基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真

袁永建 ，周耀華 ，王英健

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471099；2.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海 200041)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）開(kāi)展三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其包含產(chǎn)品的幾何信息、制造信息以及管理信息，三維產(chǎn)品信息具備了從設(shè)計(jì)系統(tǒng)向工藝系統(tǒng)傳遞的條件，為工藝系統(tǒng)基于三維模型開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

基于三維模型的裝配工藝設(shè)計(jì)及仿真是在傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維MBD模型，在產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)階段驗(yàn)證裝配工藝合理性和正確性的一種工藝手段，為解決航空等復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)提供了一種新的解決方案[1]。Tecnomatix是西門(mén)子公司推出的數(shù)字化工藝軟件平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)外航空、航天等行業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品中得到深入應(yīng)用。本文基于Tecnomatix軟件平臺(tái)開(kāi)展基于三維模型裝配工藝設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)的研究，使工藝人員在可視化環(huán)境中快捷地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝并行協(xié)同，最終達(dá)到縮短工藝準(zhǔn)備周期，提高裝配工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量的目標(biāo)。

1 總體架構(gòu)

Tecnomatix軟件平臺(tái)主要包含裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配工藝仿真兩個(gè)模塊。其中裝配工藝設(shè)計(jì)模塊主要用于制定工藝流程，調(diào)整BOM結(jié)構(gòu)，定義裝配工序、工步結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)裝配資源信息；裝配工藝仿真模塊主要進(jìn)行裝配工藝過(guò)程仿真驗(yàn)證。

基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)采用3層體系架構(gòu)，總體技術(shù)路線如圖1所示。界面層包含裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配工藝仿真兩個(gè)應(yīng)用模塊；應(yīng)用層包含工藝物料清單（Process Bill of Material，PBOM）管理、裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝仿真以及工藝輸出等功能[2]；數(shù)據(jù)層包含工藝過(guò)程中所需要的裝配工藝資源如工裝工具、BOM信息、工藝知識(shí)、裝配操作等信息[3]。

2 PBOM管理

PBOM不僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的交接點(diǎn)，也是工藝設(shè)計(jì)和管理的起點(diǎn)，以及制造物料清單（Manufacturing Bill of Material，MBOM）的生成源頭，是組織企業(yè)工藝工作的基礎(chǔ)[4-5]。工藝部門(mén)圍繞PBOM開(kāi)展工藝分工、工藝計(jì)劃管理、工藝規(guī)程編制、工藝知識(shí)管理、工藝審批流程控制以及工裝設(shè)計(jì)等工作 。

圖1 基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計(jì)及仿真總體架構(gòu)Fig.1 System architecture of assembly process design and simulation based on Tecnomatix

通過(guò)Tecnomatix軟件系統(tǒng)讀取產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Date Management，PDM）系統(tǒng)中的工程物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM）及相應(yīng)的產(chǎn)品輕量化模型。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配關(guān)系，在可視化環(huán)境中設(shè)置工藝組件，劃分工藝組件所屬的零組件，完善零組件的工藝信息，調(diào)整零組件層次關(guān)系，最終形成完整的PBOM?；赑BOM指定零組件的制造部門(mén)，完成型號(hào)的工藝分工。EBOM向PBOM轉(zhuǎn)換過(guò)程及基于PBOM的工藝分工如圖2所示。

3 基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計(jì)

基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計(jì)是在裝配工藝設(shè)計(jì)模塊中開(kāi)展制定裝配工藝路線、定義裝配資源以及工序的詳細(xì)設(shè)計(jì)等過(guò)程。

3.1 制定工序路線

工藝設(shè)計(jì)人員接收任務(wù)后梳理工藝流程，確定產(chǎn)品在裝配過(guò)程中所需的裝配工序，制定工序之間的順序，形成裝配工藝流程；制定零組件裝配的優(yōu)先級(jí)、重要特性的保證措施等；添加裝配工序需要的輔助性信息以及其他約束條件，最終形成裝配工藝路線[6]。

3.2 確定裝配資源

在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要涉及到配套的零組件、工藝和資源等3種制造約束條件[7]。定義裝配資源是在制造約束條件下指定各個(gè)裝配工序所需要的零組件、輔材、制造資源(工裝、設(shè)備、工位等)等信息，并實(shí)現(xiàn)各種信息之間的關(guān)聯(lián)。

圖2 EBOM轉(zhuǎn)換及工藝分工Fig.2 EBOM conversion and technology division

3.3 工序詳細(xì)設(shè)計(jì)

工藝路線形成并且具備裝配所需資源后開(kāi)展工序詳細(xì)設(shè)計(jì)，編制詳細(xì)的工序操作步驟。在工藝路線的工序下創(chuàng)建工步，填寫(xiě)工序/工步的名稱、代碼等基本信息和編寫(xiě)詳細(xì)的操作說(shuō)明、技術(shù)條件和注意事項(xiàng)等。

裝配工藝設(shè)計(jì)完成后形成裝配過(guò)程信息結(jié)構(gòu)樹(shù)，如圖3所示，包含具有順序關(guān)系的各個(gè)裝配工序以及對(duì)應(yīng)的裝配件和裝配資源。

圖 3 裝配工藝設(shè)計(jì)Fig.3 Assembly process design

4 基于Tecnomatix的裝配工藝仿真

借助裝配工藝仿真模塊，工藝人員直接利用MBD設(shè)計(jì)模型，在產(chǎn)品研發(fā)早期，工藝人員同步進(jìn)行裝配工藝技術(shù)研究，仿真產(chǎn)品的裝配過(guò)程，驗(yàn)證產(chǎn)品的工藝性。裝配工藝仿真如圖4所示，詳細(xì)過(guò)程如下。

4.1 裝配路徑設(shè)計(jì)

完成裝配工藝設(shè)計(jì)后，在包含裝配所需的工裝、工具以及產(chǎn)品三維模型的可視化環(huán)境當(dāng)中規(guī)劃零部件的裝配路徑。按照工序操作步驟，針對(duì)每個(gè)零組件的操作要求，按照“拆卸的反向即是裝配”的原則，通過(guò)建立零件的拆卸路徑，沿著這一路徑移動(dòng)零件并記錄下零件的位置，反向操作后形成裝配路徑。

4.2 裝配路徑仿真

根據(jù)裝配路徑對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行模擬，以保證裝配路徑的可行性，驗(yàn)證零（組）件的裝配順序、裝配路徑、裝配操作姿態(tài)等的合理性以及裝配所需要的工裝、工具等的可達(dá)性和裝配操作空間的開(kāi)敞性[8]。通過(guò)仿真驗(yàn)證，對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，最終得到合理的裝配路徑。

4.3 裝配干涉分析

使用裝配干涉分析功能實(shí)現(xiàn)零組件與零組件、零組件與工裝的干涉檢查。在零組件裝配移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行干涉檢查，檢查零組件、工裝在裝配過(guò)程中是否和其他零組件或裝配資源發(fā)生干涉[9]。模擬零組件在裝配過(guò)程中可能發(fā)生的事件，幫助用戶分析裝配過(guò)程并檢測(cè)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，當(dāng)遇到干涉和失調(diào)時(shí)能夠及時(shí)停止仿真，允許在整個(gè)過(guò)程中標(biāo)注和修改出現(xiàn)的問(wèn)題。

干涉檢查包含靜態(tài)干涉和動(dòng)態(tài)干涉兩種。選擇要檢查的對(duì)象，開(kāi)啟干涉檢查，如有靜態(tài)干涉，高亮顯示發(fā)生干涉的部位。動(dòng)態(tài)干涉檢查是在仿真過(guò)程中，當(dāng)零（組）件在裝配過(guò)程中出現(xiàn)干涉，系統(tǒng)會(huì)高亮顯示干涉的零組件或工裝，工藝人員可修改裝配順序或調(diào)整裝配路徑，保證零件裝配過(guò)程的開(kāi)敞性和可達(dá)性。

圖4 裝配工藝仿真Fig.4 Assembly process simulation

5 裝配工藝的輸出

工藝人員在Tecnomatix系統(tǒng)中完成了裝配工藝設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證裝配工藝過(guò)程的準(zhǔn)確性，得到優(yōu)化后的裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果。由于Tecnomatix系統(tǒng)不具備完整的工藝文件輸出能力，需要結(jié)合企業(yè)通過(guò)二次開(kāi)發(fā)方式完成。裝配工藝的輸出形式有多種，結(jié)合企業(yè)特點(diǎn)選擇在PDF軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[10]，采取在傳統(tǒng)二維工藝基礎(chǔ)上增加三維信息的工藝展現(xiàn)形式。

PDF格式的裝配工藝包含管理信息（名稱、圖號(hào)以及工序號(hào)等）、工藝操作內(nèi)容、三維模型、圖片以及AVI格式的視頻動(dòng)畫(huà)。裝配工藝經(jīng)過(guò)審批歸檔后發(fā)布到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行裝夾、裝配、拆卸、維護(hù)等操作。PDF格式的裝配工藝文件如圖5所示。

圖5 工藝展現(xiàn)形式Fig.5 Process representation

6 結(jié)束語(yǔ)

基于Tecnomatix軟件平臺(tái)針對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)中的PBOM管理、裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝仿真以及裝配工藝輸出等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配工藝過(guò)程的可視化，提高裝配工藝的數(shù)字化水平。由于三維裝配工藝技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)體系，還需深入開(kāi)展研究和工程應(yīng)用。

（1）開(kāi)展基于制造成熟度的裝配工藝性評(píng)估。定義制造成熟度標(biāo)準(zhǔn)體系，在產(chǎn)品研制階段開(kāi)展工藝性評(píng)估，進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)計(jì)、工藝的并行協(xié)同能力，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。

（2）豐富裝配工藝的表達(dá)形式。開(kāi)展全三維裝配工藝設(shè)計(jì)是裝配工藝技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，后續(xù)需研究全三維工藝信息的表達(dá)模式，豐富工藝的展現(xiàn)形式，進(jìn)一步提高工藝指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的能力。

（3）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)緊密集成。定義企業(yè)異構(gòu)信息系統(tǒng)的集成接口規(guī)范，開(kāi)發(fā)與PDM、MES等系統(tǒng)的集成接口，打通產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息流，實(shí)現(xiàn)工藝的橋梁作用。

[1]夏平均.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的衛(wèi)星裝配工藝設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

XIA Pingjun.Research on VR-based assemble process design method and Its application for satellite[D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2007.

[2]李博，賈曉亮，田錫天，等.面向PLM的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2013(20):38-42.

LI Bo，JIA Xiaoliang，TIAN Xitian, et al.PLM-oriented assembly process planning, design and simulation technology of complex aeronautical product[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(20):38-42.

[3]賈曉亮，張振明，田錫天，等.面向飛機(jī)制造企業(yè)基于3D-PLM的快速工藝準(zhǔn)備技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2009(1):83-87

JIA Xiaoliang ，ZHANG Zhenming，TIAN Xitian，et al.Rapid process planning technology based on 3D-PLM for aircraft manufacturing enterprise[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(1):83-87.

[4]程錚，唐定勇，陶以政.飛機(jī)PBOM的生成及其管理技術(shù)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2008(9):21-24.

CHENG Zheng，TANG Dingyong，TAO Yizheng.The technology of aircraft BOM fabrication and management[J].Digital Manufacturing Industry, 2008(9):21-24.

[5]褚士震，賈曉亮，耿俊浩，等.面向制造的重型裝備產(chǎn)品BOM管理方法研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2013, 35(6):34-38.

CHU Shizhen ，JIA Xiaoliang，GENG Junhao, et al.BOM management method of heavy equipment for manufacturing[J].Manufacturing Automation, 2013, 35(6):34-38.

[6]郝磊,吳波.基于Tecnomatix的高速列車(chē)虛擬裝配應(yīng)用研究[J].機(jī)械與電子，2011(2):31-33.

HAO Lei ，WU Bo.Research on virtual assembly of CRH on the basis of Tecnomatix platform[J].Machinery & Electronics , 2011(2):31-33.

[7]劉陽(yáng)，李藝，孫沖,等.基于裝配工藝規(guī)程的產(chǎn)品虛擬裝配技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2005(3):90-92.

LIU Yang ，LI Yi ，SUN Chong, et al.Product virtual assembly technology based on assembly process specification[J].Machinery Design &Manufacture, 2005(3):90-92.

[8]田富君,張紅旗,陳帝江,等.基于Tecnomatix的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013(15):11-13.

TIAN Fujun，ZHANG Hongqi，CHEN Dijiang, et al.Threedimensional assembly process planning and simulation technology based on Tecnomatix[J].Manufacturing Automation, 2013(15):11-13.

[9]石炳坤,賈曉亮,白雪濤,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.

SHI Bingkun，JIA Xiaoliang，BAI Xuetao, et al.Study on complex product digital assembly process planning and simulation optimization system [J].Aviation Precision Manufacturing Technology, 2014,50(1):46-48.

[10]于小龍,賈曉亮,耿俊浩,等.基于輕量化模型的三維裝配工藝文件生成方法[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2011, 40(13):15-18.

YU Xiaolong, JIA Xiaoliang, GENG Junhao, et al.Research of 3D assembly process generation method based on minimum weight[J].Manufacturing Information Engineering of China, 2011, 40(13):15-18.