江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司  對(duì)裝配可行性仿真需要建立支持發(fā)動(dòng)機(jī)制造的數(shù)字化仿真環(huán)境，包括發(fā)動(dòng)機(jī)零件產(chǎn)品數(shù)模、標(biāo)準(zhǔn)件和工裝數(shù)模等;按照發(fā)動(dòng)機(jī)裝配單元，確定裝配流程，建立裝配仿真環(huán)境，檢驗(yàn)工裝夾具的可用性，降低工裝設(shè)計(jì)的返修率，開展裝配可行性仿真分析的試點(diǎn)應(yīng)用。本文將重點(diǎn)闡述裝配仿真的方案思路和關(guān)鍵技術(shù)。

一、前言

國(guó)外在飛機(jī)制造業(yè)應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)大至可分為三個(gè)階段：部件數(shù)字樣機(jī)階段(1986～1992)，全機(jī)數(shù)字樣機(jī)階段(1990～1995)，數(shù)字化生產(chǎn)方式階段(1996～2003)。波音公司在進(jìn)行X-32產(chǎn)品裝配工作時(shí)，工人佩帶一種掛在腰間的微型計(jì)算機(jī)，該機(jī)通過單目鏡片，能把裝配順序和裝配部件狀態(tài)投射到正在裝配的部件上方，讓工人方便直觀地進(jìn)行裝配工作，無需再細(xì)讀圖樣，翻閱工藝文件，使裝配周期縮短50%，成本降低30%～40%。

目前在國(guó)內(nèi)整個(gè)飛機(jī)制造過程中處于重要地位的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程基本沿襲了數(shù)字量傳遞與模擬量傳遞相結(jié)合的工作模式，裝配工藝的設(shè)計(jì)仍然停留在二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主的基礎(chǔ)上，與三維CAD模型沒有建立緊密的聯(lián)系，無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關(guān)的制造資源緊密結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)裝配過程的仿真，無法在工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行三維的虛擬工藝驗(yàn)證。零部件能否準(zhǔn)確安裝，在實(shí)際安裝過程中是否發(fā)生干涉，工藝流程、裝配順序是否合理，裝配工藝、裝備是否滿足裝配需要，裝配人員及裝配工具是否可達(dá)、裝配操作空間是否具有開放性等一系列問題無法在裝配設(shè)計(jì)階段得到有效驗(yàn)證。

二、裝配仿真分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)工藝編制中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行虛擬裝配仿真可預(yù)先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝路線，裝配方法，裝配路徑的合理性以及零部件的可裝配性進(jìn)行分析，以便確定最優(yōu)的研制方案，為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供了技術(shù)支持和保障，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的研制具有十分重要的意義。

可裝配性仿真即裝配可行性仿真，涉及到產(chǎn)品裝配工藝的各個(gè)方面，其主要包括以下幾個(gè)問題。

裝配的可達(dá)性，即是否能裝得上。

裝配的流程，即零件裝配的順序和工序安排。

裝配工裝的驗(yàn)證。

裝配人員的可操作性。

結(jié)合工廠實(shí)際情況，在已實(shí)施的數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，選擇噴管部件作為分析對(duì)象，開展裝配可行性仿真分析。

三、裝配仿真過程

1.裝配仿真環(huán)境

首先搭建裝配仿真環(huán)境，裝配仿真的方案軟件構(gòu)成如圖1所示。

建立一個(gè)基于統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造協(xié)同環(huán)境(TCM-Teamcenter Manufacturing)，以電子化、結(jié)構(gòu)化工藝的形式進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，同時(shí)提供裝配工藝分析和優(yōu)化工具，進(jìn)行裝配工藝的模擬和優(yōu)化。系統(tǒng)能夠有效管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，工藝、工序和工部數(shù)據(jù)，工具工裝設(shè)備等生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)，工廠、生產(chǎn)線和裝配區(qū)等生產(chǎn)布局?jǐn)?shù)據(jù)及上述數(shù)據(jù)之間的有機(jī)聯(lián)系。

(1)軟件功能

裝配工藝仿真環(huán)境Process Simulation可以滿足一般的仿真要求，但不具備軟管仿真功能。也不具備指定安裝路徑(例如，沿曲線滑槽行走)的功能，但可以采用遇干涉即停功能建立仿真路徑(例如，沿曲線滑槽行走)，其與實(shí)際安裝過程較為接近。

(2)硬件環(huán)境

本次裝配仿真方案的硬件構(gòu)成如表所示。

本次噴管裝配仿真所配置的計(jì)算機(jī)硬件在經(jīng)過數(shù)模的輕量化(JT)轉(zhuǎn)換后，由于沒有考慮工裝因素，基本可以滿足噴管裝配仿真。但對(duì)于部件較大(零件數(shù)量大于2000個(gè))且考慮工裝的情況，尚需提高計(jì)算機(jī)硬件配置。對(duì)于大型部件的裝配仿真，影響的因素主要是計(jì)算機(jī)的顯示卡。依據(jù)Siemens的仿真硬件指南“Tecnomatix Hardware Requirements.pdf”的要求，可考慮采用與要求規(guī)格相符或不低于的顯示卡。

2.裝配仿真數(shù)據(jù)

數(shù)字化裝配仿真是針對(duì)裝配制造過程的一種仿真分析活動(dòng)，所涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)量很大，裝配仿真所要使用的數(shù)據(jù)如下。

產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息EBOM;

資源三維數(shù)模、工裝夾具、樣板及設(shè)備等;

裝配工藝、工位、操作、工時(shí)及順序;

零件公差和裝配定位;

成本;

工廠設(shè)施;

物流和運(yùn)輸。

上述這些數(shù)據(jù)在一個(gè)統(tǒng)一的TCM管理平臺(tái)中進(jìn)行管理，工藝人員在需要做裝配仿真的時(shí)候直接從TCM中獲取數(shù)據(jù)，建立仿真模型，仿真結(jié)果也將存儲(chǔ)在TCM中進(jìn)行統(tǒng)一管理。裝配仿真數(shù)據(jù)都基于JT輕量化格式，可以從NX數(shù)據(jù)中直接獲取，并且在PDM管理，將JT數(shù)據(jù)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)擴(kuò)展到制造工藝仿真上。

3.信息(數(shù)據(jù))傳遞過程

制造過程可以抽象為一個(gè)由產(chǎn)品、工藝流程和資源三要素組成的流程模型。Teamcenter在規(guī)劃產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)，把實(shí)際的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、所需的制造資源、工序操作和制造特征聯(lián)系起來建立起完整的工藝產(chǎn)品、工藝流程和資源過程信息，就形成了表述清晰的工藝規(guī)劃(圖2)，它是數(shù)字化制造全過程的基本線索，它使所有工藝信息可以在企業(yè)內(nèi)部和整個(gè)企業(yè)供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)中所有相關(guān)人員實(shí)現(xiàn)高度共享。

在數(shù)字化的工藝規(guī)劃界面(MSE)上，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品三維顯示，可進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)操作，計(jì)劃調(diào)度人員可以清晰地觀察產(chǎn)品的狀態(tài)變化。把工序的實(shí)施順序、各工序的名稱和實(shí)施內(nèi)容以及所需資源清楚地表示出來。Pert圖把零件、制造特征和資源與操作聯(lián)系起來。同時(shí)借助Gantt圖的功能，可以對(duì)工藝路線、工藝順序進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整。

裝配仿真是通過將PSE中的EBOM通過NX Manager生成輕量化的JT格式文件，保存在Teamcenter中，在MSE中建立工藝路線，將EBOM發(fā)送到MSE中進(jìn)行零件分配形成MBOM，然后在Process Simulate中進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)和仿真。對(duì)工藝的調(diào)整及仿真結(jié)果可以保存在Teamcenter中。如圖3所示。

4.基于工藝結(jié)構(gòu)順序的裝配MBOM的建立

裝配的BOM結(jié)構(gòu)是根據(jù)工藝編制中的工序順序生成的，其中包括了工藝中間件。在PDM系統(tǒng)中，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)編輯器PSE中的EBOM通過NX Manager生成輕量化的JT格式文件，與BOM建立關(guān)聯(lián)(渲染)關(guān)系，并保存在Teamcenter中。在制造結(jié)構(gòu)編輯器MSE中建立工藝路線，將EBOM發(fā)送到MSE中進(jìn)行零件分配形成裝配BOM，然后在Process Simulate中進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)和仿真。對(duì)工藝的調(diào)整及仿真結(jié)果可以保存在Teamcenter中。

5.工藝驗(yàn)證

通過對(duì)噴管部件的仿真，驗(yàn)證仿真軟件與TCM的集成性，顯示裝配工藝與裝配可行性仿真的一體化，通過裝配仿真對(duì)產(chǎn)品的裝配順序進(jìn)行規(guī)劃，使零件裝配由無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，最大限度地消除由裝配順序引起的干涉，有效地提高裝配仿真的效率。

四、裝配仿真關(guān)鍵技術(shù)

1.裝配順序規(guī)劃

裝配順序規(guī)劃屬于裝配規(guī)劃中作業(yè)級(jí)規(guī)劃層次，是描述產(chǎn)品裝配過程的重要信息之一，其優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品的可裝配性、裝配質(zhì)量及裝配成本。裝配順序規(guī)劃是指裝配零部件之間的優(yōu)先關(guān)系，即在裝配過程中各零件之間的先后裝配順序約束關(guān)系，因此在充分考慮裝配順序的幾何干涉關(guān)系的同時(shí)，還從裝配工藝性的角度將裝配工藝方面的約束條件以工藝優(yōu)先關(guān)系的形式進(jìn)行系統(tǒng)化考慮。在本次仿真分析中，裝配順序是采用現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)工藝。即在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下，驗(yàn)證裝配順序，裝配路徑的合理性;檢驗(yàn)零部件的可裝配性。

利用Process Simulation的Gannt圖(圖4)確定產(chǎn)品裝配和拆卸的最優(yōu)操作順序，進(jìn)行裝配順序的可行性分析，從而確定最佳操作順序。

2.靜態(tài)分析

在進(jìn)行裝配路徑設(shè)計(jì)之前，借助干涉檢查工具對(duì)產(chǎn)品的最終裝配位置進(jìn)行干涉分析，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)會(huì)用紅色或黃色標(biāo)注存在干涉的位置，并輸出檢查報(bào)告。如圖5所示。

3.裝配路徑規(guī)劃

對(duì)于比較簡(jiǎn)單裝配路經(jīng)可以利用Process Simulation通過移動(dòng)零部件的位置，系統(tǒng)自動(dòng)記錄該移動(dòng)路徑手工建立裝配路徑。

對(duì)于復(fù)雜裝配路徑可以使用Process Simulation的Automatic Path Planner功能自動(dòng)創(chuàng)建裝配路徑。該功能可以自動(dòng)搜索并生成無干涉及最優(yōu)的路徑。

4.動(dòng)態(tài)分析

在裝配順序和路徑規(guī)劃中，利用Process Simulation遇干涉即停(Stop-On-Collision)功能可以在發(fā)現(xiàn)沖突或不合要求時(shí)自動(dòng)中止仿真進(jìn)程，從而在整個(gè)過程中能夠注意并解決問題。如圖6所示。

五、結(jié)語

通過對(duì)一個(gè)裝配體的仿真分析，初步探索可裝配性分析和裝配精確性分析在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配過程仿真系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)在產(chǎn)品實(shí)際(實(shí)物)裝配之前，通過裝配過程仿真，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì)存在的問題，有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配干涉等問題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改，保證產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。

(2)裝配仿真過程產(chǎn)生的圖片、視頻錄象直觀地演示裝配仿真，使裝配工人更容易理解裝配工藝，減少了裝配過程反復(fù)，減少了人為差錯(cuò)。

(3)對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)，通過三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真，減少了技術(shù)決策風(fēng)險(xiǎn)，降低了技術(shù)協(xié)調(diào)成本。

(4)可提高企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)研制方面的快速應(yīng)變能力，以適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和不同的用戶需求。

(5)提高企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力。

鳳谷工業(yè)爐集設(shè)計(jì)研發(fā),生產(chǎn)銷售,培訓(xùn)指導(dǎo),售后服務(wù)一體化,專利節(jié)能技術(shù)應(yīng)用,每年為企業(yè)節(jié)省40%-70%的能源成本,主要產(chǎn)品加熱爐,工業(yè)爐,節(jié)能爐,蓄熱式爐,垃圾氣化處理設(shè)備，歡迎致電咨詢:0510-88818999