案例解读 | 船用中速柴油机数字化装配工艺设计仿真

艺设计”和“装配工艺管理”两类功能，每类包含若干具体功能。表1 中速柴油机数字化装配工艺软件功能3中速柴油机数字化装配工艺设计装配工艺设计是数字化装配工艺软件的核心功能，是其它功能实现基础，也最能体现不同行业差异，以中速柴油机曲轴总成装配工艺为对象，采用达索DELMIA软件进行这项功能验证。首先需要建立软件基础数据环境，数字化制造强调“三分技术、七分管理、十二分数据”，对装配工艺而言主要是标准工艺数据和装配资源数据。标准工艺数据是由工艺类型、工序方法和操作单元组成的三层结构，代表柴油机装配车间工作分解，DELMIA提供专门的工艺库文件来建立上述内容，可供装配工艺设计调用。装配资源是完成装配动作的物理实体，分为“人员”、“设备”、“工装”、“工具”、“装配材料”五种类型，这种分类既取决于它们在工艺中的作用，也考虑了资源的不同成本特性，人员、设备是主动资源，通过消耗能量实现某种功能操作，另外三种都是被动资源，必须借助设备或人员才能发挥作用；非消耗性的工装与工具只产生固定成本，大小取决于资源的拥有量而与使用程度无关，人员、设备、装配材料产生直接变动成本，大小取决于资源使用量，人员、设备也对固定成本产生贡献，除了分类属性和成本管理属性，资源对象的其它属性包括状态、可共享性、功能、性能、供应商等，DELMIA提供专门的资源库文件关联资源三维模型与属性数据，实现二者管理维护的分离，但在工艺设计时二者整体调用，图2是从资源库中调用资源模型，图3是将资源模型从资源库中导入后，调整位置关系得到的装配车间三维模型。图2 从资源库中调用资源模型图3 装配车间资源模型中速柴油机装配工艺设计分为面向生产管理的装配工艺规划和面向作业指导的详细工艺设计两部分，装配工艺规划将柴油机EBOM调整为MBOM、规划装配工艺路线、为工艺路线中的装配单元分配工作中心资源，从宏观上建立产品、工艺、资源三者之间的联系。详细工艺设计决定装配单元内的详细操作，进行工序流程设计、工序内容设计，确定管理、技术参数要求。详细工艺设计的核心是操作，装配操作可以抽象为“人的动作、设备的动作、产品物料的空间位姿变换”三种动作要素的组合，三维工艺相比二维工艺的一大突破就是能建立、表达实体动作的动态过程，并记录操作中实体之间相互作用，使三维工艺具备仿真分析和动态作业指导能力，即使不对操作建模，三维工艺采用三维模型配合三维标注的方式仍比二维工艺的平面文字附图方式更具表现力，完全结构化的设计过程和设计数据也是二维工艺不能相比的，图7是详细工艺设计过程，图8是工艺三维标注。图4 详细工艺设计过程4中速柴油机数字化装配工艺仿真尽管DELMIA能模拟任意复杂的装配操作，但操作建模远比三维标注更加费时，对每个操作详细建模根本没有必要，因此只对工序中需要仿真的操作建摸，这类操作通常有以下特点：多人员设备联合、参装件有较大的空间位姿变换、流程较长的高价值操作、失败风险高等，是详细工艺设计难点，DELMIA融为一体的建模仿真能力可以将操作建模结果实时仿真，通过仿真输出验证操作的可行性与经济性、研究操作改进，达到提高工艺方案可装配性的目的。对于大量常规操作和一些单人手工操作，则不需要建模仿真，这部分操作的重点是标准化、精细化，调用标准工艺中的文字描述或使用三维标注即可。DELMIA提供截面图、透视图、运动物体扫略体积等观察工具，能以非常直观的方式进行可装配性定性评价。除此之外，DELMIA还能输出丰富的仿真统计信息，用于可装配性定量分析，包括时间信息和空间信息两种类型，时间信息关系工艺操作的经济性，空间信息决定工艺操作的可行性。空间可行性是重大新工艺设计面临的主要问题之一，对于曲轴总装工艺，将连杆大端预先装到曲轴上是否妨碍曲轴总成装入，就取决于装配路径上是否有干涉，DELMIA在仿真中实时监测曲轴总成滚入机身的最小间隙，一旦曲轴总成与机身碰撞，就会高亮显示碰撞区域并暂停仿真，图9为装配仿真中出现的干涉情况，图中橙色部分是平衡重块螺栓与平衡重块间的配合连接，属于正常现象，黄色圆圈中的红色区域显示连杆大端碰到了机身上边缘，放大后如图10所示，需要对此问题研究解决，通过将连杆大端旋转一定角度，然后重新模拟，新的仿真显示干涉问题得到消除，如图8所示，使用三维标注提示工人需要手动旋转连杆大端。图9 装配过程中的干涉图10 干涉部位放大显示5结束语计算机辅助装配工艺设计经历了电子化、半结构化、结构化，一直到今天数字化的发展阶段，使产品装配工艺设计达到前所未有的精细化水平，并成为企业内部集成的关键子系统。但对于以手工装配为主的船用中速柴油机制造企业而言，从二维工艺模式向数字化装配工艺转型不是一蹴而就的事情，主要原因在于先进制造战略和周围业务环境对这项技术提出了新的复杂要求，使实施工作本身成为一项知识密集型工作，稍有不慎就会造成企业信息孤岛甚至高技术摆设，在对有关问题分析研究之后，得出工程应用中需要注意的三个要点：第一是要做到装配工艺结构化，充分发挥装配工艺设计在企业集成中的桥梁纽带作用，为与装配相关的其它业务提供一致数据源；第二是要重视挖掘可视化，增强人在装配工艺决策中的主体地位，不盲目追求自动化；第三是正确使用仿真，结合工业工程、DFA方法找准仿真应用场景，避免对这项技术过度使用。按照以上要点，采用达索DELMIA进行中速柴油机曲轴总装工艺设计仿真，验证了核心功能技术路线的可行性，对大型机电产品制造业具有普遍借鉴意义。