可視化裝配技術應用研究

胡一廷

摘 要：簡述了傳統裝配工藝設計中存在的四個問題，并分別利用可視化裝配技術中三維規劃技術、干涉分析技術、三維圖解技術、仿真動畫技術四個關鍵技術逐一解決。

關鍵詞：裝配 可視化 三維模型

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

傳統的發動機裝配工藝設計可以分為發動機裝配工藝規劃、裝配工裝的設計和裝配工藝規程編制，主要依賴工藝人員的技術水平、經驗以及對發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，給復雜結構的發動機裝配工藝設計帶來了很大難度。隨著三維設計軟件的引入，各型號發動機三維模型和型號裝配所需的工裝模型均已基本齊全，發展可視化裝配技術的時機已經成熟，可以應用可視化裝配技術解決傳統發動機裝配工藝設計中存在的問題。

1 傳統裝配工藝設計中存在的問題

傳統裝配工藝設計是指在二維圖紙基礎上的發動機裝配工藝設計方式。其特點在于通過二維圖紙傳遞發動機結構和裝配關系信息；實物裝配檢驗作為唯一的裝配性檢驗手段；復雜裝配過程設計一次成功率不高。總結傳統裝配工藝設計中存在的問題如下。

1.1 工藝規劃周期長，優化程度低

傳統的工藝規劃為二維規劃，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，因此在工藝規化階段很難形成多套工藝方案加以比較尋優。此外由于二維圖紙不夠直觀，工藝人員在規劃時很難統籌思考各方面、各層次的工藝問題，很難對最終規劃進行全局優化。

1.2 工裝設計一次性成功率低

二維設計環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致工裝設計一次性成功率的根本原因。工裝是發動機裝配的重要保證，工裝設計一次性成功率低直接增加了裝配成本，影響了發動機裝配進度。

1.3 裝配工藝規程可理解性差

傳統裝配工藝規程以二維圖紙和說明文件為主要內容，這種方式需要經過一定裝配技術培訓的操作者才能順利理解。工藝規程可理解性差，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，導致了規程生澀難懂。（2）裝配操作者整體技能及專業知識儲備不足，難以直接從二維圖中獲取裝配所需信息。裝配工藝規程是指導發動機裝配的重要文件，其可理解性直接影響著發動機裝配質量與效率。

1.4 缺乏有效的培訓手段

目前的培訓手段主要是工藝人員依據二維圖紙、裝配工藝規程反復講解。這種培訓方式周期長，見效低。發動機結構復雜，裝配操作者需要一定的經驗和技能，熟練掌握經驗和技能是個長期過程。缺少生動直觀動態示教手段縮短這個過程，直接導致了人工成本的上升。

2 基于可視化技術的裝配工藝設計

裝配工藝可視化設計是在產品三維實體模型的基礎上，利用計算機技術，信息技術和人工智能技術，來規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境，可視化地分析各種可行裝配方案，最終得到一個合理、經濟、符合人機工程的裝配方案，達到優化工藝設計、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速度、提高裝配質量和效率的目的。它克服了傳統發動機裝配工藝設計中主要依賴于人的裝配經驗和知識以及設計難度大、效率低、優化程度低等問題。

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

3 可視化裝配關鍵技術的應用

3.1 三維規劃技術

三維規劃技術利用發動機三維數模與設計BOM在計算機中直接進行發動機裝配工藝規劃，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”的裝配序列規劃方法，通過拆卸裝配體模型來確定產品的拆卸順序，以拆卸順序的逆序為產品的裝配順序。

中央傳動齒輪箱裝配序列規劃時，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）

通過三維規劃技術，可大大提高裝配規劃的效率，并且能夠快速得出多種方案，逐一對比實現裝配規劃的優化設計。

3.2 干涉分析技術

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

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

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

圖2為高渦轉子葉片外撐工裝的間隙檢查結果，干涉處以帶顏色線條顯示。分析表明由于壓塊設計不合理，壓塊與轉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計階段就能發現工裝設計中存在的缺陷或錯誤，這對于提高工裝設計一次性成功率有著極大的意義，節約了工裝設計成本的同時保證了型號裝配周期。

3.3 三維圖解技術

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，可以形象表達發動機結構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部結構及大小零件相對位置關系，三維標注可以精確表達各零件相互安裝位置及外形大小；局部放大可以表達裝配體細節特征，透視或透明化處理可以看清裝配體內部結構。這些手段的綜合運用可以直觀描述發動機裝配信息。

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

3.4 仿真動畫技術

三維仿真動畫可以直觀演示發動機裝配真實過程。

發動機機件繁多，其裝配動作基本都是平動、旋轉、變形三種動作及其復合。時序上，裝配序列、裝配動作配合視角的調整（方便觀察）、必要的渲染及裝配要點提示，形成相應的裝配動畫演示發動機機件裝配過程，指導現場裝配。

4 結論

綜上所述，可視化裝配四種關鍵技術可以解決目前發動機裝配工藝中存在的問題：（1）通過三維模型進行裝配規劃，減少了大量圖紙查閱時間，規劃結果可以通過模型直觀驗證，大幅度地提高了裝配工藝設計效率與質量。（2）二維設計環境中難以發現的結構干涉可以通過三維模型直觀顯示出來，提高了工裝設計的一次性成功率。（3）發動機復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程的可理解性。（4）采用三維動畫對裝配操作者進行培訓，直觀、形象、高效，節約了大量培訓成本。

參考文獻

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