装配仿真技术应用研究

文章出处：e制造责任编辑：江苏凤谷节能科技有限公司www.fg-furnace.com人气：-发表时间：2016-06-08 08:20【大中小】

江苏凤谷节能科技有限公司 对装配可行性仿真需要建立支持发动机制造的数字化仿真环境，包括发动机零件产品数模、标准件和工装数模等;按照发动机装配单元，确定装配流程，建立装配仿真环境，检验工装夹具的可用性，降低工装设计的返修率，开展装配可行性仿真分析的试点应用。本文将重点阐述装配仿真的方案思路和关键技术。

一、前言

国外在飞机制造业应用三维数字化技术大至可分为三个阶段：部件数字样机阶段(1986～1992)，全机数字样机阶段(1990～1995)，数字化生产方式阶段(1996～2003)。波音公司在进行X-32产品装配工作时，工人佩带一种挂在腰间的微型计算机，该机通过单目镜片，能把装配顺序和装配部件状态投射到正在装配的部件上方，让工人方便直观地进行装配工作，无需再细读图样，翻阅工艺文件，使装配周期缩短50%，成本降低30%～40%。

目前在国内整个飞机制造过程中处于重要地位的发动机装配过程基本沿袭了数字量传递与模拟量传递相结合的工作模式，装配工艺的设计仍然停留在二维产品设计为主的基础上，与三维CAD模型没有建立紧密的联系，无法将装配工艺过程、装配零件及与装配过程有关的制造资源紧密结合在一起，实现装配过程的仿真，无法在工艺设计环境中进行三维的虚拟工艺验证。零部件能否准确安装，在实际安装过程中是否发生干涉，工艺流程、装配顺序是否合理，装配工艺、装备是否满足装配需要，装配人员及装配工具是否可达、装配操作空间是否具有开放性等一系列问题无法在装配设计阶段得到有效验证。

二、装配仿真分析

在发动机工艺编制中，对发动机进行虚拟装配仿真可预先对发动机的工艺路线，装配方法，装配路径的合理性以及零部件的可装配性进行分析，以便确定最优的研制方案，为发动机的设计制造提供了技术支持和保障，这对于复杂系统的研制具有十分重要的意义。

可装配性仿真即装配可行性仿真，涉及到产品装配工艺的各个方面，其主要包括以下几个问题。

装配的可达性，即是否能装得上。

装配的流程，即零件装配的顺序和工序安排。

装配工装的验证。

装配人员的可操作性。

结合工厂实际情况，在已实施的数字化装配工艺系统应用的基础上，选择喷管部件作为分析对象，开展装配可行性仿真分析。

三、装配仿真过程

1.装配仿真环境

首先搭建装配仿真环境，装配仿真的方案软件构成如图1所示。

建立一个基于统一的产品数据管理(PDM)系统的设计制造协同环境(TCM-Teamcenter Manufacturing)，以电子化、结构化工艺的形式进行装配工艺规划，同时提供装配工艺分析和优化工具，进行装配工艺的模拟和优化。系统能够有效管理产品数据，工艺、工序和工部数据，工具工装设备等生产资源数据，工厂、生产线和装配区等生产布局数据及上述数据之间的有机联系。

(1)软件功能

装配工艺仿真环境Process Simulation可以满足一般的仿真要求，但不具备软管仿真功能。也不具备指定安装路径(例如，沿曲线滑槽行走)的功能，但可以采用遇干涉即停功能建立仿真路径(例如，沿曲线滑槽行走)，其与实际安装过程较为接近。

(2)硬件环境

本次装配仿真方案的硬件构成如表所示。

本次喷管装配仿真所配置的计算机硬件在经过数模的轻量化(JT)转换后，由于没有考虑工装因素，基本可以满足喷管装配仿真。但对于部件较大(零件数量大于2000个)且考虑工装的情况，尚需提高计算机硬件配置。对于大型部件的装配仿真，影响的因素主要是计算机的显示卡。依据Siemens的仿真硬件指南“Tecnomatix Hardware Requirements.pdf”的要求，可考虑采用与要求规格相符或不低于的显示卡。

2.装配仿真数据

数字化装配仿真是针对装配制造过程的一种仿真分析活动，所涉及的数据种类繁多，数据量很大，装配仿真所要使用的数据如下。

产品三维数据，产品结构信息EBOM;

资源三维数模、工装夹具、样板及设备等;

装配工艺、工位、操作、工时及顺序;

零件公差和装配定位;

成本;

工厂设施;

物流和运输。

上述这些数据在一个统一的TCM管理平台中进行管理，工艺人员在需要做装配仿真的时候直接从TCM中获取数据，建立仿真模型，仿真结果也将存储在TCM中进行统一管理。装配仿真数据都基于JT轻量化格式，可以从NX数据中直接获取，并且在PDM管理，将JT数据从产品设计扩展到制造工艺仿真上。

3.信息(数据)传递过程

制造过程可以抽象为一个由产品、工艺流程和资源三要素组成的流程模型。Teamcenter在规划产品的生产时，把实际的产品数据、所需的制造资源、工序操作和制造特征联系起来建立起完整的工艺产品、工艺流程和资源过程信息，就形成了表述清晰的工艺规划(图2)，它是数字化制造全过程的基本线索，它使所有工艺信息可以在企业内部和整个企业供应链各环节中所有相关人员实现高度共享。

在数字化的工艺规划界面(MSE)上，实现了产品三维显示，可进行缩放、旋转操作，计划调度人员可以清晰地观察产品的状态变化。把工序的实施顺序、各工序的名称和实施内容以及所需资源清楚地表示出来。Pert图把零件、制造特征和资源与操作联系起来。同时借助Gantt图的功能，可以对工艺路线、工艺顺序进行详细调整。

装配仿真是通过将PSE中的EBOM通过NX Manager生成轻量化的JT格式文件，保存在Teamcenter中，在MSE中建立工艺路线，将EBOM发送到MSE中进行零件分配形成MBOM，然后在Process Simulate中进行详细工艺设计和仿真。对工艺的调整及仿真结果可以保存在Teamcenter中。如图3所示。

4.基于工艺结构顺序的装配MBOM的建立

装配的BOM结构是根据工艺编制中的工序顺序生成的，其中包括了工艺中间件。在PDM系统中，将产品结构编辑器PSE中的EBOM通过NX Manager生成轻量化的JT格式文件，与BOM建立关联(渲染)关系，并保存在Teamcenter中。在制造结构编辑器MSE中建立工艺路线，将EBOM发送到MSE中进行零件分配形成装配BOM，然后在Process Simulate中进行详细工艺设计和仿真。对工艺的调整及仿真结果可以保存在Teamcenter中。

5.工艺验证

通过对喷管部件的仿真，验证仿真软件与TCM的集成性，显示装配工艺与装配可行性仿真的一体化，通过装配仿真对产品的装配顺序进行规划，使零件装配由无序状态变为有序状态，最大限度地消除由装配顺序引起的干涉，有效地提高装配仿真的效率。

四、装配仿真关键技术

1.装配顺序规划

装配顺序规划属于装配规划中作业级规划层次，是描述产品装配过程的重要信息之一，其优劣直接影响到产品的可装配性、装配质量及装配成本。装配顺序规划是指装配零部件之间的优先关系，即在装配过程中各零件之间的先后装配顺序约束关系，因此在充分考虑装配顺序的几何干涉关系的同时，还从装配工艺性的角度将装配工艺方面的约束条件以工艺优先关系的形式进行系统化考虑。在本次仿真分析中，装配顺序是采用现实的生产工艺。即在计算机虚拟环境下，验证装配顺序，装配路径的合理性;检验零部件的可装配性。

利用Process Simulation的Gannt图(图4)确定产品装配和拆卸的最优操作顺序，进行装配顺序的可行性分析，从而确定最佳操作顺序。

2.静态分析

在进行装配路径设计之前，借助干涉检查工具对产品的最终装配位置进行干涉分析，以发现产品设计问题。系统会用红色或黄色标注存在干涉的位置，并输出检查报告。如图5所示。

3.装配路径规划

对于比较简单装配路经可以利用Process Simulation通过移动零部件的位置，系统自动记录该移动路径手工建立装配路径。

对于复杂装配路径可以使用Process Simulation的Automatic Path Planner功能自动创建装配路径。该功能可以自动搜索并生成无干涉及最优的路径。

4.动态分析

在装配顺序和路径规划中，利用Process Simulation遇干涉即停(Stop-On-Collision)功能可以在发现冲突或不合要求时自动中止仿真进程，从而在整个过程中能够注意并解决问题。如图6所示。

五、结语

通过对一个装配体的仿真分析，初步探索可装配性分析和装配精确性分析在航空发动机上的应用，三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真系统在数字化制造中有以下优势。

(1)在产品实际(实物)装配之前，通过装配过程仿真，及时地发现产品设计、工艺设计及工装设计存在的问题，有效地减少装配缺陷和产品的故障率，减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改，保证产品装配的质量。

(2)装配仿真过程产生的图片、视频录象直观地演示装配仿真，使装配工人更容易理解装配工艺，减少了装配过程反复，减少了人为差错。