三维装配工艺设计及车间指导

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三维装配工艺设计及车间指导

随着机械产品的复杂性越来越高，其对功能和性能指标的要求不断提高，先进制造技术在复杂制造中的作用越来越重要。对于包括飞机、船舶、军工产品等在内的复杂产品，装配是制造过程中的最后一个环节，也是一个重要环节，采用数字化手段来提高装配设计和制造的效率和质量是先进制造技术的重要发展方向之一。

目前国内的数字化装配产品主要面向装配工艺设计及控制，是实施并行工程的支撑技术，对缩短产品开发周期、提高设计质量、降低装配成本具有显著作用。从根本上讲，这些作用通过验证和改进产品的可装配性体现出来。例如采用3DCAPP系统进行装配工艺的设计和仿真，采用数字化手段提高装配工艺的可理解性；在装配执行现场，进行装配过程的数字化控制，将装配的质量控制与装配过程进行结合，进行数字化装配工艺选配等。

本文概述了某企业以复杂产品的装配工艺设计、装配现场控制为目标，应用了一个适用于装配执行过程的数字化管理平台系统，实现了装配工艺的可理解性的提高、装配进度的跟踪和控制、数字化选配、装配质量控制等，可为其他类似企业提供参考。

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1.三维装配需求分析
复杂产品的生产过程中大约1/3的人力在从事有关产品装配活动，装配工作占整个产品生产工作量的40%~60%，装配费用占制造总费用的30%~40%，若在装配中发生问题，将增加多达40%的制造费用。不难发现，装配的效率和质量直接影响产品的整体生产周期和成本。而根据企业已定设计方案和现有加工水平，通过良好的装配工艺设计将装配质量和效率提高是对产品最终质量和性能的最终把关，可做到：将上游机械加工的误工工时进行弥补以保证交货期；将上游机械加工所产生的质量问题及时发现和解决。

复杂产品的生产周期多呈现多品种、小批量甚至单件生产的特点，装配制造是上游机加制造和下游产品维修保修的中间环节，而现有装配工艺的描述主要依靠自然语言，辅之以一定的二维装配示意图，从内容和形式上讲，其细化程度、可理解性、工艺指导性还需进一步提高，装配环节经常会出现错装和漏装事故，装配过程管理和质量控制粗放，对产品性能的把握根本无从谈起。

面对以上情况，企业利用有效计算机辅助手段，着力缩短装配周期以提高产能，提升装配质量以保证产品使用安全性，优化协调装配工装和人工操作以控制成本。做到以上三点，企业才能在需求多变的市场环境中生存和发展。

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2.三维装配系统设计
基于以上几点需求，结合目前的企业信息化现状，可知能够改善我国复杂产品装配技术，为装配工艺带来技术性革命的手段之一，就是采用数字化装配技术。而目前技术较为成熟、应用效果已有一定显现的数字化装配技术即——基于三维模型的可视化装配工艺设计与工艺信息管理技术，它通过三维可视化装配CAPP（又称3DCAPP）系统来实现，是一种在基于虚拟制造技术的基础上提出的一种可视化装配。

数字化装配技术的研究始于20世纪90年代中前期，在美国、日本、德国、英国、加拿大等国家取得了科研成果和良好应用。国内相关技术产品称3DCAPP，其应用处于起步到深化阶段，发展迅猛、需求迫切，目前已有成熟产品问世，在相关领域得到了良好应用。

本文涉及企业经过长期的调研和选型，最终确定采用由武汉开目信息技术有限责任公司自主开发的KM3DCAPP-A产品，该产品提倡装配工艺设计完全基于最终设计人员出具的三维模型，通过可视化的过程来进行工艺设计，并提供具企业其他信息化系统的接口，提高装配工艺的细化程度、可理解性、工艺指导性，以及装配工艺数据的系统集成性。

该系统充分利用辅助产品的三维模型，由装配工艺规划人员在计算机环境中对产品的装配工艺过程进行交互式的定义和分析包括建立产品各组成零部件的三维模型、装配顺序、空间的三维装配路径、传统装配工艺文件编制/输出、装配工艺决策、虚拟仿真等，并以三维工艺来指导三维装配制造，从而使装配人员能更加直观、准确、高效地完成装配工作，提高装配质量和效率，降低装配时间和成本。


图1. 三维装配工艺系统及与上下游数据联系

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3.三维装配工艺应用
3.1 三维装配工艺设计
传统的装配工艺主要以自然语言文字来描述装配工艺中的工序、工步和子工步等，同时辅之以二维装配工程简图进行图示化的说明。装配制造过程大多仍采用手工作业模式，装配工人在现场工作需要仔细翻阅大量的图纸、工艺文件，难免错装、漏装，造成装配质量问题，影响装配周期。

随着三维CAD系统在企业中应用的深入开展，在三维模式下进行装配工艺规划已经具备了基础条件。三维装配工艺的优点体现在可以更加直观地反映装配顺序和装配路径，能够大幅度减少装配环节中经常出现的错装和漏装现象，提高产品质量。产品设计方案给出的是产品整机和零部件的最终状态，而零部件从毛坯变化到最终状态，需要经历一系列的中间状态。如果在机加环节中应用三维工艺规划，则需要构造这一系列中间状态的几何模型，这些建模工作量非常巨大，以至于直接影响了三维工艺规划的实际应用。而装配工艺规划中所涉及的产品三维模型与产品设计模型是一致的，无需额外的建模工作。因此，在装配环节采用三维工艺规划更具可行性。

数字化装配可以对产品的装配过程进行模拟与分析，对装配方案进行快速评价，优化产品的装配过程，及早发现潜在的装配冲突与缺陷。模拟和预估产品装配性能及可装配性等方面可能存在的问题，并将装配信息反馈给设计人员，供其修改和优化设计、提高设计质量与水平。提早确定装配方案，可及早进入工艺计划与准备阶段、及早进行工装设计与制造，为设计与工艺、制造的并行提供条件，加快制造进度。

经由三维装配工艺设计后，出具的工艺设计成果种类丰富，即可满足车间装配制造应用，也可满足系统集成需求，具体出具的成果包括：装配过程动画仿真；系统自动输出的传统CAPP卡片；XML格式的集成用文件；更加详实的产品说明书等。


图2. 三维设计输出成果图示

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3.2 三维装配车间应用
   工艺设计实现三维化，其对车间装配制造过程的指导性更强，装配工人通过车间终端机，对装配工艺的理解更快更透彻，避免了因设计人员和车间工人对字面理解有误产生的错装、漏装。且对于本文涉及企业来说，产品属大型复杂装配件，对零件的制造精度要求要远高于一般装配件，高精度的零件不但难于加工，而且成本也会增加。在装配制造现场，某些关键重要零件（关重件）质检的配合关系要求比较严格，经常出现从仓库中按台份领出的零部件间配合关系不能满足要求，需要进行装试、换件，或者补充加工等。由此易造成生产效率下降，生产周期延长，也不利于保持批生产产品的质量一致性。
   
通过装配工艺设计方式的变革，帮助企业在装配制造车间和企业实现了：
   (1)  根据仿真动画，对装配工艺的理解更快更透彻，完全避免错装和漏装；
   (2)  根据仿真动画，将装配节奏把握较准确，装配顺序不再出错，避免浪费时间和人力；
   (3)  根据工艺提出的装配制造资源需求，在装配工作准备阶段准备到位；
   (4)  依据设计图纸，针对每一个需要进行控制的关键配合尺寸，构造出通过关重件关键尺寸计算出关键配合尺寸的数学模型；同时也记录了关键配合尺寸的公差带；
   (5)  仿真动画和产品说明材料作为更加直观的产品推介和动态的用户手册，使客户可以更加清晰的认识产品；


图3. 三维装配工艺车间发布及终端浏览图示

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4 结束语
   将数字化和三维化技术应用于复杂产品的装配生产现场的控制和管理，目前国内外还没有比较成熟的应用案例报道。本系统在应用过程中也遇到并解决了许多技术难题，从目前的应用效果分析，在装配执行现场应用数字化技术应用，可以较明显地增强企业对装配过程和装配质量的控制能力，提高生产效率和产品质量稳定性。但后续应该在以下两方面进行研究：
  (1)  与其他企业信息系统的接口。包括PDM，ERP等系统，他们分别管理了不同层次和不同业务部门的信息，但都需要与装配现场的信息进行交互。需要对其信息交互的模式和统一的数据接口进行研究；

(2) 优配方法的进一步研究。目前作者实现的优配模型只是解决了零件之间的简单配合关系。而在企业实际应用中，考虑到复杂尺寸链、以及综合考虑形位公差的优配模型还需要进行进一步的研究。