船用柴油機(jī)三維可視化裝配應(yīng)用技術(shù)研究

0 引言

裝配是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)品制造周期中最為關(guān)鍵、重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量的50%取決于裝配工藝

。裝配成本占生產(chǎn)成本的20%～30%，如果在裝配中發(fā)生問題，生產(chǎn)成本會提高50%

。船用柴油機(jī)裝配涉及大量的零部件，裝配的工作量和裝配成本所占比例會更高(如圖1)。

工藝創(chuàng)新是制造業(yè)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重要方面。工藝設(shè)計(jì)是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造的橋梁，是制造系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，裝配工藝作為制造企業(yè)形成交付產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品質(zhì)量和制造成本具有極其重要的影響，占用了企業(yè)大量的人力和物力資源。因此，良好的工藝設(shè)計(jì)，對加速企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期和提高市場競爭力具有十分重要意義。

數(shù)字化工藝技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，國外發(fā)動機(jī)研制生產(chǎn)廠家對發(fā)動機(jī)的裝配工藝和裝配工裝都有嚴(yán)格的要求

，在發(fā)動機(jī)總裝技術(shù)條件完成后就開始對發(fā)動機(jī)的裝配工藝方法進(jìn)行研究，利用發(fā)動機(jī)三維數(shù)據(jù)模型、工藝設(shè)計(jì)管理平臺以及虛擬裝配技術(shù)對發(fā)動機(jī)裝配進(jìn)行規(guī)劃。

國內(nèi)的數(shù)字化工藝技術(shù)處于起步到深化發(fā)展的階段

，三維可視化裝配工藝在航天和汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)前大多數(shù)船用柴油機(jī)制造企業(yè)裝配工藝數(shù)字化、信息化水平較低，工藝規(guī)劃仍處于信息孤島階段，主要依靠工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃，難以保證裝配工藝規(guī)劃結(jié)果的科學(xué)性和產(chǎn)品的裝配質(zhì)量；同時(shí)采用傳統(tǒng)的二維紙質(zhì)文件指導(dǎo)裝配生產(chǎn)，裝配工藝信息不能立體化、豐富化地呈現(xiàn)，對操作人員的視圖能力和工作經(jīng)驗(yàn)有很高的要求，在裝配過程中容易出現(xiàn)裝配質(zhì)量問題

。

裝配工藝文件能否易于裝配人員理解和學(xué)習(xí)，能否直觀指導(dǎo)工人進(jìn)行裝配，直接影響著裝配的效率和質(zhì)量

，結(jié)合國內(nèi)裝備制造業(yè)發(fā)展以及企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文以某型船用柴油機(jī)控制活塞部件為載體開展柴油機(jī)可視化裝配與應(yīng)用技術(shù)研究，建立可視化裝配工序規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃以及技術(shù)圖解，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)關(guān)鍵組件的三維可視化裝配工藝規(guī)劃。

1 三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)流程

三維工序規(guī)劃是在一個(gè)可視化的界面完成創(chuàng)建裝配工序、分配工序?qū)ο蟆⒐ば蛄鞒潭x的功能。設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建裝配工序后，對選定的裝配工序選取需要裝配的模型零件、部件，通過可視化操作窗口進(jìn)行選取，如圖4所示，可以直觀的檢測復(fù)雜產(chǎn)品是否存在“錯裝”、“漏裝”，也可通過模型樹進(jìn)行選取。通過圖示化的箭頭實(shí)現(xiàn)工序間的先后次序、串并行關(guān)系的連接(如圖5)。

正所謂“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”，要想做成功任何一件事，必須事先做好充足的準(zhǔn)備。在志愿活動開展之前，我們需要設(shè)計(jì)好完備的活動方案。我校通過民主決策即關(guān)系到少先隊(duì)員利益、少先隊(duì)發(fā)展的重大事務(wù)讓隊(duì)員自主決定來彰顯少先隊(duì)員的主體地位。在廣泛聽取大家的意見后，各中隊(duì)自主確立活動具體目標(biāo)、擬定活動具體內(nèi)容。總而言之，我校把“說”的機(jī)會讓給隊(duì)員、把“論”的自由交給隊(duì)員，培養(yǎng)隊(duì)員的決策能力。

2 三維可視化裝配工藝規(guī)劃

在對某一序列中裝配對象的活動軌跡(裝配路徑)定義完成后，根據(jù)各個(gè)工步實(shí)際裝配順序及裝配的復(fù)雜度,可以調(diào)整步驟中活動的順序以及每個(gè)拆卸活動的運(yùn)動時(shí)間，用來實(shí)現(xiàn)步驟內(nèi)工步之間的并行和零件裝配順序的調(diào)整。采用活動甘特圖及Microsoft Project 的界面操作方式，可以根據(jù)每個(gè)工步的技術(shù)要求的難易程度來調(diào)整裝配工藝信息的起止時(shí)間(如圖9)。

對2015年1月—2018年5月我院臨床疑診為胎盤植入患者20例影像學(xué)資料展開回顧性分析；患者一般資料見表1。

2.1 三維裝配工藝工序規(guī)劃

在制造業(yè)中，裝配順序的規(guī)劃是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，好的裝配順序能夠節(jié)約成本，提高效率，傳統(tǒng)的裝配工序的規(guī)劃是通過工藝員的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行，但這樣的規(guī)劃結(jié)果可能并不是最優(yōu)的,而且在裝配過程中可能會存在干涉，通過可視化的界面進(jìn)行裝配工序的規(guī)劃，可以很好地解決傳統(tǒng)裝配工藝工序規(guī)劃的弊病。

對于復(fù)雜產(chǎn)品來說，數(shù)字化裝配是虛擬制造的核心技術(shù)之一，是實(shí)際裝配過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，本文所研究的三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)獨(dú)立的三維裝配工藝設(shè)計(jì)工具，還可實(shí)現(xiàn)與各種管理系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)信息共享，本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)管理平臺和三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行集成，保證數(shù)據(jù)的同源性和唯一性。本系統(tǒng)從PDM中獲取產(chǎn)品的三維裝配模型，在CAPP中實(shí)現(xiàn)BOM轉(zhuǎn)化，在三維產(chǎn)品裝配模型的基礎(chǔ)上，按照企業(yè)實(shí)際裝配工位的布置情況，零部件裝配的工藝性原則，重新組織產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，基于三維裝配工藝編制軟件完成產(chǎn)品的三維裝配工藝設(shè)計(jì)，在裝配流程的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)裝配工序和裝配路徑規(guī)劃，建立了可視化裝配仿真過程，輸入裝配工藝信息，形成完整的裝配工藝，輸出為多種格式的裝配工藝文件。工藝設(shè)計(jì)流程如圖2所示：

2.2 裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑規(guī)劃建立在裝配工序規(guī)劃的基礎(chǔ)上，是描述裝配件的裝配路線和相對運(yùn)動過程。利用三維裝配工藝編制軟件基于“可拆即可裝”的思想進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，采用逆向思維，用定義拆卸活動的方式來完成裝配過程定義。裝配順序規(guī)劃完成后，通過三維裝配工藝編制軟件進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，對選定的裝配工序中包含的零件、部件進(jìn)行詳細(xì)的裝配活動設(shè)計(jì)，裝配活動按照運(yùn)動方式分為直線、平動、旋轉(zhuǎn)、螺旋、牽引、徑向和周向等運(yùn)動，將一個(gè)或多個(gè)裝配活動組合起來表示零部件的安裝軌跡(見圖6)。

仿真動畫與模型并不能完整的表達(dá)工藝操作信息，在數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中會涉及到大量的文字描述，如工序、工步的基本信息、零部件配套的基本信息、工裝工具與儀器設(shè)備基本信息、輔助材料基本信息。

柴油機(jī)的裝配工藝除了裝配工序和裝配路徑的規(guī)劃，還有很重要的一部分就是工裝的使用，包括專用工裝、通用工裝和檢測工具。在三維裝配過程中，工藝裝備是用來輔助完成裝配活動的，完成零件裝配路徑的規(guī)劃后，在需要工裝輔助安裝的零件路徑下引入所需的工裝，首先確定其作用零件，對工裝進(jìn)行定位，然后設(shè)置工裝的輔助裝配過程，完成零件的整個(gè)裝配(見圖8)。

相比肉類，豆制品更容易腐敗，所以加熱時(shí)要多煮幾分鐘。不用擔(dān)心營養(yǎng)損失，豆腐中的維生素少，而它所富含的蛋白質(zhì)和鈣、鎂都是不怕熱的。

此次教學(xué)實(shí)踐中，教師在課程實(shí)施、設(shè)計(jì)以及學(xué)生課堂管理上仍舊存在一些問題，還需要在課程實(shí)施過程中有效設(shè)置任務(wù)點(diǎn)督促學(xué)生學(xué)習(xí)，在設(shè)計(jì)課堂環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)生主動舉手、搶答的積極性，以及減少學(xué)生在使用手機(jī)過程中出現(xiàn)的走神、分散學(xué)習(xí)精力等情況。同時(shí)，學(xué)生記錄的分析也只是應(yīng)用師星學(xué)堂不久的時(shí)間段內(nèi)的分析，無法提供可靠依據(jù)。但是，本次課程是本校智能手機(jī)應(yīng)用于課堂的初探，提出了基于智能手機(jī)的課堂互動應(yīng)用系統(tǒng)的具體應(yīng)用流程，對于今后的課程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。■

3 三維裝配仿真及文件輸出

3.1 調(diào)整仿真順序

裝配序列規(guī)劃的好壞直接影響裝配操作的難易程度與準(zhǔn)確性

，本文以某型柴油機(jī)控制活塞部件為載體，在三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)平臺上進(jìn)行驗(yàn)證，將柴油機(jī)控制活塞三維模型導(dǎo)入三維裝配工藝編制軟件進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及裝配流程進(jìn)行產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃后通過動畫仿真來驗(yàn)證工藝規(guī)劃的合理性，最后輸出工藝文件存檔。裝配過程規(guī)劃是基于裝配結(jié)構(gòu)的裝配工藝順序的生成。產(chǎn)品中零部件之間的幾何關(guān)系、物理結(jié)構(gòu)以及功能特性等決定了零部件裝配的先后順序，所有零部件的裝配序列形成產(chǎn)品的裝配過程。裝配過程定義的一般流程如圖3所示：

3.2 裝配工藝信息編輯

在仿真播放時(shí)，有時(shí)需要頻繁地變換觀察方位，可以在定義零件裝配路徑時(shí)，設(shè)置記錄當(dāng)前的觀察方位，這樣在仿真播放時(shí)就可以切換到最佳視角。對于有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，可以根據(jù)需要創(chuàng)建多個(gè)剖切方案，在定義裝配路徑的同時(shí)可以運(yùn)用剖切方案來觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖7)。

在完成三維裝配工藝序列和裝配路徑規(guī)劃后，在三維裝配工藝編制軟件中基于三維裝配工藝過程樹進(jìn)行裝配工藝的編輯。如圖10所示，在<技術(shù)圖解>菜單中可以創(chuàng)建各類標(biāo)記、標(biāo)注、圖像、文本、BOM表格、序號標(biāo)注、局部放大，用來增強(qiáng)工藝過程的描述，提高裝配仿真的可操作性及實(shí)用性。

本文利用重心距離指標(biāo)和重心方向變動一致性指標(biāo)對不同屬性重心耦合態(tài)勢進(jìn)行分析，其中重心距離指標(biāo)代表重心耦合的靜態(tài)分析，重心方向變動一致性指標(biāo)代表重心耦合的動態(tài)分析。重心距離指標(biāo)的計(jì)算公式為：

3.3 動畫仿真及文件輸出

在完成裝配工序、裝配路徑規(guī)劃和技術(shù)圖解之后，需要以一種指導(dǎo)性文件的形式輸出裝配工藝。裝配仿真中，最重要的是進(jìn)行可行性裝配分析，裝配元件運(yùn)動路徑的可靠性檢查是確保裝配工藝合理可行的關(guān)鍵，而路徑的有效性檢查主要是以判斷是否發(fā)生干涉為依據(jù)的。本文研究的三維裝配系統(tǒng)可以在裝配過程中檢查被裝零件和其他零件之間是否存在干涉，并出據(jù)干涉檢查報(bào)告。

通過動畫演示功能進(jìn)行柴油機(jī)控制活塞部件裝配工藝的虛擬仿真，在仿真動畫播放過程中可以直觀顯示裝配工序的劃分，以及附帶裝配工藝信息的零部件的運(yùn)動軌跡，為了加強(qiáng)三維裝配工藝的指導(dǎo)性，可通過添加音頻來對裝配過程進(jìn)行講解，同時(shí)根據(jù)定義的活動視角自動調(diào)姿，切換到最佳視角，以PDF、 Excel、AVI格式輸出為工藝文件，形成可指導(dǎo)裝配生產(chǎn)的三維可視化裝配工藝。

4 結(jié)語

本文研究的三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于產(chǎn)品數(shù)字化模型，借助于虛擬仿真技術(shù)等人機(jī)交互手段，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃、仿真，實(shí)現(xiàn)裝配工藝的可視化指導(dǎo)，從而克服傳統(tǒng)的裝配工藝依賴于工人的裝配經(jīng)驗(yàn)和知識等問題，提高裝配工藝文件的指導(dǎo)性和準(zhǔn)確性，有效提高船用柴油機(jī)的裝配效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-工藝-制造一體化。另外，通過對裝配工藝的仿真，驗(yàn)證裝配工藝規(guī)劃的合理性，縮短工藝設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)裝配工藝無紙化，為推動企業(yè)數(shù)字化進(jìn)程提供支撐。

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