数字化装配工艺技术研究应用

徐宏聚

（山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

工艺路线及工艺规程是为了将设计图纸转化为实际产品而制定的包含过程规划、 技术要求和生产资源清单的文件，是产品制造企业的核心业务。煤机产品作为井下采煤的主要装备， 产品质量直接决定了煤矿的产能及安全性。目前，煤机装备制造行业在整机装配方面普遍沿袭传统二维平面软件来规划设计其装配工艺路线， 无法解决产品装配过程的仿真与分析、装配过程动态演示等，使得装配已成为影响产品质量、时间和成本的瓶颈。面对严酷的市场竞争， 迫切需要煤机装备制造行业加强对可视化装配工艺技术研究， 用可视化的装配工艺技术指导工人生产，提高煤机产品的装配效率和质量，赢得市场。

1 二维装配工艺存在的不足

煤机装备制造行业大多数是由科研单位转制而来，普遍存在重研发轻工艺现象， 基本上都使用三维软件进行产品设计， 整机装配工艺基本上还停留在二维装配模式上，缺乏有效的装配工艺规划手段。 目前，大多数煤机装备制造企业只是采取了CAPP 手段，实现了对纸质工艺卡片的电子化管理、 对工艺信息自动统计汇总及应用权限的管理与控制。 但是，由于受到智能化程度低、与CAD环境集成效果差，限制了其在高、精、尖端机械制造领域的应用。①二维装配工艺的建立在很大程度上依赖于经验和基于实物模型的反复试装，研发周期和成本大幅增加；②编制二维装配工艺文件劳动强度大、周期长；③装配工人进行装配作业时对图纸、工艺文件依赖程度大，易出现理解失误，造成装配质量问题，影响装配周期；④产品的许多结构设计问题只有在装配调试期间才能暴露出来，因此产品定型周期长。

目前亟需一种有效的工艺规划及验证手段， 可以在虚拟环境中实现从工艺设计到生产的整个流程， 提前发现问题。 同时现行工艺文件多以二维、纸质形式发布，在此过程中增加了非增值劳动（三维到二维的转化），并且跨系统的数据变更需要手工完成更新， 也带来了管理成本的增加。

综上所述， 二维工艺软件无论在广度和深度上均已经无法适应企业数字化研发的需求， 只有建立三维数字化工艺解决方案， 充分采用基于三维数据及模型设计的MBD 技术，才能更好地解决工艺自身的数字化、可视化和虚拟化装配问题， 同时解决设计与工艺的过程协同和数据关联管理。

2 数字装配工艺系统设计

数字化装配工艺就是利用现在计算机和网络技术，在车间装配现场建立信息可视化的人机交互系统， 把产品设计、 装配工艺的信息以数字量的形式传递到车间现场， 产品和资源的信息采用数字化产品定义技术以三维立体数模展示， 装配过程用可交互动画形式播放， 让装配工人以更直观的方式了解产品的装配属性， 理解产品的装配工艺流程、装配方法、装配技术要求、装配控制检验项目等，建立数字化装配工艺就应从系统软件开发、信息传输网络、信息发布终端等方面进行系统设计。

建立三维数字化工艺管理系统平台， 实现快速制定工艺路线，自顶向下或自底向上制定装配工序，全面管理工艺资源，使工艺人员能够快速、统一、直观地描述装配过程和要点。

三维数字化工艺管理系统平台中嵌入工艺资源数据，将产品所使用工艺规程、工量器具、工艺要求、表格清单等制定模板并加入该数据库。

建立工艺文件远程发布网络， 使工人在装配现场可通过触摸终端屏幕观看视频及工艺文件， 了解装配过程并掌握装配要点，达到快速培训的目的。

利用该数据平台制作三维数字化装配工艺文件，对装配过程进行模拟，指导装配作业人员完成装配作业。

3 数字化装配工艺系统架构设计

基于产品全生命周期管理PLM 理念， 采用平台化、分层研发技术，分为系统、应用和客户三个层次，所有功能模块根据本业务流程进行设计。

3.1 工艺数据资源管理库

该数据库中将包括3D 模型数据MBD、设计数据EBOM、工艺数据PBOM、装配工艺要求知识库、装配工艺MBOM、工量器具等资源。

3.2 基础应用平台

能实现公用的基础应用模块如数据建模、过程建模、用户组织建模、行为建模、查询建模、访问控制建模、界面建模等系列工具及执行引擎， 提供强大的应用建模能力和开发能力。

3.3 应用模块层

定制业务模块均在基础应用平台上基于工艺数据资源模型搭建而成，从而保证数据模型的一致性、完整性和关联性。

3.4 人机交互界面

工艺人员通过计算机终端的鼠标、键盘操作，可以自顶向下或自底向上对产品进行工艺路线划分、装配工序制定、工艺文件发布、工艺资源管理等。

4 数字化装配工艺系统流程设计

4.1 基于MBD 的工艺性审查

直接基于MBD 轻量化模型进行可制造性和装配性审查，同时提供三维视图浏览和三维批注，可以通过建立工艺视图或切面进行工艺审核的详细说明。在审查阶段，制定工艺方案中的整体方案、工艺分析、外协要求。

4.2 基于MBD 的EBOM-＞PBOM 的调整

基于三维轻量化模型和MBD 信息进行BOM 主体结构调整， 基于MBD 中的零部件可制造性设定工艺组件（部件/段件/组件/系统），生成PBOM。 根据模型关联参考关系MBD 尺寸链信息进行调整合理性约束和建议。 支持基于MBD 的零部件划分（铸件、锻件、焊接件、标准件等），编制工艺方案（制造方案、研制周期、材料消耗定额、技术状态、工艺质量等）。

4.3 基于MBD 的三维装配工艺规划

基于轻量化模型和MBD/PMI 信息，采用工艺基准面进行装配工艺规划，提出工装申请单/采购单/制造资源清单，辅助生成检验工艺和面向可视化的工序模型。同时在系统中依据模型关联参考信息和装配尺寸链进行规划合理性约束检查。 采用视图和动画技术进行装配工艺详细说明，支持零部件与模型、MBD/PMI 信息以及制造资源间的交互联动。

煤矿安全生产大数据分析平台提供了数据接入、存储、处理和可视化展示等功能，如图3所示。数据引擎提供CSV、TXT、文件文档和关系数据库等数据进入云存储环境为大数据计算做基础准备。为不同的应用场景提供了3种存储方式：HBase、Hive，HDFS。为大数据的统计分析提供了SparkSQL分析、RDD、DataFrame、DataSet任务提交接口；为机器学习和预测预报提供决策树、回归、贝叶斯分析以及通风网络解算等算法；提供了饼状图、柱状图、雷达图曲线图以及GIS专题地图等接口，使计算分析结果能够直观展现。

4.4 数字化装配工艺发布

实现了基于装配工艺规划的内容和检测内容， 生成可视化车间操作指令。产品设计数据、制造流程的可视化和PPR 数据的报表统计发布，支持以图文混排、3D/2D/图示化的可视化方式进行制造流程模型的动态可视化/发布。 支持动态发布制造流程，支持离线/在线浏览。

5 数字化装配工艺设计

数字化转配工艺设计是通过对产品结构进行分析，在企业现有制造能力及产品质量管理的基础上， 按组件对产品的装配单元进行划分，制定装配流程，确定装配方案， 装配控制要素， 各装配环节所配备的制造资源要素等。 在数字化装配工艺设计中，主要由产品结构树、工艺结构树、资源结构树3 个分支构成，具体结构特征根据企业需求进行工艺模板制定。

6 数字化装配工艺资源数据库管理

6.1 基础数据

包括三维CAD 模型、 基于CAD 模型的产品信息列表设计EBOM、 基于生产组织模式的工艺路线PBOM、基于装配现场实际情况的装配工艺MBOM、 装配实际需要的工装、各种BOM 发布需要的表格模板、工艺规程、根据实际生产需要定制的清单列表等。

6.2 工艺相关标准管理

主要是针对行业、专业标准进行管理和执行，并纳入到制造流程设计中，比如：基于MBD 的装配工艺设计技术标准、基于MBD 的质检工艺技术标准、焊接工艺技术标准等。

6.3 工艺知识管理

主要是针对如何快速进行工艺规划设计， 其主要提供了基于MBD 的典型工艺管理、典型工艺路线管理等典型工艺工序， 基于专业工艺知识管理的计算机辅助工艺设计等内容。

7 数字化装配工艺技术难点

建立适合产品快速研制的企业级设计、 工艺和生产的信息化工艺平台和支撑体系，快速进行新产品开发，提高质量，缩短研制周期。根据本企业的工作流程设计相应的数据功能模块，建立相应的工艺资源管理数据库。

基于3D 模型进行工艺规划和设计， 在MBD 设计的基础上扩展到MBD 工艺，实现数据模型及其所关联的标注、注释、公差、尺寸等信息（MBD/PMI/FTA）在设计、制造、装配等过程中的一致性。

数字化工艺管理系统平台需要标准、开放的数据接口。平台本身是无法实现虚拟环境下的装配设计、路径仿真和碰撞检查等功能， 这就需要平台能在自身运行环境下调用或引用其它三维软件的功能模块， 而且平台需要能与CAD/PDM/ERP/MES 等系统具有可编辑的对接数据接口。

8 结束语

通过基于MBD 的三维数字化装配工艺设计及现场可视化技术应用研究及实施，打通了基于MBD 的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。 三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统在数字化制造中有以下优点：

实现了产品设计、工艺设计、工装设计的并行进行，缩短了产品研制周期，降低研发费用。

使工艺研制更便捷、更直观，特别在新产品研制中，通过三维数字化装配工艺设计使得工艺方案的制定、技术决策更准确、便捷。

通过装配过程三维仿真验证，及时发现了产品设计、工艺设计、工装设计存在的质量问题。

通过现场可视化系统的应用， 三维装配仿真通过三维数据直观地显现了装配过程， 使装配操作者更容易理解装配工艺，减少了装配过程中的反复和人为差错。

通过多个系统的集成，使设计、工艺、生产的信息可以更方便被调用，数据流通更加畅通。