三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)在地鐵車窗安裝中的應(yīng)用

　　三維工藝設(shè)計(jì)能夠直觀形象地對(duì)產(chǎn)品原型及車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和仿真分析，評(píng)估工藝設(shè)計(jì)和規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，如新產(chǎn)品試制之前進(jìn)行三維虛擬裝配仿真，可以檢驗(yàn)新產(chǎn)品的裝配順序、裝配空間及裝配路徑，對(duì)工藝流程進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)并不斷優(yōu)化，通過(guò)檢查裝配過(guò)程中的碰撞干涉，輸出干涉結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)部門提前分析解決問(wèn)題。

　　本文源自智能制造2020年2期《智能制造》(月刊)創(chuàng)刊于1994年，面向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行.雜志以提高企業(yè)應(yīng)用水平，追蹤技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)，報(bào)道市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)為鮮明特點(diǎn)，生動(dòng)、及時(shí)地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)。目前是CAD領(lǐng)域的專業(yè)雜志。內(nèi)容涉及制造業(yè)和IT行業(yè)兩大方面內(nèi)容，信息量豐富。

　　一、三維工藝技術(shù)的背景、現(xiàn)狀及意義

　　隨著三維工藝信息化技術(shù)適應(yīng)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和壯大，這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，這使企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和制造能力有了很大的提高，研發(fā)設(shè)計(jì)部門通過(guò)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)實(shí)施，在三維研發(fā)方面已取得了一定成果和經(jīng)驗(yàn)。但數(shù)字化工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)技術(shù)還處于初步實(shí)施階段。在全數(shù)字化產(chǎn)品建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車輛全過(guò)程的動(dòng)態(tài)裝配仿真，并在仿真過(guò)程中檢查干涉以確保所有零部件的準(zhǔn)確安裝。同時(shí)驗(yàn)證操作人員在該環(huán)境下的可視性、可達(dá)性和可操作性。直觀形象地對(duì)產(chǎn)品原型及車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、仿真分析，評(píng)估工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和能力，全面提升公司的工藝設(shè)計(jì)和制造能力。

　　二、三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)流程

　　三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)是通過(guò)將產(chǎn)品零部件及工藝裝備的三維數(shù)字模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過(guò)多種交互手段對(duì)模型進(jìn)行控制，依照制造工藝過(guò)程進(jìn)行BOM重組、定義產(chǎn)品制造工藝流程、模擬實(shí)際產(chǎn)品的裝配過(guò)程，最后輸出可視化工藝文檔的技術(shù)。三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)流程如圖1所示。

　　1、構(gòu)建虛擬場(chǎng)景

　　為了能夠真實(shí)地對(duì)產(chǎn)品的裝配過(guò)程進(jìn)行模擬，首先需要構(gòu)建出逼真的裝配車間工作環(huán)境。車間環(huán)境包括工藝裝備和臺(tái)位信息。為了能夠使工藝仿真切實(shí)反映實(shí)際的產(chǎn)品制造過(guò)程，虛擬環(huán)境應(yīng)盡可能按照實(shí)際的車間環(huán)境布局構(gòu)建，車間的形狀、工裝工具的位置和放置形式都要與車間實(shí)物保持一致。如果由于車間環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，可只構(gòu)建出對(duì)仿真對(duì)象構(gòu)成直接影響的車間環(huán)境要素。

　　2、導(dǎo)入產(chǎn)品和工藝裝備的三維模型

　　將產(chǎn)品和工藝裝備三維模型導(dǎo)入到3D 體驗(yàn)平臺(tái)中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)生成EBOM，同時(shí)對(duì)EBOM數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，該EBOM模型作為工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源頭，不能隨意更改，如需變動(dòng)也只能是來(lái)自于設(shè)計(jì)的升版數(shù)據(jù)生效，才能對(duì)工藝信息系統(tǒng)中的EBOM數(shù)據(jù)進(jìn)行更改。工藝裝備是定義工藝流程和裝配仿真過(guò)程中不可缺少的，導(dǎo)入的工藝裝備模型保存到資源樹(shù)中。

　　3、 BOM結(jié)構(gòu)重組

　　導(dǎo)入設(shè)計(jì)EBOM結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品類型數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)換成制造裝配體類型的數(shù)據(jù)即工藝MBOM，根據(jù)生產(chǎn)線布局、裝配順序及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際需求等因素對(duì)MBOM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)移調(diào)整，同時(shí)在此階段可以增加工藝輔料BOM。

　　4、定義工藝流程

　　在創(chuàng)建MBOM結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，編制各部件的安裝工藝流程，定義安裝位置、安裝工序之間的邏輯關(guān)系、安裝時(shí)間、所需工藝裝備及數(shù)量等，并將產(chǎn)品模型關(guān)聯(lián)到各安裝工序展板上。在系統(tǒng)中通過(guò)甘特圖可以查看工序之間的邏輯關(guān)系，每個(gè)展板上所關(guān)聯(lián)的三維模型即每個(gè)工序上所分配的物料，如圖2、圖3所示。

　　5、 三維裝配仿真分析

　　基于已規(guī)劃布局完成的產(chǎn)品和工藝裝備模型，以及定義完成的工藝流程，使用3D體驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中的仿真模塊編輯安裝過(guò)程的裝配順序和裝配路徑，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可視化的全三維動(dòng)態(tài)裝配仿真過(guò)程。

　　裝配過(guò)程仿真包括兩個(gè)方面：裝配順序仿真和裝配路徑仿真。裝配順序仿真是指對(duì)產(chǎn)品零部件按照工藝方案制定的裝配順序進(jìn)行三維模擬，以檢驗(yàn)產(chǎn)品所有零部件是否能夠依據(jù)裝配工藝方案設(shè)定的裝配順序裝配到位，從而評(píng)價(jià)工藝方案中裝配順序的合理性。裝配路徑仿真是指對(duì)產(chǎn)品在裝配過(guò)程中運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行模擬，以檢驗(yàn)裝配操作過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，裝配路徑規(guī)劃是否合理和最優(yōu)。

　　通過(guò)裝配干涉檢查，從而驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程中是否存在安裝干涉，當(dāng)發(fā)現(xiàn)裝配存在干涉時(shí)予以報(bào)警提示，并顯示干涉區(qū)域和干涉量，幫助設(shè)計(jì)人員查找和分析原因。

　　對(duì)工藝流程進(jìn)行虛擬仿真、分析和驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修改其中存在的問(wèn)題，通過(guò)迭代得到優(yōu)化的工藝方案，避免實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的種種問(wèn)題。

　　6、輸出三維可視化工藝文檔

　　整個(gè)裝配過(guò)程經(jīng)驗(yàn)證無(wú)誤后，在產(chǎn)品模型及工藝流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)。編輯各工序安裝工藝方法、標(biāo)準(zhǔn)及約束條件等，還可以對(duì)安裝要點(diǎn)處增加詳細(xì)視圖，最后生成三維可視化工藝文檔，發(fā)布至現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)生產(chǎn)人員操作，如圖4、圖5所示。

　　三、地鐵車窗安裝的三維工藝設(shè)計(jì)流程

　　本文借助3D體驗(yàn)平臺(tái)，將三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到地鐵車窗安裝工藝中。

　　1、構(gòu)建車窗安裝的工作場(chǎng)景

　　根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)車間布局構(gòu)建生產(chǎn)廠房及工作臺(tái)位等工作場(chǎng)景，如圖6所示。

　　2、導(dǎo)入產(chǎn)品和工藝裝備的三維模型

　　進(jìn)行車窗安裝前需準(zhǔn)備的產(chǎn)品模型包含車體、地板、塞拉門及車窗部件等，工藝裝備包含工具(盒尺、專用平尺、塞尺、膠槍、噴壺和毛筆)、工裝(廠房和工藝轉(zhuǎn)向架)等，將準(zhǔn)備好的產(chǎn)品和工藝裝備三維模型導(dǎo)入到3D體驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中，為創(chuàng)建MBOM、工藝流程及裝配仿真作準(zhǔn)備，如圖7、圖8所示。

　　4、定義車窗安裝工藝流程

　　在創(chuàng)建MBOM結(jié)構(gòu)界面的基礎(chǔ)上，將模塊切換到Process Planning模塊，編制車窗安裝的三維工藝流程，車窗安裝過(guò)程大致為窗口檢測(cè)、車窗粘接和車窗密封三步，定義各工步所用工時(shí)以及串聯(lián)的邏輯關(guān)系，將物料模型和所需工藝裝備模型拖拽到各工步對(duì)應(yīng)的展板上，如圖11所示。

　　5、車窗安裝裝配仿真

　　將車體、物料和工藝裝備模型都導(dǎo)入3D體驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行布局后，進(jìn)入裝配仿真模塊進(jìn)行編輯車窗安裝仿真過(guò)程，如圖12所示。

　　例如，將車窗粘接過(guò)程及打膠過(guò)程進(jìn)行模擬，具體過(guò)程為：將手動(dòng)吸盤(pán)固定在車窗外層玻璃上，固定牢固后放入車體鋁窗框中;用膠槍對(duì)窗口間隙處注膠，保證打膠連續(xù)、飽滿。圖13為車窗粘接及打膠的裝配路徑、裝配位置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可視化的全三維動(dòng)態(tài)裝配仿真過(guò)程。

　　裝配仿真過(guò)程完成后需要對(duì)車窗安裝進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉分析，檢查粘接車窗是否與車體窗口干涉，創(chuàng)建干涉時(shí)選擇組與組，新建制造方案選擇車窗粘接裝配路徑，模擬并生成結(jié)果，如圖14所示，可以查看車窗粘接仿真過(guò)程中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)干涉的數(shù)量，根據(jù)出現(xiàn)干涉的時(shí)間及位置分析產(chǎn)品模型的缺陷及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，再通過(guò)仿真驗(yàn)證直到?jīng)]有干涉為止。

　　6、輸出車窗安裝可視化工藝文檔

　　通過(guò)仿真分析，裝配過(guò)程驗(yàn)證無(wú)誤后需要進(jìn)行詳細(xì)的車窗安裝工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，即編制工藝文檔用于指導(dǎo)車間生產(chǎn)，如圖15所示。將模塊轉(zhuǎn)換到Work Instruction進(jìn)行編制工藝文檔，以車窗粘接工步為例，編寫(xiě)詳細(xì)的文字描述：先對(duì)車窗四周粘接面進(jìn)行表面清潔，晾置至少10分鐘后，然后進(jìn)行表面活化，晾置至少10分鐘后，最后對(duì)車體鋁窗框四周打兩圈膠粘劑，打膠要求連續(xù)、均勻和飽滿。還可以對(duì)工步中增加安裝視圖以及在視圖上進(jìn)行標(biāo)注，如圖16所示，能夠很直觀地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員操作。

　　對(duì)工序各工步編輯作業(yè)內(nèi)容后，生成車窗粘接作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，如圖17所示，車窗粘接工序生成的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，共分為三個(gè)工步：車窗樣裝、清潔活化和安裝車窗。

　　以上六步為車窗安裝完整的三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，都是基于三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在3D體驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中操作的整個(gè)過(guò)程靈活生動(dòng)，能夠完整地指導(dǎo)車窗安裝的過(guò)程。

　　四、結(jié)論

　　三維工藝設(shè)計(jì)能夠直觀形象地對(duì)產(chǎn)品原型及車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和仿真分析，評(píng)估工藝設(shè)計(jì)和規(guī)劃方案的可行性并提出優(yōu)化解決方案，如新產(chǎn)品試制之前進(jìn)行三維虛擬裝配仿真，可以檢驗(yàn)新產(chǎn)品的裝配順序、裝配空間及裝配路徑，對(duì)工藝流程進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)并不斷優(yōu)化，通過(guò)檢查裝配過(guò)程中的碰撞干涉，輸出干涉結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)部門提前分析解決問(wèn)題。

　　通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和能力，進(jìn)一步全面提升公司的工藝設(shè)計(jì)、制造能力。通過(guò)在3DEXPERIENCE平臺(tái)系統(tǒng)中對(duì)地鐵車窗安裝進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及仿真，實(shí)現(xiàn)了車窗安裝的3D MBOM搭建、工藝流程編制、動(dòng)態(tài)裝配仿真及作業(yè)指導(dǎo)書(shū)輸出，能夠形象地指導(dǎo)車間生產(chǎn)。