基于 3DAST的轨道车辆三维装配工艺设计与应用技术

基于 3DAST的轨道车辆三维装配工艺设计与应用技术

宫儒松 1 刘振富 2 汪肖佟 2 乔雷 2 樊佳兴 2

1. 中车长春轨道客车股份有限公司工程技术中心工程规划发展部 吉林长春 130062

2.中车长春轨道客车股份有限公司检修运维事业部工程技术部 吉林长春 130062

摘要：科技在不断的发展，设计在不断的进步，现如今，我国是数字化快速发展的新时期，就数字化装配技术的特性，结合轨道车辆行业的特点，着重研究了轨道车辆的三维装配工艺设计技术。在三维虚拟环境下，通过人机交互的方式，将已有装配工艺经验和知识继承，实现了装配过程的总体规划与优化，装配工艺的可视化。详细介绍了轨道车辆三维装配工艺设计过程，对装配质量和效率做到了有效提高；通过模拟仿真，实现了对二维工艺文件质地改良，实现了装配工艺文件的可视化。

关键词：轨道车辆；数字化装配技术；可视化

引言

现有的工艺文件多是静态文本和二维图纸，虽然对产品生产过程和产品质量控制项点进行了详细的规定，但由于与工人的交互性较差，工人在完成装配工作时需花费一定的时间去查阅纸质资料并筛选临时需要用的信息，降低了生产效率，同时也缺少了在工艺规划阶段进行工艺仿真和验证的手段。在目前企业已经大量使用三维设计手段的今天，利用二维图以及二维工艺卡片的工艺设计方式已经不能适应企业迅速发展的需求。基于虚拟现实技术开展的装配工艺规划研究是涉及计算机技术和机械制造技术的交叉领域，长期以来是智能制造领域的一个研究热点。随着数字化装配技术的发展成熟，使得模拟仿真以及工艺验证成为了现实。在数字化装配仿真系统中，发现并解决数字化产品模型装配过程中所遇到的产品、工装以及工艺设计中的各类问题，比实际中发现问题，大大节约了成本，并且基于可视化的环境下进行工艺设计大大提高了工艺设计效率。

1装配工艺设计技术

三维装配工艺设计技术是指在利用计算机几何图形学，智能决策，虚拟仿真，信息处理等技术，以三维装配模型为基础，实现对产品的装配状态在的计算机可视化虚拟环境中的实物重现，并在虚拟环境中对产品的装配过程进行虚拟规划和仿真验证，通过智能决策找出最合理装配方式，借此完成装配工艺的设计。自从上个世纪60年代，挪威提出CAPP技术概念，并推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS以来CAPP设计技术正逐渐在全世界范围引起众多转接学者对计算机数字化工艺设计技术的研究热潮。我国的计算机数字化工艺设计技术的发展起步较晚，上海同济大学在1982年开发出中国第一个CAPP系统，即TOJICAP系统。，也开启了国内对CAPP技术应用和研究的风潮。数字化工艺设计技术在发展之初，主要对机械加工的数字化工艺规划设计研究，面向装配的数字化工艺规划技术没有得到广泛的研究。直到上个世纪90年代初，美国波音公司利用虚拟原型机技术实现了对波音777原型机的虚拟构建[m}。设计人员可以在虚拟仿真环境中任意调取查看飞机各个零部件信息，并且通过虚拟拆装实现对飞机的预装配，发现设计中的问题给予以修改完善。波音公司虚拟原型机技术的研究成功，引起了众多学者对数字化技术在产品装配设计应用的重视。

2轨道车辆三维装配工艺设计过程

2.1装配工艺路线设计

装配工艺路线设计是对产品进行工序创建、装配件分配、制定流程，形成装配工艺路线的过程。根据轨道车辆产品零件数量多、模型复杂的特点，整个装配工艺路线设计是基于三维环境下生成的。并且采用消耗式装入件分配模式，在三维视图中直接对每道工序分配对应的零部件，通过工序流程图与三维模型相结合的方式生成轨道车辆产品的工艺路线。

2.2装配工艺树生成

将产品装配结构树导入到装配工艺树生成模块，在装配工艺树生成窗口对装配结构树节点进行调序、合并等操作。在生成装配工艺树后，需要对装配工艺树节点进行编辑。工艺节点的关联内容包括基本信息、仿真动画、三维模型、工艺附图、生产要素信息汇总等;工序节点的关联内容包括工序基本信息、零部件配套信息、工艺附图、仿真动画、生产要素信息汇总等;工步是装配的最小组成单元，其节点关联内容包括基本信息、零部件信息、装配资源信息和辅助材料信息。根据装配工艺文件编制的实际情况以及节点实际装配工艺内容，节点关联工艺内容可能会存在差异。在装配工艺树编辑完成后，工艺人员需要再次对各工艺内容检查核实，经系统管理员确认后才能导出到工艺发布模型，进行装配工艺发布操作。

2.3工艺树节点编辑

装配工艺树的工艺树节点按工艺类型可以分为工艺节点、工序节点和工步节点，它们分别需要关联装配工艺的工艺信息、工序信息和工步信息。1)工艺节点，装配工艺节点的编辑与关联的工艺内容包括装配工艺基本信息、装配仿真动画、三维模型、技术附图及生产要素信息汇总等。2)工序节点，装配工序节点的编辑与关联的工艺内容包括工序基本信息、装配工序操作内容、零部件需求汇总表、装配资源需求汇总表、技术插图、装配仿真动画、生产要素信息汇总等。3)工步节点，装配工步编辑与关联的工艺内容包括装配工步的基本信息、装配工步操作内容、零部件信息、装配资源信息和辅助材料信息等。完成装配工艺树各节点的工艺数据的关联后，装配工艺树不仅能够表达产品的装配结构关系，还通过节点与工艺数据的关联，将产品装配结构，工艺内容信息，装配仿真动画、技术插图、资源辅料等信息通过结构树的形式组织成一个工艺信息有机体。通过装配工艺树及其各节点的属性，可以实现工艺数据的快速查找与信息汇总，并发布到相应的三维电子工艺文档中，这极大的降低了装配工艺设计与发布的时间成本，提高了效率。

2.4工艺信息层

工艺信息层，是对装配工艺的整体上的工艺信息描述，主要包括产品的装配过程工艺信息和工艺属性信息。装配过程工艺信息主要包含装配工艺树和装配结构树。装配结构树，记录产品在装配过程中结构信息，是在产品设计结构树的基础上，通过对装配关键件进行细化，添加工艺中间件，调整零部件顺序，然后根据产品的装配特性进行装配单元划分而得到的面向装配生产的产品结构树。装配工艺树，是指由装配工序、装配工步组成，以树的形式表达装配工艺路线。装配工艺树是以装配结构树为原型，实现以装配单元和装配零件向装配工序和工步的映射，并在此基础上添加辅助工序和辅助工步而得到的。工艺属性信息，主要记录工艺本身的属性，包含工艺编号、工艺名称、产品信息、主制单位信息、工艺编制和审核人员信息、版本等信息。

2.5装配工艺仿真验证

通过仿真验证功能，可以检查轨道车辆产品的装配工艺规划的合理性，检查被装配的零部件之间、工装/工具与零部件之间是否有干涉。3DAST通过对结果进行装配过程模拟以及干涉检查，发现在装配过程中的碰撞问题以及不协调问题，然后重新优化装配过程。

结语

本文以数字化三维装配系统在轨道车辆的应用为实例，结合轨道车辆的行业特点，分析了基于3DAST的轨道车辆三维工艺设计过程，以及三维装配工艺车间现场可视化指导的意义。通过研究基于3DAST的轨道车辆三维装配工艺设计技术来提高产品装配质量和效率，提高复杂产品的数字化水平，对行业内的三维工艺设计与应用有一定的指导作用。

参考文献

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