基于NX及ICIDO仿真的柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配應用

馬丹，陳建軍，姜曉陽，徐崢，賀金虎

（山西柴油機工業(yè)有限責任公司，山西 大同 037036）

1 研究背景及意義

柴油機是一種集“機、電、液”于一身的復雜機構(gòu)系統(tǒng)，曲柄連桿結(jié)構(gòu)作為柴油機的重要系統(tǒng)部分，是柴油機裝配過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是曲軸、連桿、活塞等關(guān)鍵零部件裝配效率和質(zhì)量，直接影響了柴油機產(chǎn)品的制造周期和使用壽命。傳統(tǒng)實物演示驗證的整機裝配產(chǎn)品開發(fā)模式，由于工藝資源配置匱乏、工藝信息現(xiàn)場可視化效果差、工藝診斷差異等問題，難以實現(xiàn)裝配過程的精準指導和有效控制，導致不足以支撐自主品牌柴油機以高效、高質(zhì)量的整機裝配發(fā)展。

本文通過利用NX計算機輔助設(shè)計與制造軟件和ICIDO三維可視化虛擬平臺軟件相結(jié)合的工藝設(shè)計方法，實現(xiàn)了在可視化虛擬仿真環(huán)境下對曲柄連桿結(jié)構(gòu)的仿真裝配應用，改變了傳統(tǒng)經(jīng)驗法和實物裝配的演示驗證模式，提升了裝配工藝方案技術(shù)成熟度，并降低了操作人員勞動強度。利用ICIDO可視化虛擬平臺軟件在虛擬場景下進行虛擬仿真裝配，對產(chǎn)品的可視性、可達性、可操作性和舒適性等進行仿真分析研究，評價和優(yōu)化產(chǎn)品裝配模型，有效地作出與裝配相關(guān)的工程決策，達到提高裝配質(zhì)量和效率、降低生產(chǎn)成本以及優(yōu)化產(chǎn)品性能的目的。

2 曲柄連桿機構(gòu)模型建立的生成與導入

利用NX三維建模可直接觀察到建模當中的主要零部件，在曲軸、連桿、活塞機構(gòu)實體建模時，將適當簡化一些細小的部件結(jié)構(gòu)，如減了活塞環(huán)，對曲軸體內(nèi)小直徑油孔、凸臺等結(jié)構(gòu)進行了簡化處理，曲軸兩端軸頸簡化為簡單的圓柱段；連桿大端以整體的形式與曲軸進行連接。

2.1 曲柄連桿機構(gòu)三維模型

某型號柴油機的主要技術(shù)參數(shù)：活塞直徑：110mm，活塞高度：100mm，主軸頸直徑：95mm，曲臂厚度：21.5mm，連桿頸直徑76mm、連桿大孔內(nèi)徑81mm、小孔內(nèi)徑49mm、中心距195.5mm、牙距4.5mm、缸心距155mm。依照以上參數(shù)，在NX中建立的曲軸、連桿、活塞機構(gòu)三維實體模型如圖1、2、3所示。

圖1 活塞

圖2 連桿

圖3 曲軸

2.2 基于NX的曲柄連桿機構(gòu)的裝配過程

將上述零部件進行裝配,裝配步驟：

（1）引入零部件曲軸。打開NX，進入“Assembly”環(huán)境，點擊“Component”,選“Add Existing”,點擊“Select Part”，在定位對話框中輸入定位坐標或點擊要裝配的位置,單擊“OK”,完成零部件的引入。

（2）零部件連桿的裝配。在“Assembly”環(huán)境下單擊“Component”，點擊“Add Existing”， 再單擊“Select Part”，選擇連桿加入裝配，在定位對話框中輸入定位坐標或點擊要裝配的位置，通過“Face”“Mating”“Align”“Parallel”等匹配條件，移動零部件連桿，完成與曲軸的裝配。

（3）零部件活塞的裝配。同步驟2一致，最后移動零部件活塞，完成與連桿的裝配，進行保存。裝配模型如圖4。

圖4 某型號柴油機曲柄連桿機構(gòu)實體建模

3 基于ICIDO虛擬現(xiàn)實與人機交互的裝配

3.1 在ICIDO虛擬現(xiàn)實的裝配場景介紹

ICIDO中的虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）的裝配通過手柄、3D視覺眼鏡、鼠標、鍵盤等外設(shè)與系統(tǒng)進行人機交互，如圖5手柄和3D視覺眼鏡，以場景漫游的方式從不同角度觀察零部件的組成結(jié)構(gòu)。通過穿戴設(shè)備控制虛擬模型在虛擬裝配實驗環(huán)境中移動，在虛擬裝配場景中實現(xiàn)對曲軸、連桿、活塞機構(gòu)的虛擬裝配，根據(jù)裝配要求，選擇相應的裝配零件和裝配工具進行裝配，在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用拆卸、安裝工具。同時，系統(tǒng)會出現(xiàn)正確或錯誤安裝提示信息來指導裝配操作。

圖5 手柄

圖6 3D視覺眼鏡

在實現(xiàn)上述要求，在虛擬裝配實驗環(huán)境中，利用手柄和3D視覺眼鏡，對曲軸、連桿、活塞機構(gòu)的進行虛擬裝配操作，如下圖7所示。

圖7 虛擬裝配操作

3.2 虛擬仿真工藝裝配性能及干涉

在工藝裝配中可視性、可達性、可操作性、舒適性在整個工藝裝配中起到關(guān)鍵作用，裝配零部件之間的干涉影響了整體的裝配質(zhì)量和裝配效率。通過ICIDO的人機工程界面，可實現(xiàn)對曲軸、連桿、活塞機構(gòu)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的裝配。

3.2.1 虛擬工藝裝配性能

（1）可視性

在虛擬裝配場景中，實現(xiàn)對曲軸、連桿、活塞機構(gòu)與機體裝配，通過人機工程界面預設(shè)值，測量出裝配的過程中雙眼可視范圍，在場景漫游的方式中，利用手柄和3D眼鏡觀察零部件的裝配后的可視視角和視距，避免了后期裝配返工重復操作等，如圖8所示。

圖9為虛擬裝配人員在圖8位置所觀察到視角，此界面可以判斷出在現(xiàn)實操作中的視覺工作區(qū)域，完成了現(xiàn)實模擬的裝配過程。

圖8 虛擬可視范圍

圖9 虛擬視角

（2）可達性

ICIDO人機工程界面可對虛擬裝配人員在現(xiàn)實裝配環(huán)境的操作范圍進行分析與判定，如圖10為左手與右手可達的操作范圍，圖11選中的黃色區(qū)域可通過拖動坐標球完成指定的操作動作。

圖10 雙手可達操作范圍

圖11 可達操作范圍

（3）操作性

對于曲柄連桿機構(gòu)的裝配，虛擬仿真分析了活塞和連桿可裝配的最遠端與曲軸工裝的可操作性。現(xiàn)實裝配人員的手臂可操作的范圍是影響該操作的主要因素，建議使用臂長較長或身材較高的工人完成該操作。在ICIDO的人機工程界面，可對虛擬裝配人員的身高、體重、性別等進行設(shè)定。通過選取虛擬裝配人員身體各部位，利用坐標球可對虛擬裝配人員進行控制，如圖12為指關(guān)節(jié)與手臂在虛擬裝配環(huán)境中的操作。

圖12 指關(guān)節(jié)與手臂控制

（4）舒適性

在現(xiàn)實曲軸、連桿、活塞機構(gòu)與機體裝配中，總會出現(xiàn)裝配人員無法實現(xiàn)直接裝配的區(qū)域，這嚴重影響了裝配質(zhì)量和裝配效率。在現(xiàn)實裝配前，可提前通過虛擬仿真裝配場景完成對曲軸、連桿、活塞機構(gòu)與機體的裝配。ICIDO中的虛擬現(xiàn)實模塊，利用人機工程界面中的虛擬裝配人員，對裝配時人身體的各關(guān)節(jié)疲勞程度進行約束。在虛擬裝配場景中，可提前設(shè)置裝配動作，如果在現(xiàn)實裝配中這一操作角度不合理或時間較長，則在虛擬裝配場景中體現(xiàn)出對應的疲勞點，如圖13所示為在此裝配動作下的疲勞指示，圖14中紅色部分（1）為持續(xù)工作后產(chǎn)生的嚴重疲勞，黃色為疲勞（2），淺綠色為相對疲勞（3），深綠色（4）為舒適。

圖13 疲勞裝配展示

圖14 工作疲勞展示圖

3.2.2 零部件裝配的干涉影響

ICIDO虛擬現(xiàn)實模塊通過利用虛擬裝配人員與零部件通過“attach”操作，可將曲軸、連桿、活塞機構(gòu)與人體關(guān)聯(lián)，在虛擬裝配場景中，虛擬裝配操作人員在對零部件進行裝配時，如果出現(xiàn)裝配干涉情況，則會在界面中通過“高亮色”顯示，如圖15所示，此操作避免了現(xiàn)實裝配過程中重復裝配，提高了整體的裝配效率和裝配質(zhì)量。

圖15 裝配干涉顯示

4 結(jié)語

利用NX三維模擬裝配與ICIDO可視化虛擬平臺軟件相結(jié)合，完成曲軸、連桿、活塞機構(gòu)的基礎(chǔ)虛擬裝配，解決了裝配周期長、裝配成本高、裝配質(zhì)量和裝配效益差等問題，為工藝準備提供了合理的工藝參數(shù)，也為現(xiàn)實裝配人員安全提供了保障，同時，減少了返工率和報廢量，不但提高了裝配本身的效益，而且后續(xù)機體的裝配與加工提供了可靠的技術(shù)支撐。