客車車架虛擬裝配路徑規(guī)劃

2016-01-29 03:51:37曹本龍陳昆山

機(jī)械制造與自動化 2015年4期

曹本龍，陳昆山

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

客車車架虛擬裝配路徑規(guī)劃

曹本龍，陳昆山

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

摘要：以CATIA為平臺，進(jìn)行某商用客車車架的虛擬裝配路徑規(guī)劃，并完成裝配路徑規(guī)劃干涉檢查與仿真，驗(yàn)證了所規(guī)劃路徑的可行性。與傳統(tǒng)的裝配設(shè)計相比，虛擬裝配技術(shù)滿足并行工程的要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性的設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中的問題，提高裝配質(zhì)量和裝配效率，降低裝配成本。

關(guān)鍵詞：客車車架；虛擬裝配路徑規(guī)劃；虛擬裝配路徑規(guī)劃仿真

Research on Virtual Assembly Path Planning of Bus Frame

CAO Benlong, CHEN Kunshan

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:Based on CATIA, the assembly path planning of a commercial bus frame is studied. Also, interference detection and assembly simulation are done to verify the feasibility of this assembly path planning on CATIA. Compared with conventional assembly design, virtual assembly technology is qualified for concurrent engineering and suitable for product assembly and design and it is easier to detect problems of product design in time, so that the assembling quality and efficiency are improved and its cost is reduced.

Keywords:bus frame; assembly path planning; assembly path planning simulation

0引言

車架是汽車的主要承載部件，其設(shè)計和裝配過程歷來受國內(nèi)外各大汽車廠商重視。隨著計算機(jī)應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計中的發(fā)展，新產(chǎn)品的開發(fā)步驟與開發(fā)過程發(fā)生了巨大的變化。以計算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)為支撐的虛擬產(chǎn)品設(shè)計，使新產(chǎn)品開發(fā)流程向著數(shù)字化、集成化的方向發(fā)展。車架虛擬裝配的路徑規(guī)劃是汽車虛擬裝配技術(shù)研究領(lǐng)域的重要組成部分，涉及到較多內(nèi)容，牽涉到豐富的知識面，是檢驗(yàn)虛擬產(chǎn)品是否可拆卸或可裝配的重要依據(jù)[1]。

現(xiàn)在研究某商用客車車架虛擬裝配中的產(chǎn)品建模技術(shù)及裝配路徑規(guī)劃，以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)和制造成本，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計，提高產(chǎn)品的品質(zhì)，并在工程應(yīng)用上指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1虛擬裝配建模技術(shù)

1.1基于CATIA的產(chǎn)品裝配樹模型

一個產(chǎn)品通常都是由多個通過約束關(guān)系組合的子裝配體組成的，而一個子裝配體又是由下層零件或者已經(jīng)裝配好的部件構(gòu)成，這樣的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)很好地體現(xiàn)了裝配上的層次關(guān)系，該層次關(guān)系的二維或三維圖形組織結(jié)構(gòu)，通常用樹狀層次結(jié)構(gòu)在計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中顯示，稱之為特征樹結(jié)構(gòu)[2]。

在CATIA中，對于由多個零件組成的裝配體，采用這種特征樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)其裝配模型中零件之間約束關(guān)系組合，稱之為裝配樹。裝配樹產(chǎn)品的裝配層次通常分為總裝配體、子裝配體和零件等。

1.2SKS客車車架的裝配樹模型

廠家提供的SKS客車車架裝配體如圖1所示。

圖1　SKS客車車架裝配體

依據(jù)車架裝配體模型，將裝配結(jié)構(gòu)分成縱梁組件、懸架支架、橫梁組件和尾架焊接總成4個主要子裝配體。根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)尺寸形式和各部件之間的約束關(guān)系，將縱梁劃分為第一子裝配體，包含左、右前縱梁、左前、右前上縱梁、左中、右中縱梁等；懸架支架為第二子裝配體，包含前懸前、后支架和后懸前、后支架等；橫梁為第三子裝配體，包含第一至第十橫梁、過線橫梁、尾外橫梁總成、撐桿等零部件；尾架焊接總成為第四子裝配體。對應(yīng)的裝配樹如圖2所示。在SKS客車車架的各個模塊全部劃分完畢后，在CATIA中完成總裝配體的生成。

圖2　SKS車架裝配樹

2基于CATIA的裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑是指零部件在組裝成產(chǎn)品時所應(yīng)遵循的空間路徑，從空間位置上，合理的裝配路徑應(yīng)避免零部件在裝配過程中出現(xiàn)相互干涉的現(xiàn)象；從工藝活動上，采用合理的裝配路徑能夠保證裝配品質(zhì)[3]。

2.1虛擬裝配流程

一般來說，虛擬裝配的整個過程由裝配建模、零部件幾何形狀的修改、干涉檢查、裝配順序的規(guī)劃和裝配路徑的規(guī)劃等構(gòu)成。虛擬裝配過程中各個環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)系都反映在虛擬裝配的過程之中[4]。各個環(huán)節(jié)之間的關(guān)系通常用圖 3 所示的虛擬裝配流程圖來表示。

圖3　虛擬裝配流程圖

對于SKS客車車架而言，首先要在CATIA系統(tǒng)中創(chuàng)建車架的幾何實(shí)體模型，然后轉(zhuǎn)化為虛擬場景模型進(jìn)行可視化顯示與分析。虛擬裝配設(shè)計環(huán)境VADE(virtual assembly design environment，VAOE)的預(yù)處理程序可提取模型的裝配信息并提供給VADE。

其次，在虛擬裝配環(huán)境中進(jìn)行車架虛擬裝配路徑規(guī)劃，并激活裝配干涉檢查。在裝配建模的基礎(chǔ)上，對車架裝配信息進(jìn)行路徑進(jìn)行分析和求解，判斷并生成一條合理的裝配路徑，進(jìn)行裝配過程仿真。

最后，生成工藝文件，對虛擬裝配過程進(jìn)行動態(tài)演示。虛擬裝配過程產(chǎn)生的信息可用于設(shè)計人員修改設(shè)計，也可訓(xùn)練工人進(jìn)行裝配，還有一些數(shù)據(jù)信息可輔助設(shè)計特殊的裝配設(shè)備。

2.2SKS客車車架虛擬裝配路徑的規(guī)劃

CATIA借助其現(xiàn)有的功能模塊中的動態(tài)裝配來規(guī)劃虛擬裝配路徑，并記錄整個動態(tài)裝配中的安全可達(dá)裝配路徑；然后生成 Demo 的動態(tài)裝配顯示形式，并保存。車架的具體裝配步驟如下：

1) 建立SKS客車車架裝配樹。將待裝配的車架結(jié)構(gòu)零部件按照圖1車架裝配樹中的裝配順序，插入到產(chǎn)品樹中相應(yīng)的位置，從而建立車架裝配樹。

4) 激活干涉檢查命令，隨時監(jiān)控裝配干涉行為。激活的方法是：點(diǎn)擊動態(tài)裝配時的自動干涉檢查(Automatic clash detection)模式中的圖標(biāo)。在自動干涉檢查模式工具條中，點(diǎn)擊圖標(biāo)(Clash Detection(Stop))表示：若某橫梁在移動過程中遇到某縱梁阻礙時，將自動阻止橫梁繼續(xù)移動，干涉區(qū)域顯示為紅色；點(diǎn)擊圖標(biāo)(Clash Detection(On))則表示某橫梁在移動過程中遇到某縱梁阻礙時，將繼續(xù)移動，但干涉區(qū)域仍顯示為紅色；點(diǎn)擊(Clash Detection(Off))圖標(biāo)，發(fā)生碰撞則不作任何提示。

5) 確定車架拆卸路徑上的點(diǎn)。通過鼠標(biāo)和指南針進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)的裝配操作，確認(rèn)步驟3) 完成后彈出的 Edit Simulation 對話框中的 Insert組成車架路徑上的點(diǎn)的位置，記錄下安全可達(dá)的路徑，點(diǎn)擊OK完成操作。

6) 記錄整個車架裝配過程。點(diǎn)擊工具欄DMU Generic Animation 中的(Compile Simulation)，以生成一個 Demo 的動態(tài)裝配模擬記錄，并將整個車架裝配過程進(jìn)行動態(tài)演示。

2.3可拆卸與可裝配之間的關(guān)系

在路徑規(guī)劃中，裝配過程和拆卸過程與路徑規(guī)劃有著密切的關(guān)系，所以需要研究在實(shí)際裝配過程中可裝配與可拆卸之間的關(guān)系[5]。有時可裝配并不一定可拆卸，例如在裝配過程中，裝配行為使某零件產(chǎn)生了永久性變形，這樣的裝配往往不可拆卸。但可拆卸一般都可裝配，拆卸是裝配的逆過程，且拆卸過程可驗(yàn)證裝配過程中干涉檢查是否合理。因此，需要討論基于拆卸法的路徑規(guī)劃，以校核先前規(guī)劃路徑的可行性。

2.4基于拆卸法的虛擬裝配路徑的規(guī)劃

拆卸的虛擬裝配路徑規(guī)劃主要有3個環(huán)節(jié)[6]：

1) 車架規(guī)劃仿真預(yù)處理，為車架裝配操作實(shí)施提供一個基礎(chǔ)的虛擬裝配工作環(huán)境。包括對車架裝配體及其相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型信息的提取、裝配路徑的生成與求逆等。

2) 車架拆卸路徑規(guī)劃，這一環(huán)節(jié)是基于拆卸法的路徑規(guī)劃的核心環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，需要實(shí)施仿真拆卸的具體操作，并形成拆卸有效路徑。零部件應(yīng)按照縱梁—橫梁—懸架支架—尾架焊接總成的方向分離，并進(jìn)行干涉檢查，并確認(rèn)最終拆分方向。

3) 車架裝配路徑的生成。將車架拆卸規(guī)劃的結(jié)果求逆，轉(zhuǎn)換成車架子裝配體或零部件的虛擬裝配路徑序列。

以上所述的3個階段之間的相互關(guān)系可用圖4所示的拆卸規(guī)劃流程圖來表示[7-9]。

圖4　拆卸規(guī)劃的流程圖

3基于CATIADMU的裝配仿真

3.1裝配路徑規(guī)劃的仿真

在前面的論述中，建立了SKS車架的裝配路徑，零部件的裝配路徑也規(guī)劃完畢。在此基礎(chǔ)上，利用CATIA的DMU(digital mock-up,DMU)即電子樣機(jī)，可以對車架裝配過程的三維動態(tài)仿真。圖5為SKS客車車架裝配體的裝配仿真過程，此過程可以清晰地看到主要部件的裝配路徑(圖5中白色線條表示)。圖6為SKS客車車架裝配體的爆炸圖，設(shè)計人員可以更清晰地了解裝配體中各零部件之間的相互關(guān)系。

圖5　客車車架的裝配仿真過程

圖6　車架SKS裝配體爆炸圖

3.2仿真結(jié)果分析

對SKS客車車架的裝配仿真結(jié)果進(jìn)行分析，通過圖5裝配仿真過程可直觀地判斷所規(guī)劃的虛擬裝配路徑，圖6裝配體爆炸圖也清晰地顯示了主要的子裝配體及零部件結(jié)構(gòu)。如果對存在的裝配序列和路徑不滿意，可根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合裝配實(shí)際，進(jìn)行修改，然后進(jìn)一步用仿真進(jìn)行驗(yàn)證，直到獲得滿意的裝配路徑為止。在虛擬仿真同時要激活動態(tài)裝配的自動干涉檢查，這樣才能對所規(guī)劃的虛擬裝配序列與路徑是否合理進(jìn)行正確的評價。

4結(jié)語

對SKS客車車架虛擬裝配路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，構(gòu)建了客車車架層次型模型裝配結(jié)構(gòu)樹，并進(jìn)行了產(chǎn)品裝配關(guān)系和層次關(guān)系分析，從而獲得了虛擬裝配規(guī)劃所必須的裝配信息。其次，進(jìn)行了裝配序列的規(guī)劃，提出了基于CATIA的裝配序列和路徑規(guī)劃方法，歸納了相應(yīng)的算法流程等。最終建立了符合SKS車架特點(diǎn)的裝配順序和裝配路徑，并進(jìn)行了干涉檢查。最后，對SKS客車車架進(jìn)行了基于CATIA的裝配過程的仿真模擬。

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