機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真方法研究

張鑫，居里鍇，王云峰，周成

(南京理工大學(xué) a. 工程訓(xùn)練中心； b.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前，許多機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計階段就已運用到了裝配仿真技術(shù)，比如在車用空調(diào)的裝配過程中運用裝配仿真技術(shù)，可以極大地提高車用空調(diào)的裝配效率[1]。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的主減速器和差速器在運用虛擬裝配的技術(shù)后，裝配效率得到很大提高[2]。傳統(tǒng)的裝配仿真內(nèi)容往往不夠全面，本文對機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真過程進(jìn)行研究，探索出一套針對所有機(jī)械產(chǎn)品的通用裝配仿真方法。

1 機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真方法

1.1 仿真流程的建立

結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的特點，制定出機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真的一般流程，如圖1所示。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真一般流程

1.2 裝配仿真環(huán)境設(shè)置

裝配仿真環(huán)境設(shè)置包括：裝配仿真軟件的選擇、裝配流信息的建立、裝配模型的導(dǎo)入、操作者模型的建立、裝配工具模型的建立與導(dǎo)入、裝配空間模型的建立等。

1.3 裝配順序的制定與優(yōu)化

裝配順序的制定是根據(jù)裝配模型推理出無碰撞的裝配方向，進(jìn)而推理出幾何和物理可行的裝配順序。

在優(yōu)化裝配順序時主要考慮以下因素：子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、子裝配體的模塊性、裝配序列并行度等。

1.4 裝配路徑的制定與優(yōu)化

1) 裝配路徑的制定

在機(jī)械裝配過程中，每個零部件都是沿著初始的裝配軌跡運動到目標(biāo)位置，若移動過程中不和其他零部件發(fā)生碰撞，這樣的運動軌跡稱為該零部件的(可行)裝配路徑[3]。

2) 裝配路徑的優(yōu)化

裝配路徑生成后，需要從多個路徑解中選擇最優(yōu)路徑，一般選擇平滑的、最短的和成本最低的路徑等作為最優(yōu)路徑。

1.5 干涉與碰撞分析

產(chǎn)品裝配過程中產(chǎn)生干涉的原因主要包括：1)設(shè)計錯誤導(dǎo)致零件形狀、尺寸不合理，造成裝配干涉；2)裝配路徑規(guī)劃不合理導(dǎo)致裝配干涉；3)裝配順序協(xié)調(diào)規(guī)劃不合理導(dǎo)致裝配干涉。

1.6 人機(jī)功效分析

在裝配仿真中，利用人機(jī)工程技術(shù)，根據(jù)裝配仿真環(huán)境，通過對操作者模型的控制，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場裝配人員在裝配時的各種實際操作，并基于此進(jìn)行測試和分析，實現(xiàn)對已設(shè)計的裝配方案進(jìn)行人機(jī)工效評估，以便及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在裝配中可能遇到的問題[4]。

2 機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真實例

某二級齒輪減速器主要由上蓋、底座、低速軸、中速軸、高速軸、齒輪、鍵、軸承、軸承端蓋、隔套、擋油環(huán)等組成。根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系將減速器分為高速級裝配體、中速級裝配體、低速級裝配體、上殼裝配體和下殼裝配體。該二級齒輪減速器的裝配關(guān)系樹如圖2所示。使用Creo三維建模軟件根據(jù)某二級齒輪減速器零件的實際尺寸建立三維模型，如圖3所示。

圖2 二級齒輪減速器裝配關(guān)系樹

圖3 裝配結(jié)構(gòu)

2.1 仿真流程的建立

根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品裝配仿真的一般流程，制定出二級齒輪減速器的裝配仿真流程：

1) 進(jìn)行二級齒輪減速器裝配仿真環(huán)境的設(shè)置；

2) 進(jìn)行裝配順序的制定與優(yōu)化；

3) 進(jìn)行裝配路徑的制定與優(yōu)化；

4) 進(jìn)行干涉和碰撞分析；

5) 在不產(chǎn)生干涉與碰撞的前提下對二級齒輪減速器裝配過程進(jìn)行人機(jī)功效分析與優(yōu)化；

6) 輸出仿真結(jié)果；

7) 生成可視化三維裝配文件并撰寫實驗報告。

2.2 裝配仿真環(huán)境設(shè)置

利用Delmia軟件進(jìn)行二級齒輪減速器的裝配仿真研究。根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)在裝配流建造模塊(processlibrary)進(jìn)行裝配流信息的設(shè)置(由于選擇下殼體為基本裝配體，所以下殼體不寫入裝配流信息)；在裝配仿真模塊(DPM-assembly process simulation)將裝配模型、裝配工具模型、裝配空間模型、操作者模型分別導(dǎo)入對應(yīng)位置。裝配仿真環(huán)境設(shè)置過程如圖4所示。

圖4 裝配仿真環(huán)境設(shè)置

2.3 裝配順序的制定與優(yōu)化

1) 裝配順序的制定

在裝配仿真環(huán)境中，根據(jù)裝配模型推理出無碰撞裝配方向，確定合理的裝配單元裝配方向，制定出總裝配順序、高速級裝配順序、中速級裝配順序、低速級裝配順序和上殼裝配順序(軸承端蓋采用順序裝配方法)。

2) 裝配順序的優(yōu)化

采取并行裝配的優(yōu)化思路，保持高速級、中速級和低速級的裝配順序不變，將上殼裝配體中高速軸和低速軸中的兩個軸承端蓋采取并行裝配。提取出裝配時間分布情況，如圖5所示。

圖5 裝配順序優(yōu)化前后總裝配時間分布

兩種裝配類型下的裝配仿真時間對比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種裝配順序下的裝配時間對比

經(jīng)過并行優(yōu)化后的總裝配時間減少了10s，達(dá)到了裝配順序優(yōu)化的目的。

2.4 裝配路徑的制定與優(yōu)化

1) 裝配路徑的制定

通過選擇待裝配的零部件，給定裝配起點與終點，分析、判斷與其他零部件之間的位置關(guān)系，解出一條從裝配起點到裝配終點的無碰撞運動路徑。未優(yōu)化的裝配路徑如圖6所示。

圖6 未優(yōu)化的裝配路徑

2) 裝配路徑的優(yōu)化

采取最短路徑的裝配路徑優(yōu)化方法，在不引起干涉和碰撞的前提下，通過縮短路徑來優(yōu)化裝配路徑。優(yōu)化后的裝配路徑如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的裝配路徑

路徑未優(yōu)化和路徑優(yōu)化后的總裝配時間分布情況如圖8所示。兩種裝配路徑下的裝配時間對比如表2所示。

圖8 裝配路徑優(yōu)化前后總裝配時間分布

表2 兩種裝配路徑下的裝配時間對比

經(jīng)過路徑優(yōu)化后的總裝配時間減少了12s，達(dá)到了裝配路徑優(yōu)化的目的。

2.5 干涉與碰撞分析

將優(yōu)化后的裝配仿真模型進(jìn)行干涉與碰撞分析，如圖9所示。

2.6 人機(jī)功效分析

根據(jù)人機(jī)功效模型分析表明：1)裝配過程中所有零部件均處于極限姿勢下的操作范圍之內(nèi)。2)裝配操作空間能夠滿足人體作業(yè)需要。

3 結(jié)語

通過分析機(jī)械產(chǎn)品的特點，探索出一條針對機(jī)械產(chǎn)品的通用裝配仿真方法。以二級齒輪減速器為例，對該機(jī)械產(chǎn)品的裝配仿真方法進(jìn)行驗證，仿真結(jié)果表明：該裝配仿真方法具有可行性。通過仿真試驗分析，證明該方法具有系統(tǒng)性與高效性。運用此方法，可極大地提高仿真操作人員對機(jī)械產(chǎn)品的裝配仿真效率。

圖9 干涉與碰撞分析