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装配工艺规划和仿真

1.业务挑战

       当前大型装备制造业的产品结构普遍比较复杂,产品配套的零件品种和数量众多。如何将数量繁多、结构复杂的零件按规定的技术要求进行组配和连接,使之成为半成品或成品的工艺过程,就是装配工艺所要研究的内容。由于产品的复杂性,导致了产品装配过程的复杂性,是影响产品制造周期最主要的因素。产品装配在整个制造过程中,占据了很重要的地位。据统计,产品的装配费用占整个生产成本30%~50%乃至更高,因此以提高质量和效率、降低成本为目标,对产品装配工艺进行改进和再规划,是增强制造业竞争力的重要环节。
       企业要在最短的时间内高质量完成产品的制造任务,加快新产品的研制,必须在设计和制造观念及手段上突破传统方法,从过去的凭经验,依靠物理试验的方法转变为采用数字化仿真技术,采用先进的软件工具来协助设计、工艺人员进行装配分析、装配规划、进一步保证装配质量、缩减装配周期。
       目前在很多企业中主要依赖于二维设计手段,在失去三维模型的准确性和直观性的同时,也使得基于三维几何模型的工艺仿真与验证过程无从谈起。主要强调工艺规划,缺乏基于三维几何模型的工艺规划的验证和持续改进。产品的工艺设计过程主要依赖个人工作经验和空间想象力,导致企业对于有经验的工艺师和工人依赖性很强,经常容易发生装配干涉、装配顺序不合理、路径不优化等问题,设计结果(工艺卡片)的表达方式也主要依赖二维表达方式,表现手段单一,表达方式不直观,手段不丰富,需要操作人员具有较强的读图和空间想象能力。从而导致现场验证成本高,新产品推出周期长,不利于企业的创新和发展。
       在目前企业已经大量使用三维设计手段的今天,这种主要利用二维图信息来进行工艺设计的方式已经不能适应企业迅速发展的需要。现代制造企业为了提高竞争力,必须以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务来满足不同顾客的需求。而要达到这样的目的,在产品真正制造出来之前,在虚拟制造环境中以数字样机代替物理样机进行各种试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而大大缩短产品设计和制造周期,降低产品的开发成本,提高产品快速响应市场变化的能力。而这种虚拟制造的基础不仅仅是在产品设计过程中实现精确的三维实体造型,而且涉及基于三维实体造型的工艺规划、加工、装配及维修等一系列过程,例如基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验、材料加工成型仿真、产品虚拟装配等。

2. 解决方案

        装配工艺与仿真建立于企业PLM平台之上,由流水分工、MBOM创建、结构化工艺设计、工艺仿真与优化、可视化工艺输出、工艺统计报表部分组成,并实现各环节的数据管理,与PLM系统共用制造资源库。系统与产品设计、工装设计、维护维修、试验测试等系统实现数据共享和协同,与ERP、MES实现系统集成,如下图所示。
 
          Teamcenter Manufacturing是数字化工艺的主要功能模块,它建立于企业PLM平台Teamcenter之上,使得工艺设计与管理成为企业PLM平台中的一个有机部分,实现了与PLM共享统一的产品数据,实现统一的可视化、更改、流程、权限、文档管理,共享应用工具和集成工具,如下图所示。
基于Teamcenter Manufacturing的数字化工艺平台
       装配工艺规划所涉及的信息类型主要包括EBOM、MBOM、工艺路线以及工艺规程(BOP)。具体来说,工艺人员以设计部门发放的针对特定型号的EBOM(包含产品设计信息、结构信息以及零件信息)作为输入信息,企业最佳实践知识及以往的工艺设计经验,并参考企业现有的生产组织形式、可利用的制造资源以及相关的工艺规范等,定义用于装配此产品的工艺路线。针对工艺路线里的每一道工序(或子工艺),工艺设计内容包括该工序(或子工艺)的装配方法、装配工位、装配对象(中间件及消耗物料)及装配次序等信息。以此为基础,工艺路线里的设计内容得到进一步的丰富,包含每道工序所需的装配资源信息(包括设备、工夹量具、工人技能水平等)、工序图、在制品模型、测试及质量控制信息、装夹及测量的注意事项、材料及工时定额信息等。如有必要,可将工序细分为工步或工序前准备,并进一步阐明工作内容细节。工艺规程经过验证及优化后,以电子或纸张的形式输出为工艺卡片,用于指导装配生产线上的制造工程师和工人实施产品装配过程。
         基于MBD的装配工艺仿真解决方案把装配工艺仿真放在PLM环境中统一考虑,提供在PLM环境下的装配工艺仿真能力。可以与数字化装配工艺规划结合起来,以方便地验证装配工艺规划的准确性和合理性。
        MBOM编制
        基于EBOM编制MBOM;
        实现MBOM与EBOM的关联;
        实现MBOM与EBOM协同一致的更改和构型管理
        MBOM向ERP、MES系统传递。
基于EBOM构建MBOM
        装配工艺设计
        基于与EBOM关联的MBOM编制装配工艺,装配件与工序对应,实现按工序配料;
        基于产品模型在可视化的数字环境中编制装配工艺,检验产品、工装和装配工艺的正确性,提高装配的一次成功率,减少现场更改;
        通过典型工艺模板和知识重用,提高新产品、新型号的工艺编制效率和质量;
        建立3D可视化工艺表现形式,明确和规范操作过程;
        工艺系统与ERP、MES系统的集成。
基于MBD的装配工艺设计
        装配工艺规程
        开放式、高度客户化编辑、制作客户文档模版;
        自动链接数据库中工艺文件信息到模版中形成文件,当数据库信息发生更新后,可以自动刷新工艺文件;
        包含产品PMI、GD&T和工艺仿真信息于一身的高度可视化工艺文档。

装配工艺规程
       装配模拟验证
       在复杂产品的装配过程中,用户经常会面临如下挑战:
       零件装配发生干涉装不上;
       装配顺序有问题;
       工装夹具发生干涉不可用;
       复杂夹具的运动动作有错误;
       工具、设备与工艺环境有冲突;
       人工装配不可行;
       因此对产品装配工艺进行仿真以提高质量和效率、降低成本为目标的虚拟仿真,是增强企业竞争力的重要环节。装配工艺仿真可缩短产品的生产周期、降低成本、提高质量。为了应对这些挑战,企业应利用其结构化的知识积累以及可重用的产品和资源三维模型,在制造过程早期仿真验证产品的制造过程,利用最新虚拟仿真技术,高效而且几乎自动地进行大量的验证试验,以确保生产以最优化的方式得以进行。
         基于MBD数字化装配工艺仿真解决方案把装配工艺仿真放在PLM环境中统一考虑,提供在PLM环境下的装配工艺仿真能力。可以与数字化装配工艺规划结合起来,以方便地验证装配工艺规划的准确性和合理性。PLM环境下的装配工艺仿真能力具有以下特点:

         装配工艺仿真所使用的数据处于系统管理之中;
         装配工艺仿真所使用的数据能方便地从装配工艺规划中直接读取;
         能够适应制造过程中大数据量的需要;
         全面的装配仿真能力,装配,运动和人因分析的统一模型和统一环境;
         全面的装配工艺仿真能力包含以下三个内容:三维动态装配过程仿真,人因工程仿真和机械运动仿真。其整体框架如图所示:

 基于TCM平台的装配仿真应用框架
        三维动态装配过程仿真
        西门子工业软件的数字化装配过程仿真提供了先进的工具和手段,它给工艺人员提供了一个三维的虚拟制造环境来验证和评价我们的装配制造过程和装配制造方法。在此环境下,设计人员和工艺人员可同步进行装配工艺研究,评价装配的工装,设备,人员等影响下的装配工艺和装配方法,检验装配过程是否存在错误,零件装配时是否存在碰撞。它把产品,资源和工艺操作结合起来,来分析产品装配的顺序和工序的流程,并且在这装配制造模型下进行装配工装的验证,仿真夹具的动作,仿真产品的装配流程,验证产品装配的工艺性,达到尽早发现问题,解决问题的目的。
       工艺规划人员在装配工艺仿真中可以在产品开发的早期仿真装配过程,验证产品的工艺性,获得完善的制造规划。交互式或自动地建立装配路径,动态分析装配干涉情况,确定最优装配和拆卸操作顺序,仿真和优化产品装配的操作过程。甘特图和顺序表有助于考察装配的可行性和约束条件。运用这一分析工具,用户可以计算零件间的距离并可以专门研究装配路径上有问题的区域。在整个过程中,系统可以加亮干涉区,显示零件装配过程中可能实际发生的事件。用户也可以建立线框或实体的截面以便更细致地观察装配的空间情况,帮助用户分析装配过程并检测可能产生的错误。动态装配仿真的软件环境如下图所示。
虚拟动态装配仿真
        装配过程中,更多的装配问题与现场的装配环境相关。所以动态装配过程仿真在复杂的工装、夹具、设备环境下对复杂的零部件的装配更能发挥作用。下图是对复杂的型架和夹具所做的三维动态装配仿真。以便在工装夹具在投入制造以前,对工装夹具的可行性进行评估。
复杂装配仿真应用场景
        人因工程仿真
       人因工程仿真能用来解决下图提出的一些问题(如:人机交互时候的可视、可达与可装配性等装配工艺可行性问题),此外还能应用在产品的维修领域和对工时定额的研究方面。
复杂产品装配环境下人因工程应用分析
         人因工程仿真能详细评估人体在特定的工作环境下的一些行为表现,如动作的时间评估、工作姿态好坏的评估、疲劳强度的评估等。可快速的分析人体可触及范围,分析人体视野,从而来分析装配时人体的可操作性和装配操作的可达性。还可以分析人体最大或最佳的触手工作范围, 帮助改善工位设计。能进行动作时间分析,系统支持MTM-1/2工时定额评估标准来达到工位能力的平衡。简化工作及提高效率。系统提供多种人体建模模型标准,以及全面的人因评价标准,具有完善的评价体系和更为柔性的动作仿真功能。下图是具体应用实例。
人机仿真应用场景
         机械运动仿真
         机械运动仿真可对装配过程中的运动资源,如夹具的动作,零件的搬运,设备的动作等进行模拟,用以检查在运动资源的运动过程中是否会发生碰撞,研究运动动作的协调和配合,研究整个过程的操作时间。特别对复杂的机械设备,如机器人等,可仿真其运动轨迹,检查资源的可用性。机械运动仿真包含了机械运动定义的功能,支持反向运动求解算法,能自动计算运动构件的联动效果。具有运动分析快速,灵活,使用方便的特点。下图是在航天飞机外太空运行中大型机器人设备安装仿真。
航天飞机外太空姿态仿真

3.价值定位

        基于MBD数字化制造系统中装配工艺仿真装配为改进产品装配制造过程提供了一个全新的方法和手段,来研究产品的可装配性分析、装配工艺的优化,装配质量的控制,装配工装的验证,以得到保证产品质量,缩短产品生产周期的目的。
        通过在早期检测和沟通产品设计问题,降低了工程变更的数量和成本;
        通过早期的虚拟验证,减少了存在的问题,减少车间安装, 调试和量产的时间;
        通过人因仿真确保了人体操作的合理性和安全性,提高了装配的可行性;
        提高制造资源的利用率,降低了成本;
        减少了工装夹具的更改,降低了工装夹具的制造成本;
        通过仿真多个制造场景,使生产风险最小化;
        实现并行工程,装配工艺仿真可以与产品设计同步进行;
        降低制造成本;
        提高产品的制造质量。
        基于MBD的装配工艺基于设计模型进行工艺规划
        装配工艺仿真所使用的数据处于系统管理之中
        装配工艺仿真所使用的数据能方便地从装配工艺规划中直接读取
        装配工艺仿真软件与CAD软件,PDM软件,工艺管理软件在数据上保持一致
        能够适应制造过程中大数据量的需要
        全面的装配仿真能力,装配,运动和人因分析的统一模型和统一环境