三維裝配工藝設計及車間指導

隨着機械產品的複雜性越來越高,其對功能和性能指標的要求不斷提高,先進製造技術在複雜製造中的作用越來越重要。對於包括飛機、船舶等在內的複雜產品,裝配是製造過程中的最後一個環節,也是一個重要環節,採用數字化手段來提高裝配設計和製造的效率和質量是先進製造技術的重要發展方向之一[1-3]。


目前國內的數字化裝配產品主要面向裝配工藝設計及控制[4],是實施並行工程的支撐技術,對縮短產品開發週期、提高設計質量、降低裝配成本具有顯著作用。從根本上講,這些作用通過驗證和改進產品的可裝配性體現出來。例如採用3DCAPP系統進行裝配工藝的設計和仿真,採用數字化手段提高裝配工藝的可理解性;在裝配執行現場,進行裝配過程的數字化控制,將裝配的質量控制與裝配過程進行結合,進行數字化裝配工藝選配等[5]。


本文概述了某企業以複雜產品的裝配工藝設計、裝配現場控制爲目標,應用了一個適用於裝配執行過程的數字化管理平臺系統,實現了裝配工藝的可理解性的提高、裝配進度的跟蹤和控制、數字化選配、裝配質量控制等,可爲其他類似企業提供參考。


1 三維裝配需求分析


複雜產品的生產過程中大約1/3的人力在從事有關產品裝配活動,裝配工作佔整個產品生產工作量的40%~60%,裝配費用佔製造總費用的30%~40%,若在裝配中發生問題,將增加多達40%的製造費用。不難發現,裝配的效率和質量直接影響產品的整體生產週期和成本。而根據企業已定設計方案和現有加工水平,通過良好的裝配工藝設計將裝配質量和效率提高是對產品最終質量和性能的最終把關,可做到:將上游機械加工的誤工工時進行彌補以保證交貨期;將上游機械加工所產生的質量問題及時發現和解決。


複雜產品的生產週期多呈現多品種、小批量甚至單件生產的特點,裝配製造是上游機加製造和下游產品維修保修的中間環節,而現有裝配工藝的描述主要依靠自然語言,輔之以一定的二維裝配示意圖,從內容和形式上講,其細化程度、可理解性、工藝指導性還需進一步提高,裝配環節經常會出現錯裝和漏裝事故,裝配過程管理和質量控制粗放,對產品性能的把握根本無從談起。


面對以上情況,企業利用有效計算機輔助手段,着力縮短裝配週期以提高產能,提升裝配質量以保證產品使用安全性,優化協調裝配工裝和人工操作以控制成本。做到以上三點,企業才能在需求多變的市場環境中生存和發展。


2 三維裝配系統設計


基於以上幾點需求,結合目前的企業信息化現狀,可知能夠改善我國複雜產品裝配技術,爲裝配工藝帶來技術性革命的手段之一,就是採用數字化裝配技術。而目前技術較爲成熟、應用效果已有一定顯現的數字化裝配技術即——基於三維模型的可視化裝配工藝設計與工藝信息管理技術,它通過三維可視化裝配CAPP(又稱3DCAPP)系統來實現,是一種在基於虛擬製造技術的基礎上提出的一種可視化裝配。


數字化裝配技術的研究始於20世紀90年代中前期,在美國、日本、德國、英國、加拿大等國家取得了科研成果和良好應用。國內相關技術產品稱3DCAPP,其應用處於起步到深化階段,發展迅猛、需求迫切,目前已有成熟產品問世,在相關領域得到了良好應用。


本文涉及企業經過長期的調研和選型,最終確定採用由武漢開目信息技術有限責任公司自主開發的KM3DCAPP-A產品,該產品提倡裝配工藝設計完全基於最終設計人員出具的三維模型,通過可視化的過程來進行工藝設計,並提供具企業其他信息化系統的接口,提高裝配工藝的細化程度、可理解性、工藝指導性,以及裝配工藝數據的系統集成性。


該系統充分利用輔助產品的三維模型,由裝配工藝規劃人員在計算機環境中對產品的裝配工藝過程進行交互式的定義和分析包括建立產品各組成零部件的三維模型、裝配順序、空間的三維裝配路徑、傳統裝配工藝文件編制/輸出、裝配工藝決策、虛擬仿真等,並以三維工藝來指導三維裝配製造,從而使裝配人員能更加直觀、準確、高效地完成裝配工作,提高裝配質量和效率,降低裝配時間和成本。


3 三维装配工艺应用


3.1 三维装配工艺设计


傳統的裝配工藝主要以自然語言文字來描述裝配工藝中的工序、工步和子工步等,同時輔之以二維裝配工程簡圖進行圖示化的說明。裝配製造過程大多仍採用手工作業模式,裝配工人在現場工作需要仔細翻閱大量的圖紙、工藝文件,難免錯裝、漏裝,造成裝配質量問題,影響裝配週期。


隨着三維CAD系統在企業中應用的深入開展,在三維模式下進行裝配工藝規劃已經具備了基礎條件。三維裝配工藝的優點體現在可以更加直觀地反映裝配順序和裝配路徑,能夠大幅度減少裝配環節中經常出現的錯裝和漏裝現象,提高產品質量。產品設計方案給出的是產品整機和零部件的最終狀態,而零部件從毛坯變化到最終狀態,需要經歷一系列的中間狀態。如果在機加環節中應用三維工藝規劃,則需要構造這一系列中間狀態的幾何模型,這些建模工作量非常巨大,以至於直接影響了三維工藝規劃的實際應用。而裝配工藝規劃中所涉及的產品三維模型與產品設計模型是一致的,無需額外的建模工作。因此,在裝配環節採用三維工藝規劃更具可行性。


數字化裝配可以對產品的裝配過程進行模擬與分析,對裝配方案進行快速評價,優化產品的裝配過程,及早發現潛在的裝配衝突與缺陷。模擬和預估產品裝配性能及可裝配性等方面可能存在的問題,並將裝配信息反饋給設計人員,供其修改和優化設計、提高設計質量與水平。提早確定裝配方案,可及早進入工藝計劃與準備階段、及早進行工裝設計與製造,爲設計與工藝、製造的並行提供條件,加快製造進度。


經由三維裝配工藝設計後,出具的工藝設計成果種類豐富,即可滿足車間裝配製造應用,也可滿足系統集成需求,具體出具的成果包括:裝配過程動畫仿真;系統自動輸出的傳統CAPP卡片;XML格式的集成用文件;更加詳實的產品說明書等。


图2. 三维设计输出成果图示


3.2 三維裝配車間應用


工藝設計實現三維化,其對車間裝配製造過程的指導性更強,裝配工人通過車間終端機,對裝配工藝的理解更快更透徹,避免了因設計人員和車間工人對字面理解有誤產生的錯裝、漏裝。且對於本文涉及企業來說,產品屬大型複雜裝配件,對零件的製造精度要求要遠高於一般裝配件,高精度的零件不但難於加工,而且成本也會增加。在裝配製造現場,某些關鍵重要零件(關重件)質檢的配合關係要求比較嚴格,經常出現從倉庫中按臺份領出的零部件間配合關係不能滿足要求,需要進行裝試、換件,或者補充加工等。由此易造成生產效率下降,生產週期延長,也不利於保持批生產產品的質量一致性。


通過裝配工藝設計方式的變革,幫助企業在裝配製造車間和企業實現了:


(1)  根據仿真動畫,對裝配工藝的理解更快更透徹,完全避免錯裝和漏裝;


(2)  根據仿真動畫,將裝配節奏把握較準確,裝配順序不再出錯,避免浪費時間和人力;


(3)  根據工藝提出的裝配製造資源需求,在裝配工作準備階段準備到位;


(4)  依據設計圖紙,針對每一個需要進行控制的關鍵配合尺寸,構造出通過關重件關鍵尺寸計算出關鍵配合尺寸的數學模型;同時也記錄了關鍵配合尺寸的公差帶;


(5)  仿真動畫和產品說明材料作爲更加直觀的產品推介和動態的用戶手冊,使客戶可以更加清晰的認識產品;


圖3. 三維裝配工藝車間發佈及終端瀏覽圖示


4 结束语


將數字化和三維化技術應用於複雜產品的裝配生產現場的控制和管理,目前國內外還沒有比較成熟的應用案例報道。本系統在應用過程中也遇到並解決了許多技術難題,從目前的應用效果分析,在裝配執行現場應用數字化技術應用,可以較明顯地增強企業對裝配過程和裝配質量的控制能力,提高生產效率和產品質量穩定性。但後續應該在以下兩方面進行研究:


(1)  與其他企業信息系統的接口。包括PDM,ERP等系統,他們分別管理了不同層次和不同業務部門的信息,但都需要與裝配現場的信息進行交互。需要對其信息交互的模式和統一的數據接口進行研究;


(2) 優配方法的進一步研究。目前作者實現的優配模型只是解決了零件之間的簡單配合關係。而在企業實際應用中,考慮到複雜尺寸鏈、以及綜合考慮形位公差的優配模型還需要進行進一步的研究。


參考文獻


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[2]A Banetjee,PBanerjee,NYe,FDechv. Assembly P1anning Effectiveness using Virtual Reality, Prcsence[J], 1999,8(2):204-217


[3]徐國學,陳卓寧,嚴曉光.基於ACIS的裝配過程仿真的建模與干涉檢驗[J].機械工程師.2005,12:88-90


[4]鄒方.飛機制造中數字化柔性裝配技術的發展[J].製造業自動化.Vol.27,2005,12:264-270



[5]陶品.虛擬裝配仿真平臺的研究與實現[J].系統仿真學報,200l,6:704-706