)建二維草圖，再選用設(shè)計特征(拉伸、回轉(zhuǎn)、孔和槽等)、組合(求和、求差、求交和縫合等)、修剪和掃掠等命令創(chuàng)建三維實體[6]。將每個不同零件或組件進行相應(yīng)的著色渲染，方便后期圖像處理及編輯。

2.2裝配仿真

虛擬裝配是在產(chǎn)品三維建模完成后開始的，利用UG裝配模塊的添加組建、移動組建和約束命令，將模型按照自底向上的方式逐步裝配，直至完成整個產(chǎn)品預(yù)裝配。預(yù)裝完成后進行裝配仿真，通?？煞譃?步：裝配環(huán)境設(shè)置、裝配過程規(guī)劃及裝配仿真分析。

1)裝配環(huán)境設(shè)置主要是通過讀入裝配模型、環(huán)境模型和操作者模型，并在UG裝配模塊下生成虛擬仿真的應(yīng)用場景，并利用“首選項”工具設(shè)置或更改為所需的裝配場景。

2)裝配過程規(guī)劃為產(chǎn)品數(shù)字化裝配仿真的核心部分，是由設(shè)計、工藝和制造等技術(shù)人員共同參與完成，其主要內(nèi)容為規(guī)劃產(chǎn)品裝配順序和裝配路徑，其過程應(yīng)考慮裝配工藝性、可裝配性和人機功效等。裝配順序設(shè)計應(yīng)考慮裝配并行度、子裝配單元穩(wěn)定性和操作復(fù)雜性等因素，并進行局部的順序調(diào)整以獲得產(chǎn)品最優(yōu)的裝配順序。裝配路徑為定義每一個產(chǎn)品裝配單元的裝配線路，以確定裝配單元在裝配路徑中所處的位置和在裝配空間中的姿態(tài)。裝配過程規(guī)劃的具體實施如下：在UG的裝配模塊下，抑制或刪除先前的裝配約束，再進入創(chuàng)建裝配序列界面；新建裝配序列，并插入運動命令，選取要移動的對象，選擇移動或轉(zhuǎn)動方向，輸入距離或是角度，重復(fù)過程將產(chǎn)品的各個裝配單元移動至合適的位置。

3)裝配仿真分析是在完成裝配過程規(guī)劃后，進行拆裝運動仿真，以檢查各個裝配單元之間是否發(fā)生碰撞或干涉；若存在，則給出碰撞區(qū)域和干涉量，并反饋至裝配過程規(guī)劃環(huán)節(jié)，更改裝配順序和裝配路徑，直到完全解決碰撞和不協(xié)調(diào)問題。

2.3工藝輸出

裝配工藝輸出包括3個環(huán)節(jié)：裝配動畫提取、動畫編輯處理以及技術(shù)文字音頻的添加。完成裝配仿真后，依據(jù)制訂的裝配序列，播放產(chǎn)品的拆裝過程，并利用“導(dǎo)出至電影”命令，提取出通用格式(.avi)的裝配動畫文件；將裝配動畫文件進行編輯處理，將裝配動畫與每個工序相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)裝配動畫按工序播放；在視頻文件中添加相應(yīng)的技術(shù)要求，零部件名稱(編碼)等文字說明或是音頻解說，實現(xiàn)裝配工藝的可視化、形象化[7]。

3典型產(chǎn)品的裝配仿真案例

防務(wù)信息產(chǎn)品的主要類型為箱體類產(chǎn)品，其主要結(jié)構(gòu)由殼體件和電器元件構(gòu)成。箱體類信息產(chǎn)品裝配方式為先小后大和先里后外，并且保證先裝電器元件、后裝殼體件的原則。本案例在未考慮“人—機—環(huán)”情況下，以典型箱體類信息產(chǎn)品為對象，進行數(shù)字化裝配仿真并生成可視化的三維裝配工藝。

應(yīng)用UG軟件，分別建立產(chǎn)品各個零件的三維模型。機械加工零件的模型建立參考設(shè)計概念圖或工程圖，外購件的模型建立參考廠家提供的技術(shù)資料并進行相應(yīng)的簡化處理，標(biāo)準(zhǔn)件的模型是通過調(diào)用軟件自帶的重要標(biāo)準(zhǔn)件庫而生成的。典型信息產(chǎn)品主要由主箱體、上箱體、系統(tǒng)電源盒、通信盒、調(diào)理盒、電子開關(guān)盒A、電子開關(guān)盒B、電子開關(guān)盒C、電纜和相關(guān)緊固件等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。此信息產(chǎn)品共有718個零件。信息產(chǎn)品的三維模型爆炸圖如圖3a所示，該產(chǎn)品渲染后的裝配模型如圖3b所示。

圖3　典型信息產(chǎn)品的爆炸圖和渲染模型

典型信息產(chǎn)品的裝配采用由底層至頂層和由內(nèi)至外的方式。首先，裝配子部件(系統(tǒng)電源盒、通信盒、調(diào)理盒、電子開關(guān)盒A、電子開關(guān)盒B和電子開關(guān)盒C，共6個盒體部件)；然后，裝配上箱體部件和主箱體部件；最后，完成各個子部件裝配后，進行部件級的整體裝配。

6個盒體部件結(jié)構(gòu)類似，其裝配過程也基本一致。盒體部件主要結(jié)構(gòu)為殼體、后蓋板、板卡、密封條和緊固件等，盒體部件的裝配過程如圖4所示。內(nèi)部板卡無法直接平移安裝到盒體內(nèi)，應(yīng)保持一定傾斜角度斜插到殼體空內(nèi)，再將板卡放平并調(diào)整到合適位置。與傳統(tǒng)二維工藝相比，三維工藝能更真實、直觀地展現(xiàn)出此裝配細節(jié)，使現(xiàn)場操作者更清楚裝配過程。

圖4　盒體部件裝配過程

上箱體部件的主要結(jié)構(gòu)為上箱體殼體、插座、EMI濾波器、總線電纜和相應(yīng)緊固件等。此部件裝配過程為先安裝5個插座及其配套緊固件，再安裝濾波器和2根電纜。上箱體部件的裝配過程如圖5所示。

圖5　上箱體部件的裝配過程

主箱體部件的主要結(jié)構(gòu)為主體框架、電路板、底蓋板、標(biāo)牌、接地柱、接地片和緊固件等。該部件的安裝過程為先安裝電路板，再安裝底蓋板，最后安裝接地部件和標(biāo)牌。該產(chǎn)品的主箱體裝配如圖6a所示。子裝配體裝配完成后，進行最終的整體裝配。典型信息產(chǎn)品的整體裝配如圖6b所示。

圖6　主箱體部件及整體裝配圖

完成裝配運動仿真后，輸出裝配動畫文件，并對視頻文件添加技術(shù)要求及相應(yīng)說明。對裝配過程中每個工序添加相應(yīng)的技術(shù)要求，并對工序中所涉及到的零件添加文字說明(名稱、型號和材料等)。生成的可視化裝配工藝應(yīng)用到產(chǎn)品裝配現(xiàn)場，使操作工人更清楚地了解產(chǎn)品的裝配過程。

4結(jié)語

首先分析了目前防務(wù)信息產(chǎn)品制造對數(shù)字化裝配工藝技術(shù)的需求，基于UG工程軟件，研究了數(shù)字化裝配工藝仿真的3個關(guān)鍵技術(shù)：模型建立、裝配仿真及工藝輸出。以典型信息產(chǎn)品裝配為例，完成了其裝配工藝仿真，并生成了可視化裝配工藝動畫，為實現(xiàn)產(chǎn)品制造中工藝三維化和裝配可視化提供了重要技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 石炳坤，等. 復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化技術(shù)研究[J].航空精密制造技術(shù)，2014，50(1)：46-48.

[2] 梁新平.基于UG7.0的減速箱設(shè)計和運動仿真[J].新技術(shù)新工藝,2014(2):33-35.

[3] 夏平均，姚英學(xué)，李建廣，等. 三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37(1):36-39.

[4] 劉檢華，等.集成化虛擬裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)研究[J]. 中國機械工程，2006，17(23)：2486-2491.

[5] 趙巖. 基于UG的裝配序列規(guī)劃[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2004.

[6] 王達鵬. 基于UG的分布式虛擬裝配仿真算法研究[D]. 湘潭：湘潭大學(xué)，2014.

[7] 趙蕭. XX產(chǎn)品數(shù)字化裝配工藝仿真研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2012.

責(zé)任編輯鄭練

Research on Digital Assembly in Information Products based on UG

HAN Peng, MENG Qingkong, MEN Shiying, GAO Yuefeng

(North Information Control Group Co., Ltd., Nanjing 211153, China)

Abstract：Assembly is an important part in the lifecycle of products. The assembly quality directly affects the cost and the performance of products. Do some research and application on simulation technology of digital assembly in order to improve the assembly quality and efficiency of complex information products. Firstly, some problems are introduced on traditional 2D assembly process and it needs to develop the digital assembly technology. Secondly, technological processes are present on the digital assembly and included three procedures of modeling, assembly simulation and process output. Based on the above process, 3D assembly simulation is done on one information product and visual processes are generated. Provid a crucial technical support on the 3D assembly process, and it has a certain reference significance on the manufacturing enterprises, which are intended to develop the digital assembly technology.

Key words:digital assembly, technology simulation, UG

中圖分類號：TH 163

文獻標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-09-20

作者簡介：韓鵬(1987-)，男，工程師，博士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)分析和工藝仿真等方面的研究。