智能装配工艺规划
2023-05-26 来源： 智造苑
装配工艺规划是影响产品装配质量和成本的重要因素，其主要目的是确定产品的最优装配方案。传统装配工艺规划基于二维工程图纸，工艺设计人员及操作人员均需根据二维图样抽象三维装配，装配质量绝大程度上依靠相关人员的技术水平和工作经验，任何一个环节出现问题都会影响产品研制的进度与质量。而基于模型的数字化三维装配工艺规划，实现了工艺信息与产品信息的紧密相连，便于工艺设计和指导工人操作，提高了产品的装配质量。在智能制造背景下，基于数字孪生技术的装配工艺规划应运而生，其实现了数字空间和物理空间装配数据和信息的“虚实融合”，通过“以虚控实”的手段，对装配工艺方案进行了优化，进一步提高装配准确度与装配效率。
「 1. 基于MBD技术的产品装配工艺规划 」
在数字化技术的推动下，目前形成了基于模型的产品数字化定义（model based definition，MBD）技术的数字化三维装配工艺规划，其特点是产品设计不再发放传统的二维图样，而是发放产品设计结构（engineering bill of material，EBOM）和三维设计数模，建立产品工艺结构（process bill of material，PBOM），制定装配工艺协调方案，划分工艺分离面，并进行全流程装配工艺仿真，最终形成经过装配仿真验证的产品制造清单（manufacturing bill of material，MBOM）顶层结构，将此MBOM发放到下游的工装设计、专业制造和检验检测等部门，同时工艺部门完成详细工艺设计并进行仿真验证，编制三维装配指令（assembly order，AO）。数字化三维装配工艺规划主要内容如下。
1）装配分离面划分
数字化三维装配工艺规划是以设计三维模型和设计物料清单（EBOM）到制造物料清单（MBOM）的重构形式来实现的，目前可以通过大量的三维装配工艺设计系统（如DELMIA等）来实现。装配工艺分离面的划分除遵循传统的工艺分离面划分原则外，还需遵循以下规则：
（1）将柔性装配不同产品间的类似结构组件按相同的原则划分成分装配件；
（2）不同产品间结构区别大的部分应划分成单独的组合件；
（3）分离面的选取应考虑总装对合的便利性；
（4）不同产品分离面的划分应保证装配协调方式一致。
2）装配控制码
装配控制码（assembly control code）也称为区域控制码，最初含义是指装配中不同工作地的控制代码，在工艺划分时称其为装配控制码，是零件需求生产计划和装配进度计划排产的重要依据。装配控制码的生成应符合以下规则：
（1）一个装配控制码对应装配树中的一个装配单元或一个生产站位；
（2）每个装配控制码可以表示该装配单元或站位所属组织、装配层次及继承关系；
（3）装配控制码应符合至上而下的生成关系，并在工艺规划仿真验证后由工艺设计系统软件自动按规则生成。
3）装配工艺方案
装配工艺方案是以装配控制码为单元编写，并用来描述装配顺序、工艺装备和质量控制要求的制造工程文件，是编制装配工艺流程、装配工艺图解、操作与检验记录、硬件可变性控制HVC，以及工艺装备技术条件的基础。
4）工艺布局
数字化工艺布局可借助装配仿真软件实现装配车间多维立体规划布局，建立包括厂房、工装、工具、设备、辅助资源等装配资源的数字模型知识库，按照装配工艺方案和精益装配过程对装配资源进行合理布置，保证装配工作顺利完成。
5）MBOM构建与制造数据管理
在产品的生产制造过程中，设计物料清单EBOM是原始的输人。之后按照分工路线、工艺组合件的规划，配合工艺过程及制造资源逐步形成制造物料清单MBOM。设计物料清单EBOM到制造物料清单MBOM的演变是产品制造不可或缺的过程。
「 1. 基于MBD技术的产品装配工艺规划 」
在数字化技术的推动下，目前形成了基于模型的产品数字化定义（model based definition，MBD）技术的数字化三维装配工艺规划，其特点是产品设计不再发放传统的二维图样，而是发放产品设计结构（engineering bill of material，EBOM）和三维设计数模，建立产品工艺结构（process bill of material，PBOM），制定装配工艺协调方案，划分工艺分离面，并进行全流程装配工艺仿真，最终形成经过装配仿真验证的产品制造清单（manufacturing bill of material，MBOM）顶层结构，将此MBOM发放到下游的工装设计、专业制造和检验检测等部门，同时工艺部门完成详细工艺设计并进行仿真验证，编制三维装配指令（assembly order，AO）。数字化三维装配工艺规划主要内容如下。
1）装配分离面划分
数字化三维装配工艺规划是以设计三维模型和设计物料清单（EBOM）到制造物料清单（MBOM）的重构形式来实现的，目前可以通过大量的三维装配工艺设计系统（如DELMIA等）来实现。装配工艺分离面的划分除遵循传统的工艺分离面划分原则外，还需遵循以下规则：
（1）将柔性装配不同产品间的类似结构组件按相同的原则划分成分装配件；
（2）不同产品间结构区别大的部分应划分成单独的组合件；
（3）分离面的选取应考虑总装对合的便利性；
（4）不同产品分离面的划分应保证装配协调方式一致。
2）装配控制码
装配控制码（assembly control code）也称为区域控制码，最初含义是指装配中不同工作地的控制代码，在工艺划分时称其为装配控制码，是零件需求生产计划和装配进度计划排产的重要依据。装配控制码的生成应符合以下规则：
（1）一个装配控制码对应装配树中的一个装配单元或一个生产站位；
（2）每个装配控制码可以表示该装配单元或站位所属组织、装配层次及继承关系；
（3）装配控制码应符合至上而下的生成关系，并在工艺规划仿真验证后由工艺设计系统软件自动按规则生成。
3）装配工艺方案
装配工艺方案是以装配控制码为单元编写，并用来描述装配顺序、工艺装备和质量控制要求的制造工程文件，是编制装配工艺流程、装配工艺图解、操作与检验记录、硬件可变性控制HVC，以及工艺装备技术条件的基础。
4）工艺布局
数字化工艺布局可借助装配仿真软件实现装配车间多维立体规划布局，建立包括厂房、工装、工具、设备、辅助资源等装配资源的数字模型知识库，按照装配工艺方案和精益装配过程对装配资源进行合理布置，保证装配工作顺利完成。
5）MBOM构建与制造数据管理
在产品的生产制造过程中，设计物料清单EBOM是原始的输人。之后按照分工路线、工艺组合件的规划，配合工艺过程及制造资源逐步形成制造物料清单MBOM。设计物料清单EBOM到制造物料清单MBOM的演变是产品制造不可或缺的过程。
相对于传统的装配，智能装配工艺规划以三维的形式生成现场作业指导文件，使得工人在生产现场可以以直观的形式准确无误地理解操作技术规范，从而使产品满足技术要求。在实际装配阶段，虽然使用了大量的数字化检测设备与装配工装设备，实现了对几何量的精准控制与调节，但是由于产品形变、工装设备定位误差等物理量的存在及其状态变化不断累积等原因，使得产品的实际装配状态与理论数值之间存在差异，基于理论模型的工艺仿真结果与实际现场情况不具有一致性，装配质量无法满足现代复杂产品高性能、高协调精度与长寿命等制造与使用要求。
「 2. 基于数字孪生技术的产品装配工艺规划 」
1）数字孪生的内涵
数字孪生（digital twin，DT）技术的出现为实现制造过程中物理世界与信息世界的实时互联与共融、实现产品全生命周期中多源异构数据的有效融合与管理，以及实现产品研制过程中各种活动的优化决策等提供了解决方案。“工业4.0”术语编写组对数字孪生的定义是：利用先进建模和仿真工具构建的，覆盖产品全生命周期与价值链，从基础材料、设计、工艺、制造及使用维护全部环节，集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流。数字孪生概念框架如图1所示。
图1 数字孪生概念框架
2）数字孪生驱动的产品装配工艺规划
数字孪生驱动的装配过程是基于集成所有装备的物联网，实现装配过程物理世界与信息世界的深度融合，通过智能化软件服务平台及工具，实现对零部件、装备和装配过程的精准控制，通过对复杂产品装配过程进行统一高效地管控，实现产品装配系统的自组织、自适应和动态响应，具体的实现方式如图2所示。
图2 数字孪生驱动的装配过程
基于数字孪生的产品装配工艺规划流程包括：
（1）将产品三维设计模型、结构件实测状态数据作为工艺设计输入，进行装配序列规划、装配路径规划、激光投影规划、装配流程仿真等预装配操作，推理生成面向最小修配量的装配序列方案，将修配任务与装配序列进行合理协调。
（2）将生成的装配工艺文件经工艺审批后下放至现场装配车间，通过车间电子看板指导装配工人进行实际装配操作，并在实际装配前对初始零部件状态进行修整。
（3）在现场装配智能化硬件设备的协助下，激光投影仪设备（组）可高效准确地实现产品现场装配活动的激光投影。为避免错装漏装，提高一次装配成功率，激光跟踪仪可采集产品现场装配过程的偏差值，并实时将装配过程偏差值反馈至工艺设计端，经装配偏差分析与装配精度预测，给出现场装调方案，实现装配工艺的优化调整与再指导，高质量地完成产品装配任务。
通过建立三维装配孪生模型，引入了装配现场实测数据，可基于实测模型实时、高保真地模拟装配现场及装配过程，并根据实际执行情况、装配效果和检验结果，实时准确地给出修配建议和优化的装配方法，为实现复杂产品科学装配和装配质量预测提供了有效途径。数字孪生驱动的智能装配技术将实现产品现场装配过程的虚拟信息世界和实际物理世界之间的交互与共融，构建复杂产品装配过程的信息物理融合系统，如图3所示。
图3 数字孪生驱动的复杂产品智能装配系统框
引自：《智能装配工艺与装备》（作者：张开富、程晖、骆彬）
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