面向生产线工位作业单位的轨道车辆三维工艺设计

阮超峰，武玉枝

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.青岛四方川崎车辆技术有限公司，山东 青岛 266111）

随着数字化、信息化与先进制造技术的快速发展，数字化的设计、工艺、仿真、制造等技术日趋成熟并广泛应用于航空、航天、船舶等领域，给制造业带来巨大的变革。轨道车辆产品具有结构复杂、交付周期短的特点，同时轨道车辆产品设计模块化程度高，不同编组结构相似、重用率高，按照传统工艺设计模式搭建完整的PBOM 结构及工艺结构等，会产生大量的重复性工作。工艺作为连接产品设计和产品制造的桥梁，一方面接收设计数据并转化为能够指导生产操作的文件，另一方面为生产编排生产计划，为生产调度与实物制造提供技术数据支撑，在企业的整个产品研制中起着承上启下的作用。随着生产现场工位单元精细化管理的发展以及三维数字化产品设计的推广，如何快速高效地开展面向生产线的工艺设计，提高工艺设计效率，业已成为提高产品生产效率的必要途径。

Teamcenter 系统平台实现了设计工艺的一体化管理，在功能上不但可以完全取代产品设计数据管理系统和工艺设计数据管理系统，而且还发挥了Teamcenter 系统在产品全生命周期信息管理上的优势。平台以Teamcenter 为基础搭建，主要包括面向生产现场工位单元构建PBOM、工艺BOP 等结构，并管理相关工艺数据；进行关键工序的装配仿真验证及焊接编程仿真；进行数控加工工序建模和数控编程；并通过自主开发MES 系统进行现场工艺展示，如图1所示。同时构建典型工艺模板库、知识库、资源库等，通过知识重用，减少用户工作量。

图1 业务流程图

工艺资源库的建设是提高工艺设计效率、减少工作量的有效途径，能够将成熟的工艺作为模板直接调用，对工艺师的知识经验要求也有一定程度的降低；并且做到了通用制造资源的共享，避免了相同制造资源的重复建设。工艺资源库主要包括两大类：工艺知识库和制造资源库。工艺知识库通常以工艺模板库的形式体现，主要分类如图2所示。根据轨道车辆不同编组结构相似的特点，建立典型工艺模板库，将通用的PBOM 结构、工艺BOP 结构、工艺数据等维护到模板库中，其中，PBOM 结构、工艺结构、工序及工步节点一一对应，并且工艺结构是与现场工位作业单元一一对应的。实际工作中借用PBOM 模板时，平台自动构建对应工艺BOP 结构。工艺知识库还包括工艺参数库、加工参数库等。制造资源库主要包括企业生产现场所有的工厂工位结构、工装、设备、刀具等资源，进行工艺设计时可以直接从制造资源库中选择所需资源。

图2 工艺模板库分类

工艺物料清单（Process Bill of Material,PBOM）的生成和管理是工艺设计的起始点，也是产品设计与工艺制造的交接点，是产品生命周期管理下组织整个工艺的基础。

轨道车辆模块化程度高，不同编组之间结构相似、重用率高，存在大量借用件结构，传统PBOM 结构搭建会产生大量重复性工作，故采用简化的PBOM 结构，只体现生产流程，不指派物料信息（在工艺BOP 中指派物料信息）。PBOM 中的每个节点对应一个工位工序，也就是对应现场的一个工位作业单元。新车型创建PBOM 时，直接从PBOM资源库中选择相似车型进行派生，系统根据模板自动克隆出新的PBOM 机构及对应的工艺BOP 结构，工艺师只需根据实际情况进行调整、重构即可。根据实际焊接业务情况，工艺员需要重新绘制焊缝等信息，故在PBOM 中创建焊缝集合虚拟节点，用来存储工艺设计过程中创建的焊缝信息。

工艺过程清单（Bill of Process,BOP）是体现工艺过程的模型结构。面向生产线工位作业单元的工艺BOP 由生产线工艺节点、工位工艺节点、工序节点等组成，如图3所示。

图3 工艺BOP 组成

工艺BOP 结构是面向生产线工位单元构建的，生产线工艺节点及工位工艺节点与实际生产线一致。工艺BOP 结构由PBOM 自动生成，PBOM 虚拟节点和BOP 工艺节点相互关联、一一对应。同时，所要构建的典型工序模板库与PBOM 模板库结构一一对应，工艺模板库工序节点关联通用工艺文件等数据，也可以直接从工序模板库中选择工序，添加到BOP 中。班组台位信息指派到对应工位工艺节点下，物料（包括设计件、工装资源、机床）指派到对应工序节点下，通过PERT 图来展现工艺过程（也就是生产线物料传递过程），如图4所示。工艺BOP 结构及PERT 图直接传递给下游的MES 系统，用于排产、报工以及现场工装预备等。由于工艺BOP 结构与生产线工位单元一一对应，大大降低了生产排产的复杂度，提高了生产派工的效率，并且能够实现工装等资源的准时配送。

图4 工艺BOP 及PERT 图

装配工艺中不同工序之间的物料存在继承关系，根据PERT 图结构，这种继承关系通过创建动态装配树的方法来实现，这种继承关系也体现了生产线物料的传递过程。装配工艺主要包括两个部分：装配仿真和装配作业文件。装配仿真主要是对关键工序进行零组件可装配性仿真验证和工装等装配干涉检查。将工艺BOP 中关键工序资源加载到仿真平台中，创建零组件、工装等装配路径，开展仿真验证。对装配过程中的碰撞干涉、装配顺序、装配路径、人因工程、可视可达性等进行分析与优化，如图5所示（零组件变红表示发生碰撞干涉，需要调整路径）。

图5 关键工序装配仿真验证

装配工艺作业文件可采用多种方式来创建：简单或成熟的工序可以采用三维装配结构（或截图）加注释的方法表达，从而减少工作量；复杂或关键工序可以采用装配动画加注释的方法表达，便于生产线工人理解。将生成的工艺文件保存到Teamcenter 系统，完成审批后推送下游MES 系统。

轨道车辆产品生产中包含大量的焊接工序，其中又包括人工焊接和机器人焊接。焊接工艺的核心是焊接编程仿真，生成指导焊接机器人工作的程序代码。将PBOM 中的焊缝集合虚拟节点指派到BOP 对应焊接工艺结构中，并指派焊接机器人资源。工艺师创建焊缝并完成焊缝投影，将焊缝重新保存至焊缝集合虚拟节点。创建焊枪和机器臂的焊接路径，并进行仿真验证及干涉检查，最终生成离线程序等保存回Teamcenter 系统，如图6所示（零组件变红表示发生碰撞干涉，需要调整路径）。

图6 焊接工艺编程仿真

焊接过程中存在变形等现象，需要进行加工等处理，工艺员以焊接组件为最终工艺模型，在此基础上进行放量、变形等创建加工工序模型，基于生成的工序模型开展编程、仿真等工作。

加工工艺的难点是如何快速生成中间工序模型，进行数控编程仿真。直接应用设计模型作为最终工艺模型，以装配结构的形式组织工序模型树，采用WAVE 方法创建相互关联的中间工序模型，通过同步建模的方式进行模型处理，以倒序方式快速创建关联的中间工序模型，并对工序模型关键尺寸、表面粗糙度、基准等指标进行PMI 标注，设置不同的颜色来标识区分加工面、基准面等信息（红色表示加工面，黄色表示基准面），如图7所示。

图7 中间工序模型

这种通过WAVE 方式创建的工序模型最大的特点就是，工序模型之间是相互关联的，修改其中一个模型，其他模型也会自动更新对应的特征，这种方式大大减少了工作量，避免了遗漏等错误。完成中间工序模型的创建及标注后，将工序模型树结构保存回TC，创建与加工工艺的连接关系，并将工序模型指派到每一个数控工序下。具体操作为：在工艺结构中，对于首道工序即下料工序，将毛坯指派到工序下即可；对于数控工序，将上一道工序的工序模型及当前工序的工序模型指派到对应的工序下，其中上一道工序的工序模型作为下一道工序的毛坯。将数控加工工序所需的工装、刀具资源等以及现场实际工作班组、工位信息指派到工序结构下，如图8所示。

图8 加工工艺结构示例

选中数控工序进入数控编程环境，将毛坯模型、工序模型、工装夹具模型、刀具模型等加载到编程仿真平台，进行数控程序编制、仿真，并将生成的NC 代码、工序配置清单等文件保存回Teamcenter 系统的对应工序下。

工艺设计的最终落地是生产现场的使用，传统工艺卡片或作业指导书都是二维形式，可读性差。在工艺结构完成审签传递到下游MES 系统后，由MES 系统对工艺数据进行重新组织，将各工序、各工步重新组织为树结构，工序下的物料、资源等以列表的形式展示，三维可视化文件及二维形式的附件以插件的形式展示，形成可视化工艺文件，如图9所示。可以对三维可视化文件进行播放、旋转、测量等，使得现场作业更直观、高效。同时，由于每一个工序对应一个工位及班组，只有对应工位的工人才能查看对应工序的工艺文件，确保了工艺数据的安全保密性。

图9 现场工艺可视化（MES 端）

工艺结构中的每个工序都已经关联了一个对应工位、班组信息，通过配置管理，可以实现工位工艺直接推送到对应工位，进行现场报工管理，指导实际生产。由于工艺结构是依照现场工位单位结构搭建的，MES 系统可以直接进行生产排产，降低了排产的复杂度和难度。

由于构建了工艺模板库，工艺设计过程可直接从模板库中选择重构，大大减少了工艺设计的工作量，知识库的建设降低了对工艺师知识经验的要求。面向生产现场作业单元构建PBOM，使得工艺工序与现场生产线工位单元完全对应，工艺数据直接推送到生产现场工位单元上，不仅可以提高生产排产的效率和准确性，还能够在生产开工前根据工艺数据提前做好生产资源的配置，有效减少生产准备时间。基于三维模型的工艺设计过程，减少了传统二维工艺设计过程中的图纸重画工作，可以应用模型直接开展编程及仿真工作，提高了工艺设计质量和效率，减少了生产过程中返工返修的问题。基于模型的现场可视化技术，让工艺文件的现场展示更加直观易懂，可避免工人理解错误带来的质量问题。

通过简化PBOM 结构以及建立PBOM 模板库和工艺BOP 模板库等知识库，运用知识重用、数据借用等手段，大大减少了工艺设计的工作量，有效提高了工艺设计效率。面向生产现场工位单元构建的工艺结构，为下游MES 系统排产和现场生产提供了有效的数据支撑。通过设计三维模型开展工艺设计过程的仿真、编程等，提高了工艺设计的效率和质量，缩短了产品生产周期，降低了产品生产成本。