可視化裝配技術(shù)應(yīng)用研究

胡一廷

摘 要：簡述了傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計中存在的四個問題，并分別利用可視化裝配技術(shù)中三維規(guī)劃技術(shù)、干涉分析技術(shù)、三維圖解技術(shù)、仿真動畫技術(shù)四個關(guān)鍵技術(shù)逐一解決。

關(guān)鍵詞：裝配 可視化 三維模型

中圖分類號：TH16 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0102-02

傳統(tǒng)的發(fā)動機裝配工藝設(shè)計可以分為發(fā)動機裝配工藝規(guī)劃、裝配工裝的設(shè)計和裝配工藝規(guī)程編制，主要依賴工藝人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗以及對發(fā)動機二維圖紙等資料的理解來完成。二維工程圖紙的不直觀性，給復(fù)雜結(jié)構(gòu)的發(fā)動機裝配工藝設(shè)計帶來了很大難度。隨著三維設(shè)計軟件的引入，各型號發(fā)動機三維模型和型號裝配所需的工裝模型均已基本齊全，發(fā)展可視化裝配技術(shù)的時機已經(jīng)成熟，可以應(yīng)用可視化裝配技術(shù)解決傳統(tǒng)發(fā)動機裝配工藝設(shè)計中存在的問題。

1 傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計中存在的問題

傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計是指在二維圖紙基礎(chǔ)上的發(fā)動機裝配工藝設(shè)計方式。其特點在于通過二維圖紙傳遞發(fā)動機結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系信息；實物裝配檢驗作為唯一的裝配性檢驗手段；復(fù)雜裝配過程設(shè)計一次成功率不高?？偨Y(jié)傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計中存在的問題如下。

1.1 工藝規(guī)劃周期長，優(yōu)化程度低

傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃為二維規(guī)劃，工藝人員需要查閱大量圖紙和文件，消化吸收，這需要一個長期過程，因此在工藝規(guī)化階段很難形成多套工藝方案加以比較尋優(yōu)。此外由于二維圖紙不夠直觀，工藝人員在規(guī)劃時很難統(tǒng)籌思考各方面、各層次的工藝問題，很難對最終規(guī)劃進行全局優(yōu)化。

1.2 工裝設(shè)計一次性成功率低

二維設(shè)計環(huán)境不具備三維檢測能力，對工裝中一些干涉或不合理處缺少有效的檢測手段是導(dǎo)致工裝設(shè)計一次性成功率的根本原因。工裝是發(fā)動機裝配的重要保證，工裝設(shè)計一次性成功率低直接增加了裝配成本，影響了發(fā)動機裝配進度。

1.3 裝配工藝規(guī)程可理解性差

傳統(tǒng)裝配工藝規(guī)程以二維圖紙和說明文件為主要內(nèi)容，這種方式需要經(jīng)過一定裝配技術(shù)培訓(xùn)的操作者才能順利理解。工藝規(guī)程可理解性差，主要原因有：（1）二維工程圖表達裝配信息，直觀性差，不得不借助大量文字表達裝配信息，導(dǎo)致了規(guī)程生澀難懂。（2）裝配操作者整體技能及專業(yè)知識儲備不足，難以直接從二維圖中獲取裝配所需信息。裝配工藝規(guī)程是指導(dǎo)發(fā)動機裝配的重要文件，其可理解性直接影響著發(fā)動機裝配質(zhì)量與效率。

1.4 缺乏有效的培訓(xùn)手段

目前的培訓(xùn)手段主要是工藝人員依據(jù)二維圖紙、裝配工藝規(guī)程反復(fù)講解。這種培訓(xùn)方式周期長，見效低。發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配操作者需要一定的經(jīng)驗和技能，熟練掌握經(jīng)驗和技能是個長期過程。缺少生動直觀動態(tài)示教手段縮短這個過程，直接導(dǎo)致了人工成本的上升。

2 基于可視化技術(shù)的裝配工藝設(shè)計

裝配工藝可視化設(shè)計是在產(chǎn)品三維實體模型的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)，信息技術(shù)和人工智能技術(shù)，來規(guī)劃裝配工藝與仿真實際裝配過程。其通過建立一個虛擬的裝配環(huán)境，可視化地分析各種可行裝配方案，最終得到一個合理、經(jīng)濟、符合人機工程的裝配方案，達到優(yōu)化工藝設(shè)計、避免或減少實物制造、縮短研制周期、降低成本、提高裝配操作人員培訓(xùn)速度、提高裝配質(zhì)量和效率的目的。它克服了傳統(tǒng)發(fā)動機裝配工藝設(shè)計中主要依賴于人的裝配經(jīng)驗和知識以及設(shè)計難度大、效率低、優(yōu)化程度低等問題。

針對目前發(fā)動機裝配工藝中存在的問題可以利用三維規(guī)劃技術(shù)、干涉分析技術(shù)、三維圖解技術(shù)、仿真動畫技術(shù)等可視化裝配關(guān)鍵技術(shù)予以解決。

3 可視化裝配關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 三維規(guī)劃技術(shù)

三維規(guī)劃技術(shù)利用發(fā)動機三維數(shù)模與設(shè)計BOM在計算機中直接進行發(fā)動機裝配工藝規(guī)劃，制定零部件模型裝配順序及裝配路徑，并通過仿真，驗證裝配序列及裝配路徑規(guī)劃的可行性與合理性。

目前主要采取“可拆即可裝”的裝配序列規(guī)劃方法，通過拆卸裝配體模型來確定產(chǎn)品的拆卸順序，以拆卸順序的逆序為產(chǎn)品的裝配順序。

中央傳動齒輪箱裝配序列規(guī)劃時，將中央傳動齒輪箱總成模型，依次拆分成圖1所示的八個零組件（2～9），其中組件6（主動齒輪組件）依次拆分為四個零件（10～13），組件8（從動齒輪組件）拆分為九個零組件（14～22），逆序后求得各零組件裝配序列。依照拆卸結(jié)果，將整個裝配劃分為從動齒輪組件裝配（裝配順序如藍色線路顯示）、主動齒輪組件裝配（裝配順序如綠色線路顯示）、中央傳動最終裝配（裝配順序如紅色線路顯示）三大工序，二十一個工步。（如圖1）

通過三維規(guī)劃技術(shù)，可大大提高裝配規(guī)劃的效率，并且能夠快速得出多種方案，逐一對比實現(xiàn)裝配規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計。

3.2 干涉分析技術(shù)

干涉碰撞分析是判定工裝設(shè)計是否合理的重要手段。現(xiàn)實表明裝配工裝設(shè)計失敗，大都因為存在干涉，干涉直接影響著工裝設(shè)計的合理性，工裝設(shè)計定型前必須消除。

干涉可分為靜態(tài)干涉和動態(tài)干涉兩類。靜態(tài)干涉主要由于設(shè)計失誤，零件幾何形狀及尺寸存在缺陷，導(dǎo)致裝配體內(nèi)部零件與零件之間存在干涉。動態(tài)干涉是指機件運動過程與裝配體其余部件發(fā)生的碰撞。

干涉分析技術(shù)可直接用于判斷工裝設(shè)計是否合理。工裝模型與發(fā)動機模型組裝后，通過間隙檢查可以直觀檢測工裝與發(fā)動機模型間是否存在靜態(tài)干涉；通過工裝功能的動態(tài)仿真，利用交互式?jīng)_突碰撞檢查可以直觀檢測工裝使用過程中是否與發(fā)動機模型發(fā)生動態(tài)干涉。

圖2為高渦轉(zhuǎn)子葉片外撐工裝的間隙檢查結(jié)果，干涉處以帶顏色線條顯示。分析表明由于壓塊設(shè)計不合理，壓塊與轉(zhuǎn)子葉片存在相交干涉，需對壓塊進行切角處理。（如圖2）

干涉碰撞分析可以幫助工藝人員在設(shè)計階段就能發(fā)現(xiàn)工裝設(shè)計中存在的缺陷或錯誤，這對于提高工裝設(shè)計一次性成功率有著極大的意義，節(jié)約了工裝設(shè)計成本的同時保證了型號裝配周期。

3.3 三維圖解技術(shù)

三維圖解是利用可視化裝配仿真軟件輸出的具有立體感的高清圖片。采用三維圖解技術(shù)，可以形象表達發(fā)動機結(jié)構(gòu)信息及裝配工裝使用方法。

三維圖解中，軸向爆炸圖可以大致說明裝配體各大小零件先后裝配次序；三維立體剖切圖用于表達裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及大小零件相對位置關(guān)系，三維標(biāo)注可以精確表達各零件相互安裝位置及外形大??；局部放大可以表達裝配體細節(jié)特征，透視或透明化處理可以看清裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些手段的綜合運用可以直觀描述發(fā)動機裝配信息。

裝配工藝規(guī)程中采用三維圖解（如圖3所示），替換原來的二維圖解將大幅度提高工藝規(guī)程的可理解性，避免了因理解偏差導(dǎo)致錯裝、漏裝現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 仿真動畫技術(shù)

三維仿真動畫可以直觀演示發(fā)動機裝配真實過程。

發(fā)動機機件繁多，其裝配動作基本都是平動、旋轉(zhuǎn)、變形三種動作及其復(fù)合。時序上，裝配序列、裝配動作配合視角的調(diào)整（方便觀察）、必要的渲染及裝配要點提示，形成相應(yīng)的裝配動畫演示發(fā)動機機件裝配過程，指導(dǎo)現(xiàn)場裝配。

4 結(jié)論

綜上所述，可視化裝配四種關(guān)鍵技術(shù)可以解決目前發(fā)動機裝配工藝中存在的問題：（1）通過三維模型進行裝配規(guī)劃，減少了大量圖紙查閱時間，規(guī)劃結(jié)果可以通過模型直觀驗證，大幅度地提高了裝配工藝設(shè)計效率與質(zhì)量。（2）二維設(shè)計環(huán)境中難以發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)干涉可以通過三維模型直觀顯示出來，提高了工裝設(shè)計的一次性成功率。（3）發(fā)動機復(fù)雜的裝配信息可以通過三維圖解直觀傳遞，大幅度提高了工藝規(guī)程的可理解性。（4）采用三維動畫對裝配操作者進行培訓(xùn)，直觀、形象、高效，節(jié)約了大量培訓(xùn)成本。

參考文獻

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