基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計與仿真

袁永建 ，周耀華 ，王英健

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471099；2.上海汽車集團股份有限公司，上海 200041)

在產(chǎn)品設(shè)計階段，設(shè)計人員基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）開展三維產(chǎn)品設(shè)計，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)基于三維模型開展工藝設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

基于三維模型的裝配工藝設(shè)計及仿真是在傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維MBD模型，在產(chǎn)品數(shù)字樣機階段驗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)計提供了一種新的解決方案[1]。Tecnomatix是西門子公司推出的數(shù)字化工藝軟件平臺，在國內(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軟件平臺開展基于三維模型裝配工藝設(shè)計及仿真技術(shù)的研究，使工藝人員在可視化環(huán)境中快捷地進行工藝設(shè)計、仿真及優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)計、工藝并行協(xié)同，最終達到縮短工藝準(zhǔn)備周期，提高裝配工藝設(shè)計質(zhì)量的目標(biāo)。

1 總體架構(gòu)

Tecnomatix軟件平臺主要包含裝配工藝設(shè)計和裝配工藝仿真兩個模塊。其中裝配工藝設(shè)計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行裝配工藝過程仿真驗證。

基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計及仿真系統(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)計和裝配工藝仿真兩個應(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、裝配工藝仿真以及工藝輸出等功能[2]；數(shù)據(jù)層包含工藝過程中所需要的裝配工藝資源如工裝工具、BOM信息、工藝知識、裝配操作等信息[3]。

2 PBOM管理

PBOM不僅是產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計的交接點，也是工藝設(shè)計和管理的起點，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]。工藝部門圍繞PBOM開展工藝分工、工藝計劃管理、工藝規(guī)程編制、工藝知識管理、工藝審批流程控制以及工裝設(shè)計等工作 。

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

通過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，完成型號的工藝分工。EBOM向PBOM轉(zhuǎn)換過程及基于PBOM的工藝分工如圖2所示。

3 基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計

基于Tecnomatix的裝配工藝設(shè)計是在裝配工藝設(shè)計模塊中開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)計等過程。

3.1 制定工序路線

工藝設(shè)計人員接收任務(wù)后梳理工藝流程，確定產(chǎn)品在裝配過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、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)計過程中，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

工藝路線形成并且具備裝配所需資源后開展工序詳細(xì)設(shè)計，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，填寫工序/工步的名稱、代碼等基本信息和編寫詳細(xì)的操作說明、技術(shù)條件和注意事項等。

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

圖 3 裝配工藝設(shè)計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)計模型，在產(chǎn)品研發(fā)早期，工藝人員同步進行裝配工藝技術(shù)研究，仿真產(chǎn)品的裝配過程，驗證產(chǎn)品的工藝性。裝配工藝仿真如圖4所示，詳細(xì)過程如下。

4.1 裝配路徑設(shè)計

完成裝配工藝設(shè)計后，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，針對每個零組件的操作要求，按照“拆卸的反向即是裝配”的原則，通過建立零件的拆卸路徑，沿著這一路徑移動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)裝配路徑對裝配過程進行模擬，以保證裝配路徑的可行性，驗證零（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、工具等的可達性和裝配操作空間的開敞性[8]。通過仿真驗證，對工藝過程進行優(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。在零組件裝配移動過程中實時進行干涉檢查，檢查零組件、工裝在裝配過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程中可能發(fā)生的事件，幫助用戶分析裝配過程并檢測可能產(chǎn)生的錯誤，當(dāng)遇到干涉和失調(diào)時能夠及時停止仿真，允許在整個過程中標(biāo)注和修改出現(xiàn)的問題。

干涉檢查包含靜態(tài)干涉和動態(tài)干涉兩種。選擇要檢查的對象，開啟干涉檢查，如有靜態(tài)干涉，高亮顯示發(fā)生干涉的部位。動態(tài)干涉檢查是在仿真過程中，當(dāng)零（組）件在裝配過程中出現(xiàn)干涉，系統(tǒng)會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，保證零件裝配過程的開敞性和可達性。

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，并通過仿真驗證裝配工藝過程的準(zhǔn)確性，得到優(yōu)化后的裝配工藝設(shè)計結(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)通過二次開發(fā)方式完成。裝配工藝的輸出形式有多種，結(jié)合企業(yè)特點選擇在PDF軟件基礎(chǔ)上進行二次開發(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、圖號以及工序號等）、工藝操作內(nèi)容、三維模型、圖片以及AVI格式的視頻動畫。裝配工藝經(jīng)過審批歸檔后發(fā)布到生產(chǎn)現(xiàn)場，從而指導(dǎo)現(xiàn)場工人準(zhǔn)確、快速地進行裝夾、裝配、拆卸、維護等操作。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

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

（1）開展基于制造成熟度的裝配工藝性評估。定義制造成熟度標(biāo)準(zhǔn)體系，在產(chǎn)品研制階段開展工藝性評估，進一步增強設(shè)計、工藝的并行協(xié)同能力，實現(xiàn)面向制造的設(shè)計。

（2）豐富裝配工藝的表達形式。開展全三維裝配工藝設(shè)計是裝配工藝技術(shù)發(fā)展的趨勢，后續(xù)需研究全三維工藝信息的表達模式，豐富工藝的展現(xiàn)形式，進一步提高工藝指導(dǎo)現(xiàn)場的能力。

（3）實現(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，開發(fā)與PDM、MES等系統(tǒng)的集成接口，打通產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計以及生產(chǎn)現(xiàn)場的信息流，實現(xiàn)工藝的橋梁作用。

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