三維工藝設計技術在地鐵車窗安裝中的應用

葛紅影 劉偉潔 寧鑫 張學秀

一、三維工藝技術的背景、現狀及意義

隨著三維工藝信息化技術適應業(yè)務的不斷發(fā)展和壯大，這項技術已廣泛應用于企業(yè)研發(fā)設計、生產制造等業(yè)務領域，這使企業(yè)的產品設計能力和制造能力有了很大的提高，研發(fā)設計部門通過三維設計系統平臺的開發(fā)實施，在三維研發(fā)方面已取得了一定成果和經驗。但數字化工藝規(guī)劃、設計技術還處于初步實施階段。在全數字化產品建模的基礎上，通過數字化三維工藝設計技術可以實現車輛全過程的動態(tài)裝配仿真，并在仿真過程中檢查干涉以確保所有零部件的準確安裝。同時驗證操作人員在該環(huán)境下的可視性、可達性和可操作性。直觀形象地對產品原型及車間生產現場進行規(guī)劃設計、仿真分析，評估工藝設計、規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，提高工藝設計質量和能力，全面提升公司的工藝設計和制造能力。

二、三維工藝設計技術流程

三維工藝設計技術是通過將產品零部件及工藝裝備的三維數字模型導入虛擬現實環(huán)境，通過多種交互手段對模型進行控制，依照制造工藝過程進行BOM重組、定義產品制造工藝流程、模擬實際產品的裝配過程，最后輸出可視化工藝文檔的技術。三維工藝設計技術流程如圖1所示。

1、構建虛擬場景

為了能夠真實地對產品的裝配過程進行模擬，首先需要構建出逼真的裝配車間工作環(huán)境。車間環(huán)境包括工藝裝備和臺位信息。為了能夠使工藝仿真切實反映實際的產品制造過程，虛擬環(huán)境應盡可能按照實際的車間環(huán)境布局構建，車間的形狀、工裝工具的位置和放置形式都要與車間實物保持一致。如果由于車間環(huán)境過于復雜，可只構建出對仿真對象構成直接影響的車間環(huán)境要素。

2、導入產品和工藝裝備的三維模型

將產品和工藝裝備三維模型導入到3D 體驗平臺中，產品數據生成EBOM，同時對EBOM數據進行輕量化處理，該EBOM模型作為工藝設計的數據源頭，不能隨意更改，如需變動也只能是來自于設計的升版數據生效，才能對工藝信息系統中的EBOM數據進行更改。工藝裝備是定義工藝流程和裝配仿真過程中不可缺少的，導入的工藝裝備模型保存到資源樹中。

3、 BOM結構重組

導入設計EBOM結構的產品類型數據后，轉換成制造裝配體類型的數據即工藝MBOM，根據生產線布局、裝配順序及現場生產實際需求等因素對MBOM數據模型進行轉移調整，同時在此階段可以增加工藝輔料BOM。

4、定義工藝流程

在創(chuàng)建MBOM結構的基礎上，編制各部件的安裝工藝流程，定義安裝位置、安裝工序之間的邏輯關系、安裝時間、所需工藝裝備及數量等，并將產品模型關聯到各安裝工序展板上。在系統中通過甘特圖可以查看工序之間的邏輯關系，每個展板上所關聯的三維模型即每個工序上所分配的物料，如圖2、圖3所示。

5、 三維裝配仿真分析

基于已規(guī)劃布局完成的產品和工藝裝備模型，以及定義完成的工藝流程，使用3D體驗平臺系統中的仿真模塊編輯安裝過程的裝配順序和裝配路徑，實現產品可視化的全三維動態(tài)裝配仿真過程。

裝配過程仿真包括兩個方面：裝配順序仿真和裝配路徑仿真。裝配順序仿真是指對產品零部件按照工藝方案制定的裝配順序進行三維模擬，以檢驗產品所有零部件是否能夠依據裝配工藝方案設定的裝配順序裝配到位，從而評價工藝方案中裝配順序的合理性。裝配路徑仿真是指對產品在裝配過程中運動路徑進行模擬，以檢驗裝配操作過程中是否會發(fā)生干涉現象，裝配路徑規(guī)劃是否合理和最優(yōu)。

通過裝配干涉檢查，從而驗證產品設計和裝配過程中是否存在安裝干涉，當發(fā)現裝配存在干涉時予以報警提示，并顯示干涉區(qū)域和干涉量，幫助設計人員查找和分析原因。

對工藝流程進行虛擬仿真、分析和驗證，及時發(fā)現和修改其中存在的問題，通過迭代得到優(yōu)化的工藝方案，避免實際生產中可能出現的種種問題。

6、輸出三維可視化工藝文檔

整個裝配過程經驗證無誤后，在產品模型及工藝流程的基礎上，進行詳細的工藝設計。編輯各工序安裝工藝方法、標準及約束條件等，還可以對安裝要點處增加詳細視圖，最后生成三維可視化工藝文檔，發(fā)布至現場指導生產人員操作，如圖4、圖5所示。

三、地鐵車窗安裝的三維工藝設計流程

本文借助3D體驗平臺，將三維工藝設計技術應用到地鐵車窗安裝工藝中。

1、構建車窗安裝的工作場景

根據實際的生產車間布局構建生產廠房及工作臺位等工作場景，如圖6所示。

2、導入產品和工藝裝備的三維模型

進行車窗安裝前需準備的產品模型包含車體、地板、塞拉門及車窗部件等，工藝裝備包含工具（盒尺、專用平尺、塞尺、膠槍、噴壺和毛筆）、工裝（廠房和工藝轉向架）等，將準備好的產品和工藝裝備三維模型導入到3D體驗平臺系統中，為創(chuàng)建MBOM、工藝流程及裝配仿真作準備，如圖7、圖8所示。

4、定義車窗安裝工藝流程

在創(chuàng)建MBOM結構界面的基礎上，將模塊切換到Process Planning模塊，編制車窗安裝的三維工藝流程，車窗安裝過程大致為窗口檢測、車窗粘接和車窗密封三步，定義各工步所用工時以及串聯的邏輯關系，將物料模型和所需工藝裝備模型拖拽到各工步對應的展板上，如圖11所示。

5、車窗安裝裝配仿真

將車體、物料和工藝裝備模型都導入3D體驗平臺系統進行布局后，進入裝配仿真模塊進行編輯車窗安裝仿真過程，如圖12所示。

例如，將車窗粘接過程及打膠過程進行模擬，具體過程為：將手動吸盤固定在車窗外層玻璃上，固定牢固后放入車體鋁窗框中；用膠槍對窗口間隙處注膠，保證打膠連續(xù)、飽滿。圖13為車窗粘接及打膠的裝配路徑、裝配位置，實現產品可視化的全三維動態(tài)裝配仿真過程。

裝配仿真過程完成后需要對車窗安裝進行動態(tài)干涉分析，檢查粘接車窗是否與車體窗口干涉，創(chuàng)建干涉時選擇組與組，新建制造方案選擇車窗粘接裝配路徑，模擬并生成結果，如圖14所示，可以查看車窗粘接仿真過程中每個時間點干涉的數量，根據出現干涉的時間及位置分析產品模型的缺陷及時進行調整，再通過仿真驗證直到沒有干涉為止。

6、輸出車窗安裝可視化工藝文檔

通過仿真分析，裝配過程驗證無誤后需要進行詳細的車窗安裝工藝設計過程，即編制工藝文檔用于指導車間生產，如圖15所示。將模塊轉換到Work Instruction進行編制工藝文檔，以車窗粘接工步為例，編寫詳細的文字描述：先對車窗四周粘接面進行表面清潔，晾置至少10分鐘后，然后進行表面活化，晾置至少10分鐘后，最后對車體鋁窗框四周打兩圈膠粘劑，打膠要求連續(xù)、均勻和飽滿。還可以對工步中增加安裝視圖以及在視圖上進行標注，如圖16所示，能夠很直觀地指導現場人員操作。

對工序各工步編輯作業(yè)內容后，生成車窗粘接作業(yè)指導書，如圖17所示，車窗粘接工序生成的作業(yè)指導書，共分為三個工步：車窗樣裝、清潔活化和安裝車窗。

以上六步為車窗安裝完整的三維工藝設計過程，都是基于三維模型進行設計的，在3D體驗平臺系統中操作的整個過程靈活生動，能夠完整地指導車窗安裝的過程。

四、結論

三維工藝設計能夠直觀形象地對產品原型及車間生產現場進行規(guī)劃設計和仿真分析，評估工藝設計和規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，如新產品試制之前進行三維虛擬裝配仿真，可以檢驗新產品的裝配順序、裝配空間及裝配路徑，對工藝流程進行合理性評價并不斷優(yōu)化，通過檢查裝配過程中的碰撞干涉，輸出干涉結果反饋給設計部門提前分析解決問題。

通過三維工藝設計過程，提高了工藝設計質量和能力，進一步全面提升公司的工藝設計、制造能力。通過在3DEXPERIENCE平臺系統中對地鐵車窗安裝進行工藝設計及仿真，實現了車窗安裝的3D MBOM搭建、工藝流程編制、動態(tài)裝配仿真及作業(yè)指導書輸出，能夠形象地指導車間生產。