虛擬裝配技術在起重機產品中的應用

張晉強， 張娟玲

（太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030024）

大噸位的橋式起重機（如鋼廠、水電站用的起重機）一般是單臺或小批量訂貨的產品，每臺起重機的生產圖紙都需要根據用戶的個性化需求進行重新設計。由于設計周期比較短，且只采用傳統的二維設計，沒有三維數字化裝配驗證和實際的裝配仿真，往往在實際產品安裝階段，經常會發生零部件的干涉、電纜長度的富余或不夠、安裝不方便等問題，而且許多零部件在制造階段產生的質量隱患只有在實際的裝配過程中才顯現出來。如果這些問題到現場安裝時才暴露出來，將導致產品的安裝周期長、安裝費用高，無形中增加著產品的制造成本，并給用戶造成不好的影響。

虛擬裝配技術的出現對有效地解決這類問題提供了可能。通過虛擬裝配技術，可以在計算機營造的虛擬制造環境中進行產品三維模型的預裝配，發現不合理之處并修改，在虛擬整機上模擬液壓管路和電氣走線的布置，使工程師能夠選擇合理的方案和最優的技術參數。運用虛擬裝配技術可以實現產品的可裝配性和經濟性，提高產品的一次裝配成功率，降低產品的安裝費用。

1 虛擬裝配技術

虛擬裝配技術是20世紀80年代提出來的概念，它是指在虛擬環境中，利用虛擬現實技術將設計的產品三維模型進行預裝配，在滿足產品性能與功能的條件下，通過分析、評價、規劃、仿真等改進產品的設計和裝配的結構，實現產品可裝配性和經濟性，以達到產品的開發周期和成本的最優化，生產效率的最高化[1]。據統計，產品的裝配費用占整個生產成本30%～50%乃至更高，因此對產品裝配進行模擬，盡早解決存在的設計問題，以縮短制造周期、降低成本為目標的改進和再規劃，是增強制造業競爭力的重要環節。

由于橋式起重機是單件、小批量訂貨的產品，且設計周期比較短，所以如何快速實現起重機的虛擬裝配最為關鍵。本文對各種起重機的結構進行分析，根據模塊的劃分原則將起重機劃分成功能和結構相對獨立的子模塊，然后建立各個模塊的三維模板庫。進行產品設計時，利用模板通過變型設計建立子模塊的產品三維模型，最后通過定義不同模塊之間的約束關系、裝配序列及裝配路徑，實現產品三維模型的虛擬裝配。

2 三維產品模型的虛擬裝配

2.1 子模塊模板的建立

根據橋式起重機的結構特點、功能特點以及零部件之間的約束關系把其劃分為多個結構和功能相對獨立的子模塊。劃分時應充分考慮結構的完整性、功能的獨立性以及裝配的工藝性，以便于模塊的設計、制造和裝配。如下頁圖1所示為橋式起重機的模塊劃分關系圖，根據模塊劃分原則，橋式起重機分為橋架、小車、大車運行機構、吊具、附屬結構等模塊，每個模塊又包含有幾種不同的結構類型，如橋架模塊包括有雙梁結構、四梁結構、剛性結構、鉸接結構等。利用三維軟件建立各子模塊所有結構類型的三維模型作為模板，建模時要保證模塊接口的一致性。

圖1 橋式起重機的模塊劃分關系圖

所謂模塊接口是指有相互結合關系的模塊在結合部位存在的具有一定幾何形狀、尺寸和精度的邊界結合表面[2]。模塊接口要具有互換性和兼容性，各個模塊通過標準的模塊接口可以拼裝成不同的起重機產品。所以建模時要根據模塊的結構特點，找出共性特征，合理地選擇模型的基準點、坐標系及主參數，以便于子裝配的組裝。

2.2 產品三維模型的預裝配

預裝配是指將子模塊的產品三維模型按照一定的約束關系和裝配順序組裝成起重機產品三維模型，以便及早發現裝配中存在的干涉問題，及時對零部件進行修改。其主要目的是以最短的時間、最小的人力物力和最少的資金進行產品的設計驗證，最終指導產品的現場安裝。其中子模塊的產品三維模型是以子模塊模板為基礎，根據用戶提供的設計參數，采用變型設計的方法建立的。

所謂變型設計是指將結構形式相對穩定的產品或部件，對其三維模型的尺寸和空間位置關系用一組參數約束，當賦予不同的參數序列時，就可以驅動典型的三維模型生成滿足設計要求的產品模型[3]。變型設計不僅包括三維模型尺寸的參數化，而且還包括幾何相似零件的局部結構變型。其實現方法是將子模塊接口中的主參數定義為驅動參數，并通過布局草圖、方程式控制零部件之間的空間位置關系和尺寸關系。當主參數根據設計要求被賦予序列后，就可以生成滿足設計要求的子模塊產品三維模型。采用變型設計生成子模塊的產品三維模型，可以極大地提高產品三維模型的建模效率，縮短設計周期。

2.3 液壓管路布置和電氣布線

傳統的液壓管路布置和電氣布線都是在二維圖紙上進行的，要求設計人員根據起重機的設計尺寸，合理地布置液壓元件和電氣元件，并計算出液壓管路和電纜的長度。如圖2所示為二維圖紙上進行管路設計。由于二維圖紙缺乏直觀性，設計人員在計算液壓管路和電纜的長度時，難免考慮不周出現錯誤。如果到安裝現場時才發現這些問題，處理費用會很高。采用虛擬裝配技術，在產品三維模型上利用三維軟件的管路功能，直觀地模擬管路和電纜的布置情況，精確測量出其長度，把一切可能產生的錯誤盡可能及早發現，以降低產品成本，提高產品質量，如圖3所示。

圖2 二維圖紙上進行管路設計

圖3 三維模型上進行管路設計

3 結語

虛擬裝配技術是一個處于發展中的極具應用潛力的新技術，它充分利用數字化研制技術真實地模擬產品三維裝配過程，檢驗產品的可裝配性。運用虛擬裝配技術對橋式起重機進行預裝配和布線，盡早發現存在的設計問題并進行修改，有助于降低產品制造成本，縮短產品制造周期。它是現代化企業生存、發展的必由之路。

[1]劉國華，姚英學.虛擬裝配技術[J].機械制造，2006（8）：65-67.

[2]喬慧麗.門式起重機三維參數化及模塊化設計系統的開發研究[D].武漢：武漢科技大學，2005.

[3]葉永偉，楊慶華，厲淦，等.基于特征技術的變型設計與產品裝配建模[J].計算機工程，2008（13）：192-194.