數(shù)字化裝配工藝技術研究應用

徐宏聚

（山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

工藝路線及工藝規(guī)程是為了將設計圖紙轉化為實際產(chǎn)品而制定的包含過程規(guī)劃、 技術要求和生產(chǎn)資源清單的文件，是產(chǎn)品制造企業(yè)的核心業(yè)務。煤機產(chǎn)品作為井下采煤的主要裝備， 產(chǎn)品質量直接決定了煤礦的產(chǎn)能及安全性。目前，煤機裝備制造行業(yè)在整機裝配方面普遍沿襲傳統(tǒng)二維平面軟件來規(guī)劃設計其裝配工藝路線， 無法解決產(chǎn)品裝配過程的仿真與分析、裝配過程動態(tài)演示等，使得裝配已成為影響產(chǎn)品質量、時間和成本的瓶頸。面對嚴酷的市場競爭， 迫切需要煤機裝備制造行業(yè)加強對可視化裝配工藝技術研究， 用可視化的裝配工藝技術指導工人生產(chǎn)，提高煤機產(chǎn)品的裝配效率和質量，贏得市場。

1 二維裝配工藝存在的不足

煤機裝備制造行業(yè)大多數(shù)是由科研單位轉制而來，普遍存在重研發(fā)輕工藝現(xiàn)象， 基本上都使用三維軟件進行產(chǎn)品設計， 整機裝配工藝基本上還停留在二維裝配模式上，缺乏有效的裝配工藝規(guī)劃手段。 目前，大多數(shù)煤機裝備制造企業(yè)只是采取了CAPP 手段，實現(xiàn)了對紙質工藝卡片的電子化管理、 對工藝信息自動統(tǒng)計匯總及應用權限的管理與控制。 但是，由于受到智能化程度低、與CAD環(huán)境集成效果差，限制了其在高、精、尖端機械制造領域的應用。①二維裝配工藝的建立在很大程度上依賴于經(jīng)驗和基于實物模型的反復試裝，研發(fā)周期和成本大幅增加；②編制二維裝配工藝文件勞動強度大、周期長；③裝配工人進行裝配作業(yè)時對圖紙、工藝文件依賴程度大，易出現(xiàn)理解失誤，造成裝配質量問題，影響裝配周期；④產(chǎn)品的許多結構設計問題只有在裝配調試期間才能暴露出來，因此產(chǎn)品定型周期長。

目前亟需一種有效的工藝規(guī)劃及驗證手段， 可以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)從工藝設計到生產(chǎn)的整個流程， 提前發(fā)現(xiàn)問題。 同時現(xiàn)行工藝文件多以二維、紙質形式發(fā)布，在此過程中增加了非增值勞動（三維到二維的轉化），并且跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變更需要手工完成更新， 也帶來了管理成本的增加。

綜上所述， 二維工藝軟件無論在廣度和深度上均已經(jīng)無法適應企業(yè)數(shù)字化研發(fā)的需求， 只有建立三維數(shù)字化工藝解決方案， 充分采用基于三維數(shù)據(jù)及模型設計的MBD 技術，才能更好地解決工藝自身的數(shù)字化、可視化和虛擬化裝配問題， 同時解決設計與工藝的過程協(xié)同和數(shù)據(jù)關聯(lián)管理。

2 數(shù)字裝配工藝系統(tǒng)設計

數(shù)字化裝配工藝就是利用現(xiàn)在計算機和網(wǎng)絡技術，在車間裝配現(xiàn)場建立信息可視化的人機交互系統(tǒng)， 把產(chǎn)品設計、 裝配工藝的信息以數(shù)字量的形式傳遞到車間現(xiàn)場， 產(chǎn)品和資源的信息采用數(shù)字化產(chǎn)品定義技術以三維立體數(shù)模展示， 裝配過程用可交互動畫形式播放， 讓裝配工人以更直觀的方式了解產(chǎn)品的裝配屬性， 理解產(chǎn)品的裝配工藝流程、裝配方法、裝配技術要求、裝配控制檢驗項目等，建立數(shù)字化裝配工藝就應從系統(tǒng)軟件開發(fā)、信息傳輸網(wǎng)絡、信息發(fā)布終端等方面進行系統(tǒng)設計。

建立三維數(shù)字化工藝管理系統(tǒng)平臺， 實現(xiàn)快速制定工藝路線，自頂向下或自底向上制定裝配工序，全面管理工藝資源，使工藝人員能夠快速、統(tǒng)一、直觀地描述裝配過程和要點。

三維數(shù)字化工藝管理系統(tǒng)平臺中嵌入工藝資源數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品所使用工藝規(guī)程、工量器具、工藝要求、表格清單等制定模板并加入該數(shù)據(jù)庫。

建立工藝文件遠程發(fā)布網(wǎng)絡， 使工人在裝配現(xiàn)場可通過觸摸終端屏幕觀看視頻及工藝文件， 了解裝配過程并掌握裝配要點，達到快速培訓的目的。

利用該數(shù)據(jù)平臺制作三維數(shù)字化裝配工藝文件，對裝配過程進行模擬，指導裝配作業(yè)人員完成裝配作業(yè)。

3 數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)架構設計

基于產(chǎn)品全生命周期管理PLM 理念， 采用平臺化、分層研發(fā)技術，分為系統(tǒng)、應用和客戶三個層次，所有功能模塊根據(jù)本業(yè)務流程進行設計。

3.1 工藝數(shù)據(jù)資源管理庫

該數(shù)據(jù)庫中將包括3D 模型數(shù)據(jù)MBD、設計數(shù)據(jù)EBOM、工藝數(shù)據(jù)PBOM、裝配工藝要求知識庫、裝配工藝MBOM、工量器具等資源。

3.2 基礎應用平臺

能實現(xiàn)公用的基礎應用模塊如數(shù)據(jù)建模、過程建模、用戶組織建模、行為建模、查詢建模、訪問控制建模、界面建模等系列工具及執(zhí)行引擎， 提供強大的應用建模能力和開發(fā)能力。

3.3 應用模塊層

定制業(yè)務模塊均在基礎應用平臺上基于工藝數(shù)據(jù)資源模型搭建而成，從而保證數(shù)據(jù)模型的一致性、完整性和關聯(lián)性。

3.4 人機交互界面

工藝人員通過計算機終端的鼠標、鍵盤操作，可以自頂向下或自底向上對產(chǎn)品進行工藝路線劃分、裝配工序制定、工藝文件發(fā)布、工藝資源管理等。

4 數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)流程設計

4.1 基于MBD 的工藝性審查

直接基于MBD 輕量化模型進行可制造性和裝配性審查，同時提供三維視圖瀏覽和三維批注，可以通過建立工藝視圖或切面進行工藝審核的詳細說明。在審查階段，制定工藝方案中的整體方案、工藝分析、外協(xié)要求。

4.2 基于MBD 的EBOM-＞PBOM 的調整

基于三維輕量化模型和MBD 信息進行BOM 主體結構調整， 基于MBD 中的零部件可制造性設定工藝組件（部件/段件/組件/系統(tǒng)），生成PBOM。 根據(jù)模型關聯(lián)參考關系MBD 尺寸鏈信息進行調整合理性約束和建議。 支持基于MBD 的零部件劃分（鑄件、鍛件、焊接件、標準件等），編制工藝方案（制造方案、研制周期、材料消耗定額、技術狀態(tài)、工藝質量等）。

4.3 基于MBD 的三維裝配工藝規(guī)劃

基于輕量化模型和MBD/PMI 信息，采用工藝基準面進行裝配工藝規(guī)劃，提出工裝申請單/采購單/制造資源清單，輔助生成檢驗工藝和面向可視化的工序模型。同時在系統(tǒng)中依據(jù)模型關聯(lián)參考信息和裝配尺寸鏈進行規(guī)劃合理性約束檢查。 采用視圖和動畫技術進行裝配工藝詳細說明，支持零部件與模型、MBD/PMI 信息以及制造資源間的交互聯(lián)動。

煤礦安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析平臺提供了數(shù)據(jù)接入、存儲、處理和可視化展示等功能，如圖3所示。數(shù)據(jù)引擎提供CSV、TXT、文件文檔和關系數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)進入云存儲環(huán)境為大數(shù)據(jù)計算做基礎準備。為不同的應用場景提供了3種存儲方式：HBase、Hive，HDFS。為大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析提供了SparkSQL分析、RDD、DataFrame、DataSet任務提交接口；為機器學習和預測預報提供決策樹、回歸、貝葉斯分析以及通風網(wǎng)絡解算等算法；提供了餅狀圖、柱狀圖、雷達圖曲線圖以及GIS專題地圖等接口，使計算分析結果能夠直觀展現(xiàn)。

4.4 數(shù)字化裝配工藝發(fā)布

實現(xiàn)了基于裝配工藝規(guī)劃的內容和檢測內容， 生成可視化車間操作指令。產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、制造流程的可視化和PPR 數(shù)據(jù)的報表統(tǒng)計發(fā)布，支持以圖文混排、3D/2D/圖示化的可視化方式進行制造流程模型的動態(tài)可視化/發(fā)布。 支持動態(tài)發(fā)布制造流程，支持離線/在線瀏覽。

5 數(shù)字化裝配工藝設計

數(shù)字化轉配工藝設計是通過對產(chǎn)品結構進行分析，在企業(yè)現(xiàn)有制造能力及產(chǎn)品質量管理的基礎上， 按組件對產(chǎn)品的裝配單元進行劃分，制定裝配流程，確定裝配方案， 裝配控制要素， 各裝配環(huán)節(jié)所配備的制造資源要素等。 在數(shù)字化裝配工藝設計中，主要由產(chǎn)品結構樹、工藝結構樹、資源結構樹3 個分支構成，具體結構特征根據(jù)企業(yè)需求進行工藝模板制定。

6 數(shù)字化裝配工藝資源數(shù)據(jù)庫管理

6.1 基礎數(shù)據(jù)

包括三維CAD 模型、 基于CAD 模型的產(chǎn)品信息列表設計EBOM、 基于生產(chǎn)組織模式的工藝路線PBOM、基于裝配現(xiàn)場實際情況的裝配工藝MBOM、 裝配實際需要的工裝、各種BOM 發(fā)布需要的表格模板、工藝規(guī)程、根據(jù)實際生產(chǎn)需要定制的清單列表等。

6.2 工藝相關標準管理

主要是針對行業(yè)、專業(yè)標準進行管理和執(zhí)行，并納入到制造流程設計中，比如：基于MBD 的裝配工藝設計技術標準、基于MBD 的質檢工藝技術標準、焊接工藝技術標準等。

6.3 工藝知識管理

主要是針對如何快速進行工藝規(guī)劃設計， 其主要提供了基于MBD 的典型工藝管理、典型工藝路線管理等典型工藝工序， 基于專業(yè)工藝知識管理的計算機輔助工藝設計等內容。

7 數(shù)字化裝配工藝技術難點

建立適合產(chǎn)品快速研制的企業(yè)級設計、 工藝和生產(chǎn)的信息化工藝平臺和支撐體系，快速進行新產(chǎn)品開發(fā)，提高質量，縮短研制周期。根據(jù)本企業(yè)的工作流程設計相應的數(shù)據(jù)功能模塊，建立相應的工藝資源管理數(shù)據(jù)庫。

基于3D 模型進行工藝規(guī)劃和設計， 在MBD 設計的基礎上擴展到MBD 工藝，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型及其所關聯(lián)的標注、注釋、公差、尺寸等信息（MBD/PMI/FTA）在設計、制造、裝配等過程中的一致性。

數(shù)字化工藝管理系統(tǒng)平臺需要標準、開放的數(shù)據(jù)接口。平臺本身是無法實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的裝配設計、路徑仿真和碰撞檢查等功能， 這就需要平臺能在自身運行環(huán)境下調用或引用其它三維軟件的功能模塊， 而且平臺需要能與CAD/PDM/ERP/MES 等系統(tǒng)具有可編輯的對接數(shù)據(jù)接口。

8 結束語

通過基于MBD 的三維數(shù)字化裝配工藝設計及現(xiàn)場可視化技術應用研究及實施，打通了基于MBD 的產(chǎn)品設計與工藝設計及現(xiàn)場可視化裝配的技術路線。 三維數(shù)字化裝配工藝設計及現(xiàn)場可視化系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)點：

實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計的并行進行，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低研發(fā)費用。

使工藝研制更便捷、更直觀，特別在新產(chǎn)品研制中，通過三維數(shù)字化裝配工藝設計使得工藝方案的制定、技術決策更準確、便捷。

通過裝配過程三維仿真驗證，及時發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計存在的質量問題。

通過現(xiàn)場可視化系統(tǒng)的應用， 三維裝配仿真通過三維數(shù)據(jù)直觀地顯現(xiàn)了裝配過程， 使裝配操作者更容易理解裝配工藝，減少了裝配過程中的反復和人為差錯。

通過多個系統(tǒng)的集成，使設計、工藝、生產(chǎn)的信息可以更方便被調用，數(shù)據(jù)流通更加暢通。