試論復雜機電產品中的柔性線纜裝配過程仿真技術

王麗梅

摘要 本文通過分析復雜機電產品中的柔性線纜在裝配仿真技術，提出仿真技術的完成方式和處理方案。首先分析了無向圖的數字化表達模型以及元素包含關系，以達到復雜線纜幾何、拓撲以及屬性信息的表達，為仿真技術提供基礎；其次改善層次鏈裝配模型，完成裝配操作、任務的保存和表達；最后構建線纜質點彈簧模型完成柔性形變的仿真。

關鍵詞 復雜機電；柔性線纜；仿真技術

1.前言

柔性線纜是信號能量的傳遞介質，目前廣泛運用于各類機電產品中，其質量水平將影響到機電產品的穩(wěn)定性能和可靠性。較為復雜的機電產品在安裝過程中不但包括有對剛性設備的裝置，還有對于柔性線纜的裝置。線纜的構造比較繁瑣，其柔性特點必須要和結構件交叉協(xié)調安裝，引起線纜裝調是目前復雜機電產品中的難題[1]。

伴隨著計算機網絡技術的不斷發(fā)展，數字化樣機逐漸使用在產品可維護分析、人機工效學分析、裝配工藝設置等安裝工作中。如今剛性裝配仿真技術、仿真軟件已經逐步成熟。剛性結構件與柔性線纜的裝配過程仿真逐漸受到工業(yè)界的關注，同時提出了裝配仿真的環(huán)境，在檢查剛性體和人機交叉前提下，使用質點-彈簧模型完成柔性線纜的仿真。復雜機電產品中線纜一般有較為繁雜的幾何狀態(tài)、拓撲結構以及其他屬性信息，其安裝時所涉及到的結構件和線纜交叉實施調整操作。

2.柔性線纜的過程仿真

三維產品數字樣機的建設，安裝仿真中采取的工夾具模型是在CAD的基礎上設置的，柔性線纜模型在安裝前經過人機互換或者別的途徑構建，同時定義其數據信息。數字樣機的設置主要有兩個方面：首先經過線纜的數字化呈現模型對線纜信息的保存和表示；其次是在數字化的基礎上形成線纜的可交互和可視化虛擬模型。

柔性線纜安裝過程中的仿真，用戶經過輸入設備操作三維環(huán)境中的結構件、工夾具以及線纜實施仿真。構建線纜的物理模型，按照線纜的數字化模型和虛擬模型收集器物理屬性、幾何形態(tài)信息以及操作輸入，計算變形形態(tài)，回饋給用戶。柔性線纜裝配的保存和顯示，可以運用裝配流程、過程動畫等的組成。

3.處理方案中的主要技術

3.1數字化建模

機電產品的數字化樣機一般以剛性部件CAD作為基礎，CAD系統(tǒng)中的模板設計可以表現為實體模型，此模型在幾何上體現出線纜布線的規(guī)劃，但不能夠完全表達線纜的柔性特點和安裝過程中的狀態(tài)[2]。完成對線纜結構建模以表現其具體的幾何狀態(tài)后，在三維環(huán)境中組成實體模型。復雜機電產品安裝仿真的運用中，數字化模型可以表現出線纜的信息，特別是對于線纜的柔性特點。線纜的安裝仿真只有幾何狀態(tài)的變化不會對結構產生改變，只需要更改模型中變形部分的幾何信息和位置信息，刷新虛擬模型，即可完成對模型的修改，纜線的其他信息都不需要改變。

3.2 改善的層次鏈安裝模型

對于復雜機電產品中的柔性線纜以及處理構建的安裝過程，層次鏈模型，完成了對仿真過程的保存和顯示。每個安裝任務有一個或者多個的安裝操作，記錄涉及到的任務類型和對象。操作對多個虛擬實體實施，敘述安裝操作動作，記錄關鍵點序列。經過詳細的裝配動作、對象，完成了安裝過程中的調整、拆卸以及柔性線纜的局部調整、總體操作等各種操作的表達，在操作層次和安裝任務層次完成了柔性線纜和結構部件的交叉安裝。通過安裝歷史數據信息可以完成對安裝過程的回放、重做、撤銷等[3]。

3.3 質點彈簧模型仿真

完成柔性線纜的安裝過程仿真應該構建相對應的物理模板，可以在每一時段保證真實的仿真線纜的變形。在運動學方式的基礎上完成對線纜的仿真，但運動學方法對于線纜的行為做了較大程度的簡改，只可以表現出總體的趨勢。此外柔性變形仿真的是在物理基礎上的模型構建，根據物理定律探究力與變形的相關性，構建柔性體的模板，可以更加真實的進行仿真。其中有限元的準確度很高，但其經濟成本也較高，不能夠運用在每一時期的交互體系中，質點彈簧模型簡捷方便，需要計算的數量較少，因此其普遍運用在柔性體變形的仿真中，主要有虛擬手術的組織仿真、織物仿真、柔性線纜仿真等等[4]。本文通過構建質點彈簧線纜模型，按照線纜安裝仿真中的特征增加長度改變約束，對其實施假設的簡易化，完成線纜在操作中的變形仿真。實際的線纜在安裝過程中的長度不變，質點彈簧模型不可以對線纜的定長進行仿真。一般情況下，對模型中的彈簧應該運用彈性系數較大的以控制其長度變化，爭取接近真實的仿真柔性線纜。但在實際的模型運用初始標準中可能會有對于某一質點位置的規(guī)定，這些規(guī)定的限制性，造成求解結果會產生總體的壓縮和拉伸，和實際的線纜變形偏差比較大。

4.結束語

復雜機電產品中的柔性線纜安裝以及調整是目前工程中的一大難題，本文經過構建元素包含關系以及無向圖的表現模型，生成了三維環(huán)境中的實體模型，完成了數字化樣機的線纜柔性表現。構建了完善的層次聯模板，保存和顯示復雜裝配過程。構建質點彈簧模板，適用于求解安裝操作的線纜變形。完成了三維環(huán)境中機電產品的仿真，能夠運用在產品可安裝性能的檢查和安裝步驟計劃。柔性線纜的變形和運動仿真技術中的重難點問題，構建準確、高效率的物理模型，解決線纜的交叉時的碰撞響應，也是今后研究的主要方向[6]。

參考文獻：

[1]尚煒，寧汝新，劉檢華，王志斌.復雜機電產品中的柔性線纜裝配過程仿真技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報.2012，08（06）：245-246.

[2]蔣超，吳波，李明宇，趙勇力，王小成.基于遺傳算法的產品裝配序列規(guī)劃研究[J].機械與電子.2012，07（04）：147-148.

[3]劉檢華，萬畢樂，孫剛，尚煒，劉佳順.線纜虛擬布線與敷設過程仿真技術[J].計算機集成制造系統(tǒng).2012，07（04）：356-357.

[4]劉檢華，趙濤，王春生，唐承統(tǒng).虛擬環(huán)境下的活動線纜物理特性建模與運動仿真技術[J].機械工程學報.2011，07（09）：160-161.

[5]王雪平，蔣增強，葛茂根，扈靜.裝配過程資源的CPN建模與仿真技術研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版）.2011，08（01）：249-250.

[6]萬峰，劉檢華，寧汝新，莊存波.面向復雜產品裝配過程的可視化生產調度技術[J].計算機集成制造系統(tǒng).2013，07（04）：269-270.