數字化裝配技術在核動力設備工藝設計中的應用

楊 彪 何 靜 李潮偉 李紅軍

（中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室，四川 成都610041）

0 引言

核動力設備的設計制造質量直接影響核動力裝置的質量、性能和核反應堆的安全運行，核動力設備在設計上已經實現了計算機輔助設計和分析，但在制造方面仍然沿用傳統的裝配方法和手段。傳統裝配工藝設計方法主要存在以下問題：（1）裝配工藝設計仍采用二維方式；（2）沒有有效的三維工藝設計的驗證、優化和評估手段；（3）缺少典型示教和溝通交流的三維動態裝配過程。本文將數字化裝配技術應用于某核動力設備復雜的總裝工藝設計，進行了三維裝配工藝設計和裝配過程動態仿真分析研究，優化了總裝工裝和裝配工藝。通過該設備的數字化裝配技術應用研究解決了傳統裝配工藝設計問題，提升了核動力設備的裝配工藝設計水平。

1 數字化裝配技術應用方案

針對該核動力設備的結構特征、總裝工藝特點，建立了核動力設備的總裝數字化裝配工藝流程，制定了詳細的數字化裝配工藝實施方案，以下對數字化裝配工藝流程和數字化裝配工藝設計的實施方法進行介紹。

1.1 數字化裝配工藝流程設計

核動力設備的總裝數字化裝配工藝設計流程如圖1所示。

圖1 數字化裝配工藝設計流程

輸入信息消化需要對產品、工藝裝備等的設計圖冊進行詳細消化；產品及工裝的3D建模是根據理解消化的設計圖冊進行產品及工裝的3 D建模，生成直接用于虛擬裝配環境中的數字樣機；三維模型向數字化裝配環境的導入是建模軟件和虛擬仿真軟件之間數字模型的格式轉換，導入到虛擬仿真軟件中的模型保持原模型的結構層次特點和屬性，在新的虛擬現實環境中需要對其賦予新的材料特性，以使模擬過程更加逼真；裝配工藝過程的詳細設計包括產品和資源的規劃，裝配順序和裝配路徑的設計，工藝過程的設計需要對總裝工藝涉及的所有單個組裝工藝的裝配順序和裝配路徑進行詳細設計和合理性的詳細分析；裝配過程的動態仿真是將所有組裝工藝進行匯編，將整個總裝工藝過程進行動態裝配仿真驗證，確定總裝工裝結構的正確性和總裝工藝的合理性；裝配結果的輸出包括裝配指令、各種形式報表以及三維動態裝配視頻等文件。

1.2 數字化裝配工藝實施

本文選用數字化仿真軟件DEL MIA V5 R16作為數字化裝配工藝設計平臺，3 D建模和產品預裝配過程的實施在軟件UGS NX6.0中實現。數字化裝配工藝設計具體實施步驟如下：（1）在UGS NX6.0軟件中進行核動力設備和總裝工裝的3D建模，并進行產品的裝配順序和預裝配檢查。（2）在DEL MIA的數字化工藝設計模塊支持下，將產品數據導入DPE模塊數字化工藝設計環境，建立產品數據庫和資源數據庫，并將數據庫中模型導入數字化裝配仿真環境中。（3）創建裝配工藝數據庫，以設計好的裝配順序為基礎利用PERT圖進行DPE環境下的二維裝配順序的建立，PERT圖中每一個圖標元素代表一個裝配工序，通過修改其中的元素或者順序，數字化環境中的裝配順序也會相應改變。（4）進行裝配過程仿真，對每一個工序分配產品或資源元素，并進行總裝焊接工裝結構設計的合理性及組裝焊接操作空間的評估，裝配路徑的規劃，碰撞干涉檢查，這一步驟是一個反復修改過程，直到得到最優結果再進行下一個裝配工序的設計。系統根據PERT圖和單個工序設計結果，自動生成整個裝配工藝的動態仿真過程。

2 核動力設備及工裝3D建模

根據數字化裝配工藝需要進行產品、總裝工裝及其他輔助工具等的3D建模。其中總裝工裝涉及的零部件較多，需要在裝配工藝動態仿真前對其結構進行預裝配驗證，檢查工裝的結構設計合理性和工裝與產品組件的干涉狀況。通過驗證結果對工裝的結構不斷進行優化。

3 數字化裝配工藝設計與動態仿真驗證

3.1 總裝工藝初步制定

根據核動力設備和工裝的結構特點，完成初步的核動力設備整臺的組裝工藝的制定，為數字化裝配仿真驗證做前期的準備。

3.2 產品和工裝資源規劃

產品和工裝資源規劃是數字化裝配工藝中的重要一環，是保證生產有序進行的前提。首先要對生產車間的場地及總裝過程中需要的各種產品資源進行清理和分析，然后根據生產車間場地的情況對核動力設備各個零部件、總裝工裝、總裝臺架及輔助工裝、工具進行有序的規劃布局，使整個生產過程的資源擺放整齊，不會發生現場混亂的現象。

3.3 裝配路徑設計

在數字化裝配過程中，需要對核動力設備的每一步組裝工序的裝配順序進行設計、驗證和優化，使其達到最優。裝配路徑設計要遵循效率優先、路徑最短原則。在節約效率的同時，要考慮人性化設計，即在考慮操作人員的操作空間和操作舒適度的情況下增加裝配路徑。

3.4 裝配過程運動仿真

裝配過程運動仿真是實現數字化裝配技術的關鍵，是將所有組裝工序的運動過程匯編成最終的裝配過程。在進行裝配過程運動仿真過程中需要對零部件的裝配順序與裝配路徑、裝配資源配置的合理性、工藝裝備設計的合理性及操作空間的開敞性和安裝工具的可達性進行一個全面的驗證、評估與優化，并根據驗證的結果對前期的設計輸入進行不斷的修改完善。裝配仿真對核動力設備總裝工裝設計的合理性和組件裝配過程的碰撞干涉進行了重點關注，并在數字化裝配環境中對每一個裝配工序進行了詳細的設計和分析，并最終得出最優的組件動態裝配過程。圖2為總裝過程組中的一個裝配場景。

圖2 核動力設備數字化裝配場景圖

經過動態裝配過程仿真和分析，發現了產品設計、工裝設計、初步工藝設計和操作空間可達性、舒適性等多個問題，并提出了解決措施和解決后效果評估。

3.5 仿真結果輸出

數字化裝配工藝設計仿真輸出結果可以實現各種文件形式，如avi視頻文件、t xt文件以及各種形式報表等，可以對核動力設備總裝過程中每個工序動態裝配過程的數據、產品和資源的描述文本和動態裝配過程視頻進行輸出。

4 結語

通過核動力設備總裝工藝數字化裝配技術的研究，走通了數字化裝配工藝設計流程，完成了組件的裝配順序和裝配路徑的規劃與仿真，實現了動態碰撞干涉檢查與分析，得出最優的總裝工藝，生成了可用于操作人員培訓和技術人員交流的組件動態裝配過程的視頻，總裝工藝已成功應用于科研生產項目。

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