任淑榮

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

利用數(shù)字化虛擬平臺來設(shè)計(jì)和驗(yàn)證裝配工藝是當(dāng)前產(chǎn)品裝配領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。借助數(shù)字化手段，不僅能在較短時(shí)間內(nèi)制定理想可行的裝配工藝方案，而且可以及早發(fā)現(xiàn)工裝、工具乃至產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)問題，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本，提高裝配質(zhì)量。因此，推廣應(yīng)用數(shù)字化方法對于裝配行業(yè)的革新和發(fā)展具有重要意義和價(jià)值。

汽車動力總成產(chǎn)品試制裝配是整車開發(fā)的重要一環(huán)。在以往情況下，工藝設(shè)計(jì)人員通常依靠經(jīng)驗(yàn)對產(chǎn)品裝配進(jìn)行工藝規(guī)劃，并制定規(guī)范的工藝文件來指導(dǎo)現(xiàn)場產(chǎn)品裝配。該過程周期較長，且需耗費(fèi)大量人工工時(shí)。數(shù)字化虛擬平臺的應(yīng)用可大大改善這一現(xiàn)狀，顯著提高產(chǎn)品工藝開發(fā)效率。但數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)結(jié)果往往不能直接服務(wù)于現(xiàn)場裝配工作，需要經(jīng)過人工進(jìn)一步處理，才能生成對實(shí)際裝配操作有指導(dǎo)意義的工藝文件[1]。所以在采用數(shù)字化平臺進(jìn)行裝配工藝開發(fā)時(shí)，還需注意應(yīng)根據(jù)企業(yè)的定制需求，輸出滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的裝配工藝文件。

本文基于Tecnomatix數(shù)字化虛擬軟件，以某型汽車動力總成產(chǎn)品為研究對象，對其裝配工藝進(jìn)行開發(fā)研究。在完成工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)上，通過對Tecnomatix軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝信息的提取和標(biāo)準(zhǔn)工藝文件的輸出。

1 Tecnomatix及PD模塊介紹

西門子數(shù)字化生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)管理軟件Tecnomatix是PLM(product lifecycle management)領(lǐng)域的領(lǐng)先者，其子模塊豐富多樣，可根據(jù)需求單獨(dú)或集成使用，擁有很強(qiáng)的工藝規(guī)劃管理和裝配仿真功能[2]。如把軟件的優(yōu)勢與企業(yè)自身產(chǎn)品特點(diǎn)結(jié)合在一起，就可以高效完成生產(chǎn)或裝配工藝規(guī)劃[3]。

PD (Process Designer) 是Tecnomatix軟件的重要子模塊之一，可以對工藝信息和裝配過程分別進(jìn)行管理和規(guī)劃。PD模塊中包括4類基本的工藝要素，分別為操作(operation)、零件(part)、資源(resource)和制造特征(manufacturing feature)。其中，操作要素是指裝配產(chǎn)品的具體實(shí)施行為，有一定的順序和邏輯關(guān)系；零件要素是指構(gòu)成產(chǎn)品的零件和部件，可表示零部件之間的相互包含關(guān)系；資源要素包括裝配過程中涉及到的工具、工裝、設(shè)備等資源，同操作要素有一致的邏輯關(guān)系，構(gòu)成雙胞胎結(jié)構(gòu)；制造特征是零件間的連接特征，主要有焊接、涂膠等。各類工藝要素集合在一起，可共同組成一個多層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品與工藝關(guān)聯(lián)在一起，并貫穿于整個產(chǎn)品裝配周期。因此，PD可為產(chǎn)品裝配提供完整的設(shè)計(jì)框架，描述復(fù)雜的產(chǎn)品工藝過程。本文將結(jié)合PD模塊的特點(diǎn)，開展動力總成產(chǎn)品裝配工藝的開發(fā)工作。

2 工藝規(guī)劃制定

工藝規(guī)劃是產(chǎn)品工藝開發(fā)的第一步，它可系統(tǒng)地表達(dá)產(chǎn)品裝配工藝路線，包含從零件到總成的每一步裝配內(nèi)容。在模塊中制定裝配工藝規(guī)劃時(shí)，需把實(shí)際的裝配工藝通過軟件語言進(jìn)行合理表達(dá)。這就要求識別該工藝所包含的關(guān)鍵信息，并將此信息與模塊的結(jié)構(gòu)內(nèi)容和功能屬性建立關(guān)聯(lián)。本文將從工步和工序定義及工藝流程設(shè)計(jì)2方面來制定產(chǎn)品工藝規(guī)劃。

2.1 工步和工序定義

在動力總成產(chǎn)品試制中，裝配工藝通常以工步和工序進(jìn)行表述。工步包含完成特定操作的一系列動作步驟；工序則是一個或多個工步的集合，包含安裝功能相對獨(dú)立部件所涉及的全部任務(wù)。在PD中完整、準(zhǔn)確地表達(dá)產(chǎn)品的裝配工藝，需要先在模塊中對工步和工序進(jìn)行定義。

在PD中，為了條理有效地表示描述工藝數(shù)據(jù)，可將操作要素設(shè)為工藝信息的基本載體，以其為中心將零件要素、資源要素和制造特征要素關(guān)聯(lián)起來，如圖1所示。可以看出，一個操作節(jié)點(diǎn)便可以完整地表達(dá)一項(xiàng)具體工藝環(huán)節(jié)所涵蓋的內(nèi)容。進(jìn)一步地，將多個操作節(jié)點(diǎn)按照一定的原則有機(jī)地結(jié)合在一起，就能建立起系統(tǒng)的工藝模型。所以，可將產(chǎn)品裝配的工步和工序映射到相應(yīng)的操作節(jié)點(diǎn)概念中來，便能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝在PD中的完整呈現(xiàn)。本例中，將名為復(fù)合操作(compound operation)的操作節(jié)點(diǎn)定義為動力總成產(chǎn)品裝配工步，將高一層級的名為工位操作(Pr station process)的操作節(jié)點(diǎn)定義為工序，通過操作結(jié)構(gòu)樹圖來表達(dá)產(chǎn)品的裝配工藝，如圖2所示。

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

裝配工步和工序定義完成后，就可按照產(chǎn)品原型和裝配結(jié)構(gòu)，在PD中進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)。動力總成產(chǎn)品的裝配工藝流程主要包括裝配序列規(guī)劃、零件信息描述、裝配步驟表達(dá)、工具和工裝使用、圖片示意等。本文把以上工藝信息與各操作節(jié)點(diǎn)聯(lián)系在一起，使所有工藝流程信息體現(xiàn)在操作結(jié)構(gòu)樹中。

在PD中，產(chǎn)品裝配先后順序可用操作樹節(jié)點(diǎn)的上下次序來表示。但產(chǎn)品裝配序列設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程，涉及工裝和工具的可達(dá)性和操作空間[4]。對于傳統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)者往往根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和知識進(jìn)行設(shè)定，但常常由于客觀局限致使某些環(huán)節(jié)出錯，需要經(jīng)過多次修正和優(yōu)化才能得到最終的方案。本例將基于Tecnomatix軟件，采用更為準(zhǔn)確和高效的仿真方法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃。首先根據(jù)產(chǎn)品模型和零件結(jié)構(gòu)樹來理清裝配結(jié)構(gòu)。按照可拆即可裝的原則，對產(chǎn)品進(jìn)行逐級拆解和試安裝。在此過程中將涉及到的工具和工裝進(jìn)行引用和檢驗(yàn)，并優(yōu)化工裝和工具的可達(dá)性。在得到合理的拆解順序后將整個序列取反，并為操作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工步和工序定義，就能獲得產(chǎn)品最終的裝配序列。

在制定裝配產(chǎn)品裝配序列的同時(shí)，可將每工步所需的零件、資源和制造特征與相應(yīng)的操作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，則該節(jié)點(diǎn)的屬性中便含有了零件信息，工具、工裝和設(shè)備信息及制造特征信息。零件裝配步驟、物料工位信息、示意圖片等其他相關(guān)的工藝信息，也可以錄入到操作節(jié)點(diǎn)屬性框的對應(yīng)位置。這樣，產(chǎn)品裝配工藝流程便全部輸入到PD模塊中。

3 軟件二次開發(fā)

工藝規(guī)劃制定完成后，還需要將它按照企業(yè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行導(dǎo)出并發(fā)布，對產(chǎn)品裝配人員進(jìn)行操作培訓(xùn)和指導(dǎo)。本例中，包含序號、零件號、零件名稱、數(shù)量、工位編號、步驟描述、詳細(xì)描述、工裝/設(shè)備名稱、工裝編號、技術(shù)要求、是否關(guān)鍵工藝及圖解在內(nèi)的工藝信息均需導(dǎo)出，為Excel文件。Excel文件標(biāo)準(zhǔn)模板如圖3所示。但截至目前，標(biāo)準(zhǔn)的Tecnomatix軟件并不支持該類需求。所以，為了最終導(dǎo)出符合要求的工藝文件，需要對Tecnomatix軟件進(jìn)行二次開發(fā)，通過新建插件程序，來提取工藝規(guī)劃中的數(shù)據(jù)信息，并輸出到標(biāo)準(zhǔn)的工藝模板中。

3.1 二次開發(fā)方法

本文采用Tecnomatix提供的.Net API方法進(jìn)行二次開發(fā)。此方法所開發(fā)出的應(yīng)用程序與軟件本身結(jié)合緊密，具有響應(yīng)好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。而且，該方法具有跨平臺兼容性，因而可借助多種平臺，將開發(fā)出的插件程序工具集成在Tecnomatix軟件中[5]。本文選擇VisualStudio2010平臺，采用C#語言進(jìn)行程序代碼編譯。

3.2 二次開發(fā)功能

3.2.1 工藝信息提取功能

工藝信息提取是插件程序首要具備的功能，而實(shí)現(xiàn)該功能的前提是要設(shè)置全局變量。以下程序結(jié)構(gòu)用于定義Tecnomatix中一個工步節(jié)點(diǎn)的相關(guān)屬性：

struct opSheet

{

public string

sequence;

public string

partNo;

public string

partName;

public string partNumber;

public string

station;

public string sheetName;

public string description;

public string fixtureName;

public string fixtureNo;

public string tecnicalRequire;

public string

keyFalg;

public string[] attachedFiles;

}

全局變量設(shè)定完成后，需從所選裝配工藝所包含的所有工步節(jié)點(diǎn)屬性中獲取相應(yīng)的工藝信息。這可通過調(diào)用Tecnomatix API中自帶的GetSheetContent ()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)該功能。

3.2.2 工藝信息導(dǎo)出功能

本例中需要將從Tecnomatix中提取的工藝信息，按照既定格式導(dǎo)出至Excel模版，這可通過調(diào)用Window Office的API中ExportTemplateExcel () 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。在程序中將工藝信息設(shè)定在Excel sheet頁中的對應(yīng)位置，便可以把不同類別的工藝信息寫入到對應(yīng)的單元格中。

3.2.3 對話框功能

在實(shí)現(xiàn)工藝信息提取和導(dǎo)出的基礎(chǔ)上，還需要建立對話框程序，實(shí)現(xiàn)模板選定、導(dǎo)出工藝范圍選定、文件保存位置選定等人機(jī)交互功能[6]。本例中建立的對話框如圖4所示。通過選定模板及工序、工步范圍，最終將工藝信息導(dǎo)出，成為符合標(biāo)準(zhǔn)的Excel工藝文件。

4 實(shí)例驗(yàn)證

以動力總成產(chǎn)品裝配工藝中“A010缸體機(jī)加工”這一工序?yàn)槔?，進(jìn)行前述工藝開發(fā)的實(shí)例驗(yàn)證。首先，在PD中新建項(xiàng)目，建立該工序操作結(jié)構(gòu)樹，如圖5所示。將零件與相應(yīng)工步進(jìn)行關(guān)聯(lián)，零件信息就會出現(xiàn)在該工步節(jié)點(diǎn)的屬性中，如圖6所示。采用同樣的方法將工具、工裝與相應(yīng)的工步進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并把涉及到的其它工藝信息填寫到工步節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的屬性框中，如圖7示。至此完成了該工序的工藝規(guī)劃工作。

接下來，對該工序的工藝信息進(jìn)行提取和導(dǎo)出。首先，在PD中啟動二次開發(fā)程序，彈出對話框如圖8所示。然后，在對話框中，先選擇新建模板并選定標(biāo)準(zhǔn)模板；在“選擇工作表”框中選擇“Blank”，表示將工藝信息導(dǎo)出到新的Excel表格Sheet中；點(diǎn)擊“新工作表名” 框，并全選該工序下5個工步，表示工藝信息的提取范圍，此時(shí)框內(nèi)會自動出現(xiàn)該工序名 “A010 缸體機(jī)加工”，以其來命名新生成的Sheet。最后，選定文件保存位置，點(diǎn)擊保存按鈕，數(shù)據(jù)導(dǎo)出成功，如圖9所示。至此，該工序的工藝信息便全部提取并導(dǎo)出到標(biāo)準(zhǔn)Excel模板上，如圖10所示。

5 結(jié)論

本文基于Tecnomatix數(shù)字化虛擬軟件，對某汽車動力總成產(chǎn)品的裝配工藝進(jìn)行開發(fā)研究，制定了工藝規(guī)劃方案，并對Tecnomatix軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了工藝信息提取和導(dǎo)出功能，最終輸出符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工藝文件?？梢钥闯?，該技術(shù)方案涵蓋了產(chǎn)品裝配工藝開發(fā)從規(guī)劃到文件輸出的全過程，對企業(yè)在該領(lǐng)域的實(shí)踐提供了一種全新的思路。另外，該技術(shù)方案不僅僅局限于汽車動力總成產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)，還可推廣應(yīng)用到其它行業(yè)的產(chǎn)品裝配工藝開發(fā)中。