面向生產(chǎn)線工位作業(yè)單位的軌道車輛三維工藝設(shè)計

阮超峰，武玉枝

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.青島四方川崎車輛技術(shù)有限公司，山東 青島 266111）

0 引 言

隨著數(shù)字化、信息化與先進制造技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化的設(shè)計、工藝、仿真、制造等技術(shù)日趨成熟并廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域，給制造業(yè)帶來巨大的變革。軌道車輛產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交付周期短的特點，同時軌道車輛產(chǎn)品設(shè)計模塊化程度高，不同編組結(jié)構(gòu)相似、重用率高，按照傳統(tǒng)工藝設(shè)計模式搭建完整的PBOM 結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)等，會產(chǎn)生大量的重復(fù)性工作。工藝作為連接產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造的橋梁，一方面接收設(shè)計數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為能夠指導(dǎo)生產(chǎn)操作的文件，另一方面為生產(chǎn)編排生產(chǎn)計劃，為生產(chǎn)調(diào)度與實物制造提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐，在企業(yè)的整個產(chǎn)品研制中起著承上啟下的作用。隨著生產(chǎn)現(xiàn)場工位單元精細化管理的發(fā)展以及三維數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計的推廣，如何快速高效地開展面向生產(chǎn)線的工藝設(shè)計，提高工藝設(shè)計效率，業(yè)已成為提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的必要途徑。

1 核心功能

Teamcenter 系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了設(shè)計工藝的一體化管理，在功能上不但可以完全取代產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和工藝設(shè)計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，而且還發(fā)揮了Teamcenter 系統(tǒng)在產(chǎn)品全生命周期信息管理上的優(yōu)勢。平臺以Teamcenter 為基礎(chǔ)搭建，主要包括面向生產(chǎn)現(xiàn)場工位單元構(gòu)建PBOM、工藝BOP 等結(jié)構(gòu)，并管理相關(guān)工藝數(shù)據(jù)；進行關(guān)鍵工序的裝配仿真驗證及焊接編程仿真；進行數(shù)控加工工序建模和數(shù)控編程；并通過自主開發(fā)MES 系統(tǒng)進行現(xiàn)場工藝展示，如圖1所示。同時構(gòu)建典型工藝模板庫、知識庫、資源庫等，通過知識重用，減少用戶工作量。

圖1 業(yè)務(wù)流程圖

1.1 工藝資源庫

工藝資源庫的建設(shè)是提高工藝設(shè)計效率、減少工作量的有效途徑，能夠?qū)⒊墒斓墓に囎鳛槟０逯苯诱{(diào)用，對工藝師的知識經(jīng)驗要求也有一定程度的降低；并且做到了通用制造資源的共享，避免了相同制造資源的重復(fù)建設(shè)。工藝資源庫主要包括兩大類：工藝知識庫和制造資源庫。工藝知識庫通常以工藝模板庫的形式體現(xiàn)，主要分類如圖2所示。根據(jù)軌道車輛不同編組結(jié)構(gòu)相似的特點，建立典型工藝模板庫，將通用的PBOM 結(jié)構(gòu)、工藝BOP 結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)等維護到模板庫中，其中，PBOM 結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)、工序及工步節(jié)點一一對應(yīng)，并且工藝結(jié)構(gòu)是與現(xiàn)場工位作業(yè)單元一一對應(yīng)的。實際工作中借用PBOM 模板時，平臺自動構(gòu)建對應(yīng)工藝BOP 結(jié)構(gòu)。工藝知識庫還包括工藝參數(shù)庫、加工參數(shù)庫等。制造資源庫主要包括企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場所有的工廠工位結(jié)構(gòu)、工裝、設(shè)備、刀具等資源，進行工藝設(shè)計時可以直接從制造資源庫中選擇所需資源。

圖2 工藝模板庫分類

1.2 PBOM

工藝物料清單（Process Bill of Material,PBOM）的生成和管理是工藝設(shè)計的起始點，也是產(chǎn)品設(shè)計與工藝制造的交接點，是產(chǎn)品生命周期管理下組織整個工藝的基礎(chǔ)。

軌道車輛模塊化程度高，不同編組之間結(jié)構(gòu)相似、重用率高，存在大量借用件結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)PBOM 結(jié)構(gòu)搭建會產(chǎn)生大量重復(fù)性工作，故采用簡化的PBOM 結(jié)構(gòu)，只體現(xiàn)生產(chǎn)流程，不指派物料信息（在工藝BOP 中指派物料信息）。PBOM 中的每個節(jié)點對應(yīng)一個工位工序，也就是對應(yīng)現(xiàn)場的一個工位作業(yè)單元。新車型創(chuàng)建PBOM 時，直接從PBOM資源庫中選擇相似車型進行派生，系統(tǒng)根據(jù)模板自動克隆出新的PBOM 機構(gòu)及對應(yīng)的工藝BOP 結(jié)構(gòu)，工藝師只需根據(jù)實際情況進行調(diào)整、重構(gòu)即可。根據(jù)實際焊接業(yè)務(wù)情況，工藝員需要重新繪制焊縫等信息，故在PBOM 中創(chuàng)建焊縫集合虛擬節(jié)點，用來存儲工藝設(shè)計過程中創(chuàng)建的焊縫信息。

1.3 工藝BOP

工藝過程清單（Bill of Process,BOP）是體現(xiàn)工藝過程的模型結(jié)構(gòu)。面向生產(chǎn)線工位作業(yè)單元的工藝BOP 由生產(chǎn)線工藝節(jié)點、工位工藝節(jié)點、工序節(jié)點等組成，如圖3所示。

圖3 工藝BOP 組成

工藝BOP 結(jié)構(gòu)是面向生產(chǎn)線工位單元構(gòu)建的，生產(chǎn)線工藝節(jié)點及工位工藝節(jié)點與實際生產(chǎn)線一致。工藝BOP 結(jié)構(gòu)由PBOM 自動生成，PBOM 虛擬節(jié)點和BOP 工藝節(jié)點相互關(guān)聯(lián)、一一對應(yīng)。同時，所要構(gòu)建的典型工序模板庫與PBOM 模板庫結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)，工藝模板庫工序節(jié)點關(guān)聯(lián)通用工藝文件等數(shù)據(jù)，也可以直接從工序模板庫中選擇工序，添加到BOP 中。班組臺位信息指派到對應(yīng)工位工藝節(jié)點下，物料（包括設(shè)計件、工裝資源、機床）指派到對應(yīng)工序節(jié)點下，通過PERT 圖來展現(xiàn)工藝過程（也就是生產(chǎn)線物料傳遞過程），如圖4所示。工藝BOP 結(jié)構(gòu)及PERT 圖直接傳遞給下游的MES 系統(tǒng)，用于排產(chǎn)、報工以及現(xiàn)場工裝預(yù)備等。由于工藝BOP 結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)線工位單元一一對應(yīng)，大大降低了生產(chǎn)排產(chǎn)的復(fù)雜度，提高了生產(chǎn)派工的效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)工裝等資源的準(zhǔn)時配送。

圖4 工藝BOP 及PERT 圖

1.4 裝配工藝

裝配工藝中不同工序之間的物料存在繼承關(guān)系，根據(jù)PERT 圖結(jié)構(gòu)，這種繼承關(guān)系通過創(chuàng)建動態(tài)裝配樹的方法來實現(xiàn)，這種繼承關(guān)系也體現(xiàn)了生產(chǎn)線物料的傳遞過程。裝配工藝主要包括兩個部分：裝配仿真和裝配作業(yè)文件。裝配仿真主要是對關(guān)鍵工序進行零組件可裝配性仿真驗證和工裝等裝配干涉檢查。將工藝BOP 中關(guān)鍵工序資源加載到仿真平臺中，創(chuàng)建零組件、工裝等裝配路徑，開展仿真驗證。對裝配過程中的碰撞干涉、裝配順序、裝配路徑、人因工程、可視可達性等進行分析與優(yōu)化，如圖5所示（零組件變紅表示發(fā)生碰撞干涉，需要調(diào)整路徑）。

圖5 關(guān)鍵工序裝配仿真驗證

裝配工藝作業(yè)文件可采用多種方式來創(chuàng)建：簡單或成熟的工序可以采用三維裝配結(jié)構(gòu)（或截圖）加注釋的方法表達，從而減少工作量；復(fù)雜或關(guān)鍵工序可以采用裝配動畫加注釋的方法表達，便于生產(chǎn)線工人理解。將生成的工藝文件保存到Teamcenter 系統(tǒng)，完成審批后推送下游MES 系統(tǒng)。

1.5 焊接工藝

軌道車輛產(chǎn)品生產(chǎn)中包含大量的焊接工序，其中又包括人工焊接和機器人焊接。焊接工藝的核心是焊接編程仿真，生成指導(dǎo)焊接機器人工作的程序代碼。將PBOM 中的焊縫集合虛擬節(jié)點指派到BOP 對應(yīng)焊接工藝結(jié)構(gòu)中，并指派焊接機器人資源。工藝師創(chuàng)建焊縫并完成焊縫投影，將焊縫重新保存至焊縫集合虛擬節(jié)點。創(chuàng)建焊槍和機器臂的焊接路徑，并進行仿真驗證及干涉檢查，最終生成離線程序等保存回Teamcenter 系統(tǒng)，如圖6所示（零組件變紅表示發(fā)生碰撞干涉，需要調(diào)整路徑）。

圖6 焊接工藝編程仿真

焊接過程中存在變形等現(xiàn)象，需要進行加工等處理，工藝員以焊接組件為最終工藝模型，在此基礎(chǔ)上進行放量、變形等創(chuàng)建加工工序模型，基于生成的工序模型開展編程、仿真等工作。

1.6 加工工藝

加工工藝的難點是如何快速生成中間工序模型，進行數(shù)控編程仿真。直接應(yīng)用設(shè)計模型作為最終工藝模型，以裝配結(jié)構(gòu)的形式組織工序模型樹，采用WAVE 方法創(chuàng)建相互關(guān)聯(lián)的中間工序模型，通過同步建模的方式進行模型處理，以倒序方式快速創(chuàng)建關(guān)聯(lián)的中間工序模型，并對工序模型關(guān)鍵尺寸、表面粗糙度、基準(zhǔn)等指標(biāo)進行PMI 標(biāo)注，設(shè)置不同的顏色來標(biāo)識區(qū)分加工面、基準(zhǔn)面等信息（紅色表示加工面，黃色表示基準(zhǔn)面），如圖7所示。

圖7 中間工序模型

這種通過WAVE 方式創(chuàng)建的工序模型最大的特點就是，工序模型之間是相互關(guān)聯(lián)的，修改其中一個模型，其他模型也會自動更新對應(yīng)的特征，這種方式大大減少了工作量，避免了遺漏等錯誤。完成中間工序模型的創(chuàng)建及標(biāo)注后，將工序模型樹結(jié)構(gòu)保存回TC，創(chuàng)建與加工工藝的連接關(guān)系，并將工序模型指派到每一個數(shù)控工序下。具體操作為：在工藝結(jié)構(gòu)中，對于首道工序即下料工序，將毛坯指派到工序下即可；對于數(shù)控工序，將上一道工序的工序模型及當(dāng)前工序的工序模型指派到對應(yīng)的工序下，其中上一道工序的工序模型作為下一道工序的毛坯。將數(shù)控加工工序所需的工裝、刀具資源等以及現(xiàn)場實際工作班組、工位信息指派到工序結(jié)構(gòu)下，如圖8所示。

圖8 加工工藝結(jié)構(gòu)示例

選中數(shù)控工序進入數(shù)控編程環(huán)境，將毛坯模型、工序模型、工裝夾具模型、刀具模型等加載到編程仿真平臺，進行數(shù)控程序編制、仿真，并將生成的NC 代碼、工序配置清單等文件保存回Teamcenter 系統(tǒng)的對應(yīng)工序下。

1.7 現(xiàn)場可視化

工藝設(shè)計的最終落地是生產(chǎn)現(xiàn)場的使用，傳統(tǒng)工藝卡片或作業(yè)指導(dǎo)書都是二維形式，可讀性差。在工藝結(jié)構(gòu)完成審簽傳遞到下游MES 系統(tǒng)后，由MES 系統(tǒng)對工藝數(shù)據(jù)進行重新組織，將各工序、各工步重新組織為樹結(jié)構(gòu)，工序下的物料、資源等以列表的形式展示，三維可視化文件及二維形式的附件以插件的形式展示，形成可視化工藝文件，如圖9所示?？梢詫θS可視化文件進行播放、旋轉(zhuǎn)、測量等，使得現(xiàn)場作業(yè)更直觀、高效。同時，由于每一個工序?qū)?yīng)一個工位及班組，只有對應(yīng)工位的工人才能查看對應(yīng)工序的工藝文件，確保了工藝數(shù)據(jù)的安全保密性。

圖9 現(xiàn)場工藝可視化（MES 端）

工藝結(jié)構(gòu)中的每個工序都已經(jīng)關(guān)聯(lián)了一個對應(yīng)工位、班組信息，通過配置管理，可以實現(xiàn)工位工藝直接推送到對應(yīng)工位，進行現(xiàn)場報工管理，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。由于工藝結(jié)構(gòu)是依照現(xiàn)場工位單位結(jié)構(gòu)搭建的，MES 系統(tǒng)可以直接進行生產(chǎn)排產(chǎn)，降低了排產(chǎn)的復(fù)雜度和難度。

2 技術(shù)優(yōu)勢

由于構(gòu)建了工藝模板庫，工藝設(shè)計過程可直接從模板庫中選擇重構(gòu)，大大減少了工藝設(shè)計的工作量，知識庫的建設(shè)降低了對工藝師知識經(jīng)驗的要求。面向生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)單元構(gòu)建PBOM，使得工藝工序與現(xiàn)場生產(chǎn)線工位單元完全對應(yīng)，工藝數(shù)據(jù)直接推送到生產(chǎn)現(xiàn)場工位單元上，不僅可以提高生產(chǎn)排產(chǎn)的效率和準(zhǔn)確性，還能夠在生產(chǎn)開工前根據(jù)工藝數(shù)據(jù)提前做好生產(chǎn)資源的配置，有效減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間?；谌S模型的工藝設(shè)計過程，減少了傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計過程中的圖紙重畫工作，可以應(yīng)用模型直接開展編程及仿真工作，提高了工藝設(shè)計質(zhì)量和效率，減少了生產(chǎn)過程中返工返修的問題。基于模型的現(xiàn)場可視化技術(shù)，讓工藝文件的現(xiàn)場展示更加直觀易懂，可避免工人理解錯誤帶來的質(zhì)量問題。

3 結(jié) 論

通過簡化PBOM 結(jié)構(gòu)以及建立PBOM 模板庫和工藝BOP 模板庫等知識庫，運用知識重用、數(shù)據(jù)借用等手段，大大減少了工藝設(shè)計的工作量，有效提高了工藝設(shè)計效率。面向生產(chǎn)現(xiàn)場工位單元構(gòu)建的工藝結(jié)構(gòu)，為下游MES 系統(tǒng)排產(chǎn)和現(xiàn)場生產(chǎn)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。通過設(shè)計三維模型開展工藝設(shè)計過程的仿真、編程等，提高了工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。