可视化装配 篇1
21世纪以来,经济全球化的深入以及科学技术的发展,使得人类的生活方式发生了日新月异的变化,汽车已经逐渐成为一种日常消费品,走进千家万户。作为汽车核心部件之一的发动机,其质量和性能直接影响着整车的质量。然而,由于发动机装配过程资源繁多、工艺复杂等因素,装配过程数据呈现多源、异构、海量等特点,进而导致装配实时信息获取困难、生产过程不透明度增高、车间管理水平低等问题。因此,如何实现上层管理与车间底层作业之间的信息流通,进而增强对发动机装配过程的实时监控与管理,提高车间管理的透明化程度,已经成为发动机制造企业亟需解决的关键问题之一。
基于可视化的管理模式的出现,提供一种解决方法,并且受到越来越多的重视[1,2]。尹超等[3]研究了基于Flexsim的生产车间可视化动态监控系统,并详细地阐述了其体系结构、运行模式以及功能结构。孙伟等[4]开发了可视化仿真系统,验证了可视化技术对于管理制造系统的有效性。Senkuvien等[5]为了生产车间的管理更加透明化、实时化,提出了一种能实时监测和控制生产进度的可视化方法,提高了车间的管理水平。高扬等[6]提出了基于多维向量点的可视化监控技术,解决了车间实时监控能力差的问题。
在上述研究的基础上,本文分析了发动机装配过程的特点,构建了装配过程可视化监测与控制系统,并详细阐述了系统的体系架构、硬件架构、运行流程,最后通过应用实例,验证了系统的可行性和有效性。
1 发动机装配过程分析
装配作为发动机生产的最后一个环节,具有工艺复杂、装配资源种类繁多等特点,且装配过程会产生大量的过程质量数据,这些未经增值的多源异构生产数据以及复杂的装配环境使得企业在发动机装配过程管理方面存在诸多问题:
1)信息采集效率低。发动机装配线涵盖近百道工序,装配过程会产生大量繁杂、冗余的信息,而人工化、低自动化的采集方式大大降低了信息采集的时效性、准确性和全面性。
2)信息集成与共享程度低。装配过程数据和信息是离线的,造成了车间信息封闭而延迟,信息利用率很低。
3)装配过程透明度低。信息采集效率低、信息集成与共享程度低又增加了装配过程的不透明度,使得企业管理层不能够实时了解车间装配状态,提升了对装配过程的控制难度。
2 VMSE建模
结合发动机装配车间现状,本节对VMSE系统的体系架构、硬件架构和运行流程进行阐述。
1)VMSE体系架构。依据发动机装配过程需求,结合模块化设计思想,构建如图1所示的系统体系架构。其中,物理感知层主要由各类软件资源、硬件资源组成,数据采集层则是通过客户端或自动化设备实现对装配过程的实时感知,数据融合层则是对实时数据进行解析、处理以获取特定目标的数据,可视应用层将装配车间信息以直观、形象、可视的形式展示给管理层。
2)VMSE硬件架构。结合发动机装配车间布局以及功能需求,构建如图2所示的网络硬件架构。主要由执行层、管理层和应用层组成。执行层由装配过程的物理资源以及通讯网络构成。包括各类PLC、工控机、扫描枪等元器件以及基于工业以太网、DP总线的通讯网络。管理层主要包含信息发布终端、网络监控终端、数据检索终端、可视化控制终端等,对感知上传的实时信息监控、分析、处理,实时下发装配指令,指导装配过程。应用层主要实现各类数据存储与集成共享,通过构建不同的接口实现与ERP、MES等企业管理系统间的无缝对接,为不同类别的用户提供相对应的数据与功能服务,实现对装配过程的远程监控。
3)VMSE运行流程。平台的运行流程如图3所示。装配过程的数据变化通过采集终端实时采集并经以太网、互联网等通讯网络上传。数据融合模块通过特征提取、数据清洗、信息汇聚等手段对数据进行增值,增值后的数据以及实时采集的数据驱动平台更新资源状态,执行相对应的操作,并及时更新生产计划、物料消耗状况等数据。所有装配资源的状态变化以及装配过程的匹配策略通过可视化平台实时在车间LED、工位工控机、办公室电脑等终端形象化的展示,实现对装配过程的实时监控与指导。
3 VMCS应用实例
在上述研究的基础上,结合某企业发动机企业现状和功能需求,采用C/S(Client/Server)开发模式,应用Visual Studio 2010以及C#.NET可视化编程语言开发了系统原型。通过系统的实施和应用,实现了生产系统运行信息的动态采集,进而实现了对生产过程的实时、全方位监控,有效地提高了车间的生产效率和产品质量。此外,由于生产过程不透明造成的企业管理问题和部门间协作问题也得到了有效的改善。图4是系统部分运行界面。
4 结语
针对发动机装配过程透明度低、管理水平低等问题,本文构建了面向装配过程的可视化监控系统,并详细阐述系统的体系架构、硬件架构以及运行流程。通过实例应用,实现了对装配过程的实时、精确、全方位监控,提高了装配过程透明度与管理水平,进而验证了系统的有效性和可行性。
参考文献
[1]贺全兵.可视化技术的发展及应用[J].中国西部科技,2008,7(4):4-7.
[2]刘明周,王强,凌琳.基于实时信息驱动的生产车间运行驾驶舱研究及实现[J].计算机集成制造系统,2015,21(8):2052-2062.
[3]尹超,张飞,李孝斌,等.多品种小批量机加车间生产任务执行情况可视化动态监控系统[J].计算机集成制造系统,2013(1):46-54.
[4]孙伟,马辉,李小彭.面向制造系统的可视化仿真技术研究[J].组合机床与自动化加工技术,2008(9):92-96.
[5]SENKUVIENE I,JANKAUSKAS K,KVIETKAUSKAS H.Using manufacturing measurement visualization to improve performance[J].Mechanika,2014,20(1):99-107.
可视化装配 篇2
摘要：在SolidWorks平台下，以扭力限制器为例说明可视化虚拟装配技术的工程应用。首先通过自顶向下的虚拟装配、干涉检查，然后生成与PowerPoint相链接的装配动画，最终完成扭力限制器的可视化虚拟装配过程。不难看出，利用此技术不仅能够提高产品的设计质量及效率，而且可以实现产品装配工艺的可视化，为企业的无纸化办公提供技术参考。
关键词：虚拟装配扭力限制器动画设计SolidWorks
0 引言
传统产品的装配往往会由于设计不正确或装配过程不合理而导致产品的研发周期变长、研发成本增加，近些年随着计算机技术的快速发展，兴起了一个新的研究领域——可视化虚拟装配，它无需制造真实产品就可以在计算机上实现产品零部件装配的形象化、可视化，早期发现并解决实际装配中所出现的问题。本文以扭力限制器为例来说明可视化虚拟装配技术在机械产品设计开发中的具体应用。
1 虚拟装配技术
虚拟装配是在计算机上利用虚拟的实体模型进行仿真装配，分析产品的装配性能，确保产品顺利装配。实际上，虚拟装配技术融合了仿真技术、决策理论、制造技术等多种技术。
1.1设计流程 在机械产品设计开发中，可将虚拟装配技术的设计流程划分为如图1所示的几个过程。
1.1.1 建立初始模型。在机械产品设计研发过程中，初始主模型可作为虚拟装配的顶层基本骨架，其他零部件根据使用要求在装配环境下完成，从而实现产品自顶向下（top-down）装配设计。
1.1.2 划分装配层次。机械产品一般由具有层次关系的零部件相互组成系统，即：一个总装配体包含若干个零件和子装配体，如图2所示。
主模
型][虚拟装配
初始设计
阶段][有][静态干涉检查][无][详细
装配][动态干涉检查][无][设计
输出][有]
图1虚拟装配设计流程
图2虚拟装配设计层次划分
1.1.3 确立装配约束
为了表达装配关系，需建立配合约束，实际上就是装配零件上点、线、面之间的约束关系，常见的有：同轴、平行、垂直、面贴合等等。如：工程实际中轴与孔的配合，在虚拟装配中则采用面与面间的贴合和同轴约束来实现。有了装配约束，就能保证设计出的总装配体符合机械工程师的设计思路。
1.1.4 检查干涉。干涉检查是评价虚拟装配效果的有效手段，分静态和动态干涉两种。通过静态干涉检查可以发现设计的零部件结构是否合理，及时修改不合理的结构，确保零部件无干涉地装在一起；而动态干涉检查可以确保装配设计的正确性。
1.2 装配路径 当在某个平台（如SolidWorks、UG等）下进行虚拟装配操作时，可以利用路径数据生成装配爆炸视图；或利用路径库生产演示动画。
2 虚拟装配可视化
将生成的装配路径动画文件（avi、mp4等格式）链接到Powerpoint中，从而替代产品的装配工艺卡片，装配过程用动画来描述，形象、逼真、易懂。
3 工程应用实例研究
下面以在SolidWorks平台下完成扭力限制器的可视化装配过程为例。
3.1 组成零件分析。扭力限制器组成零件主要有：滚珠、连接法兰、移位法兰、碟形弹簧、调节螺母、轴套等，其三维实体如图3所示。
3.2 工作原理。扭力限制器的结构如图4所示，其工作原理为：在动力输出端的轴所受负载较小时，碟簧不压缩，滚珠不打滑，与主动及从动端的牙槽接触；当负载过大时，所需扭矩超过规定值，碟簧压缩，滚珠在弧形槽上打滑，与主动端脱离（从动轴转动停止，限制传动系统的扭矩），此时，移位法兰轴向移动，导致传感器限位开关关闭动力源。当过载消失后又恢复正常状态，这样既防止了机械损坏，又避免了停机所导致的损失。
3.3 虚拟装配
在SolidWorks平台下，根据扭力限制器功能要求及零件之间的关系，以轴套为初始主模型，通过装配约束管理，完成其总装图，如图5所示。
3.4 干涉检查
利用SolidWorks静态干涉检查工具可以发现装配体存在干涉的部位并及时修改，确定产品的可装配性。例如：若调节螺母和螺栓存在干涉，则干涉区域会在solidworks里高亮显示，如图6所示。产生干涉的原因可能是：①螺栓的规格选大了；②调节螺母上的孔径小了。经过修改后的模型经干涉分析不再存在干涉，如图7所示。
图6有干涉的扭力限制器
图7修改后的扭力限制器（无干涉）
动态干涉检查可以使用SolidWorks内置插件“COSMOS/motion”来实现，使零部件按约束条件运动，待运动结束，点“check interferences”，查看有无碰撞（干涉）发生。
3.5 爆炸视图的生成
装配完成后利用SolidWorks的爆炸技术将总装图拆分，如图8所示，详细查看各个零件。
图8扭力限制器爆炸视图
3.6 可视化装配动画的生成
为了真实再现产品的装配过程（装配工艺），可以利用“动画解除爆炸”（如图9所示）形象地描述扭力限制器的装配过程，动画截屏如图10所示。
图9“动画解除爆炸”窗口
图10扭力限制器装配动画截屏
将装配工艺动画文件与PowerPoint进行链接，单击
“总装动画”，即可查看扭力限制器的装配过程，形象易懂。
4 结语
在SolidWorks平台下，本文详细介绍了可视化虚拟装配技术在扭力限制器设计开发的应用，通过与传统设计方法的对比，可以看出基于可视化虚拟装配技术的设计方法不仅能够缩短研发周期、降低研发成本，而且还能实现产品装配的形象化、可视化，对提高企业产品市场竞争力、加快无纸化办公具有重要意义。
参考文献：
[1]Sankar Jayaram.Virtual assembly using virtual reality technique[J].Computer-Aided Design，1997，29(8):575-584.
[2]郑太雄.虚拟装配理论与方法研究[D].重庆：重庆大学，2003.
[3]夸克工作室.精通SolidWorks2000[M].北京：中国青年出版社，2001:130-162.
[4]念勇，张荣等.可视化装配工艺的制作[J].制造技术与机床， 2013(3):74-75.
[5]朱林，孔凡让等.虚拟装配技术在轴承座中的应用[J].农业机械学报，2006，37(10):165-168.
[6]闫勇刚，龚自坚等.虚拟装配技术在液力变矩器设计开发中的应用[J].集美大学学报(自然科学版)，2008，13(4):360-364.
作者简介：
许刚，男，硕士研究生，工程师，主要从事汽车产品优化设计。
可视化装配 篇3
基于MBD的三维数字化装配工艺设计技术是现代航空数字化制造中的一门新兴学科，也是未来飞机三维装配工艺设计的发展趋势。本文介绍了该技术主要通过对DELMIA、3DVIA Composer、CAPP等工艺设计、工艺仿真软件进行客户化定制和多系统集成应用，完成基于MBD三维产品模型的工艺分离面的划分、BOM重构、工艺仿真以及三维装配指令编制等工艺设计工作，并通过生产管理系统将已完成的工艺设计信息传递到生产现场实现可视化装配，打通了基于MBD的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。
MBD(Model-Based Definition)即基于模型的产品数字化定义，其特点是：产品设计不再发放传统的二维图纸，而是采用三维数字化模型作为飞机零件制造、部件装配的依据。传统的二维工艺设计模式已经不能适应全三维设计要求。随着现代计算机技术、网络技术、工艺设计软件技术的发展，以及协同平台的建立，为三维数字化装配工艺设计和并行工程奠定了基础。三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统
通过采用达索公司三维数字化装配工艺设计平台DELMIA及3DVIA Composer解决方案，构建“数字化装配工艺设计和仿真系统”及“生产现场可视化系统”。突破DELMIA二次开发及定制技术、3D制造过程仿真验证及优化技术、MBD技术、生产现场可视化技术、Windchill/DELMIA/EPCS/CAPP多系统集成技术等关键技术瓶颈，最终构建符合企业业务需求的“数字化装配工艺设计和仿真系统”及“生产现场可视化系统”。缩短飞机装配周期，提高装配质量，全面提升飞机的数字化制造能力。系统流程及集成架构如图1所示。
图1 系统流程及集成框架
系统流程及集成工作思路如下：
(1)Windchill企业数据管理系统是企业唯一合法的数据来源，管理着各种BOM信息。通过接口程序，把PBOM以XML的格式输出。
(2)通过在DELMIA DPE平台上二次开发技术，把XML格式的PBOM及产品三维数据模型调入DPE模块中进行工艺规划，并创建顶层MBOM。
(3)划分哪些工作需要在DELMIA中进行仿真验证，哪些不需要仿真验证，并将创建的顶层MBOM存到Windchill中。
(4)将需要仿真验证的装配件在DELMIA中进行详细的AO划分。
(5)在DELMIA DPM中进行装配仿真验证、人机工程仿真、资源仿真等工作。
(6)利用3DVIA Composer进行细节三维装配指令编制工作。
(7)进行DELMIA与CAPP的接口开发，使三维AO及配套表传入CAPP系统，并最终通过CAPP在Windchill进行流程审签。
(8)开发Windchill和ERP及MES的接口程序，把MBOM和AO信息传递给ERP及MES系统，实现车间现场装配可视化，指导实际生产工作。2 三维数字化装配工艺设计
三维数字化装配工艺设计是通过对飞机产品结构进行分析，在企业现有制造能力（设备、工艺技术能力、人力资源等）及产量要求的基础上，进行组件划分，制定装配流程，确定装配方案，并选择各装配环节所需要的制造资源。在三维数字化装配工艺设计系统中，工艺设计用树状结构表示，主要由产品结构树、工艺结构树、资源结构树3个分支构成，具体结构特征按企业需求进行工艺模板定制。基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计主要工作流程如图2所示。
图2 基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计流程
2.1 数据准备工作
在三维数字化装配工艺设计中所用的数据格式分为3种，CGR格式、CATIA V5模型、smgxml格式。其功能为：
CATIA V5模型：来源于产品设计部门，是工艺设计的依据和基础数据。
CCR格式模型：由CATIA V5模型转换而来，轻量化模型，用于大数据量模型的仿真及DPM环境下产品结构浏览。
smgxml格式模型：由CATIA V5模型转换而来，轻量化模型，用于在WKC中进行三维装配指令的三维视图编辑。smgxml格式模型转换界面如图3所示。
图3 smgxml格式模型转换界面
2.2 PBOM数据导入
将来自协同平台的XML格式的PBOM导入DELMIA的DPE中，PBOM中的零组件信息（工艺路线、批架次、工组件等）会通过程序自动关联CGR模型、CATIA V5模型、smgxml模型3种格式的数据。并导入产品模型的坐标位置信息。在DPE中构建全机或部件的PBOM结构树。数据导入流程如图4所示。
图4 PBOM数据导入 2.3 工艺分离面的划分
完成数据导人工作后，在DELMIA系统的MA(Manufacturing Assembly)中根据三维产品模型在三维数字化环境下进行全机、部组件工艺分离面的划分，结合PBOM结构树确定各工艺装配部件、组合件需要装配的组件及零件项目，构建工艺部件、组件模型结构。在MA中进行工艺分离面划分如图5所示。
图5 MA中进行工艺分离面划分
2.4 全机或部件装配工艺仿真
针对工艺分离面划分结果在DPM中进行全机及部件级工艺仿真，验证工艺分离面划分的合理性，并进行优化。
2.5 部件装配方案的设计
在工艺分离面划分优化的基础上，在DPE的PROCESS结构树上对各工艺部件进行装配流程设计，划分下一级组件装配单元，确定在各组件装配的零组件项目，构建顶层MBOM结构树，关联来自工艺部件的组件装配工艺模型。确定装配工艺基准和装配定位方法，并规划各组件之间的装配流程。
2.6 部、组件装配AO的确定
在部、组件划分的基础上，依据分配到部、组件项目的装配工艺模型在DPE的PROCESS结构树上进一步进行部、组件装配过程设计，确定各部、组件所属零组件的装配顺序，规划完成装配的AO项目，编制AO号，关联每本AO需要装配的零组件项目。
2.7 工装订货单的编制及工装设计
工艺部门依据工艺设计内容提出装配工装、夹具、刀具的订货技术要求。工装部门根据订货技术要求，设计装配型架、地面设备、专用工、刀、量具的三维数模。2.8 工装数据的导入
将来自于企业协同平台的工装等资源三维模型数据分别以CATIA V5模型和格式导入DELMIA系统，建立资源结构树，并分别关联到PROCESS工艺设计结构树上的部组件装配项目上。
2.9 详细工艺设计
在三维数字化环境下确定该装配工艺过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，进行AO下工步的详细设计，完成本装配过程的工步规划设计，并将产品零组件和工步关联。选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等一系列的制造资源，并将工装与工位关联。依据产品连接定义分配该过程所需要的标准件，形成用于指导生产的AO装配信息。
2.10 部、组件装配仿真
产品及资源三维模型在工步上关联后，依据AO内容及设计好的装配工艺流程，在DPM中通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧等操作进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并显示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。同时通过对产品装配和拆卸过程进行三维动态仿真，可以验证每个零件按工艺设计的装配顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的合理性。对于开敞性、可视性、可达性、可操作性较差的部位可以将标准人体的三维模型放人虚拟装配环境中进行人机工程仿真，模拟操作者的操作过程以便发现操作空间大小是否满足装配需要，操作者身体或肢体能否到达装配位置、是否看得见等问题。仿真结果通过仿真报告提交产品设计、工装设计等部门进行优化。
2.11 三维装配指令编制
通过部、组件装配仿寞，对产品、工装、AO内容及装配顺序等进行优化后，依据优化后的工艺设计结果进入DELMIA的WKC(Work Instruction Composer)中进行各工步三维可视化视图设计，将每个工步所要表达的工艺信息通过三维轻量化视图表达，包括标准件信息、装配尺寸标注、制孔要求、定位要求、工装使用要求，其形式如图6所示。
图6 WKC中三维可视化文件编制 现场可视化技术应用
3.1 现场可视化文件输出、管理
由于采用MBD技术以后，生产现场不再发放二维图纸，为了满足装配生产需要，中航工业陕飞采取了利用装配仿真视频、AO和三维工步视图指导现场装配作业的解决方案，具体方法是将在DPE中完成的部组件工艺规划、设计内容提取到CAPP中的AO模板中，包括AO内容页、辅材配套表、标准件配套表、零件配套表等文档信息，同时输出DPM中部组件的仿真视频和WKC中的三维工步视图，通过Windchill协同制造平台进行审签发放和管理。
3.2 现场可视化应用
通过装配现场可视化技术，使MBD技术在车间“落地”，它是将产品的装配仿真验证文件、三维工作指令以及工艺设计文件等工艺信息传递导入到企业的MES系统，发送到车间现场，操作人员通避现场触摸屏，在MES系统里查询产品工艺装配信息，可以直接查看三维装配指令及相关三维仿真，以更直观的方式了解产品的装配属性，理解产品的装配工艺和工艺流程，从而提高装配工作效率和准确性。
MBD技术现场具体应用过程是，首先运行MES系统，通过查询工位设备号，确认某个部件的装配工位，查看AO文件名称、文件号以及装配该部件的工艺装备，然后输入负责该部件装配工作的操作者证件号，进入该产品的具体生产信息界面，对应AO名称和文件号，查看产品的装配仿真验证动画，直观地全面了解产品的装配流程，查看三维工作指令，获取产品的定位、装配尺寸等装配信息，查看AO文件，获取产品的装配零件及详细工作内容，最终完成产品的装配，如图7所示。
图7 现场可视化 结论
通过基于MBD的三维数字化装配工艺设计及现场可视化技术应用研究及实施，打通了基于MBD的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。从实施情况看三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统在数字化制造中有以下优点：
(1)实现了产品设计、工艺设计、工装设计的并行工程，缩短了产品研制周期，减少了开发成本。
(2)通过装配过程三维仿真验证，及时发现了产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地保证了产品装配的质量。
(3)通过现场可视化系统的应用，三维装配仿真通过三维数据直观地显现了装配过程，使装配操作者更容易理解装配工艺，减少了装配过程中的反复和人为差错。
(4)使工艺研制更便捷、更直观，特别在新产品研制中，通过三维数字化装配工艺设计使得工艺方案的制定、技术决策更准确、便捷。
(5)通过多个系统的集成，使设计、工艺、生产的信息可以更方便被调用，数据流通更加畅通。
(6)为企业提供了承上启下的工艺设计平台，便于在此基础上进行创新开发，为企业的质量管理、生产管理等系统提供上游工艺信息。
应用中的不足之处：
(1)目前人机仿真操作比较繁琐。
(2)装配仿真时模型作为刚性件处理，无法模拟仿真零组件变形后的装配情况，主要反映在某些钣金零件的仿真以及部组件自重引起的变形调整的仿真。
(3)目前采用的现场可视化方案虽然解决了MBD技术的现场应用，但在现场应用中由于可视化终端设备相对固定，操作者在飞机内部或距离终端设备较远的部位操作时不方便，还需研究开发便携式可视化终端设备及其数据管理方式。5 结束语