基于IC.IDO的柴油機裝配仿真應(yīng)用研究

梁國祥 陳建軍 曹美文 李玉 康毅 曹艷

摘要：本文介紹了IC.IDO軟件的特點，研究了用IC.IDO軟件實現(xiàn)柴油機虛擬裝配的方法與原理，采用三維CAD軟件和IC.IDO軟件實現(xiàn)了柴油機的虛擬裝配，并結(jié)合三維可視化沉浸系統(tǒng)實現(xiàn)了柴油機三維結(jié)構(gòu)觀察和交互，使得設(shè)計和工藝人員在實物裝配前，可以對柴油機的空間結(jié)構(gòu)有直觀的認(rèn)識，并且檢查柴油機零部件之間的干涉情況，獲得最優(yōu)的裝配方案。

關(guān)鍵詞：柴油機;虛擬裝配;仿真應(yīng)用

0? 引言

虛擬裝配技術(shù)是一種依托于計算機系統(tǒng)的仿真技術(shù)，在實際應(yīng)用中主要通過三維建模以及工藝資源信息得到針對各類工藝要素的設(shè)計和模擬，具體的要素內(nèi)容包括了制造環(huán)境、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工裝狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和工藝流程的可視化設(shè)計與模擬，裝配工作還可完成對先進技術(shù)手段的評估和優(yōu)化，我國目前的柴油機裝配制造中，這項技術(shù)還處在應(yīng)用的起步階段，只有少數(shù)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化演示和展示的效果。但從宏觀上來說，整體級的三維虛擬仿真工程目前并沒有公開報道。另外，從科學(xué)研究的角度來說，部分專項檢測項目在開展檢測工作時，也需要應(yīng)用工藝復(fù)雜性更高的設(shè)備完成對工裝功能的評估和檢測。

IC.IDO是法國ESI集團為用戶提供的虛擬虛擬現(xiàn)實解決方案和可視化設(shè)計制造決策平臺（VDP），VDP虛擬現(xiàn)實技術(shù)兼具協(xié)同可視化和沉浸式交互兩大核心技術(shù)，主要特征是功能完整性高、多線程技術(shù)的兼容效果好、海量數(shù)據(jù)模型的支持能力強、異構(gòu)數(shù)據(jù)類型的整合能力以及柔性分析能力強。工程建設(shè)的主要模塊包括了IDO：Package對象包模塊、IDO：Ergonomics人機工程模塊、IDO：Behave部件行為活動模塊等主要模塊。從這些功能模塊特點上來看，這一平臺可完成生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計工作、工藝布局的模型建立和仿真操作、生產(chǎn)過程中的動作仿真以及生產(chǎn)工藝的流程仿真幾方面工作。

總的來講，裝配工藝在準(zhǔn)備階段的具體工作中，需要依托專業(yè)軟件平臺將裝配過程通過三維虛擬的仿真技術(shù)進行展現(xiàn)。這種模式對于提升工藝設(shè)計的便捷性、規(guī)避工藝設(shè)計中的風(fēng)險有重要的作用。本文以柴油機機械設(shè)備為背景，探討虛擬裝配仿真技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用方法，主要需要建立的模型類型包括了零部件模型、裝配體模型、裝配體的預(yù)處理以及轉(zhuǎn)換虛擬裝配。

1? 虛擬仿真技術(shù)方案分析

關(guān)于柴油機的裝配工作開展，三維模擬仿真技術(shù)實施需要經(jīng)過以下幾個基本流程。

1.1 數(shù)據(jù)模型的準(zhǔn)備階段

這一階段的主要工作是對柴油機裝配工藝的主要內(nèi)容、設(shè)備類型和工裝清單機型整理和收集，并且同步將柴油機的零部件清單進行整理規(guī)劃，此三項內(nèi)容是進一步建立三維模型的基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段。

1.2 裝配線工藝布局建模

裝配線的工藝布局建模過程對建模環(huán)境有嚴(yán)格的要求，要求建模過程的完成要處在3D虛擬的環(huán)境下，并按照系統(tǒng)工藝流程規(guī)范設(shè)置緩沖區(qū)、工位區(qū)。根據(jù)預(yù)定生產(chǎn)的基本綱領(lǐng)要求在不同的緩沖區(qū)與工位區(qū)區(qū)域完成零部件模型的擺放。按照預(yù)期的物料配送方案對物流輸送路線進行規(guī)劃。

1.3 裝配動作設(shè)置與仿真過程

關(guān)于裝配動作的設(shè)置與仿真過程，是在建立裝配線工藝布局模型的基礎(chǔ)上，按照不同的裝配工藝要求完成不同工序的動作操作。具體的動作類型包括了人工動作、工裝動作等，動作的過程主要包括了運動順序的調(diào)整和運動位置的變化，另外還包括運動的實踐指標(biāo)與速度指標(biāo)的變化。

1.4 結(jié)果分析與工藝改進過程

關(guān)于仿真結(jié)果的分析過程，主要是針對工藝布局的合理性對車間內(nèi)部的面積指標(biāo)、緩沖區(qū)與容器的容積利用率指標(biāo)以及物料運輸路徑的合理性指標(biāo)等結(jié)合實際需求進行優(yōu)化和改進。

2? 基于ESI-IC.IDO的柴油機裝配虛擬仿真分析

2.1 基于CAD的整機三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入

首先，在CAD軟件中建立柴油機零部件模型，裝配虛擬仿真前需要將整機、系統(tǒng)及零部件的CAD模型導(dǎo)入VDP軟件中，運用虛擬顯示系統(tǒng)以及CAD異構(gòu)系統(tǒng)完成通信并實現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和整合。確保模型文件從CAD環(huán)境數(shù)據(jù)實現(xiàn)到虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。其中柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配模型如圖1所示。

2.2 針對虛擬場景模型的渲染

從現(xiàn)階段的實際出發(fā)觀察，虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的模型渲染功能效果主要是純色渲染，基于提高模型的逼真程度的目標(biāo)，大部分仿真軟件都是通過圖片的形式完成渲染的，在輕量化限時模式的背景下，圖片發(fā)的添加方式和參數(shù)調(diào)節(jié)方式存在差異。渲染后的圖形效果如圖2所示。

2.3 虛擬環(huán)境交互裝配模式的順序評估與優(yōu)化

沉浸式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境具有直觀性強的典型特征，在具體的裝配操作環(huán)節(jié)，需要逐個按照順序完成零部件的裝配操作，并分析不同裝配操作的難度和使用性能。實現(xiàn)分析結(jié)果與裝配順序的合理規(guī)劃和結(jié)合，以求取得最佳的裝配順序。避免產(chǎn)品出現(xiàn)錯裝和漏裝的現(xiàn)象。沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序規(guī)劃流程如圖3所示。

2.4 虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化

裝配路徑的規(guī)劃工作開展是指以安裝零部件的過程中，從位置到產(chǎn)品的行走軌跡都進行合理規(guī)劃。在裝配仿真的過程中，應(yīng)當(dāng)選擇被撞的零部件，完成零部件起止點的精確定位。實現(xiàn)移動過程中針對零部件的干涉和檢查，對初始裝配路徑進行驗證和優(yōu)化，確保優(yōu)化后的路徑不存在干涉與碰撞問題。通過賦予對象可碰撞和動態(tài)屬性，便可進行實時運動干涉檢查。設(shè)置界面如圖4所示。

2.5 裝配過程人機工效分析

通過對人體模型工廠化定制，人體模型快速定義和人體模型物理學(xué)動作姿態(tài)等人機工程開展研究，評價并優(yōu)化現(xiàn)場操作人員裝配過程的可視化、可達(dá)性和舒適性，針對柴油機裝配過程中涉及的人機因素（如裝配所需時間、裝配操作的舒適程度和安全性），以虛擬環(huán)境下人體模型模擬操作為依據(jù)，驗證并分析裝配空間、工具和裝配行為對操作人員強度的影響，從而涉及出最優(yōu)裝配工位，為實際操作提供指導(dǎo)。如圖5所示。

3? 結(jié)束語

綜合來講，在本文的分析和研究中，針對具體的裝配工藝流程進行了按步驟的仿真分析。具體分析內(nèi)容包括了新產(chǎn)品組裝工作開展前的具體裝配工藝規(guī)劃和分析、可裝配性驗證、裝配過程演示、裝配操作培訓(xùn)與指導(dǎo)等完整解決方案，可縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、減少返工、報廢量，提高裝配質(zhì)量，同時，可獲得部分工藝參數(shù)，為后期批量生產(chǎn)提供參考，將產(chǎn)生明顯的直接經(jīng)濟效益。

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