慣性平臺(tái)三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)研究

黃 俊， 張 惠， 馬步川， 鮑立國(guó)

（北京航天控制儀器研究所， 北京 100039）

0 引言

慣性平臺(tái)系統(tǒng)作為多層級(jí)精密復(fù)雜光機(jī)電產(chǎn)品的典型代表，具有研制周期長(zhǎng)、精度影響因素多、精度要求高和裝配過(guò)程難以控制等特點(diǎn)[1]。慣性平臺(tái)裝焊主要以手工裝配焊接為主，生產(chǎn)用圖紙均為二維圖。受二維圖紙局限性，很難在二維圖中對(duì)導(dǎo)線走線路徑、導(dǎo)線綁扎及固定位置進(jìn)行工藝細(xì)化量化，造成不同操作人員走線路徑、綁扎及加固位置不一致，影響產(chǎn)品美觀性及可靠性。 因此，針對(duì)傳統(tǒng)工藝指導(dǎo)效果差，布線工藝表達(dá)欠缺的問(wèn)題，需要開(kāi)展三維布線工藝技術(shù)研究，細(xì)化量化工藝要求，更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)眾多研究人員對(duì)三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)，如Smart APDTools、SVMAN-A 等工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)。航天211 廠通過(guò)單一數(shù)據(jù)源的三維模型，制定了“三維到工藝”等發(fā)展步驟，重點(diǎn)解決了基于三維模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同、信息傳遞、加工、裝配、檢測(cè)等裝備的數(shù)控化問(wèn)題。 李偉[2]提出了基于Pro/E、APDTools和Avidm5 的MPM 系統(tǒng)三者集成三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，并以某航天產(chǎn)品為例進(jìn)行驗(yàn)證。 田富君[3]以PDM 為協(xié)同工作平臺(tái)，利用VC++語(yǔ)言對(duì)Pro/E 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)結(jié)構(gòu)三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并將裝配工藝信息保存至PDM 系統(tǒng)進(jìn)行管理。 孫剛等[4]以衛(wèi)星總裝為背景， 將基于裝配仿真的裝配工藝設(shè)計(jì)與面向現(xiàn)場(chǎng)的三維工藝應(yīng)用結(jié)合起來(lái)， 系統(tǒng)地提出了一種基于三維模型的衛(wèi)星裝配工藝設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用方法。 以上研究?jī)?nèi)容均為大型機(jī)械產(chǎn)品，而慣性平臺(tái)空間狹小，因此，根據(jù)慣性平臺(tái)裝配工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)， 分析了慣性平臺(tái)結(jié)構(gòu)三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程， 建立了慣性平臺(tái)結(jié)構(gòu)裝配工藝信息模型， 并展示慣性平臺(tái)裝配的三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程以及車(chē)間工藝瀏覽的應(yīng)用效果。

1 三維工藝總體框架

三維工藝技術(shù)是將三維設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行信息提取和輕量化處理后，再進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，有效組織和管理裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并處理系統(tǒng)的多輸入與輸出。利用Pro/E 5.0、UG 等軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)、基于SVMAN-A 的三維可視化裝配工藝仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維工藝的編制。通過(guò)與TC、MES 系統(tǒng)集成應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)TC 系統(tǒng)對(duì)三維工藝的管理， 以及在MES 系統(tǒng)進(jìn)行三維工藝的瀏覽查看。 通過(guò)三維裝配工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造三維貫通，提升裝配布線指導(dǎo)效果，從而保障產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。三維裝配工藝技術(shù)總體框架，包括模型預(yù)處理、三維工藝設(shè)計(jì)、三維工藝瀏覽和三維工藝發(fā)布等4 個(gè)步驟，見(jiàn)圖1。

圖1 三維裝配工藝總體框架

2 三維可視化裝配仿真

三維工藝設(shè)計(jì)模塊導(dǎo)入三維CAD 生成產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型，并在其基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)實(shí)際工藝路線、產(chǎn)品零部件裝配的工藝性原則，調(diào)整產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，工藝人員根據(jù)產(chǎn)品模型，可視化的規(guī)劃裝配工藝過(guò)程（主要包含產(chǎn)品的裝配工序/工步），同時(shí)進(jìn)行可視化工序組件分配（工序的裝入件清單），調(diào)用裝配過(guò)程中的工裝資源，然后在虛擬環(huán)境中模擬仿真產(chǎn)品的裝配過(guò)程、 工裝資源的操作過(guò)程，驗(yàn)證產(chǎn)品的可裝配性、工裝資源的可達(dá)性等，最后輸出可視化的工藝文件及工藝報(bào)表等，見(jiàn)圖2。

圖2 三維裝配工藝總體設(shè)計(jì)流程

2.1 三維模型預(yù)處理

三維裝配設(shè)計(jì)模型的獲取可通過(guò)集成的方式從PDM 系統(tǒng)中獲取或從本地導(dǎo)入。 對(duì)Pro/E、UG 等三維軟件設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行輕量化轉(zhuǎn)換， 輕量化后保留原始模型的幾何、尺寸、空間位置、PMI 等信息，可以對(duì)待輕量化的數(shù)模進(jìn)行配置設(shè)置，如設(shè)置轉(zhuǎn)換精度，設(shè)置幾何信息邊界線、隱藏對(duì)象的轉(zhuǎn)換、視圖信息、屬性信息、線纜信息、PMI 信息等，對(duì)線纜與結(jié)構(gòu)件設(shè)置不同的轉(zhuǎn)換精度，提高輕量化質(zhì)量。

2.2 三維工藝設(shè)計(jì)

建立基于面向?qū)ο髮哟螘r(shí)間Petri 網(wǎng)的裝配工藝模型， 首先對(duì)裝配和拆卸過(guò)程進(jìn)行圖形化描述， 建立對(duì)象PN 子網(wǎng)和輔助PN 子網(wǎng)[4]；在此基礎(chǔ)上，人工交互式進(jìn)行裝配序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃；對(duì)結(jié)構(gòu)件、線纜和人機(jī)工程進(jìn)行裝配過(guò)程的混合仿真和迭代優(yōu)化， 確定最優(yōu)的裝配序列和路徑。

慣性平臺(tái)的三維裝配工藝的設(shè)計(jì)以裝配工藝設(shè)計(jì)流程為主線展開(kāi)，主要包含裝配工藝的劃分、工藝流程的設(shè)計(jì)、工藝信息建模、裝配工序與工步的生產(chǎn)，以及三維裝配動(dòng)畫(huà)的制作。在三維工藝設(shè)計(jì)中，會(huì)產(chǎn)生包含層次關(guān)系的裝配工藝流程、 三維裝配動(dòng)畫(huà)和結(jié)構(gòu)化的工藝卡片燈在內(nèi)的二維和三維、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

2.3 三維可視化操作

三維裝配工藝設(shè)計(jì)內(nèi)嵌自主研發(fā)的三維可視化內(nèi)核，集成了高性能3D 可視化功能，高保真的輕量化，完整保留PMI、產(chǎn)品BOM 結(jié)構(gòu)、屬性等。 在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)三維工藝瀏覽器讀取XML 工藝文件，可以瀏覽BOM 信息、工藝附圖、裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)、字幕或注釋文件等工藝信息。

2.4 三維工藝發(fā)布

PDM 作為集成應(yīng)用平臺(tái)， 集中管理制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程及數(shù)據(jù)，對(duì)于制造工藝過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括：結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)以及相關(guān)文檔（三維工藝模型）以及規(guī)程文檔數(shù)據(jù)；工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中需要調(diào)用的管理性數(shù)據(jù)（工藝過(guò)程路線，其他相關(guān)數(shù)據(jù)）。此外，針對(duì)工藝設(shè)計(jì)管理和工藝協(xié)同應(yīng)用方面的需求，PDM 提供結(jié)合版本管理、流程管理、任務(wù)管理、權(quán)限管理，檢入檢出機(jī)制。 通過(guò)TC 輸出的工藝過(guò)程路線，進(jìn)行三維工藝的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)用基礎(chǔ)資源庫(kù)中的工藝資源。完成工藝設(shè)計(jì)后，將結(jié)構(gòu)化工藝及三維工藝模型保存至PDM 系統(tǒng)中；當(dāng)存在工藝變更更改時(shí)，可以從PDM 中觸發(fā)，調(diào)取三維工藝信息，進(jìn)行工藝的修改等，發(fā)布的三維工藝由PDM 下發(fā)至MES 平臺(tái)，在MES 系統(tǒng)中進(jìn)行查看，見(jiàn)圖3。

圖3 三維工藝下發(fā)流程

3 三維可視化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用

本文以某慣性平臺(tái)可視化工藝輸出過(guò)程為例， 展示慣性平臺(tái)機(jī)裝和線纜走線的三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程以及車(chē)間工藝瀏覽的應(yīng)用效果。

3.1 三維裝配動(dòng)畫(huà)編制

編制三維裝配仿真動(dòng)畫(huà)是SVMAN-A 系統(tǒng)的主要功能，也是實(shí)現(xiàn)可視化裝配工藝技術(shù)的核心。將原始三維模型輕量化處理后導(dǎo)入系統(tǒng)，SVMAN-A 提供基礎(chǔ)的拆裝動(dòng)作外，見(jiàn)圖4。 還提供了設(shè)置淡入淡出、設(shè)置顏色、閃爍效果，插入聲音、圖片等方式，協(xié)助完善裝配工藝過(guò)程設(shè)計(jì)。

圖4 拆裝動(dòng)作制作圖

3.2 三維布線動(dòng)畫(huà)編制

針對(duì)慣性平臺(tái)的線纜等柔性部件， 利用透明度漸變功能實(shí)現(xiàn)電纜線布線過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示，見(jiàn)圖5。 線束創(chuàng)建后，以零件的方式加載在裝配結(jié)構(gòu)中，可通過(guò)刪除零件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)線束的刪除。

圖5 線纜設(shè)計(jì)與布線規(guī)劃

3.3 三維工藝瀏覽與使用

采用SmartViewer 用于瀏覽可視化裝配工藝，在MES機(jī)終端安裝后只能查看編制好的裝配動(dòng)畫(huà)及工藝信息，無(wú)法進(jìn)行二次編輯。 將工藝結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（材料信息、設(shè)備信息、路線、模型、屬性、仿真等信息）以及三維工藝文件集成到PDM 系統(tǒng)中， 由PDM 將三維工藝文件及結(jié)構(gòu)化信息推送給MES 系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)間調(diào)用查看，MES 系統(tǒng)調(diào)用三維工藝可視化顯示控件， 在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)瀏覽三維輕量化模型以及瀏覽三維工藝文件，見(jiàn)圖6。

圖6 慣性平臺(tái)三維裝配工藝集成

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)二維工藝生產(chǎn)制造痛點(diǎn)， 提出了一套三維工藝設(shè)計(jì)及仿真解決方案。 三維工藝提供可視化裝配與布線仿真，可以最大程度在工藝設(shè)計(jì)階段暴露問(wèn)題，確保工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。 通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品裝配、布線全過(guò)程的有效指導(dǎo)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。