三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)分析

管西強(qiáng)

（北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 1000174）

在機(jī)械零件生產(chǎn)制作中，產(chǎn)品裝配是一項(xiàng)重要工作，也是產(chǎn)品生產(chǎn)周期的主要部分。目前機(jī)械制造中，進(jìn)行裝配生產(chǎn)時(shí)將花費(fèi)較多時(shí)間和費(fèi)用，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品來說，裝配成本和用時(shí)占比更高。因此，有必要研發(fā)并應(yīng)用三維裝配工藝，利用先進(jìn)技術(shù)來提高裝配效果，提高機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)裝配效率，加大對(duì)生產(chǎn)成本的控制。

1 三維數(shù)字化裝配技術(shù)

三維裝配技術(shù)是在零件三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)等，采取人機(jī)交互方法來規(guī)劃產(chǎn)品裝配過程。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)裝配實(shí)踐中僅依賴裝配人員知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的缺陷，并且降低了設(shè)計(jì)難度，促進(jìn)裝配流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過建立一個(gè)交互裝配工藝環(huán)境，使裝配人員結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況在虛擬平臺(tái)中有序進(jìn)行零件裝配，選擇相應(yīng)的裝配方式，還可利用傳感器了解裝配中的人機(jī)交互問題，在可視化條件下明確各種裝配工藝的可操作性，最終選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的裝配方案。由此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量較高，減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)成本，為企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制作提供良好條件。將三維裝配工藝應(yīng)用到飛機(jī)制造領(lǐng)域，可解決裝配難度大和工程師經(jīng)驗(yàn)不足間的矛盾。在數(shù)字化裝配過程中將出現(xiàn)各類工藝設(shè)計(jì)缺陷和不合理之處，需要在裝配實(shí)踐中及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，以免造成裝配流程和工藝布局的重新調(diào)整，造成制造成本增加。從這一角度看，三維裝配工藝有著明顯優(yōu)勢，可對(duì)裝配效果進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)解決零件裝配問題。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

由于應(yīng)用目的和對(duì)象的不同，通常將系統(tǒng)分成工藝規(guī)劃環(huán)境、模型構(gòu)建環(huán)境及裝配現(xiàn)場環(huán)境三部分。利用數(shù)字化操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)裝配工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場指導(dǎo)和質(zhì)量管控集于一體，促使設(shè)計(jì)人員、裝配人員、規(guī)劃人員共同作業(yè)[1]。在裝配模型構(gòu)建環(huán)境中，可構(gòu)建基于工裝工具和零件的三維模型，并利用繪圖軟件的裝配功能，在進(jìn)行選取節(jié)點(diǎn)、面配合后，確保各個(gè)零件的有效組裝，建立裝配仿真模型。在裝配工藝規(guī)劃過程中，設(shè)計(jì)人員結(jié)合裝配模型提供的信息，通過人工指導(dǎo)和幾何推理進(jìn)行裝配排序，確定規(guī)范的產(chǎn)品裝配順序。在三維平臺(tái)中利用交互方法進(jìn)行仿真和規(guī)劃，采取適合的裝配方法，明確各道工序的檢測內(nèi)容及質(zhì)量控制方法，為裝配工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障。在裝配現(xiàn)場操作中，在大屏幕上投影出產(chǎn)品裝配過程，用于指導(dǎo)裝配工序和操作規(guī)范。在指導(dǎo)過程中，系統(tǒng)不僅能利用特殊顏色顯示，還可提供文字、圖形等多種輸出形式，確保裝配工藝操作順利進(jìn)行。

3 三維裝配工藝的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)

三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)分成以下兩個(gè)階段：一是規(guī)劃階段；二是具體設(shè)計(jì)階段。在完成三維裝配規(guī)劃后，要對(duì)裝配方案進(jìn)行審核，通過后才能確定具體的裝配工藝手段。

3.1.1 三維裝配規(guī)劃階段

產(chǎn)品裝配方案制定是從宏觀角度出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)問題：一是審查產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整，通過處理虛擬件、添加中間件等，可形成初步的裝配結(jié)構(gòu)方案；二是進(jìn)行產(chǎn)品功能劃分，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行裝配模塊的定義和分類，提高產(chǎn)品裝配系統(tǒng)性；三是針對(duì)裝配方案按照一定要求確定裝配路線；四是在軟件中導(dǎo)入產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)模型、資源模型等，對(duì)裝配工藝適用性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果反饋至裝配規(guī)劃中，優(yōu)化調(diào)整裝配結(jié)構(gòu)，得到最精準(zhǔn)的裝配工藝方案。

3.1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

企業(yè)產(chǎn)品裝配工藝具體設(shè)計(jì)是指對(duì)裝配方案中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編輯和設(shè)計(jì)，和裝配關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息包括裝配工藝信息、三維模型、仿真動(dòng)畫、生產(chǎn)要素信息等。裝配工序節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息包括工序操作流程、工序信息、工藝技術(shù)類型、零件配套信息等。裝配工步節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息主要包括裝配工步實(shí)施流程、裝配工步基本信息、零件信息和裝配資源信息等。

3.1.3 審核階段

裝配工藝是產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的重要環(huán)節(jié)之一，也是對(duì)裝配操作的一類技術(shù)指導(dǎo)方法，零件裝配工藝設(shè)計(jì)效果會(huì)直接影響最終裝配質(zhì)量。因此，要針對(duì)裝配工藝規(guī)劃進(jìn)行嚴(yán)格審核，通過會(huì)簽審核、校對(duì)審核等，確保裝配工藝設(shè)計(jì)具有較高標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 三維裝配工藝信息管理技術(shù)

在完成三維裝配工藝設(shè)計(jì)后要進(jìn)行裝配工藝信息發(fā)布和管理，將設(shè)計(jì)好的裝配技術(shù)信息以數(shù)據(jù)形式發(fā)布到裝配現(xiàn)場，指導(dǎo)裝配作業(yè)的開展。裝配工藝信息發(fā)布主要包括以下兩部分：一是信息管理；二是可視化裝配工藝文檔發(fā)布。產(chǎn)品三維裝配手段設(shè)計(jì)中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，實(shí)際設(shè)計(jì)中使用的數(shù)據(jù)信息包括產(chǎn)品EBOM、零件信息和模型信息等，還包括裝配資源以及工藝知識(shí)等[2]。在裝配工藝設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有物料資源需要、工藝流程、裝配規(guī)程等信息，還包含工藝審核及工藝變更等信息，這些信息類型較復(fù)雜，要構(gòu)建三維裝配工藝仿真模型，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)整合，便于之后的使用和管理。在文檔發(fā)布環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)需求將通過裝配方案從數(shù)據(jù)庫中檢索到的工藝數(shù)據(jù)，如仿真動(dòng)畫、工裝工具、三維模型等按照信息映射規(guī)則傳遞給系統(tǒng)功能模塊，得到裝配工藝設(shè)計(jì)文檔。

4 三維裝配工藝在產(chǎn)品生產(chǎn)裝配中的具體應(yīng)用

三維裝配工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)是在數(shù)字樣機(jī)基礎(chǔ)上，以工藝規(guī)程為核心，在產(chǎn)品裝配制造中，通過傳遞數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建數(shù)字化模型，確保裝配工藝開展過程中，模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，能實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)的同步進(jìn)行。

4.1 裝配工藝發(fā)布流程

裝配工藝在企業(yè)裝配生產(chǎn)中有著重要應(yīng)用，是一種指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)的技術(shù)文件。設(shè)計(jì)人員針對(duì)產(chǎn)品裝配樣圖和驗(yàn)收條件進(jìn)行分析，加大對(duì)產(chǎn)品工藝特點(diǎn)的檢查，明確裝配產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)形式；結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)工藝特點(diǎn)，可進(jìn)行產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)的劃分，確定裝配標(biāo)準(zhǔn)，在完成系統(tǒng)功能單元?jiǎng)澐忠约皹?biāo)準(zhǔn)確定后進(jìn)一步規(guī)范裝配順序；明確裝配順序后，應(yīng)將產(chǎn)品裝配流程分成多個(gè)裝配操作工序，銜接好各個(gè)工序內(nèi)容，并結(jié)合實(shí)際裝配要求進(jìn)行裝配資源的選擇及調(diào)整；在完成工藝手段設(shè)計(jì)后，應(yīng)進(jìn)行裝配工藝編制，得到具體的技術(shù)文件；進(jìn)行工藝校對(duì)，從實(shí)際裝配要求出發(fā)，及時(shí)修正不符合裝配標(biāo)準(zhǔn)的工藝手段。在達(dá)到審核標(biāo)準(zhǔn)后，才可將技術(shù)文件應(yīng)用到現(xiàn)場操作中；將紙質(zhì)文件發(fā)送到裝配現(xiàn)場，進(jìn)行操作行為的指導(dǎo)。

4.2 三維工藝分析系統(tǒng)

三維工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)主要利用信息化技術(shù)，構(gòu)建三維工作站，用來收集三維模型數(shù)據(jù)。在仿真軟件的信息管理系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和整合，發(fā)揮該系統(tǒng)的協(xié)同作用，幫助企業(yè)將工程以及采購功能同時(shí)合并到一個(gè)桌面環(huán)境中，保證產(chǎn)品生命周期的全過程管理，以及針對(duì)零件重用、資源配置的管理能夠?qū)崿F(xiàn)[3]。由此可知，對(duì)于企業(yè)來說，應(yīng)重視三維工藝規(guī)劃平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用，在該平臺(tái)中完成裝配操作，能加強(qiáng)各個(gè)裝配環(huán)節(jié)的銜接性，在連續(xù)裝配過程中提高裝配質(zhì)量及效率。

4.3 各部門協(xié)商共同參與平臺(tái)建設(shè)

在同步進(jìn)行上述設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，需要裝配工藝開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行有效溝通，針對(duì)產(chǎn)品裝配內(nèi)容及方法進(jìn)行協(xié)商，在有效溝通中，確保零件裝配過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的完整性及真實(shí)性。進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，要在現(xiàn)有裝配工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行新方法、新工藝的研發(fā)，提出使用這些新方法時(shí)，相關(guān)人員要做好的工作。

4.4 裝配工藝可視化仿真平臺(tái)

通過建立一個(gè)基于信息化技術(shù)的裝配流程仿真環(huán)境，進(jìn)行仿真建模，在不建立實(shí)際模型的條件下，裝配工藝設(shè)計(jì)人員在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中針對(duì)產(chǎn)品裝配流程進(jìn)行討論和分析。同時(shí)，用系統(tǒng)的動(dòng)畫錄像功能，錄制裝配工藝全過程，將裝配工藝以動(dòng)畫形式呈現(xiàn)出來，為裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)提供有效平臺(tái)。還可借助終端設(shè)備，將裝配工藝實(shí)施過程展現(xiàn)給裝配人員。在三維技術(shù)運(yùn)用下，直觀的指導(dǎo)裝配過程，提高裝配效率和質(zhì)量，并能節(jié)省時(shí)間和成本。

5 結(jié)論

綜上所述，基于三維數(shù)字化技術(shù)的裝配工藝在企業(yè)生產(chǎn)制造中有著廣泛運(yùn)用，由于其具有可視化特點(diǎn)，便于裝配人員學(xué)習(xí)和應(yīng)用，使其在機(jī)械制造領(lǐng)域有著較好發(fā)展前景。在進(jìn)行裝配過程仿真的情況下，明確產(chǎn)品性能影響因素，對(duì)產(chǎn)品裝配性質(zhì)進(jìn)行分析，并在集中處理平臺(tái)中完成裝配制造，提高裝配質(zhì)量和效率。