基于Teamcenter的弹箭产品三维数字化装配工艺设计技术研究

刘殷杰，李文昊，蒲瑶，杨倩，柳林，应嘉奇，王治平

(西安现代控制技术研究所，陕西西安 710065)

0 前言

装配是产品研制过程中最后也是最重要的环节，直接决定了产品的最终质量和性能[1-2]。对于弹箭产品而言，它具有制造资源众多、线束布局空间狭窄、装配关系复杂的特点，装配工艺设计难度大。目前，弹箭产品装配工艺设计仍主要以二维图纸和文字信息为核心，抽象难懂，数字化程度低，过度依赖工艺人员经验，无法准确传递设计及工艺意图，缺乏工艺数字化验证手段，常常在现场出现装配不合理的问题，造成大量的装配返工和工艺更改，装配质量问题频发，导致研制周期延长。随着信息化技术的发展，以三维模型为单一数据源的数字化设计已经成为制造企业的迫切需求[3-5]。我国航空企业在数字化建设方面取得了比较突出的成果，通过研究和应用基于模型定义(Model-Based Definition，MBD)技术[6-9]，基本实现了飞机产品的三维数字化设计及管理[10]。但弹箭产品的数字化建设水平较低，尚未完全实现装配工艺的数字化设计，无法满足当前弹箭产品快速研制、高质量管控的需求。因此，本文作者基于Teamcenter搭建了弹箭产品数字化研制平台，分析弹箭产品三维数字化装配工艺设计过程，实现弹箭产品的数字化快速研制。

1 基于Teamcenter的弹箭产品数字化研制平台

Teamcenter是西门子推出的一款产品全生命周期管理软件，可用来管理设计数模、制造工艺、仿真数据及流程信息等产品研制过程中的数据，通过集成可实现产品全生命周期的数字化设计及制造，为制造行业提供了可行的数字化生命周期管理解决方案。

装配工艺设计是连接弹箭产品设计与制造的关键环节。为实现弹箭产品装配工艺的三维数字化设计，提出基于Teamcenter的弹箭产品数字化研制平台架构，如图1所示，包括基础数据层、业务功能层和交互应用层。基础数据层存储装配知识、装配资源等数据以供工艺重用，包括工艺知识库、工艺参数库、装配工装库、装配设备库和辅助材料库等。业务功能层是实现系统业务内容的核心，为系统提供了一系列的功能组件，包括BOM构建、装配顺序及路径规划、装配工序及工步设计、装配资源关联、装配过程仿真、三维工艺标注、工艺文件生成及发布等。交互应用层为用户提供了与系统进行交互操作的窗口，使用户在三维可视化环境下调用相关功能组件，完成装配工艺的数字化设计与仿真，包括结构管理器、制造工艺规划器、装配过程仿真工具、MES集成等。

图1 基于Teamcenter的弹箭产品数字化研制平台架构

2 弹箭产品三维数字化装配工艺设计过程

弹箭产品三维数字化装配工艺设计是以产品三维模型为核心，开展装配工艺规划和装配工艺设计工作，同时通过装配过程仿真工具对工艺进行验证与优化，并按照工艺模板自动生成装配工艺文件并审批发布至制造执行系统，从而保证弹箭产品装配工艺设计的效率和质量，实现与制造环节的无缝衔接。

2.1 装配工艺规划与管理

装配工艺规划与管理是根据产品三维模型及EBOM，分析产品组成并进行装配工艺顶层规划，包括装配单元划分、装配顺序规划、装配工艺路线规划，从而构建形成顶层MBOM。弹箭产品BOM构建与转换过程见图2。

图2 弹箭产品BOM构建与转换

弹箭产品EBOM描述了产品的结构组成，装配单元则是工艺装配件的总称。在分析EBOM的基础上，根据功能或结构相对独立原则，通过三维轻量化模型交互查看方式划分装配单元。对于弹箭产品而言，一般可分为仪器舱、控制舱、发动机舱、战斗部舱、通电前和总装等多个装配单元[11-12]。在此基础上，分析确定装配单元的装配顺序，规划装配工艺路线，结构化定义装配工艺及装配工序节点，添加属性信息，形成顶层MBOM。顶层MBOM由多层次的装配单元工艺、装配工序构成，是装配工艺的顶层规划，描述了装配单元的装配层次关系及装配路线，可有效组织和管理装配工艺数据，为进一步进行装配工艺详细设计提供基础。

2.2 装配工艺详细设计

装配工艺详细设计是对顶层装配工艺的进一步细化设计，根据弹箭产品各项技术要求，进行装配工序设计和装配工步设计。在三维环境下，对产品设计模型进行三维装配工艺信息标注，形成三维装配工艺模型;定义装配工步节点，添加工艺参数、工艺标准、工时定额、材料定额、操作要求及装配注意事项等制造信息;通过电子表格录入导线标识、部件焊装、对接焊线等电气数据;从基础数据库中调用装配所用的工装、设备、检具和辅助材料等。同时针对装配工序添加消耗件，消耗件包括零件、组件和接插件，从而实现全部装配资源的关联，最终构建形成底层MBOM，完成由顶层MBOM向底层MBOM的转换。

2.3 装配工艺仿真与优化

装配工艺仿真与优化是在三维环境下，利用弹箭产品三维轻量化模型对装配工艺进行仿真分析，验证装配工艺设计的合理性，并针对工艺中不合理的内容进行优化，如图3所示。

图3 装配工艺仿真与优化

装配工艺仿真包括装配路径仿真、装配精度仿真等。弹箭产品装配涉及线缆的铺设、接插件的接插等内容，实际装配中常常因为对装配路径考虑不周而造成接插件无法接插等问题。在工艺设计环节，预先进行装配路径仿真，对装配过程中零件、工装及工具等的可达性、操作空间的开敞性开展仿真验证[13]，同时检查零件和工装等资源在装配过程中是否会发生干涉。若装配工艺不合理，根据仿真结果对装配工艺进行优化改进。

装配精度仿真是针对产品的关键特性[14]，利用弹箭产品及工装的三维轻量化模型，根据装配工艺中零组件的定位方式建立零组件及工装之间的装配约束关系，并引入零组件和工装制造偏差，建立装配偏差传递模型[15]，对装配精度进行统计预测分析，并根据预测结果优化导致装配精度超差的装配工艺内容，包括零组件装配顺序、定位方案以及工装精度的优化等。弹箭产品的装配精度分析目标一般包括前后滑块的平面度、弹体的同轴度以及弹翼安装角等。

2.4 装配工艺文件生成与发布

装配工艺规程是指导与规范产品装配的重要文件。在弹箭产品数字化研制平台中定制开发装配工艺规程模板及工艺文件生成工具，工艺人员完成装配工艺设计后，一键自动生成PDF格式的装配工艺规程文件并发起审批，同时完成工艺文件的成册管理，并通过MES集成工具发布到制造执行系统，以指导现场装配人员快速、准确操作。

3 应用案例

以某型导弹为例，基于弹箭产品数字化研制平台，对其开展三维数字化装配工艺设计工作，如图4所示。

图4 某型导弹三维数字化装配工艺设计过程

(1)工艺人员接收某型导弹三维数模及EBOM信息，在结构管理器中查看并分析其产品组成及三维轻量化模型；(2)划分装配单元，在制造工艺规划器中对装配单元的装配顺序及装配工艺路线进行规划，定义装配工艺及装配工序节点，构建顶层MBOM；(3)详细设计其装配工序、装配工步内容，添加工时定额、材料定额等信息，关联所用装配设备、工装、辅料及消耗件等装配资源，同时基于三维轻量化模型标注三维工艺信息，形成面向制造环节的底层MBOM；(4)进行装配工艺仿真，根据装配工艺建立装配路径，检验其装配过程中是否存在装配资源及操作空间的干涉问题；(5)生成PDF格式的装配工艺文件并进行审批；(6)通过MES集成工具将装配工艺文件发布至制造执行系统。

4 结束语

弹箭产品全过程的数字化设计与制造是保证产品质量、实现快速研制的必经之路，而装配工艺的三维数字化设计是其中重要的一环。本文作者基于Teamcenter构建了弹箭产品数字化研制平台架构，分析了弹箭产品三维数字化装配工艺设计过程，研究了EBOM→顶层MBOM→底层MBOM的构建与转换，并以某型导弹为例进行了应用说明。结果表明：文中研究能够实现弹箭产品的三维数字化装配工艺设计，具有很高的应用和推广价值。