基于3DAST的軌道車輛三維裝配工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)

丁潔瓊 李樹(shù)棟 陳正瑋 李興斐

摘要：就數(shù)字化裝配技術(shù)的特性，結(jié)合軌道車輛行業(yè)特點(diǎn)，著重研究了軌道車輛的三維裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)。在三維虛擬環(huán)境下，通過(guò)人機(jī)交互的方式，將已有裝配工藝經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)繼承，實(shí)現(xiàn)了裝配過(guò)程的總體規(guī)劃與優(yōu)化，裝配工藝的可視化。詳細(xì)介紹了軌道車輛三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)裝配質(zhì)量和效率做到了有效提高;通過(guò)模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維工藝文件質(zhì)地改良，實(shí)現(xiàn)了裝配工藝文件的可視化。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;數(shù)字化裝配技術(shù);可視化

中圖分類號(hào)：TG95 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0102-03

軌道車輛行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)普遍比較復(fù)雜，零部件數(shù)量和種類眾多，裝配工作量大，裝配空間復(fù)雜，涉及到的裝配人員多，如何將軌道車輛產(chǎn)品的零件按照規(guī)定的技術(shù)要求進(jìn)行組裝和連接，使之成為成品的工藝過(guò)程即為軌道車輛裝配工藝所要研究的內(nèi)容。軌道車輛產(chǎn)品裝配費(fèi)用占整個(gè)生產(chǎn)成本很高的比例，因此提高裝配質(zhì)量和效率、降低成本為目標(biāo)，對(duì)軌道車輛裝配工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的工藝文件多是靜態(tài)文本和二維圖紙，雖然對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量控制項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，但由于與工人的交互性較差，工人在完成裝配工作時(shí)需花費(fèi)一定的時(shí)間去查閱紙質(zhì)資料并篩選臨時(shí)需要用的信息，降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)也缺少了在工藝規(guī)劃階段進(jìn)行工藝仿真和驗(yàn)證的手段。在目前企業(yè)已經(jīng)大量使用三維設(shè)計(jì)手段的今天，利用二維圖以及二維工藝卡片的工藝設(shè)計(jì)方式已經(jīng)不能適應(yīng)企業(yè)迅速發(fā)展的需求。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展的裝配工藝規(guī)劃研究是涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的交叉領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來(lái)是智能制造領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展成熟，使得模擬仿真以及工藝驗(yàn)證成為了現(xiàn)實(shí)。在數(shù)字化裝配仿真系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)并解決數(shù)字化產(chǎn)品模型裝配過(guò)程中所遇到的產(chǎn)品、工裝以及工藝設(shè)計(jì)中的各類問(wèn)題，比實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，大大節(jié)約了成本，并且基于可視化的環(huán)境下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)大大提高了工藝設(shè)計(jì)效率。

基于軌道車輛行業(yè)的特點(diǎn)，以裝配工藝為切入點(diǎn)，應(yīng)用面向三維的裝配工藝規(guī)劃及裝配過(guò)程執(zhí)行的工具——KM3DAST，以實(shí)現(xiàn)軌道車輛的三維模擬仿真為目標(biāo)，進(jìn)而使得裝配工藝易于理解，提高裝配過(guò)程的可控制性，增強(qiáng)裝配人員對(duì)裝配進(jìn)程的把握能力，完成對(duì)裝配順序以及工件選型的綜合化、數(shù)字化檢查，兼顧裝配質(zhì)量和效率，整體提高企業(yè)的信息化系統(tǒng)的一體化程度，達(dá)到企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)流通快捷、暢通的目的。

1軌道車輛三維裝配工藝設(shè)計(jì)總體規(guī)劃

裝配工藝設(shè)計(jì)是指導(dǎo)裝配工裝的重要階段，編制的工藝文件質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品裝配的準(zhǔn)確性和效率。數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃技術(shù)基于虛擬裝配技術(shù)的裝配工藝設(shè)計(jì)模式，即利用虛擬裝配技術(shù)，在虛擬環(huán)境中人機(jī)交互地對(duì)產(chǎn)品的虛擬模型進(jìn)行試裝操作，以分析和確定產(chǎn)品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配過(guò)程中的干涉及裝配工裝與夾具的可操作性等，并形成產(chǎn)品的裝配工藝。

要實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)，重點(diǎn)需要解決兩方面問(wèn)題，一是實(shí)現(xiàn)以三維模型為核心的工藝設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證;二是解決好三維裝配工藝在車間的展示和應(yīng)用。3DAST在三維數(shù)字化實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，借助于虛擬仿真技術(shù)等交互手段，來(lái)規(guī)劃與仿真產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裝配過(guò)程，最終生成三維作業(yè)指導(dǎo)書(shū)并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。3DAST全面地實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證，以及裝配指導(dǎo)的可視化，提高了裝配的準(zhǔn)確率，且實(shí)現(xiàn)了與企業(yè)原有數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的完美對(duì)接，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造首尾呼應(yīng)。

根據(jù)軌道車輛行業(yè)的特點(diǎn)，整車的裝配不僅僅有傳統(tǒng)機(jī)械工件的裝配，還包括電氣連接，電線布置等環(huán)節(jié)，此系統(tǒng)提供由裝配工藝規(guī)劃人員操作的交互式的裝配工藝規(guī)劃和分析功能。該功能包括軌道車輛的零件以及裝配工具等的三維模型的建立或者引入，對(duì)工藝規(guī)劃的決策，三維裝配的模擬仿真，路徑生成，以及不同格式工藝文件的生成和輸出。全方位實(shí)現(xiàn)可視化，加之對(duì)裝配過(guò)程的局部放大等功能，使裝配人員能夠?qū)ρb配要求等做到實(shí)實(shí)在在掌握。

軌道車輛三維裝配工藝設(shè)計(jì)總體規(guī)劃如圖1所示。

2軌道車輛三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

通過(guò)對(duì)3DAST的三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合軌道車輛的產(chǎn)品特點(diǎn)，建立了如圖2所示的三維裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.1模型輕量化

3DAST系統(tǒng)是構(gòu)架在統(tǒng)一的三維輕量化模型上的，對(duì)設(shè)計(jì)的軌道車輛產(chǎn)品的三維模型，首先經(jīng)過(guò)模型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生統(tǒng)一的三維輕量化模型，然后再導(dǎo)入到3DAST系統(tǒng)中。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中讀取三維設(shè)計(jì)模型的模型信息、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、模型屬性信息以及PMI信息。

2.2 PBOM構(gòu)建

根據(jù)獲取到的軌道車輛產(chǎn)品的EBOM結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上，為滿足制造工藝需要，創(chuàng)建虛擬件節(jié)點(diǎn)，重新定義零組件層級(jí)關(guān)系，并過(guò)濾零部件部分屬性信息從而形成PBOM結(jié)構(gòu)。

2.3裝配工藝路線設(shè)計(jì)

裝配工藝路線設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工序創(chuàng)建、裝配件分配、制定流程，形成裝配工藝路線的過(guò)程。根據(jù)軌道車輛產(chǎn)品零件數(shù)量多、模型復(fù)雜的特點(diǎn)，整個(gè)裝配工藝路線設(shè)計(jì)是基于三維環(huán)境下生成的。并且采用消耗式裝入件分配模式，在三維視圖中直接對(duì)每道工序分配對(duì)應(yīng)的零部件，通過(guò)工序流程圖與三維模型相結(jié)合的方式生成軌道車輛產(chǎn)品的工藝路線。

2.4裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)

工藝路線設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)軌道車輛產(chǎn)品的具體每一個(gè)工序進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體包括工序中每個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)軌跡、三維裝配工藝標(biāo)注、裝配過(guò)程中的工裝工具等輔助用具，從而完成軌道車輛產(chǎn)品裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.5裝配工藝仿真驗(yàn)證

通過(guò)仿真驗(yàn)證功能，可以檢查軌道車輛產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃的合理性，檢查被裝配的零部件之間、工裝/工具與零部件之間是否有干涉。3DAST通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行裝配過(guò)程模擬以及干涉檢查，發(fā)現(xiàn)在裝配過(guò)程中的碰撞問(wèn)題以及不協(xié)調(diào)問(wèn)題，然后重新優(yōu)化裝配過(guò)程。

2.6發(fā)布

通過(guò)仿真驗(yàn)證的軌道車輛三維工藝文件，可下發(fā)到車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可視化指導(dǎo)。

3軌道車輛三維裝配工藝車間現(xiàn)場(chǎng)可視化指導(dǎo)

軌道車輛的零部件數(shù)目眾多，而軌道車輛本身屬于大型復(fù)雜裝配件，所以，在裝配過(guò)程中有著比普通裝配更多的困難，對(duì)零件的加工制造也有著更高的要求。通過(guò)裝配工藝設(shè)計(jì)手段的增強(qiáng)，使用3DAST編制好的三維工藝文件可下發(fā)到車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可視化指導(dǎo)，通過(guò)可視化仿真可提高裝配成功率，改善裝配質(zhì)量，幫助企業(yè)在車間現(xiàn)場(chǎng)解決以下問(wèn)題：

（1）三維工藝文件對(duì)裝配的全過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，直觀全面地指導(dǎo)了裝配工作，解決了可能導(dǎo)致返工現(xiàn)象的錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象。

（2）三維裝配工藝可模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)節(jié)拍，通過(guò)優(yōu)化裝配作業(yè)順序可提高生產(chǎn)效率。

（3）三維裝配工藝可有效指導(dǎo)新員工進(jìn)行裝配作業(yè)指導(dǎo)，提高生產(chǎn)效率，從而降低成本。

軌道車輛三維裝配工藝車間現(xiàn)場(chǎng)可視化指導(dǎo)如圖3所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文以數(shù)字化三維裝配系統(tǒng)在軌道車輛的應(yīng)用為實(shí)例，結(jié)合軌道車輛的行業(yè)特點(diǎn)，分析了基于3DAST的軌道車輛三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，以及三維裝配工藝車間現(xiàn)場(chǎng)可視化指導(dǎo)的意義。通過(guò)研究基于3DAST的軌道車輛三維裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率，提高復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字化水平，對(duì)行業(yè)內(nèi)的三維工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。