劉廣 張龍 吳祖樂(lè) 閆昕

摘 要：對(duì)于城軌車(chē)輛的整體組裝，因結(jié)構(gòu)和裝配順序問(wèn)題導(dǎo)致的干涉是造成城軌車(chē)輛制造資源的浪費(fèi)；且對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)空間狹小區(qū)域，在設(shè)計(jì)初始階段判別是否有可操作性至關(guān)重要。由此引入虛擬裝配技術(shù)，虛擬裝配是以零部件的三維模型為基礎(chǔ)，可利用三維數(shù)據(jù)仿真裝配操作的全過(guò)程。在城軌車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段引入虛擬裝配技術(shù)，可提前發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的各類(lèi)問(wèn)題（裝配干涉、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間不足），有效避免因結(jié)構(gòu)和裝配順序問(wèn)題導(dǎo)致的干涉和作業(yè)困難等問(wèn)題，從而提升數(shù)字化裝配水平，優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝、縮短產(chǎn)品研制周期。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；虛擬裝配；城軌車(chē)輛

1引言

城軌車(chē)輛傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖 1-1所示，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通過(guò)“結(jié)構(gòu)審核”進(jìn)入制造現(xiàn)場(chǎng)，在制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)因結(jié)構(gòu)和裝配順序問(wèn)題導(dǎo)致的干涉，以及作業(yè)空間狹小無(wú)法作業(yè)等問(wèn)題，再反饋予以設(shè)計(jì)部門(mén)，通過(guò)“結(jié)構(gòu)變更”的方式優(yōu)化結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)只是靜態(tài)分析模型內(nèi)組裝件的干涉情況，即只分析零件組裝完成的最終狀態(tài)是否有干涉，難以動(dòng)態(tài)模擬各個(gè)零件從裝配前至裝配完成的整個(gè)組裝流程。城軌車(chē)輛結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，傳統(tǒng)“結(jié)構(gòu)審核”難以充分暴露結(jié)構(gòu)問(wèn)題，大量的“問(wèn)題反饋”和“結(jié)構(gòu)變更”造成城軌車(chē)輛制造資源的巨大浪費(fèi)。由此，設(shè)計(jì)階段引入虛擬裝配技術(shù)，避免因結(jié)構(gòu)和裝配順序問(wèn)題導(dǎo)致的干涉和作業(yè)困難等問(wèn)題，對(duì)在城軌車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造至關(guān)重要。

2虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配是以零部件的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，利用實(shí)體模型在計(jì)算機(jī)上仿真裝配操作的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)，生成指導(dǎo)實(shí)際裝配現(xiàn)場(chǎng)的工藝文件。

2.1虛擬裝配的分類(lèi)

1）以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配

找出零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不適合裝配或裝配性能不好的結(jié)構(gòu)特征并進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，最終保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品從技術(shù)角度來(lái)講裝配是合理可行的，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品總成本，同時(shí)還必須兼顧人機(jī)工程等因素。

2）以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配

獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。分為系統(tǒng)級(jí)裝配規(guī)劃和作業(yè)級(jí)裝配規(guī)劃，前者是裝配生產(chǎn)的總體規(guī)劃，主要包括生產(chǎn)規(guī)模、資源分配、裝配車(chē)間布置、裝配生產(chǎn)線(xiàn)平衡等內(nèi)容；后者主要指裝配作業(yè)與過(guò)程規(guī)劃，主要包括裝配順序的規(guī)劃、裝配路徑的規(guī)劃、工藝路線(xiàn)的制定等內(nèi)容，客觀地反映產(chǎn)品裝配的真實(shí)過(guò)程。

2.2虛擬裝配技術(shù)的用途

應(yīng)用裝配仿真技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段消除潛在的裝配缺陷，評(píng)價(jià)車(chē)輛的裝配性，提前發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的各類(lèi)問(wèn)題，大幅提升數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)水平。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的逐步深入，裝配仿真技術(shù)已經(jīng)成為優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、縮短產(chǎn)品研制周期和降低成本的必要手段。

3虛擬裝配實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包括模型的建立和導(dǎo)入。通過(guò)三維輔助系統(tǒng)可導(dǎo)出對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的模型數(shù)據(jù)，模型導(dǎo)入后應(yīng)根據(jù)裝配層次的需要對(duì)工程數(shù)據(jù)集中的零部件進(jìn)行重組（如圖 3 1所示），對(duì)仿真環(huán)境中的模型進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，確認(rèn)產(chǎn)品對(duì)象的初始狀態(tài)沒(méi)有任何干涉，并對(duì)它們的初始狀態(tài)進(jìn)行記錄。

4裝配工藝過(guò)程分析與優(yōu)化

裝配過(guò)程仿真階段是指通過(guò)裝配路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)裝配工藝過(guò)程仿真，檢查裝配過(guò)程中產(chǎn)品零部件的動(dòng)態(tài)干涉和碰撞情況，驗(yàn)證裝配工藝的可行性。編輯移動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)路徑，并實(shí)時(shí)檢驗(yàn)零部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否與其他對(duì)象發(fā)生干涉或碰撞（如圖 4 1紅色箭頭指示為干涉區(qū)域），從而及時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)路徑。

根據(jù)裝配過(guò)程仿真中的驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)裝配過(guò)程中存在干涉情況進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)裝配路徑的改進(jìn)、工藝流程的重新設(shè)汁和調(diào)整，甚至對(duì)產(chǎn)品、資源進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，保證裝配過(guò)程無(wú)干涉、無(wú)碰撞，完成合理的裝配工藝過(guò)程。當(dāng)裝配工藝改進(jìn)仍不能滿(mǎn)足要求時(shí)，需對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問(wèn)題進(jìn)行反饋與優(yōu)化，直到得到合理的裝配。

5人機(jī)工程分析

在安裝隔墻時(shí)，作業(yè)空間狹小，操作人員無(wú)法用扭矩板子緊固螺栓，如圖 5 1（a）所示。圖示人體模型由若干關(guān)節(jié)組成，各個(gè)關(guān)節(jié)的操作舒適度會(huì)以顏色實(shí)時(shí)顯示，其中紅色代表是疲勞狀態(tài)，綠色表示舒適；當(dāng)前結(jié)構(gòu)使員工處于疲勞狀態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（隔墻增加禁固孔）后，如圖 5-1（b）所示，操作員工的疲勞狀態(tài)已消除。

6總結(jié)

虛擬裝配以零部件的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，仿真裝配操作的全過(guò)程，可提前發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的干涉以及操作空間狹窄作業(yè)困難的問(wèn)題；可進(jìn)行人機(jī)工程分析，降低操作人員的作業(yè)強(qiáng)度；可節(jié)約由大量“問(wèn)題反饋”和“結(jié)構(gòu)變更”造成城軌車(chē)輛制造資源的浪費(fèi)，降低試制成本、縮短周期；設(shè)計(jì)階段引入虛擬裝配技術(shù)，對(duì)城軌車(chē)輛的制造有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文威. 基于虛擬裝配技術(shù)的乘用車(chē)側(cè)圍焊裝機(jī)器人配套工裝設(shè)計(jì)[D].安徽工程大學(xué)，2017.

[2]吳晟宇. 電動(dòng)汽車(chē)變速器虛擬裝配與仿真優(yōu)化研究[D].吉林大學(xué)，2017.

[3]孫漢琴. 汽車(chē)虛擬裝配系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].中北大學(xué)，2017.

[4]武筱菲. 基于虛擬技術(shù)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2017.

[5]魏巍. 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)及其仿真應(yīng)用的研究[D].大連海事大學(xué)，2013.

[6]韓虎. 飛機(jī)虛擬裝配場(chǎng)景工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海大學(xué)，2013.