基于Teamcenter的彈箭產(chǎn)品三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)研究

劉殷杰，李文昊，蒲瑤，楊倩，柳林，應(yīng)嘉奇，王治平

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西西安 710065)

0 前言

裝配是產(chǎn)品研制過(guò)程中最后也是最重要的環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的最終質(zhì)量和性能[1-2]。對(duì)于彈箭產(chǎn)品而言，它具有制造資源眾多、線束布局空間狹窄、裝配關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)，裝配工藝設(shè)計(jì)難度大。目前，彈箭產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)仍主要以二維圖紙和文字信息為核心，抽象難懂，數(shù)字化程度低，過(guò)度依賴工藝人員經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法準(zhǔn)確傳遞設(shè)計(jì)及工藝意圖，缺乏工藝數(shù)字化驗(yàn)證手段，常常在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)裝配不合理的問(wèn)題，造成大量的裝配返工和工藝更改，裝配質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，導(dǎo)致研制周期延長(zhǎng)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，以三維模型為單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為制造企業(yè)的迫切需求[3-5]。我國(guó)航空企業(yè)在數(shù)字化建設(shè)方面取得了比較突出的成果，通過(guò)研究和應(yīng)用基于模型定義(Model-Based Definition，MBD)技術(shù)[6-9]，基本實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)產(chǎn)品的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及管理[10]。但彈箭產(chǎn)品的數(shù)字化建設(shè)水平較低，尚未完全實(shí)現(xiàn)裝配工藝的數(shù)字化設(shè)計(jì)，無(wú)法滿足當(dāng)前彈箭產(chǎn)品快速研制、高質(zhì)量管控的需求。因此，本文作者基于Teamcenter搭建了彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)，分析彈箭產(chǎn)品三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)彈箭產(chǎn)品的數(shù)字化快速研制。

1 基于Teamcenter的彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)

Teamcenter是西門子推出的一款產(chǎn)品全生命周期管理軟件，可用來(lái)管理設(shè)計(jì)數(shù)模、制造工藝、仿真數(shù)據(jù)及流程信息等產(chǎn)品研制過(guò)程中的數(shù)據(jù)，通過(guò)集成可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造，為制造行業(yè)提供了可行的數(shù)字化生命周期管理解決方案。

裝配工藝設(shè)計(jì)是連接彈箭產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)彈箭產(chǎn)品裝配工藝的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，提出基于Teamcenter的彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)架構(gòu)，如圖1所示，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)功能層和交互應(yīng)用層。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)裝配知識(shí)、裝配資源等數(shù)據(jù)以供工藝重用，包括工藝知識(shí)庫(kù)、工藝參數(shù)庫(kù)、裝配工裝庫(kù)、裝配設(shè)備庫(kù)和輔助材料庫(kù)等。業(yè)務(wù)功能層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)內(nèi)容的核心，為系統(tǒng)提供了一系列的功能組件，包括BOM構(gòu)建、裝配順序及路徑規(guī)劃、裝配工序及工步設(shè)計(jì)、裝配資源關(guān)聯(lián)、裝配過(guò)程仿真、三維工藝標(biāo)注、工藝文件生成及發(fā)布等。交互應(yīng)用層為用戶提供了與系統(tǒng)進(jìn)行交互操作的窗口，使用戶在三維可視化環(huán)境下調(diào)用相關(guān)功能組件，完成裝配工藝的數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真，包括結(jié)構(gòu)管理器、制造工藝規(guī)劃器、裝配過(guò)程仿真工具、MES集成等。

圖1 基于Teamcenter的彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)架構(gòu)

2 彈箭產(chǎn)品三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

彈箭產(chǎn)品三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品三維模型為核心，開(kāi)展裝配工藝規(guī)劃和裝配工藝設(shè)計(jì)工作，同時(shí)通過(guò)裝配過(guò)程仿真工具對(duì)工藝進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，并按照工藝模板自動(dòng)生成裝配工藝文件并審批發(fā)布至制造執(zhí)行系統(tǒng)，從而保證彈箭產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)與制造環(huán)節(jié)的無(wú)縫銜接。

2.1 裝配工藝規(guī)劃與管理

裝配工藝規(guī)劃與管理是根據(jù)產(chǎn)品三維模型及EBOM，分析產(chǎn)品組成并進(jìn)行裝配工藝頂層規(guī)劃，包括裝配單元?jiǎng)澐帧⒀b配順序規(guī)劃、裝配工藝路線規(guī)劃，從而構(gòu)建形成頂層MBOM。彈箭產(chǎn)品BOM構(gòu)建與轉(zhuǎn)換過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 彈箭產(chǎn)品BOM構(gòu)建與轉(zhuǎn)換

彈箭產(chǎn)品EBOM描述了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，裝配單元?jiǎng)t是工藝裝配件的總稱。在分析EBOM的基礎(chǔ)上，根據(jù)功能或結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立原則，通過(guò)三維輕量化模型交互查看方式劃分裝配單元。對(duì)于彈箭產(chǎn)品而言，一般可分為儀器艙、控制艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、戰(zhàn)斗部艙、通電前和總裝等多個(gè)裝配單元[11-12]。在此基礎(chǔ)上，分析確定裝配單元的裝配順序，規(guī)劃裝配工藝路線，結(jié)構(gòu)化定義裝配工藝及裝配工序節(jié)點(diǎn)，添加屬性信息，形成頂層MBOM。頂層MBOM由多層次的裝配單元工藝、裝配工序構(gòu)成，是裝配工藝的頂層規(guī)劃，描述了裝配單元的裝配層次關(guān)系及裝配路線，可有效組織和管理裝配工藝數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步進(jìn)行裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2.2 裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)

裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)是對(duì)頂層裝配工藝的進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，根據(jù)彈箭產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)要求，進(jìn)行裝配工序設(shè)計(jì)和裝配工步設(shè)計(jì)。在三維環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型進(jìn)行三維裝配工藝信息標(biāo)注，形成三維裝配工藝模型;定義裝配工步節(jié)點(diǎn)，添加工藝參數(shù)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、工時(shí)定額、材料定額、操作要求及裝配注意事項(xiàng)等制造信息;通過(guò)電子表格錄入導(dǎo)線標(biāo)識(shí)、部件焊裝、對(duì)接焊線等電氣數(shù)據(jù);從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用裝配所用的工裝、設(shè)備、檢具和輔助材料等。同時(shí)針對(duì)裝配工序添加消耗件，消耗件包括零件、組件和接插件，從而實(shí)現(xiàn)全部裝配資源的關(guān)聯(lián)，最終構(gòu)建形成底層MBOM，完成由頂層MBOM向底層MBOM的轉(zhuǎn)換。

2.3 裝配工藝仿真與優(yōu)化

裝配工藝仿真與優(yōu)化是在三維環(huán)境下，利用彈箭產(chǎn)品三維輕量化模型對(duì)裝配工藝進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證裝配工藝設(shè)計(jì)的合理性，并針對(duì)工藝中不合理的內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 裝配工藝仿真與優(yōu)化

裝配工藝仿真包括裝配路徑仿真、裝配精度仿真等。彈箭產(chǎn)品裝配涉及線纜的鋪設(shè)、接插件的接插等內(nèi)容，實(shí)際裝配中常常因?yàn)閷?duì)裝配路徑考慮不周而造成接插件無(wú)法接插等問(wèn)題。在工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，預(yù)先進(jìn)行裝配路徑仿真，對(duì)裝配過(guò)程中零件、工裝及工具等的可達(dá)性、操作空間的開(kāi)敞性開(kāi)展仿真驗(yàn)證[13]，同時(shí)檢查零件和工裝等資源在裝配過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生干涉。若裝配工藝不合理，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

裝配精度仿真是針對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵特性[14]，利用彈箭產(chǎn)品及工裝的三維輕量化模型，根據(jù)裝配工藝中零組件的定位方式建立零組件及工裝之間的裝配約束關(guān)系，并引入零組件和工裝制造偏差，建立裝配偏差傳遞模型[15]，對(duì)裝配精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分析，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)化導(dǎo)致裝配精度超差的裝配工藝內(nèi)容，包括零組件裝配順序、定位方案以及工裝精度的優(yōu)化等。彈箭產(chǎn)品的裝配精度分析目標(biāo)一般包括前后滑塊的平面度、彈體的同軸度以及彈翼安裝角等。

2.4 裝配工藝文件生成與發(fā)布

裝配工藝規(guī)程是指導(dǎo)與規(guī)范產(chǎn)品裝配的重要文件。在彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)中定制開(kāi)發(fā)裝配工藝規(guī)程模板及工藝文件生成工具，工藝人員完成裝配工藝設(shè)計(jì)后，一鍵自動(dòng)生成PDF格式的裝配工藝規(guī)程文件并發(fā)起審批，同時(shí)完成工藝文件的成冊(cè)管理，并通過(guò)MES集成工具發(fā)布到制造執(zhí)行系統(tǒng)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配人員快速、準(zhǔn)確操作。

3 應(yīng)用案例

以某型導(dǎo)彈為例，基于彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)，對(duì)其開(kāi)展三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)工作，如圖4所示。

圖4 某型導(dǎo)彈三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

(1)工藝人員接收某型導(dǎo)彈三維數(shù)模及EBOM信息，在結(jié)構(gòu)管理器中查看并分析其產(chǎn)品組成及三維輕量化模型；(2)劃分裝配單元，在制造工藝規(guī)劃器中對(duì)裝配單元的裝配順序及裝配工藝路線進(jìn)行規(guī)劃，定義裝配工藝及裝配工序節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建頂層MBOM；(3)詳細(xì)設(shè)計(jì)其裝配工序、裝配工步內(nèi)容，添加工時(shí)定額、材料定額等信息，關(guān)聯(lián)所用裝配設(shè)備、工裝、輔料及消耗件等裝配資源，同時(shí)基于三維輕量化模型標(biāo)注三維工藝信息，形成面向制造環(huán)節(jié)的底層MBOM；(4)進(jìn)行裝配工藝仿真，根據(jù)裝配工藝建立裝配路徑，檢驗(yàn)其裝配過(guò)程中是否存在裝配資源及操作空間的干涉問(wèn)題；(5)生成PDF格式的裝配工藝文件并進(jìn)行審批；(6)通過(guò)MES集成工具將裝配工藝文件發(fā)布至制造執(zhí)行系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

彈箭產(chǎn)品全過(guò)程的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)快速研制的必經(jīng)之路，而裝配工藝的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是其中重要的一環(huán)。本文作者基于Teamcenter構(gòu)建了彈箭產(chǎn)品數(shù)字化研制平臺(tái)架構(gòu)，分析了彈箭產(chǎn)品三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，研究了EBOM→頂層MBOM→底層MBOM的構(gòu)建與轉(zhuǎn)換，并以某型導(dǎo)彈為例進(jìn)行了應(yīng)用說(shuō)明。結(jié)果表明：文中研究能夠?qū)崿F(xiàn)彈箭產(chǎn)品的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)，具有很高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。