三维装配工艺设计仿真技术在电子设备中的应用

胡国高

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)



三维装配工艺设计仿真技术在电子设备中的应用

胡国高

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

摘要：针对军用电子设备二维装配工艺的设计现状，开展了基于DELMIA软件系统进行三维装配工艺设计仿真技术的研究，对电子设备三维装配工艺设计仿真的关键技术进行了重点研究与分析，从PDM下载UG三维模型文件，将其转换为DELMIA软件可识别的格式后导入并建立装配结构树，进行三维装配工艺设计与仿真。对某毫米波雷达俯仰装置的装配过程进行了装配干涉、装配顺序和人机工效仿真并输出工艺文档，按照工艺文件对该雷达俯仰装置进行了实物装配以验证其仿真符合率，结果达到了98%。

关键词：三维装配工艺设计；装配仿真；DELMIA；俯仰装置

目前，电子装备行业内工艺设计的主要手段是采用填卡片式的二维CAPP，装配工艺设计主要依靠图样和二维装配工艺规程卡片来表达。电气结构设计阶段所形成的产品数字三维模型得不到充分利用，已有的数字化设计信息需要工艺人员分析和重新输入，与数字化三维CAD系统没有建立有效传递途径，不能与设计协同工作，工艺设计工作繁琐，效率低下，表达不直观，线缆敷设根据实物在现场进行手工实施，线缆设计没有三维模型化，布线路径不具体，机械装配和电气互联交错装配工艺过程不能准确清晰表达，不能进行装配工艺定量虚拟仿真和流程优化，装配工艺靠工艺人员的知识水平和装配经验来完成复杂的装配工艺设计，装配工艺可行性、装配顺序工艺合理性、装配工具及路径最优化、装配操作空间可达性等问题无法在装配设计阶段得到有效验证，导致工艺更改较为频繁，输出的工艺规程可读性差，指导性不够，装配工艺规划编制周期长。

在电子设备的样机研制过程中，对其装配性能的分析和评价都是根据零部件实物来完成的，即在零件加工完成后，在产品实际的装配过程中对其装配工艺可行性、合理性进行分析和验证，根据装配结果对其装配工艺性进行修改迭代，使其满足设计要求，是一种典型的“试装配→调试→修正设计→再试装配”传统电子设备研制生产流程，大大增加了装备研制周期和费用。先进的产品设计生产制造流程迫切需要以产品三维模型和设计物料清单(EBOM)为基础，改变现有的工艺集成制造体系，建立数字化工艺模型，形成以数字化模型为核心的数字化三维工艺设计体系，实现三维装配工艺设计仿真与产品设计并行，真正实现数字化设计制造一体化[1-2]。

1三维装配工艺设计仿真规划

装配工艺过程仿真为产品装配提供一个三维的虚拟制造环境来验证和评价工艺规划的装配顺序、路径及操作程序的合理可达性。基于模型定义的数字化三维装配工艺设计过程需从产品数据管理平台(PDM)中获取某雷达产品设计数据，通过自行集成开发的数据转换程序将产品设计数据转换成DELMIA软件可以编辑识别的三维工艺设计数据，形成适用于工艺设计过程的产品结构树；将已定义的相关资源(如车间、工作台、工装、工具和人等)加入到DELMIA软件系统的装配工艺规划模块(DPE)环境中，形成工艺资源结构树，并在DPE中创建详细产品工艺结构树，进行三维装配单元组件划分、装配顺序和装配路径规划等工艺过程设计；根据规划好的装配组件、装配顺序及路径在DELMIA软件的工艺仿真与验证模块(DPM)中进行装配干涉检查、装配顺序仿真、装配工装工具仿真和人机功效仿真，根据仿真结果评判其合理可行性，优化迭代三维装配工艺，并将根据最终仿真结果固化的工艺输出可视化操作文档；将文档检入工艺管理系统(CAPP)中，同时从产品数据管理平台(PDM)导入设计物料清单(EBOM)，在CAPP系统中进行计划物料清单(PBOM)配置，并进行编辑形成二维和三维可视化集成的工艺文件；然后将可视化集成工艺文件检入PDM系统进行归档发布，将发布的工艺文件传输到车间MES生产制造管理系统中，进行排产和作业分配，并将可视化文档在车间终端上进行显示，指导技术工人装配，实现无纸化装配生产。基于DELMIA软件的三维装配工艺设计与仿真总体规划如图1所示。

图1　三维装配工艺设计与仿真总体规划

2三维装配工艺设计与仿真的关键技术

2.1三维装配工艺仿真数据转换接口

首先，从产品设计数据管理系统PDM中下载三维UG模型文件(*.prt)转换成DELMIA软件系统可以读取的STEP格式文件模型；然后，在DELMIA系统中导入STEP格式的模型文件，建立装配结构树[3-4]。在DELMIA软件装配环境中，利用VB软件自行集成开发的宏程序，调用产品设计数据管理系统(PDM)中输出的物料清单文件，将零件编号、名称和材料属性等相关信息自动添加到STEP格式的中性几何模型中，更新零件属性、为数字化装配工艺设计进行数据预处理。

2.2快速三维装配工艺规划设计

在DELMIA软件装配环境中，通过人机交互的方式进行装配工艺设计，规划装配单元组件的装配顺序，定义装配工序及工步。其中，工步主要有直线运动、平面运动、径向运动、螺旋运动、牵引运动及典型运动[5]。而复杂电子设备的装配过程涉及电子元器件组装、线缆装配、机械装配和系统联试等，同时军用电子产品研制特点是多品种小批量生产，研制周期短，而且大多数产品处于研制状态，变化频繁，其装配过程就成为一个经验性很强的工艺活动，装配路径和装配顺序规划、装配操作过程指令生成等需要反复迭代。军用电子设备的联接螺钉数量较多，需根据工艺人员的装配经验和装配生产环境，分析制定合理的工艺组件，分层次划分装配单元，并将装配工艺流程信息添加到工艺组件的名称中，通过工艺组件及其工艺(工步)流程信息，不断优化装配顺序路线，提高装配顺序的并行度以提高装配生产资源利用率，使装配过程中差异不大的装配作业集中完成，减少工艺组件的装夹和装配工具的更换次数，缩短装配所用时间，降低装配成本。

2.3某电子设备雷达俯仰装置装配的工艺过程仿真

2.3.1俯仰装置装配特点

图2　俯仰装置模型

俯仰装置是该电子设备雷达转台中最重要的结构件之一，是整个雷达最重要的俯仰转动与承力结构，装配精度高且过程复杂。主要结构件包括俯仰支架、轴承端盖、挡板、齿轮、轴承、电动机、轴套和平键，在挡板与支架之间还有定位销(见图2)。

2.3.2装配干涉的仿真

在DELMIA虚拟装配环境中，依据在工艺规划模块(DPE)中设计好的装配工艺流程和工艺组件装配顺序，通过对每个工艺组件的移动、定位和装配过程等进行组件与组件、组件与工装之间的干涉检查，一旦系统发现有干涉情况，自动停止模拟仿真过程并报警，同时给出干涉位置和干涉量，这样可以有效帮助查找和分析干涉原因(见图3)。该项是检查工艺装配单元组件沿着设计好的模拟装配路径在移动过程中是否与周边环境或产品有碰撞，整个检查过程在三维环境中进行直观地显示，为装配工艺过程优化提供可靠有效的数据。

图3　装配干涉仿真

2.3.3装配顺序的仿真

在DELMIA软件的三维装配环境中，利用已定义的装配工艺流程设计信息、产品设计信息和工艺资源信息，依据在工艺规划模块(DPE)中规划的装配工艺过程及定义好的工艺组件装配路径，对产品装配过程和拆卸过程进行三维装配工艺动态仿真，验证每个工艺组件按照设计好的工艺顺序是否能够无阻碍装配。如果发现工艺设计过程中存在装配顺序的错误，则可以重新定义工艺装配单元组件装配顺序、装配工序和装配工步，反复迭代装配顺序，避免出现在实际装配时才发现工艺组件装不上去的情况(见图4)。装配顺序虽然是按先工装后工艺组件，自下而上，由里向外的原则进行设计的，但仍不能保证规划的装配顺序合理可行，因为电子设备的各个装配结构单元之间需要用各种各样的线缆进行电气连接，导致规划的工艺组件装配顺序在接线时发现无法操作，同时实际装配生产现场制造资源布局、装配技能及操作习惯也会影响产品工艺组件的装配顺序、装配作业指令；所以装配知识与经验在装配工艺过程中占据举足轻重的地位，尤其在电气互联复杂的电子设备研制过程中，这种产品装配特性体现得更明显。

图4　装配顺序仿真过程

2.3.4人机工程的仿真

电子设备的装配过程，会涉及很多种类的工具、工装和操作工人的各种运动及动作，设备工艺组件装配移动的过程是一个人机互动的过程。在DELMIA软件三维虚拟装配环境中，通过控制虚拟人体模型，模拟现场装配人员在装配时的站位及各种实际操作动作，并进行计算和仿真分析，实现装配工艺方案的预装配及人机工效评估，这样就可以及时发现产品在装配过程中可能遇到的问题[6]。在DELMIA软件中可以根据虚拟装配环境进行人机功效仿真，分析各个工艺组件的装配顺序，可以对人体各种极限姿势进行模拟，检查装配路径对人体操作可达性的影响，工艺组件的装配是否在极限姿势的操作范围之内；同时也可以检查装配的操作空间是否能满足人体作业需求，装配操作是否舒适，相关设备布局是否合理(见图5)。在产品及工艺资源模拟结构环境中，将人体的标准三维模型放入虚拟装配环境中，根据可视、可达、可操作、舒适以及安全等5个要求，按照工艺设计流程对工人的每一个操作特性动作进行仿真。

图5　人机工程仿真

2.3.5装配过程的记录及生成相关文档

利用上述装配过程的三维数字化装配工艺仿真功能，将整个装配过程记录下来，形成可以播放的可视化文档及动画视频文件，指导现场操作人员进行该雷达俯仰装置装配，实现可视化装配，验证雷达俯仰装置装配工艺设计的合理性和仿真符合度，整个装配仿真过程经装配验证无误后，可以根据产品装配生产需要，定制生成相关文档(见图6)。同时，也可以制作维护保养电子手册和对雷达维护人员进行上岗培训，帮助操作人员直观地了解设备操作全过程。

图6　装配过程记录及文档生成

3工程验证

以某雷达部件装配为对象，利用数据转换器将产品设计数据转换成DELMIA软件可以识别的工艺模型数据，该数据导入DELMIA软件中构建装配工艺结构树，将装配过程中的工装模型、夹具模型等相关资源加入模拟仿真环境；同时，进行装配工艺顺序规划和装配路径规划，分配工艺装配单元组件，针对规划好的装配顺序和路径进行装配干涉动态检查、装配顺序仿真和人机工程仿真，并根据规划好的装配工艺指令，对装配工艺规划进行可视化的展示，交互式实现对每步装配操作的可视化分析，对装配协调过程中的可达性、可操作性和安全性等进行全面的分析，同时检查装配工艺方案是否可行。最终根据仿真的结果生成电子的三维装配工艺文件，指导装配生产，显著提高了工艺指导性以及现场执行效率。利用实物装配来验证依据仿真结果输出的工艺文件的正确性，结果其仿真符合率>98%，证实基于DELMIA软件的三维装配工艺设计与仿真方法的可靠性和准确性。仿真过程分析了装配过程中操作工具的可达性，操作空间的可行性，以及人机操作过程的工效，验证了毫米波雷达部件和其配套工装的可行性。创建的装配资源库如图7所示。

图7　装配工艺仿真资源库

4结语

以某雷达俯仰装置为例，开展了基于DELMIA软件系统的三维装配工艺设计和仿真技术研究，实现了三维装配工艺的规划、装配过程的三维模拟仿真以及整个装配过程的可视化输出，实现了装配信息从设计到工艺的有效传递与共享，提高了装配工艺设计效率和指导性，减少了装配现场的问题，提高了装配质量和效率，三维装配工艺设计和仿真是提高复杂电子产品数字化水平的必要途径。

本文未对基于三维模型的电子设备线缆敷设作业分析技术进行相关讨论，但其今后将是电子设备三维装配工艺设计的一个重点研究方向。目前的线缆敷设作业分析不是基于电子设备数字化样机来完成的，而是根据工艺人员的知识和经验来确定线缆敷设操作指令，容易导致线缆敷设设计的随意性；布线是否合理很大程度上取决于从事线缆敷设设计人员的技术水平和经验。线缆敷设工序的合理选择、分配与优化，能够提升电子设备的一次性装配成功率，实现电子设备线缆敷设的快速分析、分配与优化，这对于提高零件线缆敷设的可实现性和操作性至关重要。

参考文献

[1] 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]. 工艺与装备， 2008(7)：97-100.

[2] 冯廷廷，金霞，王珉. 基于MBD的飞机装配工艺模型设计[J]. 航空制造技术， 2010(24)：95-98.

[3] 景武，赵所，刘春晓. 基于DELMIA 的飞机三维装配工艺设计与仿真[J].航空制造技术， 2012(12)：80-82.

[4] 孙中雷，陶华. 飞机装配工艺仿真与可视化技术研究[J]. 现代制造工程， 2006(2)：55-58.

[5] 张隽，翟正军. 虚拟装配技术的研究与应用现状[J]. 航空制造技术， 2009(1)：70-73.

[6] Mavrikios D, Karabatsou V, Alexopoulos K, et al. A virtual reality based paradigm for human-oriented design for maintainability in aircraft development[C]//Proceedings of 7th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference, Washington: AIAA, 2007.

责任编辑郑练

The Application of the Simulation of 3D Assembly Process Design in Electronic Equipments

HU Guogao

(Southwest Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Abstract：The simulation of 3D assembly process design based on DELMIA software system is studied according to the present status of 2D assembly process plan and design in military electronic equipment. The key technology of the simulation of 3D assembly process design in electronic equipment is studied and analyzed selectively. The UG 3D-model files downloaded from PDM are transformed to the form which could be recognized by DELMIA. The simulation of 3D assembly process design is carried on using the assembly structure tree which is built by the transformed form. Assembly interference, assembly order and simulation of human-computer interaction efficiency are done during the assembly process of pitch device of one millimeter-wave radar and process documents are exported. According to the process documents, the coincidence rate between simulation result and practical assembly of the pitch device of millimeter-wave radar could achieve 98%.

Key words:3D assembly process design, assembly simulation, DELMIA, pitch device

收稿日期：2015-06-23

作者简介：胡国高(1977-)，男，高级工程师，主要从事航空电子产品系统工艺总体设计等方面的研究。

中图分类号：TP 391.7

文献标志码:B