江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司  對裝配可行性仿真需要建立支持發(fā)動機制造的數(shù)字化仿真環(huán)境，包括發(fā)動機零件產(chǎn)品數(shù)模、標準件和工裝數(shù)模等;按照發(fā)動機裝配單元，確定裝配流程，建立裝配仿真環(huán)境，檢驗工裝夾具的可用性，降低工裝設計的返修率，開展裝配可行性仿真分析的試點應用。本文將重點闡述裝配仿真的方案思路和關(guān)鍵技術(shù)。

一、前言

國外在飛機制造業(yè)應用三維數(shù)字化技術(shù)大至可分為三個階段：部件數(shù)字樣機階段(1986～1992)，全機數(shù)字樣機階段(1990～1995)，數(shù)字化生產(chǎn)方式階段(1996～2003)。波音公司在進行X-32產(chǎn)品裝配工作時，工人佩帶一種掛在腰間的微型計算機，該機通過單目鏡片，能把裝配順序和裝配部件狀態(tài)投射到正在裝配的部件上方，讓工人方便直觀地進行裝配工作，無需再細讀圖樣，翻閱工藝文件，使裝配周期縮短50%，成本降低30%～40%。

目前在國內(nèi)整個飛機制造過程中處于重要地位的發(fā)動機裝配過程基本沿襲了數(shù)字量傳遞與模擬量傳遞相結(jié)合的工作模式，裝配工藝的設計仍然停留在二維產(chǎn)品設計為主的基礎上，與三維CAD模型沒有建立緊密的聯(lián)系，無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關(guān)的制造資源緊密結(jié)合在一起，實現(xiàn)裝配過程的仿真，無法在工藝設計環(huán)境中進行三維的虛擬工藝驗證。零部件能否準確安裝，在實際安裝過程中是否發(fā)生干涉，工藝流程、裝配順序是否合理，裝配工藝、裝備是否滿足裝配需要，裝配人員及裝配工具是否可達、裝配操作空間是否具有開放性等一系列問題無法在裝配設計階段得到有效驗證。

二、裝配仿真分析

在發(fā)動機工藝編制中，對發(fā)動機進行虛擬裝配仿真可預先對發(fā)動機的工藝路線，裝配方法，裝配路徑的合理性以及零部件的可裝配性進行分析，以便確定最優(yōu)的研制方案，為發(fā)動機的設計制造提供了技術(shù)支持和保障，這對于復雜系統(tǒng)的研制具有十分重要的意義。

可裝配性仿真即裝配可行性仿真，涉及到產(chǎn)品裝配工藝的各個方面，其主要包括以下幾個問題。

裝配的可達性，即是否能裝得上。

裝配的流程，即零件裝配的順序和工序安排。

裝配工裝的驗證。

裝配人員的可操作性。

結(jié)合工廠實際情況，在已實施的數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)應用的基礎上，選擇噴管部件作為分析對象，開展裝配可行性仿真分析。

三、裝配仿真過程

1.裝配仿真環(huán)境

首先搭建裝配仿真環(huán)境，裝配仿真的方案軟件構(gòu)成如圖1所示。

建立一個基于統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)的設計制造協(xié)同環(huán)境(TCM-Teamcenter Manufacturing)，以電子化、結(jié)構(gòu)化工藝的形式進行裝配工藝規(guī)劃，同時提供裝配工藝分析和優(yōu)化工具，進行裝配工藝的模擬和優(yōu)化。系統(tǒng)能夠有效管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，工藝、工序和工部數(shù)據(jù)，工具工裝設備等生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)，工廠、生產(chǎn)線和裝配區(qū)等生產(chǎn)布局數(shù)據(jù)及上述數(shù)據(jù)之間的有機聯(lián)系。

(1)軟件功能

裝配工藝仿真環(huán)境Process Simulation可以滿足一般的仿真要求，但不具備軟管仿真功能。也不具備指定安裝路徑(例如，沿曲線滑槽行走)的功能，但可以采用遇干涉即停功能建立仿真路徑(例如，沿曲線滑槽行走)，其與實際安裝過程較為接近。

(2)硬件環(huán)境

本次裝配仿真方案的硬件構(gòu)成如表所示。

本次噴管裝配仿真所配置的計算機硬件在經(jīng)過數(shù)模的輕量化(JT)轉(zhuǎn)換后，由于沒有考慮工裝因素，基本可以滿足噴管裝配仿真。但對于部件較大(零件數(shù)量大于2000個)且考慮工裝的情況，尚需提高計算機硬件配置。對于大型部件的裝配仿真，影響的因素主要是計算機的顯示卡。依據(jù)Siemens的仿真硬件指南“Tecnomatix Hardware Requirements.pdf”的要求，可考慮采用與要求規(guī)格相符或不低于的顯示卡。

2.裝配仿真數(shù)據(jù)

數(shù)字化裝配仿真是針對裝配制造過程的一種仿真分析活動，所涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)量很大，裝配仿真所要使用的數(shù)據(jù)如下。

產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息EBOM;

資源三維數(shù)模、工裝夾具、樣板及設備等;

裝配工藝、工位、操作、工時及順序;

零件公差和裝配定位;

成本;

工廠設施;

物流和運輸。

上述這些數(shù)據(jù)在一個統(tǒng)一的TCM管理平臺中進行管理，工藝人員在需要做裝配仿真的時候直接從TCM中獲取數(shù)據(jù)，建立仿真模型，仿真結(jié)果也將存儲在TCM中進行統(tǒng)一管理。裝配仿真數(shù)據(jù)都基于JT輕量化格式，可以從NX數(shù)據(jù)中直接獲取，并且在PDM管理，將JT數(shù)據(jù)從產(chǎn)品設計擴展到制造工藝仿真上。

3.信息(數(shù)據(jù))傳遞過程

制造過程可以抽象為一個由產(chǎn)品、工藝流程和資源三要素組成的流程模型。Teamcenter在規(guī)劃產(chǎn)品的生產(chǎn)時，把實際的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、所需的制造資源、工序操作和制造特征聯(lián)系起來建立起完整的工藝產(chǎn)品、工藝流程和資源過程信息，就形成了表述清晰的工藝規(guī)劃(圖2)，它是數(shù)字化制造全過程的基本線索，它使所有工藝信息可以在企業(yè)內(nèi)部和整個企業(yè)供應鏈各環(huán)節(jié)中所有相關(guān)人員實現(xiàn)高度共享。

在數(shù)字化的工藝規(guī)劃界面(MSE)上，實現(xiàn)了產(chǎn)品三維顯示，可進行縮放、旋轉(zhuǎn)操作，計劃調(diào)度人員可以清晰地觀察產(chǎn)品的狀態(tài)變化。把工序的實施順序、各工序的名稱和實施內(nèi)容以及所需資源清楚地表示出來。Pert圖把零件、制造特征和資源與操作聯(lián)系起來。同時借助Gantt圖的功能，可以對工藝路線、工藝順序進行詳細調(diào)整。

裝配仿真是通過將PSE中的EBOM通過NX Manager生成輕量化的JT格式文件，保存在Teamcenter中，在MSE中建立工藝路線，將EBOM發(fā)送到MSE中進行零件分配形成MBOM，然后在Process Simulate中進行詳細工藝設計和仿真。對工藝的調(diào)整及仿真結(jié)果可以保存在Teamcenter中。如圖3所示。

4.基于工藝結(jié)構(gòu)順序的裝配MBOM的建立

裝配的BOM結(jié)構(gòu)是根據(jù)工藝編制中的工序順序生成的，其中包括了工藝中間件。在PDM系統(tǒng)中，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)編輯器PSE中的EBOM通過NX Manager生成輕量化的JT格式文件，與BOM建立關(guān)聯(lián)(渲染)關(guān)系，并保存在Teamcenter中。在制造結(jié)構(gòu)編輯器MSE中建立工藝路線，將EBOM發(fā)送到MSE中進行零件分配形成裝配BOM，然后在Process Simulate中進行詳細工藝設計和仿真。對工藝的調(diào)整及仿真結(jié)果可以保存在Teamcenter中。

5.工藝驗證

通過對噴管部件的仿真，驗證仿真軟件與TCM的集成性，顯示裝配工藝與裝配可行性仿真的一體化，通過裝配仿真對產(chǎn)品的裝配順序進行規(guī)劃，使零件裝配由無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，最大限度地消除由裝配順序引起的干涉，有效地提高裝配仿真的效率。

四、裝配仿真關(guān)鍵技術(shù)

1.裝配順序規(guī)劃

裝配順序規(guī)劃屬于裝配規(guī)劃中作業(yè)級規(guī)劃層次，是描述產(chǎn)品裝配過程的重要信息之一，其優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品的可裝配性、裝配質(zhì)量及裝配成本。裝配順序規(guī)劃是指裝配零部件之間的優(yōu)先關(guān)系，即在裝配過程中各零件之間的先后裝配順序約束關(guān)系，因此在充分考慮裝配順序的幾何干涉關(guān)系的同時，還從裝配工藝性的角度將裝配工藝方面的約束條件以工藝優(yōu)先關(guān)系的形式進行系統(tǒng)化考慮。在本次仿真分析中，裝配順序是采用現(xiàn)實的生產(chǎn)工藝。即在計算機虛擬環(huán)境下，驗證裝配順序，裝配路徑的合理性;檢驗零部件的可裝配性。

利用Process Simulation的Gannt圖(圖4)確定產(chǎn)品裝配和拆卸的最優(yōu)操作順序，進行裝配順序的可行性分析，從而確定最佳操作順序。

2.靜態(tài)分析

在進行裝配路徑設計之前，借助干涉檢查工具對產(chǎn)品的最終裝配位置進行干涉分析，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計問題。系統(tǒng)會用紅色或黃色標注存在干涉的位置，并輸出檢查報告。如圖5所示。

3.裝配路徑規(guī)劃

對于比較簡單裝配路經(jīng)可以利用Process Simulation通過移動零部件的位置，系統(tǒng)自動記錄該移動路徑手工建立裝配路徑。

對于復雜裝配路徑可以使用Process Simulation的Automatic Path Planner功能自動創(chuàng)建裝配路徑。該功能可以自動搜索并生成無干涉及最優(yōu)的路徑。

4.動態(tài)分析

在裝配順序和路徑規(guī)劃中，利用Process Simulation遇干涉即停(Stop-On-Collision)功能可以在發(fā)現(xiàn)沖突或不合要求時自動中止仿真進程，從而在整個過程中能夠注意并解決問題。如圖6所示。

五、結(jié)語

通過對一個裝配體的仿真分析，初步探索可裝配性分析和裝配精確性分析在航空發(fā)動機上的應用，三維數(shù)字化裝配工藝設計和裝配過程仿真系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)勢。

(1)在產(chǎn)品實際(實物)裝配之前，通過裝配過程仿真，及時地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計、工藝設計及工裝設計存在的問題，有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配干涉等問題而進行的重新設計和工程更改，保證產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。

(2)裝配仿真過程產(chǎn)生的圖片、視頻錄象直觀地演示裝配仿真，使裝配工人更容易理解裝配工藝，減少了裝配過程反復，減少了人為差錯。

(3)對新產(chǎn)品的開發(fā)，通過三維數(shù)字化裝配工藝設計與仿真，減少了技術(shù)決策風險，降低了技術(shù)協(xié)調(diào)成本。

(4)可提高企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)研制方面的快速應變能力，以適應激烈的市場競爭和不同的用戶需求。

(5)提高企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力。

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