高 揚(yáng)，廖文和，郭 宇，王發(fā)麟，宋 倩

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品剛?cè)峄旌涎b配仿真技術(shù)研究

高 揚(yáng)，廖文和，郭 宇，王發(fā)麟，宋 倩

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

為了提高復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和縮短裝配周期，結(jié)合復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品裝配的特點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了剛?cè)峄旌涎b配的總體思路，對(duì)剛?cè)峄旌涎b配仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。從線纜的彎曲半徑屬性；自身重力屬性和溫度屬性三個(gè)方面進(jìn)行了仿真，通過實(shí)例驗(yàn)證并對(duì)典型的剛?cè)峄旌涎b配模型進(jìn)行了裝配仿真。

機(jī)電產(chǎn)品；剛?cè)峄旌涎b配；彎曲半徑約束；溫度仿真；裝配動(dòng)畫仿真

0 引言

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品是由機(jī)械結(jié)構(gòu)電氣設(shè)備控制裝置檢測(cè)裝置等有機(jī)組合在一起的復(fù)雜系統(tǒng)，是機(jī)、電、液、控、光、磁等多種物理過程融合于同一載體的復(fù)雜系統(tǒng)，是涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、多因素具有復(fù)雜功能的一類產(chǎn)品[1]。隨著以航空、航天、船舶、電子、兵工、能源等大型電氣系統(tǒng)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電氣系統(tǒng)日益復(fù)雜化、集成化。近年來，柔性線纜類零件越來越多地應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車和家電等行業(yè)中，而柔性線纜的裝配質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和可靠性。線纜指用于機(jī)電產(chǎn)品總裝或部裝中連接電氣設(shè)備或控制裝置的柔性電線或線纜的總稱。目前對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)件虛擬裝配仿真技術(shù)和軟件技術(shù)已經(jīng)日益完善，比如三維設(shè)計(jì)軟件UG、Pro/E、CATIA等在制造業(yè)應(yīng)用廣泛。而線纜基于它本身具有柔性的性質(zhì)，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還需要與剛性結(jié)構(gòu)件交叉裝配，并且還具有連接數(shù)量多、線纜相對(duì)比較集中、機(jī)電產(chǎn)品空間狹窄等特性，線纜裝配一直是機(jī)電產(chǎn)品研究中的難題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在剛?cè)峄旌涎b配方面有了許多研究成果。Ng[2,3]和Ritchie[4]等人提出了在沉浸式環(huán)境中使用人機(jī)交互方法來實(shí)現(xiàn)電纜設(shè)計(jì)、裝配和安裝規(guī)劃。他們研發(fā)了一個(gè)虛擬電纜設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過頭盜顯示器、三維鼠標(biāo)等虛擬外設(shè)，用戶可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行電纜的裝配或拆卸活動(dòng)。并對(duì)虛擬環(huán)境下進(jìn)行線纜布線效率進(jìn)行了檢測(cè)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線纜靜態(tài)干涉檢測(cè)，但在實(shí)際裝配過程中，線纜一直在運(yùn)動(dòng)中，并沒有對(duì)線纜的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬，反觀國(guó)內(nèi)，相關(guān)的研究起步比較晚，所以很少有關(guān)線纜方面的文獻(xiàn)，其中中國(guó)工程物理研究院的魏發(fā)遠(yuǎn)，王峰軍等[5,6]把裝配單元分成“剛性組件”和“柔性電纜”提出了“剛-柔混合系統(tǒng)”裝配工藝規(guī)劃方法。南京航空航天大學(xué)王金芳[7]提出了基于Pro/E平臺(tái)的線纜建模和剛?cè)峄旌系难b配規(guī)劃等，并實(shí)現(xiàn)了裝配動(dòng)畫與工藝文件的生成，王發(fā)麟[8]研究了線纜虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)。北京理工大學(xué)的寧汝新，劉檢華等[9～13]建立在基于離散控制點(diǎn)的線纜模型并用于虛擬環(huán)境下裝配規(guī)劃。

在實(shí)際復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品裝配過程中，剛?cè)峄旌涎b配涉及大量剛性結(jié)構(gòu)件和柔性線纜交叉進(jìn)行，要經(jīng)常調(diào)整線纜的形狀和位置。線纜裝配還需要考慮其中的一些重要屬性，比如最小彎曲半徑、楊氏模量、溫度變換和材料密度等因素?？偟亩?，目前國(guó)內(nèi)外在線纜裝配仿真規(guī)劃技術(shù)方面的研究還不是很完善處于初級(jí)的階段，還有許多的難題沒有得到解決，本文結(jié)合某企業(yè)的需求，基于以上的剛?cè)峄旌咸攸c(diǎn)及要求提出剛?cè)峄旌涎b配的總體思路，然后對(duì)裝配仿真技術(shù)進(jìn)行了研究并進(jìn)行了彎曲半徑屬性和溫度屬性仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)典型的剛?cè)峄旌涎b配模型進(jìn)行了裝配仿真。

1 復(fù)雜機(jī)電剛?cè)峄煅b思路

由于大多數(shù)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品都是既包括剛性結(jié)構(gòu)件又包含柔性結(jié)構(gòu)件，工程實(shí)際中，機(jī)電產(chǎn)品的交叉裝配現(xiàn)象普遍存在，所謂的交叉裝配[14]是指裝配過程中剛性結(jié)構(gòu)件和柔性結(jié)構(gòu)件（線纜）之間進(jìn)行穿插裝配，即在進(jìn)行柔性零件比如線纜先完成線纜的部分裝配（只裝配了線纜接頭）后，繼續(xù)安裝其他剛性結(jié)構(gòu)件，如此相互交叉裝配，最后線纜和剛性結(jié)構(gòu)件均裝配到位。

在剛?cè)峄旌涎b配中不僅包括電纜的整體或者局部的位姿的調(diào)整還包括電連接器的捆扎固定等。在進(jìn)行剛?cè)峄旌涎b配時(shí)，首先導(dǎo)入基本零件模型，并將其分為剛性結(jié)構(gòu)件和柔性結(jié)構(gòu)件（線纜），柔性結(jié)構(gòu)件如需要附件，導(dǎo)入附件進(jìn)行裝配，剛性結(jié)構(gòu)件可以裝配成剛性裝配體，柔性零件的裝配主要包括裝配起始端電連接器，柔性線纜裝配，終止端電連接器，其中剛性裝配體或剛性結(jié)構(gòu)件可以與柔性線纜一起裝配，并對(duì)其進(jìn)行工藝規(guī)劃，驗(yàn)證其可裝配性，進(jìn)行剛?cè)峄旌涎b配仿真，對(duì)將結(jié)果如裝配工藝文檔，裝配動(dòng)畫等輸出給現(xiàn)場(chǎng)工作人員，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配。剛?cè)峄旌涎b配的流程圖如圖1所示。

圖1 剛?cè)峄旌涎b配流程圖

2 剛?cè)峄旌涎b配仿真技術(shù)

2.1 線纜內(nèi)部屬性仿真

2.1.1 彎曲半徑屬性約束仿真

在復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中，線纜基本都會(huì)受到若干次折彎，特別是在拐角處，要滿足線纜的最小彎曲半徑要求。線纜最小彎曲半徑需要參考線纜的直徑，通常用D（線纜外徑）的倍數(shù)表示，一般都是不小于6D。如圖2所示，當(dāng)拐角處的彎曲半徑比較小時(shí)，線纜在拐角處會(huì)出現(xiàn)淺藍(lán)色的高亮提示，需要對(duì)拐角處的線纜控制點(diǎn)進(jìn)行局部調(diào)整以滿足線纜的彎曲屬性。

圖2 最小彎曲半徑約束

2.1.2 重力屬性仿真

在復(fù)雜機(jī)電中，一般都是單根線纜或者分支線纜經(jīng)過捆扎成線纜束來進(jìn)行裝配，我們就應(yīng)該考慮線纜束自身重力屬性，只有體現(xiàn)出線纜重力屬性才能在虛擬環(huán)境中真實(shí)地表達(dá)出線纜在現(xiàn)實(shí)中的狀態(tài)，這樣才能使得線纜裝配過程仿真的結(jié)果具有實(shí)際意義，才能體現(xiàn)其真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。如圖3所示，沒有加入重力屬性的線纜和加入了重力屬性的線纜進(jìn)行比較，可以看出加入重力屬性的線纜更加符合實(shí)際，線纜形態(tài)更加逼真。

圖3 重力屬性仿真

2.2 線纜外部屬性仿真

復(fù)雜機(jī)電中，由于其環(huán)境特殊性和復(fù)雜性，線纜會(huì)隨著空間環(huán)境溫度和內(nèi)部發(fā)電（發(fā)熱）設(shè)備而造成溫度應(yīng)力的變換。電纜是供電系統(tǒng)的功率傳輸通道，電流較大，溫度就會(huì)逐漸升高。安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)附件高溫區(qū)域的線束考慮線束耐高溫特性，線束參考標(biāo)準(zhǔn)參考QC/ T 29106-2004進(jìn)行設(shè)計(jì)。溫度的變換對(duì)線纜的楊氏模量（N/m2）、泊松比、材料密度（kg/m3）內(nèi)徑、外徑和長(zhǎng)度都有影響。隨著溫度的升高，線纜的楊氏模量變大，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，材料密度也隨著變大，如圖4所示，溫度在20℃時(shí)，線纜的狀態(tài)如圖4(a)所示，溫度在80℃時(shí)線纜的狀態(tài)如圖4(b)所示。

圖4 溫度變換仿真

2.3 剛?cè)峄旌涎b配操作仿真

剛?cè)峄旌系难b配操作仿真主要包括剛性結(jié)構(gòu)件的裝配操作，電連接器的裝配操作，線纜單元的裝配操作。

電連接器裝配操作主要包括電連接器的位姿變化，在移動(dòng)電連接器到裝配位置時(shí)，與電連接器相關(guān)的線纜也會(huì)隨之進(jìn)行相應(yīng)的位姿變換，在此時(shí)通過剛性結(jié)構(gòu)件的約束將電連接器裝配到插裝位置。裝配完成后線纜與電連接器相關(guān)的控制點(diǎn)將不能進(jìn)行位姿變換，但是可以將電連接器與線纜的約束關(guān)系設(shè)置成不關(guān)聯(lián)，重新對(duì)電連接器進(jìn)行裝配操作。

線纜單元的裝配操作是將整個(gè)線纜單元作為操作對(duì)象，對(duì)整個(gè)線纜單元進(jìn)行移動(dòng)，平移轉(zhuǎn)動(dòng)等操作，可以將線纜單元迅速地移動(dòng)到目標(biāo)裝配位置，對(duì)線纜單元進(jìn)行裝配操作能夠提高剛?cè)峄旌涎b配的效率。線纜單元的操作還需要對(duì)線纜的模型和走線過程進(jìn)行局部的調(diào)整和優(yōu)化。我們可以通過對(duì)線纜上的控制點(diǎn)進(jìn)行操作使得空間位姿進(jìn)行變換平移，旋轉(zhuǎn)等位姿的調(diào)整，從而改變線纜的位姿。

2.4 剛?cè)峄旌涎b配干涉檢測(cè)

在進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電混合裝配時(shí)，線纜需要在其裝配過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉碰撞檢測(cè)，以防止在裝配過程中由于其不規(guī)則性而造成線纜與剛性體發(fā)生碰撞。動(dòng)態(tài)干涉檢查能夠識(shí)別線纜在運(yùn)動(dòng)過程中的碰撞情況，并且可以獲取線纜平移，旋轉(zhuǎn)到合適的位置而不與周圍其他幾何體相碰撞的方向、軸向和路徑等相關(guān)關(guān)鍵信息。動(dòng)態(tài)干涉檢測(cè)采用基于包圍盒的方式進(jìn)行，如圖5所示，當(dāng)線纜與剛性結(jié)構(gòu)件發(fā)生碰撞，就會(huì)進(jìn)行高亮顯示，如圖5中A所示，我們就可以通過人工方式對(duì)干涉線纜的控制點(diǎn)或者電連接器進(jìn)行合理的調(diào)整，直至滿足裝配的要求，如圖5中B所示，再進(jìn)行仿真驗(yàn)證。進(jìn)行完干涉檢測(cè)后就需要對(duì)線纜進(jìn)行固定，捆扎等工藝，當(dāng)將線纜固定時(shí)，就約束了柔性線纜的運(yùn)動(dòng)和變形。

圖5 裝配干涉檢測(cè)

3 應(yīng)用實(shí)例

本文提出的方法和思路在軟件ICIDO系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。其中產(chǎn)品的剛性零部件模型，和電連接器模型是在Pro/E中進(jìn)行建立，通過接口導(dǎo)入到系統(tǒng)中并對(duì)其進(jìn)行裝配過程建模，柔性線纜模型是利用系統(tǒng)本身的功能通過交互式操作進(jìn)行建立的。實(shí)例中系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為雙核CPU，4GBRAM，Windows7系統(tǒng)，以鍵盤和鼠標(biāo)作為基本的輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)件的拾取和操作。如圖6所示是一個(gè)剛?cè)峄旌涎b配仿真的實(shí)例。首先將復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件模型通過接口導(dǎo)入到系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中建立線纜模型時(shí)需要考慮其本身的重力屬性，在裝配仿真過程中可以操作電連接器和線纜單元本身，在操作線纜的同時(shí)注意其最小彎曲半徑的限制，同時(shí)還將對(duì)線纜干涉進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)生干涉和最小彎曲半徑的限制則對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整已達(dá)到不干涉狀態(tài)并順利的裝配其相應(yīng)的位置，隨后對(duì)其線纜進(jìn)行固定捆扎，將以上的裝配仿真過程可以輸出工藝文檔和裝配動(dòng)畫以便于提高復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

4 結(jié)束語

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中，剛性結(jié)構(gòu)件與柔性線纜存在大量的相互交叉裝配，線纜的裝配和調(diào)整一直是實(shí)際工程問題。本文主要結(jié)合了剛?cè)峄旌涎b配的特點(diǎn)，提出剛?cè)峄旌涎b配的總體思路，然后對(duì)剛?cè)峄旌涎b配仿真等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，并對(duì)彎曲半徑約束，自身重力屬性和溫度屬性進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，在ICIDO系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，以便于對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行指導(dǎo)裝配，提高裝配效率，縮短裝配周期。

剛?cè)峄旌涎b配工藝規(guī)劃一直也是實(shí)際工程中的難題，對(duì)剛性零件的裝配工藝規(guī)劃技術(shù)研究和其評(píng)估系統(tǒng)也相對(duì)比較完善，而對(duì)剛?cè)峄旌涎b配工藝規(guī)劃的少之又少，很少有學(xué)者進(jìn)行深入的研究，所以剛?cè)峄旌涎b配工藝規(guī)劃和其評(píng)估系統(tǒng)將是我們下一步的研究重點(diǎn)方向。

圖6 裝配仿真實(shí)例

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Research on assembly simulation technology of rigid-flex model in complex electromechanical products

GAO Yang, LIAO Wen-he, GUO Yu, WANG Fa-lin, SONG Qian

TP391

A

1009-0134(2016)12-0126-04

2016-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（51575274）；國(guó)防基礎(chǔ)科研（A2620132010）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程（KYLX_0311）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金

高揚(yáng)（1992 -），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯側(cè)峄旌涎b配和線纜裝配仿真技術(shù)。