基于Tecnomatix的三维装配工艺设计与仿真技术研究

田富君，张红旗，陈帝江，程五四

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

随着三维计算机辅助设计（Computer A ided Design, CAD）软件的广泛应用，我国大部分制造企业已经基本采用三维CAD软件进行产品的设计。然而，在装配工艺设计方面，大部分制造企业仍然采用传统的基于二维工程图的装配工艺设计方法，这种装配工艺设计存在如下问题：首先，由于缺少直观的产品表现形式，工艺设计人员不得不根据二维工程图纸，去构想产品的装配关系，根据自己的经验规划出产品的装配方案，整个过程浪费了大量的时间；其次，传统的二维装配工艺设计缺乏仿真验证手段，导致编制出来的工艺很难指导装配，时常出现零部件错装、漏装、装不上的情况；再次，由于缺乏工装、工具等三维模型的支持，传统的二维装配工艺设计不能够对工装的合理性和工具的可达性进行验证；最后，生产现场仍然采用传统的二维装配工艺文件，经常需要工艺设计人员现场指导装配。

随着三维CAD技术和虚拟装配技术的发展，在三维环境下进行装配工艺设计已经成为可能。工艺设计人员可以在三维可视化环境下进行装配顺序的规划，装配工艺的设计，并在工装、工具三维模型的支持下对装配工艺设计的可行性和合理性进行验证，从而对装配工艺设计进行持续优化，并输出三维装配工艺文件以指导现场操作人员进行产品的装配。Tecnomatix是西门子推出的数字化制造软件，广泛应用于我国的航空、航天、汽车、船舶等复杂产品制造业，例如在白车身焊接工艺[1,2]中的应用。在Tecnomatix系统中，有车间工艺（PlantProcess）、生产线工艺（LineProcess）、工位工艺（StationProcess）等，而没有我国传统制造业中的装配工艺、装配工序、装配工步等工艺对象，导致Tecnomatix不能直接应用于我国的制造企业。为此，本文通过对Tecnomatix系统的研究，分析了三维装配工艺设计与仿真过程，建立了装配工艺信息模型，并对Tecnomatix系统进行二次开发，以实现Tecnomatix系统在我国传统制造业中的应用。

1 三维装配工艺设计与仿真系统功能模型

Tecnomatix系统主要包括两个模块，Process Designer模块和Process Simulate模块。其中，Process Designer模块主要用于工艺结构的定义，从而确定详细的装配工艺信息，以及用到的装配资源信息；Process Simulate主要对Process Designer中定义的装配工艺过程进行仿真验证。通过对Tecnomatix的应用过程进行分析，建立了如图1所示的三维装配工艺设计与仿真系统功能模型。

1）装配BOM管理

装配BOM管理主要是根据输入的产品部件组件模型，对设计BOM进行调整，建立虚拟装配组件，并调整装配层次关系，确定零部件之间的装配顺序，同时对产品的装配顺序进行仿真验证，形成装配BOM。

2）装配工艺路线设计

根据零部件的装配顺序关系，确定装配工艺路线，定义装配工序。装配工序的定义包括零部件配套信息的定义和装配资源信息的定义。其中，装配资源信息包括装配环境信息、装配设备信息、装配工装信息和装配工具信息等。装配工序定义的装配资源信息主要是装配环境模型、装配设备模型。

3）装配工序详细设计

确定每道装配工序下的装配工步信息，装配工步的定义主要确定装配工步所用到的工装、工具等装配资源信息。

4）装配路径规划与仿真

装配工艺设计完成之后，将装配设备、工装、工具以及产品三维模型引入到装配环境当中，规划零部件的装配路径。在装配路径规划过程当中，利用干涉检查工具，确定装配设备、工装，以及零部件之间是否会产生干涉。若产生干涉，则将仿真信息反馈给装配工艺设计，以便对装配工艺设计进行修改。

5）三维装配工艺输出

装配工艺设计与仿真完成之后，将装配工艺信息以及装配仿真信息，嵌入到三维装配工艺模板当中进行发布，以指导现场操作工人的装配。

图1 三维装配工艺设计与仿真系统功能模型

2 装配工艺信息模型建立

Tecnomatix系统中的工艺对象主要有车间工艺（PlantProcess）、生产线工艺（LineProcess）、工位工艺（StationProcess）等，不能够满足我国制造企业对信息的需求。为此，本文通过对装配工艺设计涉及到的信息进行分析，建立了装配工艺信息模型，如图2所示，包括装配结构层、装配工艺层和装配资源层。

1）装配结构层

装配结构层描述了零部件之间的装配层次关系和装配约束关系，产品包含若干个装配单元，装配单元包含更小的装配单元，直到最底层的零件。装配单元中的零组件类别描述了装配单元的粒度大小，如部件、组件等。

2）装配工艺层

装配工艺层描述了装配工艺设计信息，主要包括装配工艺、装配工序、装配工步和装配操作四类工艺对象。其中，装配工艺按照装配单元的粒度大小又分为总装工艺、部装工艺、组装工艺等；装配工序是指在一个工作地点，由一个或一组工人，采用一套设备连续完成的那部分装配工作；装配工步是指完成一个或多个对象的安装而采取的连续的装配工作；装配操作是指对一个装配对象实施的连续操作过程[3]，装配操作对象是指装配过程中的所有可操作实体，操作对象不同，装配操作亦不同。

3）装配资源层

装配资源层描述了装配过程中所采用的装配资源对象信息，主要包括装配环境模型信息、装配设备信息、装配工装信息和装配工具信息。其中，装配工序对应装配环境和装配设备，装配工步对应装配工装和工具。

图2 装配工艺信息模型

3 应用实例

基于以上方法，作者利用eM-Planner工具定制了工艺对象（装配工艺、装配工序、装配工步），资源对象（装配环境、装配设备、装配工装、装配工具），并通过VB 6.0开发了工艺对象（装配工艺、装配工序、装配工步）和资源对象（装配环境、装配设备、装配工装、装配工具）的属性页，形成了面向复杂产品装配的三维装配工艺设计与仿真系统。首先，将三维模型导入到Tecnomatix系统当中；然后，可以直接在装配BOM树上面进行装配BOM的调整，划分装配层次关系，并确定零部件的装配顺序；接着进行装配工艺路线的设计，确定装配工序，并确定本道装配工序的配套零部件以及用到的装配资源信息，如图3所示为定义装配工序的配套零部件信息，图中下侧为开发的装配工序属性Tab页；之后，进行装配工序的详细设计，定义装配工步信息；当装配工艺设计完成之后，切换到Process Simulate模块，进行装配工艺的仿真工作，如图4所示为装配路径规划界面；最后，输出三维装配仿真信息，将仿真信息嵌入到3D PDF进行发布，如图5所示。

图3 装配工序定义

图4 装配路径规划

图5 3D装配仿真输出

4 结束语

三维环境下的装配工艺设计一直是制造领域的研究热点。本文分析了三维装配工艺设计与仿真过程，建立了装配工艺信息模型，并通过对Tecnomatix系统进行二次开发，实现了三维环境下的装配工艺设计。本文的研究，对于国内在三维装配工艺设计的研究、应用方面有一定的借鉴作用。

[1] 苏润峰.基于eMPower的车身焊接线虚拟仿真研究[D].山东大学,2008.

[2] 曾魁.基于数字化工厂的车身地板焊装线工艺规划及仿真[D].大连交通大学,2011.

[3] 侯伟伟,刘检华,宁汝新,等.基于层次链的产品装配过程建模方法[J].计算机集成制造系统,2009,15(8):1522-1527.