三维数字化装配工艺系统分析

管西强

（北京星航机电装备有限公司，北京 1000174）

在机械零件生产制作中，产品装配是一项重要工作，也是产品生产周期的主要部分。目前机械制造中，进行装配生产时将花费较多时间和费用，尤其对于结构复杂的机械产品来说，装配成本和用时占比更高。因此，有必要研发并应用三维装配工艺，利用先进技术来提高装配效果，提高机械产品生产装配效率，加大对生产成本的控制。

1 三维数字化装配技术

三维装配技术是在零件三维实体模型基础上，使用计算机技术和人工智能技术等，采取人机交互方法来规划产品装配过程。该技术克服了传统装配实践中仅依赖装配人员知识经验的缺陷，并且降低了设计难度，促进装配流程的优化设计。通过建立一个交互装配工艺环境，使装配人员结合自身经验和实际情况在虚拟平台中有序进行零件装配，选择相应的装配方式，还可利用传感器了解装配中的人机交互问题，在可视化条件下明确各种装配工艺的可操作性，最终选择一个经济、合理的装配方案。由此实现产品设计质量较高，减少开发风险和设计成本，为企业产品生产制作提供良好条件。将三维装配工艺应用到飞机制造领域，可解决装配难度大和工程师经验不足间的矛盾。在数字化装配过程中将出现各类工艺设计缺陷和不合理之处，需要在装配实践中及时发现这些问题，以免造成装配流程和工艺布局的重新调整，造成制造成本增加。从这一角度看，三维装配工艺有着明显优势，可对装配效果进行验证，及时解决零件装配问题。

2 系统体系结构

由于应用目的和对象的不同，通常将系统分成工艺规划环境、模型构建环境及装配现场环境三部分。利用数字化操作系统，可实现装配工艺设计、现场指导和质量管控集于一体，促使设计人员、装配人员、规划人员共同作业[1]。在装配模型构建环境中，可构建基于工装工具和零件的三维模型，并利用绘图软件的装配功能，在进行选取节点、面配合后，确保各个零件的有效组装，建立装配仿真模型。在装配工艺规划过程中，设计人员结合装配模型提供的信息，通过人工指导和几何推理进行装配排序，确定规范的产品装配顺序。在三维平台中利用交互方法进行仿真和规划，采取适合的装配方法，明确各道工序的检测内容及质量控制方法，为装配工艺方案优化设计提供技术保障。在装配现场操作中，在大屏幕上投影出产品装配过程，用于指导装配工序和操作规范。在指导过程中，系统不仅能利用特殊颜色显示，还可提供文字、图形等多种输出形式，确保装配工艺操作顺利进行。

3 三维装配工艺的关键技术

3.1 三维数字化设计技术

三维数字化装配工艺设计分成以下两个阶段：一是规划阶段；二是具体设计阶段。在完成三维装配规划后，要对装配方案进行审核，通过后才能确定具体的装配工艺手段。

3.1.1 三维装配规划阶段

产品装配方案制定是从宏观角度出发，对产品装配工艺进行优化设计，要重点关注以下几点问题：一是审查产品结构特点，在结构上进行改进调整，通过处理虚拟件、添加中间件等，可形成初步的装配结构方案；二是进行产品功能划分，从结构特点出发，进行装配模块的定义和分类，提高产品装配系统性；三是针对装配方案按照一定要求确定装配路线；四是在软件中导入产品装配设计模型、资源模型等，对装配工艺适用性进行仿真验证，并将验证结果反馈至装配规划中，优化调整装配结构，得到最精准的装配工艺方案。

3.1.2 详细设计阶段

企业产品装配工艺具体设计是指对装配方案中的关键节点进行编辑和设计，和装配关键节点相关的信息包括装配工艺信息、三维模型、仿真动画、生产要素信息等。装配工序节点相关信息包括工序操作流程、工序信息、工艺技术类型、零件配套信息等。装配工步节点相关信息主要包括装配工步实施流程、装配工步基本信息、零件信息和装配资源信息等。

3.1.3 审核阶段

装配工艺是产品生产制造中的重要环节之一，也是对装配操作的一类技术指导方法，零件装配工艺设计效果会直接影响最终装配质量。因此，要针对装配工艺规划进行严格审核，通过会签审核、校对审核等，确保装配工艺设计具有较高标准。

3.2 三维装配工艺信息管理技术

在完成三维装配工艺设计后要进行装配工艺信息发布和管理，将设计好的装配技术信息以数据形式发布到装配现场，指导装配作业的开展。装配工艺信息发布主要包括以下两部分：一是信息管理；二是可视化装配工艺文档发布。产品三维装配手段设计中会产生大量数据，实际设计中使用的数据信息包括产品EBOM、零件信息和模型信息等，还包括装配资源以及工艺知识等[2]。在装配工艺设计中产生的数据有物料资源需要、工艺流程、装配规程等信息，还包含工艺审核及工艺变更等信息，这些信息类型较复杂，要构建三维装配工艺仿真模型，进行大量数据整合，便于之后的使用和管理。在文档发布环节，应根据需求将通过装配方案从数据库中检索到的工艺数据，如仿真动画、工装工具、三维模型等按照信息映射规则传递给系统功能模块，得到装配工艺设计文档。

4 三维装配工艺在产品生产装配中的具体应用

三维装配工艺设计平台是在数字样机基础上，以工艺规程为核心，在产品装配制造中，通过传递数据信息，构建数字化模型，确保装配工艺开展过程中，模型数据的实时共享，能实现工艺设计、产品设计、工装设计的同步进行。

4.1 装配工艺发布流程

装配工艺在企业装配生产中有着重要应用，是一种指导生产作业的技术文件。设计人员针对产品装配样图和验收条件进行分析，加大对产品工艺特点的检查，明确装配产品组织结构形式；结合产品结构及设计工艺特点，可进行产品装配环节的划分，确定装配标准，在完成系统功能单元划分以及标准确定后进一步规范装配顺序；明确装配顺序后，应将产品装配流程分成多个装配操作工序，衔接好各个工序内容，并结合实际装配要求进行装配资源的选择及调整；在完成工艺手段设计后，应进行装配工艺编制，得到具体的技术文件；进行工艺校对，从实际装配要求出发，及时修正不符合装配标准的工艺手段。在达到审核标准后，才可将技术文件应用到现场操作中；将纸质文件发送到装配现场，进行操作行为的指导。

4.2 三维工艺分析系统

三维工艺设计平台主要利用信息化技术，构建三维工作站，用来收集三维模型数据。在仿真软件的信息管理系统中，进行数据传递和整合，发挥该系统的协同作用，帮助企业将工程以及采购功能同时合并到一个桌面环境中，保证产品生命周期的全过程管理，以及针对零件重用、资源配置的管理能够实现[3]。由此可知，对于企业来说，应重视三维工艺规划平台的建设和应用，在该平台中完成装配操作，能加强各个装配环节的衔接性，在连续装配过程中提高装配质量及效率。

4.3 各部门协商共同参与平台建设

在同步进行上述设计作业时，需要装配工艺开发人员和设计人员之间进行有效沟通，针对产品装配内容及方法进行协商，在有效沟通中，确保零件装配过程中各项数据的完整性及真实性。进行协同设计时，要在现有装配工艺基础上进行新方法、新工艺的研发，提出使用这些新方法时，相关人员要做好的工作。

4.4 装配工艺可视化仿真平台

通过建立一个基于信息化技术的装配流程仿真环境，进行仿真建模，在不建立实际模型的条件下，装配工艺设计人员在网络环境中针对产品装配流程进行讨论和分析。同时，用系统的动画录像功能，录制装配工艺全过程，将装配工艺以动画形式呈现出来，为装配工艺规划设计提供有效平台。还可借助终端设备，将装配工艺实施过程展现给装配人员。在三维技术运用下，直观的指导装配过程，提高装配效率和质量，并能节省时间和成本。

5 结论

综上所述，基于三维数字化技术的装配工艺在企业生产制造中有着广泛运用，由于其具有可视化特点，便于装配人员学习和应用，使其在机械制造领域有着较好发展前景。在进行装配过程仿真的情况下，明确产品性能影响因素，对产品装配性质进行分析，并在集中处理平台中完成装配制造，提高装配质量和效率。