装配是汽车生产制造中重要的环节，装配质量直接决定了产品的最终质量和性能。对于新能源汽车，产品状态多，装配关系复杂。目前工艺设计主要以二维的纸质文件指导工人操作，过度依赖操作人员的经验，由于工厂人员流动性高，对二维工艺的理解不同，导致出现偏差，因此需要三维工艺直观指导员工操作。现有的三维工艺动画通过导入下载的数据到动画制作软件进行动画制作，制作完成后用于培训室对操作员工培训，培训合格后上岗，未在产品生命周期管理（PLM）系统内实现数据从研发到制造现场的端到端传递。论文基于 PLM 系统搭建了汽车三维装配工艺动画的设计及发布平台，分析三维装配工艺动画数据流传递过程，并将三维工艺动画传递到现场员工操作工位，实现三维工艺的端到端传递。

1 三维装配工艺设计及发布过程

三维装配工艺设计是以产品三维模型为核心，在 PLM 系统中创建工艺流程清单（BOP），BOP 用于表达产品制造的工艺过程信息，由产线工艺、工位工艺、工序、工步等工艺对象组成的结构化数据。基于 BOP 结构下产品模型开展三维装配动画设计工作，并按照流程模板将设计完成后的三维工艺文件审批下发至现场制造运营管理（MOM）系统，从而实现三维工艺从研发设计到制造现场的端到端传递。

本文中 PLM 系统采用西门子 Teamcenter，对 Teamcenter 二次开发并集成动画制作软件（C3D），搭建了三维工艺设计及发布平台，实现流程包括以下几个步骤：

1）在 PLM 系统中基于产品设计物料清单（DBOM）获取产品设计信息，搭建工程物料清单（EBOM）；2）根据 EBOM 构建制造过程中使用的物料清单（Manufacturing BOM，MBOM）；3）在 MBOM 基础上搭建工艺 BOP；4）在工艺 BOP 的基础上搭建制造 BOP；5）基于制造 BOP 承接的数模信息以及工艺信息进行三维装配工艺动画设计；6）将三维工艺设计结果保存到 PLM 系统中，流程审批后发布到终端设备查看。

1.1 BOP 搭建

EBOM 面向产品，从物料清单角度描述整车工程信息，MBOM 则从工艺类型及过程角度描述产品信息。EBOM 包含了产品所有零部件的详细信息，如零件号、材料、数量、重量等。MBOM 包含了制造过程中所需的额外物料，如辅助材料、工具、夹具等。MBOM 是在产品 EBOM 基础上搭建，但是在实际的生产工艺中，两者并不相同，存在着一定的差异，需要先将 EBOM 转换为 MBOM。完成 EBOM 到 MBOM 的映射转换后，由研发工艺人员搭建工艺 BOP。工艺 BOP 指的是生产一个产品所需的第一层级工艺流程，它通常包括从原材料到成品的初始加工步骤，如铸造、锻造或切割等。工艺 BOP 按照车间、线体、工位、工序结构搭建，同时分配物料、工具、人员定额、作业要求等。同一个操作者可以分配多个工序，但同一个工序只能对应一个操作者，工艺 BOP 搭建完成后流程审批并发布。

工厂制造工程师接收到工艺人员发布的工艺 BOP 结构后，搭建制造 BOP。制造 BOP 是指在工艺 BOP 之后，进一步细化的工艺流程，它包括产品的组装、测试、包装等后续步骤，分解操作要求，输出作业指导书等。基于工艺 BOP 在系统内自动生成制造 BOP 对象，包括标准化作业指导书（SOS）、工作要素表（JES）等，如图 1 所示。

图 1 工艺 BOP 转换为制造 BOP

SOS 用于描述一个特定任务的完成步骤和要求，JES 是工作中不能再分解的最小动作单位。对 PLM 系统二次开发后，系统按照操作人员的数量自动生成 SOS，一个操作者对应一个 SOS 节点。工艺 BOP 中的工序自动转换为 JES，并下挂到 SOS 对象下，如图 1 中同一个操作者 A 的工序转换的 JES 后均下挂到 SOS1。转换完成后，在 JES 下完善工时、辅料及人员作业要素、要求等。

1.2 三维工艺动画设计

开发三维工艺动画设计软件与 PLM 的集成接口，实现 PLM 与动画设计软件的数据传递。在 PLM 平台中选择制造 BOP 数据 JES 节点，使用开发的集成菜单加载数据至 C3D 软件内（图 2）。在 C3D 中进行三维工艺动画设计，设计完成后自动将三维动画数据归档保存至 PLM 中对应的 JES 节点下管理。在软件内进行三维工艺设计时将工艺信息拆分为多个装配动作，这样将装配动作进行组合就可以形成一个整体工艺动画，实现三维工艺动画的快速设计、变更。产品数模发生变化后，利用集成菜单将变化后的设计数据更新到 C3D，设计完成后的三维工艺动画同步更新，实现三维工艺的快速变更。

图 2 C3D 集成导入菜单

1.3 三维工艺动画发布

开发三维工艺动画发布功能，流程如图 3 所示。PLM 与 MOM 等下游系统以及动画设计工具软件集成，以三维模型为统一数据源实现设计、工艺、制造数据的互通。在搭建制造 BOP 时需要在 SOS 下面搭建 MOM 屏对象，MOM 屏工位码与MOM系统内编码一致。三维工艺设计完成后在 PLM 系统进行审签，审批完成后的三维工艺通过PLM系统开发的发布工具，将 JES 下面的三维工艺动画发布到 Webserver 中间服务器，发布过程中系统自动解析 JES 工序下面的零件配置信息、工位信息，并将三维工艺与零件的配置信息、工位信息进行关联。现场制造运营管理系统通过生产车辆的零件配置信息、工位信息，从 Webserver 中间服务器自动获取三维工艺，从而实现三维工艺在现场工位屏上同步播放。

图 3 三维工艺发布流程

2 应用案例

以汽车零件蓄电池安装为例，在 PLM 系统内基于该车型的工艺 BOP 完成制造 BOP 的搭建。在最终线 01 工位下面搭建安装扰流板、蓄电池的 SOS，并在该 SOS 下面搭建安装蓄电池的 JES，将零件、扳手工具等对象下挂在该 JES 下，同时在 SOS 下建立该工位的 MOM 工位码对象，该工位码与制造运营管理系统内的工位码对象一致，如图 4 所示。

图4 制造BOP搭建

通过 PLM 集成的 C3D 标准接口将安装蓄电池下面的产品数据发送到 C3D 进行三维工艺设计，在 C3D 软件内完成蓄电池安装的装配动作、操作步骤、作业事项的编制，完成三维动画的制作，如图 5 所示。

图 5 三维装配工艺动画设计

三维动画设计完成后自动回传并保存到该 JES 节点附件内，流程审批后通过 PLM 集成的发布工具将其发布到 Webserver。当车辆通过最终线 01 工位时，MOM 系统自动识别车型配置抓取三维工艺信息，最终将动画在线边的 MOM 工位机上显示，直观、准确指导员工操作，如图 6 所示。

图 6 三维装配工艺动画现场展示

开发检索、查询功能，按照工厂、车间、线体、工位、车型等从 Webserver 中间服务器查询三维工艺，并在平板、电脑上检索、查询。

图 7 安装内后视镜总成 BOP 结构

图 7 是利用该平台在最终线 09 工位搭建的安装内后视镜总成的 BOP 结构，同时通过该设计发布平台将附件内的三维装配工艺发布到现场，指导员工现场作业。

3 结束语

基于 PLM 系统对新能源汽车产品三维工艺动画的设计及现场应用进行研究，为汽车制造提供了一套高效、准确的三维工艺设计解决方案，具有以下优点：1）打通了 PLM 到制造运营管理系统，实现三维工艺的端到端传递，降低人为介入带来的质量风险。2）三维工艺相比二维纸质工艺可以更加直观地显现装配过程，使装配操作者更容易理解装配工艺，减少了装配过程中的反复和人为差错。3）通过多个系统的集成，使三维工艺可以在生产现场快速变更，实现变更的快速响应与精准传递。未来，随着计算机技术和网络技术的不断发展，三维装配工艺动画将在汽车生产制造中发挥更加重要的作用。

作者：赛力斯汽车有限公司 孙大同 陈兵 黎亮 范锐强 刘燕