基于开目工艺管理系统的三维装配工艺设计

近年来，制造行业发展迅速，竞争愈演愈烈，要求生产企业充分利用先进、成熟的技术和手段，在产品开发和设计阶段就控制成本、提高质量、缩短产品开发与技术准备周期。二维CAD和二维CAPP已经很难满足企业的发展需要。

三维CAD以其三维造型、曲面设计、参数化驱动彻底改变了设计人员的设计习惯，使设计过程与最终产品紧密相关，大幅度的提高了设计速度和设计质量，产品设计逐渐由二维CAD转向三维CAD，在航空、航天、汽车、船舶、电子行业三维CAD的应用已非常普遍。

同时，工艺设计也逐步由二维向三维转换。在装配工艺设计方面，将传统的装配工艺中所体现的内容以虚拟仿真的形式表达出来，进行装配模拟和检验，使装配设计过程进入全新的境界，三维装配工艺规划软件得到企业的青睐。但企业单独使用三维装配工艺规划软件面临一系列问题：工艺数据分散在工艺人员的机器上，没有集中统一管理；不能利用CAD系统生成的产品设计数据，产品数据资源重用性差；将装配过程录制成视频文件发放到车间，装配人员只能看到动画效果，无法看到具体操作要求。

基于开目工艺管理系统的三维装配工艺设计系统能够解决这些问题，它具有以下几项功能：1）在开目工艺管理系统中基于产品的BOM和设计资源进行装配工艺设计，与产品设计数据紧密集成；2）基于三维轻量化模型构建装配工艺设计仿真环境，对装配工艺过程进行分析、设计，实现装配过程的装配顺序仿真、装配干涉检查、产品和制造资源仿真；3）工艺数据由开目工艺管理系统统一管理；4）工艺数据（工艺文件、视频文件、MBOM报表、零组件配套表）发放到车间，指导现场操作人员，实现可视化装配。

1 系统的体系架构

基于开目工艺管理系统的三维装配工艺设计系统包括开目工艺管理系统、三维装配工艺设计系统（KM3DCAPP-A系统）、三维CAD与工艺管理系统集成以及车间应用四大部分，其体系架构如图1所示。

图1 系统体系架构

CAD设计数据导入到工艺管理系统中，生成设计BOM，工艺管理系统获取零部件的三维模型文件以及零部件属性信息（如代号、名称等）；

在工艺管理系统中，根据装配的工艺性原则，调整设计BOM为工艺BOM，经签审后进行装配工艺设计；

对产品模型进行轻量化，生成的轻量化文件保存在工艺管理系统中；

KM3DCAPP-A系统从工艺管理系统中获取工艺BOM、零部件属性信息、三维模型文件及轻量化文件，进行装配工艺设计，生成工艺文件；

在工艺管理系统中进行工艺文件的汇总和签审。审签后，工艺数据为发布状态，如果要修改需走变更流程；

完成的工艺数据发放到车间电子终端，以三维动画形式模拟装配过程，同时显示装入件明细、工装明细和工序内容，指导装配人员操作。

2 三维装配工艺设计模式

2.1 产品模型导入到工艺管理系统中

开目工艺管理系统实现了与六种主流三维CAD（PRO/E，UG，CATIA，SolidWorks，SolidEdge，Inventor）的集成，包括：导入产品模型生成产品结构树、提取零部件属性信息、零部件的三维模型文件放在零部件对象的文卷中，可对模型文件进行浏览。

2.2 设计BOM调整为工艺BOM

在开目工艺管理系统中，将设计BOM调整为满足装配工艺要求的工艺BOM，添加虚拟件、焊合件等，调整完成后就可以创建装配工艺文件，进行装配工艺规划了。

2.3 创建三维装配工艺对象

工艺人员根据分派给自己的工艺设计任务，在工艺BOM树的产品或部件节点下创建三维装配工艺对象，系统自动产生三维装配工艺文卷（XML文卷）。

2.4 对产品模型进行轻量化

在工艺管理系统中对产品模型进行轻量化操作，系统根据三维模型自动产生轻量化模型，零部件的轻量化模型文件也放在零部件对象的文卷中。

2.5 三维装配工艺设计过程

工艺人员编辑三维装配工艺文卷（XML文卷），自动进入KM3DCAPP-A系统，该系统从工艺管理中获取工艺BOM、零部件属性信息、三维模型文件及轻量化文件，生成装配结构树，在可视化装配环境中进行装配过程定义。

2.5.1 装配过程规划

通过装配过程定义及管理功能，规划装配的每一道装配工序或检测工序（也称“装配步骤”），指定每一道工序装配的零部件清单（也称“装配对象”），定义工序的各个工步（也称“装配活动”），按照拆卸的方式，为装配对象定义直线、旋转、螺旋、平动、牵引、径向六种运动，并支持典型运动（如导线穿引、扳手、螺丝刀运动等）。

在拆卸产品的过程中，可以使用如扳手、螺丝刀等工艺装备，并定义使用工艺装备拆卸产品零部件的详细细节。

用户可以指定工序的工序名称、内容，通过自定义属性定义装配的各种信息，包括装配方法、注意事项、检验方法等等，产生完善的装配数据信息。图为定义装配步骤和活动示意图。

定义装配步骤和活动

2.5.2 调整装配活动顺序及时间

为了更加真实的仿真装配的实际过程，辅助计算装配过程各工序的实际时间，系统提供了调整装配活动顺序及时间功能，该功能将步骤中的每一个活动视为一个任务，以甘特图的形式展示给用户，用户可以调整每个活动的开始时间，结束时间，定义各活动的先后关联顺序，达到模拟并行装配场景的目的，并辅助用户进行装配节拍计算。

2.5.3 装配仿真

完成了一个产品的完整装配过程定义后，用户可以通过装配仿真功能，仿真装配的实际效果，用可视化的方式，通过装配工艺性评价功能，检验装配过程的合理性。

2.5.4 三维工艺装备管理

装配过程仿真，不仅可以模拟产品的零部件如何被装配的完整过程，还能够模拟如何借助工艺装备进行装配的过程。首先，用户需要在开目企业资源管理器中，建立一些在产品装配过程中需要用到的三维工艺装备模型库（包括：工具、夹具、量具等），然后在可视化装配活动定义过程中，引入这些工艺装备，安装工艺装备，定义装备的活动（使用工艺装备拆卸产品零部件），最后拆除工艺装备，这样系统就能够模仿使用工艺装备装配产品零部件的完整过程了。

2.5.5 装配工艺评价

装配仿真的过程中，用户可以通过系统提供的动态干涉检查功能，检查产品设计、装配工艺规划的合理性，帮助用户在产品生命周期早期，发现产品设计缺陷及装配工艺设计缺陷，缩短设计周期，提高产品质量。

2.6 三维装配工艺设计数据组织形式

装配工艺设计完成后，可以转变为工艺卡片上的内容，还可以通过开目工艺编辑平台进行一定的编辑，系统会为每道工序产生一张图片，自动插入工序卡的工艺简图区，以辅助工艺人员操作。因此，在工艺管理系统中，需要对这些数据形式进行统一的管理，把这些数据统一保留在装配工艺对象中，不同的数据形式以文卷的方式存放在对象中，由工艺管理系统负责它们的联系。如下图所示。这种数据组织形式，为今后工艺数据发放到车间工位提供条件，在工艺管理系统中通过权限控制将数据发放到指定工位。

2.7 三维装配工艺文件的签审

三维装配工艺文件的签审流程一般包括编制、审核、批准步骤。工艺文件编制完成后，提交到审核步骤，审核人对装配工艺对象进行审核，在流程中签字确认。审核后提交到批准步骤，同样对装配工艺对象进行批准。

2.8 三维装配工艺文件的汇总

通过工艺管理系统的汇总功能，可以对多个工艺文件进行各种工艺数据的汇总，如工艺路线的汇总、装入件明细汇总、工装汇总等等。

3 车间信息发布与应用

由于工艺管理系统中完整的记录了三维装配工艺数据，因此，在车间发布时，可以以图文一体化的形式把工艺数据展现在车间终端，包括浏览三维模型、二维图纸，浏览工艺文件、装配仿真等。

在车间终端应用模块，工艺数据展示界面如下图所示，上面为功能按钮，下面左边显示装配结构树，右边为浏览区域。当需要进行装配仿真浏览时，可浏览装配工艺文件中各工序对应的装配动画和工序相关信息（包括本道工序的装入件明细、工装明细和工序内容），在浏览过程中可对模型进行放大、缩小和旋转操作，装配人员可以从不同的角度查看安装过程。

4 结束语

基于开目工艺管理系统的三维装配工艺设计系统，为企业数字化的各类应用环节提供了完整的设计、工艺、制造信息，蕴含着强大的生命力。目前该系统已在航空、航天、船舶、电子行业得到应用，对提升企业工艺创新能力、缩短产品研制周期、提高市场应变能力起到了积极作用。