
隨著世界大生產(chǎn)的發(fā)展和全球一體化的加速,制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)的激烈。能否快速適應(yīng)市場(chǎng)需求,提高核心競(jìng)爭(zhēng)力成為一個(gè)企業(yè)生死存亡的關(guān)鍵。因此,企業(yè)必須解決好TQCSEF難題。所謂的TQCSEF問(wèn)題就是用最短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間周期,開(kāi)發(fā)出質(zhì)量最好、成本最低的產(chǎn)品,同時(shí)企業(yè)及產(chǎn)品還應(yīng)該有最優(yōu)的服務(wù)、最好的環(huán)保效果和快速的市場(chǎng)適應(yīng)能力來(lái)滿(mǎn)足顧客需求。
在產(chǎn)品的生命周期中,裝配是個(gè)重要的環(huán)節(jié)。裝配工藝的好壞,對(duì)產(chǎn)品的制造周期和最終的生產(chǎn)質(zhì)量有著極大的影響。據(jù)相關(guān)資料,設(shè)計(jì)過(guò)程用決定產(chǎn)品加工費(fèi)用的70%-80%,其中裝配費(fèi)用占到總的加工費(fèi)用的40%-50%。但目前的裝配工藝設(shè)計(jì)手段仍然比較落后,大部分企業(yè)依舊依靠技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師、工藝師完成裝配工藝設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式,設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、受設(shè)計(jì)者的知識(shí)局限性和主觀性影響較大,尤其是復(fù)雜產(chǎn)品不支持工藝的優(yōu)化求解,難以獲得最優(yōu)的裝配工藝。產(chǎn)品裝配方案好壞很大程度上取決于工藝人員的裝配知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),由于各人能力與水平不盡相同,導(dǎo)致手工生成的裝配規(guī)劃具有不確定因素,影響了裝配工藝的規(guī)范化。另外,隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展、數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用,使得加工效率和加工精度不斷提高。裝配和其在產(chǎn)品生命周期中的重要地位越來(lái)越不相稱(chēng),并演變成了產(chǎn)品制造中的一個(gè)瓶頸,裝配技術(shù)的提高已經(jīng)迫在眉睫。
國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
由華盛頓州立大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所NIST聯(lián)合開(kāi)發(fā)的VADE系統(tǒng)是基于虛擬環(huán)境的工程應(yīng)用,它允許工藝人員規(guī)劃、評(píng)估、驗(yàn)證機(jī)械系統(tǒng)的裝配工藝。
Hari Srinivasan等在同一個(gè)拆卸框架下設(shè)計(jì)了多個(gè)模塊,用于選擇適當(dāng)?shù)牟鹦斗椒ā⑸勺顑?yōu)的拆卸序列、評(píng)定拆卸序列和提供修改建議。
N. Shyamsundar和Rajit Gadh研究了基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同虛擬裝配系統(tǒng),提出一種新的幾何體表示方法-AREP(裝配體表示方法),AREP包含4類(lèi)信息(1)有向圖,表示裝配體的層次關(guān)系,(2)關(guān)系圖,(3)裝配層次信息以及(4)與單個(gè)裝配部件相關(guān)的信息。并且采用AREP方法實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配系統(tǒng)cPAD,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配設(shè)計(jì)。
Bob K.等在20世紀(jì)90年代中期建立了一個(gè)用于裝配規(guī)劃與評(píng)價(jià)的系統(tǒng)IVY( inventor virtual assembly)。IVY旨在解決先前的自動(dòng)化裝配規(guī)劃系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,可以直接使用幾何模型以及分層的裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配規(guī)劃與評(píng)價(jià),設(shè)計(jì)者使用虛擬環(huán)境設(shè)備如頭盔顯示器和六自由度跟蹤設(shè)備等與系統(tǒng)進(jìn)行交互,當(dāng)設(shè)計(jì)者在CAD軟件中設(shè)計(jì)新的零件時(shí),IVY就可以用來(lái)交互地進(jìn)行零件可裝配性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。
Gadh.R等提出一種虛擬裝配系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用幾種拆卸方法對(duì)產(chǎn)品的可拆卸性進(jìn)行分析以及對(duì)產(chǎn)品的易拆卸性、拆卸順序及拆卸和維護(hù)成本進(jìn)行評(píng)估。
Drews.P研究和設(shè)計(jì)了“虛擬工作臺(tái)”,工藝員可以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的工作臺(tái)上,借助各種虛擬外設(shè),對(duì)產(chǎn)品的裝配進(jìn)行分析。
國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬裝配系統(tǒng)的研究主要集中在浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及上海交通大學(xué)等,并取得了不俗的成績(jī)。
浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)華根等開(kāi)發(fā)出一個(gè)叫做VDVAS的虛擬裝配集成系統(tǒng),利用該系統(tǒng),設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)三維操作對(duì)零件進(jìn)行交互拆裝,由此形成零件的裝配順序和裝配軌跡等信息。
清華大學(xué)的自動(dòng)化系CIMS中心的曾理等在PRO-ENGINEER的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出VASS(Virtual Assembly Supported System)的虛擬裝配支持系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裝配工藝的半自動(dòng)化工藝規(guī)劃。
華中科技大學(xué)的管強(qiáng)等人開(kāi)發(fā)了人機(jī)協(xié)同裝配綜合規(guī)劃系統(tǒng)VirDFA,利用該系統(tǒng)可以對(duì)裝配序列和路徑進(jìn)行裝配復(fù)雜度和裝配成本進(jìn)行定量分析,以產(chǎn)生最優(yōu)裝配方案。
商業(yè)化虛擬裝配系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多虛擬裝配仿真系統(tǒng),其中DELMIA解決方案和Tecnomatix解決方案已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。
DELMIA解決方案
DELMIA是Dassault Systemes(達(dá)索系統(tǒng)公司)旗下的品牌,DELMIA是由整合Deneb,Delta和Safework三家軟件公司的解決方案而組成的e-Manufacturing解決方案。DELMIA名稱(chēng)取自DIGITAL ENTERPRISE LEAN MANUFACTURING INTERACTIVE APPLICATION,寓意數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應(yīng)用,提供以生產(chǎn)工藝過(guò)程為中心的最全面的數(shù)字制造方式與解決方案??扇鏉M(mǎn)足制造業(yè)中按訂單生產(chǎn)和精益生產(chǎn)等分布式敏捷制造系統(tǒng)的數(shù)字工業(yè)仿真需求。DELMIA主要依靠DELMIA DPM模塊實(shí)現(xiàn)虛擬裝配。
DELMIA DPM裝配流程規(guī)劃器使流程規(guī)劃人員能夠?qū)?lái)自工程物料清單的零件分配到流程計(jì)劃中要求的位置,然后依次創(chuàng)建那些在這個(gè)位置中連接起來(lái)的零件的制造裝配件。這些制造裝配件成為某一位置的輸出,然后與其它零件或裝配件一起,作為另一位置的輸出進(jìn)行使用??梢允謩?dòng)或者通過(guò)自動(dòng)分配助手功能來(lái)分配零件、裝配件或緊固件。另外,DPM 裝配流程規(guī)劃器通過(guò)確定已經(jīng)分配哪些裝配件到線上的工作站以及還沒(méi)有規(guī)劃哪些裝配件,幫助了規(guī)劃人員。DPM Assembly是DELMIA系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)特的軟件模塊,它利用“數(shù)字樣機(jī)”的三維數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在三維基礎(chǔ)上的3D工藝規(guī)劃,對(duì)零件加工過(guò)程、產(chǎn)品裝配過(guò)程、生產(chǎn)規(guī)劃進(jìn)行3D模擬并驗(yàn)證。利用模塊可以:
(1)直觀分析產(chǎn)品的可拆卸性、可達(dá)性、可制性以及可維護(hù)性,并允許工藝設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)中隨意調(diào)整工藝,配備加工設(shè)備,并對(duì)不同的加工工藝做出比較。
(2)建立人體模型,并添加到虛擬生產(chǎn)環(huán)境中,從而對(duì)人體操作可達(dá)性、可維護(hù)性、人體工學(xué)、安全性進(jìn)行仿真,對(duì)人體的視野、工效和姿態(tài)進(jìn)行分析。
(3)對(duì)裝配效率進(jìn)行評(píng)估,DELMIA提供MTM、UAS、MEK等時(shí)間分析方法,將企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工序分解成一系列動(dòng)作,并利用MTM ,UAS等方法給每個(gè)動(dòng)作賦予時(shí)間值,創(chuàng)建成卡片格式,作為工時(shí)計(jì)劃的依據(jù),并提供了 PERT圖和甘特圖可以方便的規(guī)劃和展示各個(gè)裝配操作的先后順序,以及裝配操作間的邏輯關(guān)系及總裝配時(shí)間。