复杂产品数字化装配难点及关键技术

复杂产品数字化装配难点及关键技术
黄娟
（武汉开目信息技术有限责任公司，湖北 武汉 430023）
摘要：随着制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，制造企业对数字化制造的需求更加紧迫，数字化制造的关键是数字化装配。

本文对复杂产品的数字化装配难点及关键技术进行分析。

关键字：复杂产品；数字化装配
1前言
随着制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务成为每个现代企业必须面对的问题。

如何提高制造产品质量，加快产品研发、缩短制造周期更是制造企业面临的重要问题。

计算机技术在产品设计和制造中发挥着重要的作用，随着CIMS、并行工程、敏捷制造等技术在制造企业中的深化应用，制造企业对数字化制造的需求更加紧迫，而数字化制造的关键是数字化装配。

装配是制造过程中形成产品的末端环节，是根据相应技术要求，将一组零散的零件通过合理的工艺流程及各种必要的方式联接组合起来，使之成为产品的过程。

装配过程是影响产品性能、质量、产品研制周期以及成本的重要因素。

实现复杂产品的装配过程科学管理与监控，可显著提高其产品的生产效率和装配质量。

复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂的一类产品，典型产品如航天器、飞机、汽车、船舶、武器系统等，主要涉及航空航天、船舶、汽车、兵器等典型行业，这些行业人、财、物都较为丰富，信息化程度一般较高，对于单个零件或子装配体的设计、生产和管理都已实现了相当的自动化、集成化水平。

相比之下，虽然装配设计和生产的过程非常关键，但传统装配技术却相对落后，使之与复杂产品开发过程中其他环节的集成化程度较低，大大影响了全局集成和优化的目标。

数字化装配技术出现于上世纪九十年代后期，代表了一种全新的制造体系和模式，引起了人们的普遍重视，并得到了迅速发展。

基于复杂产品的数字化装配需求，国内航空航天、
-2- 船舶、汽车、兵器等行业已逐步展开相关技术的应用。

2 复杂产品传统装配技术现状
复杂产品装配是典型的离散型装配，具有结构复杂、零部件组成数量庞大、装配精度高、且以手工装配作业为主等特点。

传统的复杂产品装配存在以下主要问题：
1）复杂产品零部件繁多，一个产品可能由上万个零件组成，复杂的产品结构关系通过静态装配数据呈现，缺乏对产品装配过程中的装配数据动态演变过程模型，装配数据管理和过程管理相脱节，在装配过程中容易因错装、漏装造成装配质量问题，影响装配周期。

2）装配工艺文件是指导装配人员进行现场装配操作的重要依据，对产品的最终质量有着非常重要的影响，目前国内工程中常采用装配工艺卡片来指导现场装配，这种卡片式的装配工艺规程主要依靠自然语言进行工艺内容的描述，辅之以一定数量的二维装配示意图，这种方式导致了对装配工艺的描述不形象、不直观、不规范，造成了装配工人不易快速准确地理解装配工艺，严重影响产品的装配质量和效率。

3）装配精度和装配可靠性主要依赖于人的装配经验和知识，且在装配之前无法预先发现设计所造成的装配干扰(装配干涉或不到位)等问题，产品的可装配性只能在装配过程中得到验证。

4）工装、工艺设计与产品设计脱节，未能充分实现并行工程，造成装配协调问题多，返工率高。

事实上，复杂产品的生产过程中大约1/3的人力在从事有关产品装配活动，装配工作占整个产品生产工作量的40%~60%，装配费用占制造总费用的30%~40%，若在装配中发生问题，将增加多达40%的制造费用，直接影响产品的整体生产周期。

传统的装配技术已成为制约相关领域快速制造的巨大障碍，企业只有充分利用信息技术，不断提升装配效率、提高装配质量、控制生产成本，才能在需求多变的市场环境中生存和持续发展。

3 复杂产品数字化装配难点分析
装配顺序规划是数字化装配过程的重要环节，它是决定装配过程的复杂性和可靠性的重
要因素，也是是数字化装配技术研究的一个难点重点问题。

装配顺序规划是通过对装配结构设计中零部件关系对每个零部件装配顺序进行规划，装配顺序规划技术难点主要有以下几个方面：
1）传统的装配顺序的生成多依赖于人为的不确定性经验知识，不容易系统化处理。

2）复杂产品零部件数量繁多、装配结构复杂，使得装配顺序生成的几何推理十分复杂。

装配顺序的生成是一个综合问题，不仅要考虑零部件自身几何信息、装配关系、约束关系和工装夹具等因素，还要考虑经验知识的应用、装配顺序的评价与选择等问题，通过科学的方法，有效的工具完成装配顺序规划。

装配路径规划也是数字化装配研究的重要内容，在明确了零部件的装配顺序后，装配路径规划的关键在于寻找出零件装配无碰撞、无干涉、效率优的最佳路径，碰撞及干涉检测分析是其研究的难点和重点。

随着CAD技术的发展，以及三维CAD的深入应用，使得基于三维产品模型的静动态干涉检验分析、基于产品结构的装配顺序规划成为可能，也使得数字化装配技术中装配顺序规划和装配路径规划的难点问题得到有效解决。

4复杂产品数字化装配关键技术
数字化装配技术是在产品零部件三维数字化实体模型的基础上，利用现代计算机技术、信息技术和人工智能技术，借助于虚拟现实等人机交互手段，来规划与仿真产品的设计装配过程，并指导现场生产。

它可以克服传统的装配工艺设计中主要依赖于人的装配经验和知识，以及设计难度大、设计效率低、优化程度低等问题。

基于三维模型的数字化装配主要涉及以下关键技术：
1）装配信息三维实体建模。

通过建立零部件和工装工具的三维实体数字化模型，提取装配特征信息和空间位置信息，建立产品的装配模型。

装配信息建模是数字化装配的基础。

2）装配顺序规划。

根据产品装配模型提供的结构信息，采用几何推理和人工指导拆卸相结合的方法进行装配序列规划，得到产品的最佳装配顺序。

3）装配路径及工艺规划。

在三维环境下进行交互式工艺规划及碰撞测试，确定装配路径，选取合适的工装工具和装配方法，拟定工艺路线，编排工序工步，确定每道工序的质量控制内容和检测方法，最终输出优化的装配工艺方案。

-4- 4) 装配仿真。

数字化装配仿真是在产品的设计阶段，通过装配过程的仿真实现数字化产品的预装配，验证和改进产品的装配工艺，生动直观地展示产品的可装配性，从而提高产品的装配效率，减少装配时间和费用。

5) 装配工艺输出。

输出装配仿真动画，方便用户在装配现场，清晰直观地查看产品的装配过程及装配要求，以指导现场装配。

根据需要，还可以输出成各种装配工艺卡片用于指导现场生产。

通过以上关键技术的应用，可以帮助用户规划复杂产品的完整装配过程，仿真、验证装配工艺规程的合理性，通过装配规划、仿真和验证，可以在虚拟环境中探索和优化新的流程和技术，有利于加快企业产品上市速度，增强企业对市场的快速反应能力。

5 结束语
数字化装配是数字化制造的核心技术之一，是实际装配过程在计算机上的本质体现，它和CAD 技术相结合，可以解决设计与装配的对象在和研制过程中难以实现的动态性能。

它可以在缩短装配周期、降低装配成本、提高装配质量、提升装配工艺准备效率以及信息系统数据集成等方面带来突破性改变。

并且，通过对装配过程的模拟，可以使上下游的有关因素能在设计早期加以考虑，为产品并行设计提供技术支持和保障。