歡迎參加第十三屆產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì) 11月29-30日 天津

    目前，電子裝備行業(yè)內(nèi)工藝設(shè)計(jì)的主要手段是采用填卡片式的二維CAPP，裝配工藝設(shè)計(jì)主要依靠圖樣和二維裝配工藝規(guī)程卡片來表達(dá)。電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所形成的產(chǎn)品數(shù)字三維模型得不到充分利用，已有的數(shù)字化設(shè)計(jì)信息需要工藝人員分析和重新輸入，與數(shù)字化三維CAD系統(tǒng)沒有建立有效傳遞途徑，不能與設(shè)計(jì)協(xié)同工作，工藝設(shè)計(jì)工作繁瑣，效率低下，表達(dá)不直觀，線纜敷設(shè)根據(jù)實(shí)物在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手工實(shí)施，線纜設(shè)計(jì)沒有三維模型化，布線路徑不具體，機(jī)械裝配和電氣互聯(lián)交錯(cuò)裝配工藝過程不能準(zhǔn)確清晰表達(dá)，不能進(jìn)行裝配工藝定量虛擬仿真和流程優(yōu)化，裝配工藝靠工藝人員的知識(shí)水平和裝配經(jīng)驗(yàn)來完成復(fù)雜的裝配工藝設(shè)計(jì)，裝配工藝可行性、裝配順序工藝合理性、裝配工具及路徑最優(yōu)化、裝配操作空間可達(dá)性等問題無法在裝配設(shè)計(jì)階段得到有效驗(yàn)證，導(dǎo)致工藝更改較為頻繁，輸出的工藝規(guī)程可讀性差，指導(dǎo)性不夠，裝配工藝規(guī)劃編制周期長(zhǎng)。

    在電子設(shè)備的樣機(jī)研制過程中，對(duì)其裝配性能的分析和評(píng)價(jià)都是根據(jù)零部件實(shí)物來完成的，即在零件加工完成后，在產(chǎn)品實(shí)際的裝配過程中對(duì)其裝配工藝可行性、合理性進(jìn)行分析和驗(yàn)證，根據(jù)裝配結(jié)果對(duì)其裝配工藝性進(jìn)行修改迭代，使其滿足設(shè)計(jì)要求，是一種典型的“試裝配一調(diào)試一修正設(shè)計(jì)一再試裝配”傳統(tǒng)電子設(shè)備研制生產(chǎn)流程，大大增加了裝備研制周期和費(fèi)用。先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造流程迫切需要以產(chǎn)品三維模型和設(shè)計(jì)物料清單( EBOM)為基礎(chǔ)，改變現(xiàn)有的工藝集成制造體系，建立數(shù)字化工藝模型，形成以數(shù)字化模型為核心的數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)體系，實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化。

    1 三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真規(guī)劃

    裝配工藝過程仿真為產(chǎn)品裝配提供一個(gè)三維的虛擬制造環(huán)境來驗(yàn)證和評(píng)價(jià)工藝規(guī)劃的裝配順序、路徑及操作程序的合理可達(dá)性�；�于模型定義的數(shù)字化三維裝配工藝設(shè)計(jì)過程需從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)(PDM)中獲取某雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過自行集成開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?qū)�產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件可以編輯識(shí)別的三維工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，形成適用于工藝設(shè)計(jì)過程的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；將已定義的相關(guān)資源（如車間、工作臺(tái)、工裝、工具和人等）加入到DELMIA軟件系統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃模塊(DPE)環(huán)境中，形成工藝資源結(jié)構(gòu)樹，并在DPE中創(chuàng)建詳細(xì)產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹，進(jìn)行三維裝配單元組件劃分、裝配順序和裝配路徑規(guī)劃等工藝過程設(shè)計(jì)；根據(jù)規(guī)劃好的裝配組件、裝配順序及路徑在DELMIA軟件的工藝仿真與驗(yàn)證模塊( DPM)中進(jìn)行裝配干涉檢查、裝配順序仿真、裝配工裝工具仿真和人機(jī)功效仿真，根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)判其合理可行性，優(yōu)化迭代三維裝配工藝，并將根據(jù)最終仿真結(jié)果固化的工藝輸出可視化操作文檔；將文檔檢入工藝管理系統(tǒng)( CAPP)中，同時(shí)從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)( PDM)導(dǎo)入設(shè)計(jì)物料清單( EBOM)，在CAPP系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)劃物料清單(PBOM)配置，并進(jìn)行編輯形成二維和三維可視化集成的工藝文件；然后將可視化集成工藝文件檢人PDM系統(tǒng)進(jìn)行歸檔發(fā)布，將發(fā)布的工藝文件傳輸?shù)杰囬gMES生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)中，進(jìn)行排產(chǎn)和作業(yè)分配，并將可視化文檔在車間終端上進(jìn)行顯示，指導(dǎo)技術(shù)工人裝配，實(shí)現(xiàn)無紙化裝配生產(chǎn)�；�于DELMIA軟件的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真總體規(guī)劃如圖1所示。

    圖1 三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真總體規(guī)劃

    2 三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真的關(guān)鍵技術(shù)

    2.1 三維裝配工藝仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

    首先，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM中下載三維NX模型文件(*．prt)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件系統(tǒng)可以讀取的STEP格式文件模型；然后，在DELMIA系統(tǒng)中導(dǎo)入STEP格式的模型文件，建立裝配結(jié)構(gòu)樹。在DELMIA軟件裝配環(huán)境中，利用VB軟件自行集成開發(fā)的宏程序，調(diào)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)( PDM)中輸出的物料清單文件，將零件編號(hào)、名稱和材料屬性等相關(guān)信息自動(dòng)添加到STEP格式的中性幾何模型中，更新零件屬性、為數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

    2.2 快速三維裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)

    在DELMIA軟件裝配環(huán)境中，通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)，規(guī)劃裝配單元組件的裝配順序，定義裝配工序及工步。其中，工步主要有直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、牽引運(yùn)動(dòng)及典型運(yùn)動(dòng)。而復(fù)雜電子設(shè)備的裝配過程涉及電子元器件組裝、線纜裝配、機(jī)械裝配和系統(tǒng)聯(lián)試等，同時(shí)軍用電子產(chǎn)品研制特點(diǎn)是多品種小批量生產(chǎn)，研制周期短，而且大多數(shù)產(chǎn)品處于研制狀態(tài)，變化頻繁，其裝配過程就成為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工藝活動(dòng)，裝配路徑和裝配順序規(guī)劃、裝配操作過程指令生成等需要反復(fù)迭代。軍用電子設(shè)備的聯(lián)接螺釘數(shù)量較多，需根據(jù)工藝人員的裝配經(jīng)驗(yàn)和裝配生產(chǎn)環(huán)境，分析制定合理的工藝組件，分層次劃分裝配單元，并將裝配工藝流程信息添加到工藝組件的名稱中，通過工藝組件及其工藝（工步）流程信息，不斷優(yōu)化裝配順序路線，提高裝配順序的并行度以提高裝配生產(chǎn)資源利用率，使裝配過程中差異不大的裝配作業(yè)集中完成，減少工藝組件的裝夾和裝配工具的更換次數(shù)，縮短裝配所用時(shí)間，降低裝配成本。

    2.3 某電子設(shè)備雷達(dá)俯仰裝置裝配的工藝過程仿真

    2.3.1 俯仰裝置裝配特點(diǎn)

    俯仰裝置是該電子設(shè)備雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，是整個(gè)雷達(dá)最重要的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)與承力結(jié)構(gòu)，裝配精度高且過程復(fù)雜。主要結(jié)構(gòu)件包括俯仰支架、軸承端蓋、擋板、齒輪、軸承、電動(dòng)機(jī)、軸套和平鍵，在擋板與支架之間還有定位銷（見圖2）。

    圖2 俯仰裝置模型

    2.3.2 裝配干涉的仿真

    在DFLMIA虛擬裝配環(huán)境中，依據(jù)在工藝規(guī)劃模塊( DPE)中設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程和工藝組件裝配順序，通過對(duì)每個(gè)工藝組件的移動(dòng)、定位和裝配過程等進(jìn)行組件與組件、組件與工裝之間的干涉檢查，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有干涉情況，自動(dòng)停止模擬仿真過程并報(bào)警，同時(shí)給出干涉位置和于涉量，這樣可以有效幫助查找和分析干涉原因（見圖3）。該項(xiàng)是檢查工藝裝配單元組件沿著設(shè)計(jì)好的模擬裝配路徑在移動(dòng)過程中是否與周邊環(huán)境或產(chǎn)品有碰撞，整個(gè)檢查過程在三維環(huán)境中進(jìn)行直觀地顯示，為裝配工藝過程優(yōu)化提供可靠有效的數(shù)據(jù)。

    圖3 裝配干涉仿真

    2.3.3 裝配順序的仿真

    在DELMIA軟件的三維裝配環(huán)境中，利用已定義的裝配工藝流程設(shè)計(jì)信息、產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和工藝資源信息，依據(jù)在工藝規(guī)劃模塊( DPE)中規(guī)劃的裝配工藝過程及定義好的工藝組件裝配路徑，對(duì)產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程進(jìn)行三維裝配工藝動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證每個(gè)工藝組件按照設(shè)計(jì)好的工藝順序是否能夠無阻礙裝配。如果發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過程中存在裝配順序的錯(cuò)誤，則可以重新定義工藝裝配單元組件裝配順序、裝配工序和裝配工步，反復(fù)迭代裝配順序，避免出現(xiàn)在實(shí)際裝配時(shí)才發(fā)現(xiàn)工藝組件裝不上去的情況（見圖4）。裝配順序雖然是按先工裝后工藝組件，自下而上，由里向外的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但仍不能保證規(guī)劃的裝配順序合理可行，因?yàn)殡娮釉O(shè)備的各個(gè)裝配結(jié)構(gòu)單元之間需要用各種各樣的線纜進(jìn)行電氣連接，導(dǎo)致規(guī)劃的工藝組件裝配順序在接線時(shí)發(fā)現(xiàn)無法操作，同時(shí)實(shí)際裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制造資源布局、裝配技能及操作習(xí)慣也會(huì)影響產(chǎn)品工藝組件的裝配順序、裝配作業(yè)指令；所以裝配知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)在裝配工藝過程中占據(jù)舉足輕重的地位，尤其在電氣互聯(lián)復(fù)雜的電子設(shè)備研制過程中，這種產(chǎn)品裝配特性體現(xiàn)得更明顯。

    圖4 裝配順序仿真過程

    2.3.4 人機(jī)工程的仿真

    電子設(shè)備的裝配過程，會(huì)涉及很多種類的工具、工裝和操作工人的各種運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作，設(shè)備工藝組件裝配移動(dòng)的過程是一個(gè)人機(jī)互動(dòng)的過程。在DELMIA軟件三維虛擬裝配環(huán)境中，通過控制虛擬人體模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)裝配人員在裝配時(shí)的站位及各種實(shí)際操作動(dòng)作，并進(jìn)行計(jì)算和仿真分析，實(shí)現(xiàn)裝配工藝方案的預(yù)裝配及人機(jī)工效評(píng)估，這樣就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在裝配過程中可能遇到的問題。在DELMIA軟件中可以根據(jù)虛擬裝配環(huán)境進(jìn)行人機(jī)功效仿真，分析各個(gè)工藝組件的裝配順序，可以對(duì)人體各種極限姿勢(shì)進(jìn)行模擬，檢查裝配路徑對(duì)人體操作可達(dá)性的影響。工藝組件的裝配是否在極限姿勢(shì)的操作范圍之內(nèi)；同時(shí)也可以檢查裝配的操作空間是否能滿足人體作業(yè)需求，裝配操作是否舒適，相關(guān)設(shè)備布局是否合理（見圖5）。在產(chǎn)品及工藝資源模擬結(jié)構(gòu)環(huán)境中，將人體的標(biāo)準(zhǔn)三維模型放入虛擬裝配環(huán)境中，根據(jù)可視、可達(dá)、可操作、舒適以及安全等5個(gè)要求，按照工藝設(shè)計(jì)流程對(duì)工人的每一個(gè)操作特性動(dòng)作進(jìn)行仿真。

    圖5 人機(jī)工程仿真

    2.3.5 裝配過程的記錄及生成相關(guān)文檔

    利用上述裝配過程的三維數(shù)字化裝配工藝仿真功能，將整個(gè)裝配過程記錄下來，形成可以播放的可視化文檔及動(dòng)畫視頻文件，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行該雷達(dá)俯仰裝置裝配，實(shí)現(xiàn)可視化裝配．驗(yàn)證雷達(dá)俯仰裝置裝配工藝設(shè)計(jì)的合理性和仿真符合度，整個(gè)裝配仿真過程經(jīng)裝配驗(yàn)證無誤后，可以根據(jù)產(chǎn)品裝配生產(chǎn)需要，定制生成相關(guān)文檔（見圖6）。同時(shí)，也可以制作維護(hù)保養(yǎng)電子手冊(cè)和對(duì)雷達(dá)維護(hù)人員進(jìn)行上崗培訓(xùn)，幫助操作人員直觀地了解設(shè)備操作全過程。

    圖6 裝配過程記錄及文檔生成

    3 工程驗(yàn)證

    以某雷達(dá)部件裝配為對(duì)象，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DELMIA軟件可以識(shí)別的工藝模型數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA軟件中構(gòu)建裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，將裝配過程中的工裝模型、夾具模型等相關(guān)資源加入模擬仿真環(huán)境；同時(shí)，進(jìn)行裝配工藝順序規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃，分配工藝裝配單元組件，針對(duì)規(guī)劃好的裝配順序和路徑進(jìn)行裝配干涉動(dòng)態(tài)檢查、裝配順序仿真和人機(jī)工程仿真，并根據(jù)規(guī)劃好的裝配工藝指令，對(duì)裝配工藝規(guī)劃進(jìn)行可視化的展示，交互式實(shí)現(xiàn)對(duì)每步裝配操作的可視化分析，對(duì)裝配協(xié)調(diào)過程中的可達(dá)性、可操作性和安全性等進(jìn)行全面的分析，同時(shí)檢查裝配工藝方案是否可行。最終根據(jù)仿真的結(jié)果生成電子的三維裝配工藝文件，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)，顯著提高了工藝指導(dǎo)性以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行效率。利用實(shí)物裝配來驗(yàn)證依據(jù)仿真結(jié)果輸出的工藝文件的正確性，結(jié)果其仿真符合率>98 %，證實(shí)基于DELMIA軟件的三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真方法的可靠性和準(zhǔn)確性。仿真過程分析了裝配過程中操作工具的可達(dá)性，操作空間的可行性，以及人機(jī)操作過程的工效，驗(yàn)證了毫米波雷達(dá)部件和其配套工裝的可行性。創(chuàng)建的裝配資源庫(kù)如圖7所示。

    圖7  裝配工藝仿真資源庫(kù)

    4 結(jié)語   

    以某雷達(dá)俯仰裝置為例，開展了基于DELMIA軟件系統(tǒng)的三維裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了三維裝配工藝的規(guī)劃、裝配過程的三維模擬仿真以及整個(gè)裝配過程的可視化輸出，實(shí)現(xiàn)了裝配信息從設(shè)計(jì)到工藝的有效傳遞與共享，提高了裝配工藝設(shè)計(jì)效率和指導(dǎo)性，減少了裝配現(xiàn)場(chǎng)的問題，提高了裝配質(zhì)量和效率，三維裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真是提高復(fù)雜電子產(chǎn)品數(shù)字化水平的必要途徑。

    本文末對(duì)基于三維模型的電子設(shè)備線纜敷設(shè)作業(yè)分析技術(shù)進(jìn)行相關(guān)討論，但其今后將是電子設(shè)備三維裝配工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。目前的線纜敷設(shè)作業(yè)分析不是基于電子設(shè)備數(shù)字化樣機(jī)來完成的，而是根據(jù)工藝人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來確定線纜敷設(shè)操作指令，容易導(dǎo)致線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)的隨意性；布線是否合理很大程度上取決于從事線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。線纜敷設(shè)工序的合理選擇、分配與優(yōu)化，能夠提升電子設(shè)備的一次性裝配成功率，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備線纜敷設(shè)的快速分析、分配與優(yōu)化，這對(duì)于提高零件線纜敷設(shè)的可實(shí)現(xiàn)性和操作性至關(guān)重要。

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本文標(biāo)題：三維裝配工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)在電子設(shè)備中應(yīng)用

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