基于Tecnomatix的三维装配工艺规划研究

栾 浩，何文松，方红根

(上海航天设备制造总厂 上海航天技术研究院，上海 200245)

基于Tecnomatix的三维装配工艺规划研究

栾 浩，何文松，方红根

(上海航天设备制造总厂 上海航天技术研究院，上海 200245)

介绍了三维装配工艺规划技术以及所用的软件环境。基于Tecnomatix软件平台进行三维工艺设计与仿真，针对Tecnomatix在工艺输出与发布方面存在不足的问题，提出了通过二次开发完成工艺信息提取以及通过开发定制完成工艺发布的方法，并利用C#开发了工艺信息输出功能模块和工艺发布平台。最后通过实例验证了技术和方案的可行性。

三维装配工艺;装配序列规划;装配示教;Tecnomatix

0 引言

装配在航天产品的制造中属于关键环节，产品的质量需要通过装配得到保证，而装配工艺作为装配准备阶段，它的优劣对产品的总体性能和可靠性有直接的影响。目前企业主要使用计算机辅助工艺设计系统(二维CAPP)来完成装配工艺的设计，并生成相应的工艺卡片作为操作人员的装配指导文件。以二维简图和文字描述为对象的CAPP在装配工艺规划过程中暴露出许多问题：工艺设计的依据主要是二维图，缺乏立体感导致可预见性差；文字描述为主的工艺文件，使装配人员容易理解出错，增加成本，降低装配质量，因此无法满足高效高质的装配工艺设计的需要。

而三维装配工艺规划技术的出现与发展较好的改善了上述问题。三维装配工艺规划以可视化仿真为基础进行与装配相关的工程决策活动，可以实现装配工艺的规划、评价与验证，装配人员的示教培训等。在产品三维模型和装配过程仿真的基础上进行人机交互式装配顺序规划，对装配方案进行验证，生成优化的装配工艺方案和装配现场示教文件，达到缩短装配准备周期、提高装配质量、减少现场返工降低成本的目的。因此本文针对目前企业装配工艺规划现状进行三维装配工艺规划研究，重点研究了三维装配工艺设计以及装配工艺发布技术[1]。

1 工艺设计与发布平台

目前国内许多三维装配工艺规划系统都是基于商业化三维CAD平台，如CATIA、Solidworks、UG等，这些平台拥有强大的二次开发工具，利用二次开发技术开发基于特定CAD软件的系统，虽然这些系统已经逐步应用到实际生产中，但吸收工艺人员已有装配知识和经验的研究还相对较少，而且这些系统的仿真功能较弱，无法真实模拟装配场景，工艺文件大多仍是图片加文字的方式，对于很多操作无法描述清楚。而国外目前已经有相对成熟的三维装配工艺规划软件，如西门子的Tecnomatix、UG的WindChill等，拥有强大的工艺编辑功能和装配仿真功能，利用这些平台的优点结合企业生产的特点展开相关研究，可以较好的实现装配工艺规划。基于以上因素，本文选择国外成熟的PLM商业软件为平台展开后续研究，包括构建三维装配环境、管理产品和资源原型，完成三维装配工艺规划[2]。

西门子公司是PLM领域的全球领先者，它提供的Tecnomatix平台是一套完整的数字化制造平台，Tecnomatix的工艺过程设计模块可以管理三维装配仿真和人因仿真所需数据，在里面可以建立产品树、资源树、操作树，工艺人员可以进行诸如工序操作的pert图分析，三维可视化、工艺设计与编制操作。它的仿真模块可以进行装配路径的分析、顺序的调整、人机工程的分析评价等操作。相比于传统的二维CAPP软件和一般的三维装配工艺规划系统，Tecnomatix可以极大延伸工艺设计人员的设计手段，提高工艺设计效率与质量，以及工艺的可视性。因此选择Tecnomatix平台进行三维装配工艺设计。

但目前Tecnomatix没有较好的工艺发布展示方法，编制的工艺信息没有很好的输出环境和展示平台，因此通过二次开发技术生成Tecnomatix的工艺信息提取模块，以及根据工艺信息内容开发特定的工艺发布平台，从而可以充分展示装配操作细则、装配动画、零件的三维模型等，缩短操作人员的学习周期，提高装配作业质量。

2 基于Tecnomatix的三维装配工艺规划方案

结合Tecnomatix平台的特点，以及企业装配作业流程，总结出三维装配工艺规划流程，如图1所示。

图1 基于Tecnomatix的装配工艺规划方案

2.1 装配工艺设计

传统的装配工艺规划研究把序列规划、路径规划及装配过程仿真划分成几个相互隔离的部分，造成了装配工艺规划各部分工作结果难以及时共享[3]，这显然不利于提高装配工艺规划效率、有悖于并行工程思想。而Tecnomatix平台可以将序列路径规划以及仿真验证有机结合，所见即所得，提高了工艺编制的效率与质量。

(1)装配顺序规划

产品装配顺序规划作为一项复杂的系统性工程，涉及工装工具的可达性和操作空间、人的经验知识等诸多问题，而人的经验知识又是影响顺序规划的重要因素，因此本文提出一种基于仿真拆卸的人机交互装配工艺规划方法，基本思路是：根据产品的装配结构树和三维CAD模型划分装配结构，通过控制模型的“显/隐”进行模拟拆卸仿真，并在仿真时引入工装工具，验证工装工具运动的可达性、操作空间是否合理，如发生干涉则修改装配序列、路径或重新设计工装工具，直至无干涉产生，从而获得拆卸序列，取反获得装配顺序。

(2)路径规划与仿真验证

装配路径规划是在已建立的装配顺序的基础上，在三维场景中对零部件进行移动、旋转等操作过程的空间轨迹信息进行记录，保证零部件能够沿路径无干涉安装到位以及检验装配序列的合理性。在规划零件装配路径的过程中，进行实时碰撞干涉检测，分析可装配性，根据检测结果优化装配顺序，保证获得合理的装配路径[4-7]。路径规划的过程也是仿真验证的过程，路径规划完毕以后，操作人员可以根据工艺安排对规划操作进行编排，完成整个装配流程的仿真动画制作。

(3)工序工步定义

根据装配顺序、路径规划结果，工艺人员编辑工序工步，制定合理的装配工艺方案，并将工装夹具、装配工具、零部件、图片动画等附件关联到相关工步工序上。

基于仿真拆卸的人机交互装配工艺规划方法，充分利用工艺人员的知识、经验以及工艺设计平台的优点，提高了装配规划效率与质量。

2.2 工艺信息提取与输出

利用Tecnomatix数字化平台完成产品的详细工艺设计和仿真优化后，需要将相关工艺信息进行展示发布，用于培训和指导操作人员从事装配活动，但目前Tecnomatix没有很好的工艺发布方法，因此需要根据实际情况进行后续开发，将工艺信息提取输出，并在特定的装配工艺发布平台进行展示发布。

目前主要有两种方式完成工艺信息的提取：利用Tecnomatix的底层数据库，直接查找相关表信息，从而实现信息提取；通过Tecnomatix.Net进行二次开发。第一种方法，比较直接简单，但Tecnomatix数据库的结构无法确定，在上千个数据表中找到相关表比较困难，无法找全所有信息，在信息提取过程中会出现信息遗漏的问题；而通过Tecnomatix二次开发技术完成信息的提取，可以保证装配工艺树上所有信息都有效提取，并在提取过程中将其中装配操作细则以及零件明细表等信息与三维产品模型和三维装配操作动画进行关联，方便快捷，且不会遗漏信息。

图2 二次开发

如图2所示，通过使用Tecnomatix提供的二次开发接口[8]，将功能函数编译为DLL应用程序，并集成到Tecnomatix应用程序中，实现工艺信息的读取，输出到装配工艺信息数据库中。信息提取模块的功能是在VS2008平台下，选用C#语言[9-10]，通过Tecnomatix提供的.net API完成的。其中主要包括以下几个关键技术：

(1)编译环境配置：在用C#编制DLL代码时，必须引用Tecnomatix.Engineering.dll文件，以调取Tecnomatix.Net提供的函数和接口，完成编译环境的配置。

(2)功能模块的程序设计：根据实际要实现的功能(工艺信息的读取与关联)，进行详细代码的编制。

(3)DLL文件的生成：将编制好的程序进行调试编译，生成DLL文件。

(4)模块集成：将DLL文件放入TecnomatixeMPower安装目录或其子目录下，并运行CommandReg文件完成注册，从而实现二次开发功能模块与Tecnomatix的无缝集成。

二次开发模块以按钮形式集成在Tecnomatix应用程序中。将已经编制好的工艺树加载，点击集成按钮激活命令，就可以完成信息的提取了。

2.3 工艺信息发布

针对工艺信息发布问题，本文在VS2008平台下利用ASP.NET技术结合工艺信息内容开发了工艺信息发布系统，系统将工艺设计过程生成的动画、附图等可视化信息通过Web引入车间现场，通过文字描述、动画演示、模型展示的方式交互完成工艺示教。

图3 系统层次结构

基于Web的装配工艺发布提供了一种新的工艺发布模式，通过采用客户端/服务器的模式，可以将工艺设计人员设计好的工艺路线、规划好的装配路径以及制作的装配动画等信息，与相关的工艺文档进行关联提交到工艺数据服务器上。装配工人通过安装在装配现场的客户端，利用局域网访问数据服务器，浏览相关工艺信息，从而迅速、准确地掌握产品的装配过程以及装配的关键技巧。工艺发布系统由界面层、接口层、应用层和数据层组成，具体的结构如图3所示。

(1)界面层：界面层是用户与系统交互的方式和接口，主要包括零件配套界面、装配作业指导界面、工艺信息管理界面等内容。

(2)集成接口层：集成接口层主要用于Tecnomatix平台与发布系统的信息的传递。

(3)应用层：应用层是系统应用实现的核心，主要包括零件配套、装配作业指导和工艺信息管理具体功能的实现。零件配套界面可以辅助用户完成装配对象的所有零件、工装、辅助材料等的配套准备。装配作业指导界面可以详细展示装配过程，使用户能够充分了解、理解装配操作。工艺信息管理界面主要提供对于所有工艺信息的编辑管理功能，通过此界面工艺编制人员根据操作人员反馈进行相关内容的修改。

(4)数据层：数据服务层是系统的数据信息基础，用于存取、维护和管理系统运行过程中的产品模型对象、装配过程模型对象以及有关的装配知识和工艺文件等数据信息。

系统以Tecnomatix平台为基础，结合网页技术，实现了三维工艺文档下车间的目标，充分利用了网页技术在线浏览的优势，打通了三维工艺设计与现场使用之间的信息鸿沟。

3 实例验证

以齿轮减速器的装配为例，进行上述关键技术的实例验证。整个平台基于产品的三维轻量化JT模型，引入工装夹具、装配工具等资源, 在计算机上实现了装配顺序规划、装配过程仿真、装配工序工步定义及详细工艺编制，并完成了信息的输出与展示，为操作人员提供了一个人机交互式示教平台。

图4为三维装配工艺设计过程，其中图4a为装配顺序规划界面，通过人机交互方式拆卸零件，获得拆卸顺序，取反，获得装配顺序；图4b为装配路径规划界面，根据装配顺序进行装配路径规划，选择合适的路径，使零件可以无干涉的安装到位，对于整个无干涉的装配过程可以进行编排制作装配过程指导动画；图4c为工艺编辑界面，在装配顺序、路径规划完成的基础上进行工序工步的划分，建立装配工序树，以此为基础进行详细操作细则的编制，并将相关零件工装模型、动画图片资源与相应的工序工步进行关联。

(a)装配顺序规划

(b)装配路径规划

(c)详细工艺编制图4 三维装配工艺设计

图5 信息输出

图5为信息输出界面，在装配操作结构树区域将所需导出的信息进行加载，得到装配工艺树，点击信息输出功能按钮，就可以将工艺信息输出到装配工艺信息数据库中。图6为工艺发布系统的作业指导界面，用于指导操作人员进行装配工作的开展：通过在产品结构树中选取需要装配的零部件，点击相关标签查看其二维附图、三维模型，相关技术要求和装配工序；选则操作工序，查看与之对应的详细工步的文字描述和零件工装列表，点击标签查看与之关联的装配动画。文字与附图、模型、动画共同作用，可以加快操作人员对于装配过程的理解、充分了解装配操作，从而提高产品质量。

图6 工艺信息发布

4 结论

本文针对基于Tecnomatix的三维装配工艺设计与发布相关技术进行了研究，详细分析了装配工艺设计、装配工艺输出以及装配工艺示教的方法，实现三维装配工艺规划、装配工艺过程的三维仿真和装配过程的可视化，实现装配信息从装配设计向装配工艺有效传递与共享，有效提高了装配工艺设计效率、减少装配工艺设计返工、提高装配质量。

通过三维装配工艺设计与发布技术的研究，实现了三维数据到车间、三维工艺到现场的需求，对于企业提高工艺设计水平、实现车间无纸化具有很好的辅助作用。

[1]马自勤，杨志刚.数字装配工艺及其三维化研究[J]. 机械制造与自动化，2005，34(1):123- 128.

[2]周鼎，盛步云.基于三维平台的装配工艺规划系统设计研究[J].装备制造技术，2008(3):57-58.

[3]邹晓明，许建新，耿俊浩. 基于三维模型的装配工艺规划技术研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2008(7)：97-100.

[4]郝磊，吴波. 基于Tecnomatix的高速列车虚拟装配应用研究[J]. 机械与电子，2011(2)：31-33.

[5]徐镇.基于eM-Engineer的车身焊装车间人机工程仿真研究[D].山东：山东大学，2009.

[6]陈宁，解彦琦，吕庆伦.基于DELMIA 的发动机装配过程可视化仿真[J]. 计算机辅助工程,2010，19(4)：66-69.

[7]刘胤，李志云，赵辉. 卫星结构装配工艺仿真工程化应用方法研究[J]. 航天制造技术，2006(12):52-54.

[8]朱俊江，李明宇，吴 波，等. Tecnomatix二次开发技术研究[J]. 机械设计与制造，2012(4)：81-82.

[9]Karli Watson，Christian Nagel et al.Beginning Visual C# 2005[M]. Washington：Oversea Publishing House，2006.

[10]王小科，赵会东. C#全能速查宝典[M]. 北京：人民邮电出版社，2012。

(编辑 赵蓉)

Research on Three-dimensional Assembly Process Planning on the Basis of Tecnomatix Platform

LUAN Hao,HE Wen-song,FANG Hong-gen

(Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai Aerospace Equipments Manufacture, Shanghai 200245, China)

This paper mentioned the techniques of Three-dimensional assembly process planning, and the software tool is introduced. Three-dimensional assembly process designing and simulation were developed on the Tecnomatix platform, and a method of secondary development for the drawing of process information is mentioned to solve the problem of outputting information. To solve the problem of publishing assembly process information with the Tecnomatix platform, a system was developed. Both the two modules were compiled by C# based on Visual Studio 2008. At last, a case is used to confirmation the feasibility of this plan.

three-dimensional assembly process; assembly sequence planning；assembly teaching； Tecnomatix

1001-2265(2014)04-0142-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.040

2013-08-09；

2013-09-06

栾浩(1989—)，男，江苏句容人，上海航天设备制造总厂硕士研究生，研究方向为航天制造技术，(E-mail)：luanhaoht@163.com。

TH16 ；TG65

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