三维装配工艺技术在复杂电子产品中的应用

三维装配工艺技术在复杂电子产品中的应用作者：蔡萍

来源：《现代电子技术》2014年第06期

摘要：装配是产品生命周期的重要环节，电子行业结构复杂产品的装配过程费时费力。为了提高复杂电子产品装配的质量和效率，在此分析了雷达等复杂电子产品三维装配工艺设计的特点和现状，提出了一种基于MBD的三维模型装配工艺设计、仿真与应用方法，并建立了三维装配工艺设计流程和系统体系结构，对三维装配工艺设计的关键技术进行了分析，为三维装配工艺的实施提供了重要技术支持，对于发展数字化装配工艺技术的制造行业具有借鉴意义。

关键词：复杂电子产品；三维装配工艺技术； MBD；可视化

中图分类号： TN964⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）06⁃0081⁃02

装配是制造业的主要活动，形成产品生命周期的重要环节[1]，在电子行业结构复杂的产品，装配工时和费用大概占用总费用的40%～60%，三维CAD/CAM软件因其本身强大的功能，成为企业应用的主流趋势。三维数字化设计和工艺可实现全机规模的三维数字设计、预装配合动静态数字协调，计算机辅助设计和制造并行，缩短了研制周期，提高了设计质量[2]，然而数字化装配工艺技术相对于三维零件设计和加工的发展明显滞后，成为企业提高生产效益和产品质量的瓶颈[3]，因此数字化装配工艺技术的发展成为亟待解决的关键问题。

1 需求现状

雷达等复杂电子产品三维装配工艺设计主要实现2个方面的目标：

（1）对产品总体装配工艺设计进行有效验证；

（2）利用可视化的作业指导书，有效地指导生产现场总装[4]。

目前在复杂电子产品制造业普遍存在以下问题：

（1）工艺与设计缺少协同。工艺和设计不在同一平台，没有同一个数据源，设计EBOM 无法自动集成，数据需要转化，工艺只能被动等待，无法尽早进入到产品设计阶段和避免出现设计模型工艺性差的问题。

（2）装配工艺设计仍然采用传统的二维方式表达，上游设计产生的三维数字模型没有得到充分利用。就目前装配工艺设计本身来说，大多数企业还是依靠传统的二维装配图纸和装配工艺规程卡片进行工艺设计，首先由工艺设计人员设计图纸及经验想象出三维装配空间、设计装配顺序，并用二维工艺过程卡片表达出来。然后由装配工人照工艺设计人员设计的二维数据

理解装配顺序及要求，在大脑中再次构建出三维装配过程，因此，整个产品装配的环节与工艺设计人员和装配工人的技术水平和工作经验关系过于密切，不能充分利用和继承设计产生的三维CAD数据，难以保证工艺设计的规范性、标准化和最优化[5]。

（3）装配进度不易控制，装配周期不易保证。由于目前的工艺设计环境不具备三维工艺验证能力，致使装配过程中是否存在干涉、装配顺序是否合理、工艺装备是否满足需要、操作空间是否开敞等一系列问题只有到了生产试制阶段才暴露出来。从而使装配周期不易保证，严重影响了复杂电子产品研制的进度和质量。

（4）一些复杂產品的裝配，因为缺少可视化的三维动态装配过程，不便于装配工人使用和理解。在目前大多数企业的现场装配，工人主要依靠二维图纸和工艺过程卡进行装配操作，对于一些复杂產品的装配来说，因为缺少可视化的三维动态装配过程，工人理解起来往往会有一定难度，有时还会产生歧义[6]。三维装配工艺可视化技术为装配工人提供一种可预先验证的、易于理解的可视化指导平台，使装配工人直观理解，减少了操作错误，提高产品装配生产效率、降低产品成本、为企业赢得竞争优势。

2 系统体系结构

三维装配工艺设计流程分为产品设计、装配工艺设计和制造3个阶段。在产品设计阶段，首先由设计人员和工艺人员建立零部件和工装模具的三维数字化模型，并对模型数据进行转化，获得三维装配工艺仿真、规划与管理系统中所需的轻量化数据模型。在装配工艺设计阶段，工艺设计人员根据产品装配模型提供的信息，进行装配序列规划，得到产品的最佳装配顺序，在三维环境下进行工艺规划和仿真，选取合适的工装工具和装配方法，最终输出优化的装配工艺方案，所形成的三维装配工艺通过PLM系统进行审签。在制造阶段，利用可视化工具和网络环境将装配仿真验证文件、三维工作指令和工艺设计文件等工艺信息导入到企业ERP 系统，车间装配人员可以一边观看产品的装配过程仿真画面，一边进行实际装配。从而提高装配效率和准确性，其系统结构如图1所示。

3 系统关键技术

实现三维装配工艺需要以下关键技术上取得突破。

3.1 基于MBD的数字化定义技术

MBD将设计、制造、检验、管理信息融入一体，目前被航空行业普遍认同为解决数字化设计制造的关键技术之一[7]。MBD 技术改变了以往同时依据二维工程图纸和三维实体模型来设计产品装配工艺和零件加工工艺的做法[8]。在MBD的技术体系中，MBD数据集的内容包含设计工艺、制造、检验等各部门的信息[9]，以三维数模完全替代二维工程图纸，成为数字化制造过程中的唯一依据。工艺人员在MBD 的工艺设计规范的指导下，读取来自上游结构设

计信息，并将轻量化、完整化，这是进行三维装配工艺设计和进行产品装配仿真的前提，直接依据三维实体模型开展三维工艺设计给整个产品中的工艺设计工作带来一次全新的变革。

3.2 人机交互环境下三维工艺规划及仿真技术

装配规划和仿真技术是装配过程的重要环节，装配顺序和装配方案直接关系产品的可装配行、装配质量和装配成本[10]。依据数字化装配工艺流程，建立三维数字化装配工艺模型，通过装配现场可视化技术建立与产品装配相似的数字化虚拟装配环境，在工艺工作开展的同时及产品实物装配之前，按照确定的装配工艺流程进行数字化模拟仿真，在装配时进行零件与两件、零件与工装的干涉检查；通过对产品装配拆卸过程的仿真，验证装配顺序设计的合理性；模拟操作者的操作过程以便发现操作空间大小是否满足装配需要，操作者身体或肢体能否到达装配位置等问题，并将这些仿真结果通过仿真报告提交产品设计、工装设计等进行优化。

3.3 三维装配工艺可视化技术

三维装配工艺可视化技术是把产品设计信息、制造资源信息和工艺设计信息整合起来以数字化的形式传递到车间现场，并展示出来的方法。操作者能够采用该技术读取三维工艺信息、工装工具信息、三维仿真动画、装配产品结构等信息，最终形成三维数字化工艺展示，使工人能够准确、迅速地查阅装配过程中需要的信息。减少了由于操作者理解不透彻带来的质量问题。

4 结语

随着电子行业的发展，产品的装配复杂性日趋大型化、复杂化，数字化装配成为趋势。同时，无纸化与制造已经成为制造业发展的主流趋势，三维装配工艺设计的实施实现了复杂电子产品三维装配工艺规划、装配过程的三维仿真和装配过程的可视化，减少了现场设计更改率和装配返工率，缩短了装配周期，提高了装配质量和装配效率。为企业提升核心竞争力奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 吴欣.三维装配工艺技术在雷达装配中的应用研究[J].电子机械工程，2012（8）：

56⁃57.

[2] 陆江峰.装配制造业三维数字化制造工艺解决方案[J].现代制造技术与装配，2012（4）：59⁃62.

[3] 蔡虎.基于3DVIA的虚拟装配工艺实施方案研究[J].航空制造技术，2013（6）：80⁃81.

[4] 苏朋.三维辅助装配工艺规划（3D⁃CAPP）系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.