基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究

□ 韋慶玥 □ 李 明 □ 詹高偉 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學(xué) 智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072

基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究

□ 韋慶玥 □ 李 明 □ 詹高偉 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學(xué) 智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072

提出一套基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配流程規(guī)范，解決目前普遍使用的僅基于CAD模型的虛擬裝配與實(shí)際裝配時(shí)存在的差異問(wèn)題，著重研究在整個(gè)擬實(shí)虛擬裝配流程規(guī)范中影響最終結(jié)果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以實(shí)際零部件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制定出一套具有指導(dǎo)性的調(diào)整及裝配規(guī)范。使裝配更加便捷，成本和精度之間達(dá)到一個(gè)最優(yōu)化。

尺寸工程 擬實(shí)裝配 鈑金件 測(cè)量規(guī)范

尺寸工程是一個(gè)系統(tǒng)的、新興工程領(lǐng)域，也是從各工程制造領(lǐng)域的傳統(tǒng)工作方法中提取出來(lái)用以規(guī)范化、系統(tǒng)化開(kāi)展此類(lèi)工作的全新系統(tǒng)，它以滿(mǎn)足客戶(hù)質(zhì)量需求為目標(biāo)。

汽車(chē)尺寸工程是以車(chē)身裝配尺寸精度為核心，從車(chē)身造型、結(jié)構(gòu)、工藝、制造、檢測(cè)和管理等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)車(chē)身尺寸與公差系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)產(chǎn)品功能要求，設(shè)計(jì)部門(mén)設(shè)計(jì)CAD模型，同時(shí)可以運(yùn)用虛擬裝配軟件進(jìn)行虛擬裝配，對(duì)尺寸及公差進(jìn)行調(diào)整，檢驗(yàn)裝配的可行性；生產(chǎn)部門(mén)根據(jù)GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing）要求生產(chǎn)零件；檢驗(yàn)部門(mén)對(duì)加工好的零件進(jìn)行單零件檢測(cè)及匹配階段的CUBING（車(chē)身主檢具又稱(chēng)為綜合檢具或者功能主模型 （Functional Master Model））檢測(cè)，結(jié)果進(jìn)行反饋，檢驗(yàn)合格后進(jìn)入裝配階段。在實(shí)際裝配時(shí)，人工進(jìn)行調(diào)整裝配，生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示，圖中虛線(xiàn)部分為具體操作內(nèi)容。

該過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品零件匹配檢測(cè)方法包括后期的CUBING及前期的虛擬裝配技術(shù)。CUBING是相對(duì)于車(chē)身設(shè)計(jì)數(shù)模，按1∶1比例制作的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的車(chē)身模型，可以說(shuō)是零偏差，是三維數(shù)模的真實(shí)再現(xiàn)，主要用于外覆蓋和內(nèi)外飾件的匹配和評(píng)價(jià)。高精度的CUBING制造及日常維護(hù)費(fèi)用很高，為了降低成本，企業(yè)普遍在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)提前檢查裝配情況。但是不論是CUBING或虛擬裝配，都是基于CAD理想數(shù)模進(jìn)行匹配，不能完全模擬整個(gè)車(chē)身在實(shí)際生產(chǎn)中的狀態(tài)，不能完全分析出車(chē)身偏差對(duì)零部件在車(chē)身狀態(tài)上的影響，這就導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工人仍然要根據(jù)實(shí)際零件情況長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和裝配，與此同時(shí)也容易造成對(duì)零件誤判，導(dǎo)致報(bào)廢，最終出現(xiàn)高成本、低效率的情況。

筆者針對(duì)以上情況提出了在理論分析的基礎(chǔ)上，形成基于具有代表性數(shù)據(jù)的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配過(guò)程規(guī)范，本規(guī)范不但實(shí)現(xiàn)CUBING及虛擬裝配的功能，同時(shí)規(guī)范中給出合理的零件調(diào)整方案及實(shí)際裝配操作調(diào)整方案，大大提高了零件裝配時(shí)的指導(dǎo)性作用，使現(xiàn)場(chǎng)裝配便捷快速，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)公差進(jìn)行優(yōu)化，大幅降低了產(chǎn)品成本。

1 基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配的研究

1.1 虛擬裝配的概念

虛擬裝配VA（Virtual Assembly）是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和研究，也就是應(yīng)用數(shù)字化對(duì)模型約束，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程，并允許用戶(hù)以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。

虛擬裝配技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)漸漸取得重要的地位，它已應(yīng)用到如：美國(guó)空軍F18戰(zhàn)斗機(jī)的改進(jìn)型，德國(guó)佛郎霍夫工業(yè)工程研究所研究的人造衛(wèi)星，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的用于裝配關(guān)系、裝配對(duì)象管理、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)等方面。

1.2 基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配概念

虛擬裝配雖然有成本低、數(shù)字化裝配便捷等優(yōu)點(diǎn)，并被眾多企業(yè)應(yīng)用，但是其裝配基礎(chǔ)還是處于CAD的理論數(shù)模下進(jìn)行，更偏重于設(shè)計(jì)階段的公差設(shè)計(jì)合理性的分析，對(duì)實(shí)際加工成形后的零件裝配幫助有限。筆者提出基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配概念，它選取具有代表性零件的數(shù)據(jù)且能夠真實(shí)反映零件裝配時(shí)的狀態(tài)，包括數(shù)據(jù)的提取狀態(tài)及方法、零件制造能力指數(shù)、制程準(zhǔn)確度、制程精密度等。在虛擬裝配分析過(guò)程中，型面等選擇也都成為規(guī)范的研究?jī)?nèi)容。

基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配過(guò)程形成的一條封閉、完整、不斷優(yōu)化的尺寸鏈，使數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。通過(guò)基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配，減少檢具的制造費(fèi)用，提高基于CAD虛擬裝配的預(yù)判準(zhǔn)確性，減少人工裝配的時(shí)間，大大降低了產(chǎn)品的成本，同時(shí)真正達(dá)到高效的裝配目的。數(shù)字?jǐn)M實(shí)裝配產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程如圖2所示，圖中虛線(xiàn)框表示加入擬實(shí)裝配階段。

▲圖1 汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)過(guò)程

▲圖2 數(shù)字?jǐn)M實(shí)裝配產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程

2 汽車(chē)鈑金件數(shù)字?jǐn)M實(shí)虛擬裝配分析

汽車(chē)的車(chē)身是由薄鋼板沖壓成側(cè)圍、底板、四門(mén)兩蓋等零件組成，通過(guò)焊接、安裝，將各個(gè)零件組裝成白車(chē)身，油漆車(chē)身，最后進(jìn)行總裝。

在此過(guò)程中必須對(duì)白車(chē)身的車(chē)身零件的安裝基準(zhǔn)、車(chē)身輪廓面、車(chē)身孔形進(jìn)行精度檢測(cè)?？偝珊螅捎诹慵谋旧碚`差、安裝誤差、安裝變形、裝配工藝等原因，往往造成裝配后零件與零件之間形成匹配誤差，這就涉及到車(chē)身總成精度：車(chē)身孔位、車(chē)身輪廓面、面差、間隙，如圖3所示。這些誤差影響了汽車(chē)外形造型、內(nèi)外飾的配合、工藝性，而這正是客戶(hù)對(duì)汽車(chē)滿(mǎn)意度評(píng)價(jià)中除了汽車(chē)的性能、油耗、安全外，最為關(guān)注的地方。

汽車(chē)制造是一個(gè)集成系統(tǒng)，由14 000～16 000個(gè)零部件組成，從零件的檢測(cè)到裝配完成，最終形成數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配規(guī)范，過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響到得出的裝配策略是否合理。本文以汽車(chē)鈑金件為例，分析了汽車(chē)鈑金件在數(shù)字?jǐn)M實(shí)虛擬裝配中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文基于汽車(chē)總成誤差分析，制訂出一套適用于汽車(chē)鈑金件的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配流程，包括三大部分：零件數(shù)據(jù)提取、單件車(chē)身零件的調(diào)整策略及規(guī)范、多零件擬實(shí)虛擬裝配調(diào)整策略及規(guī)范。分別對(duì)圖紙正確解讀，得到正確測(cè)量值的條件；根據(jù)不同狀態(tài)的單件零件進(jìn)行最合理的調(diào)整；最后進(jìn)行零件擬實(shí)裝配，最終制訂出裝配策略方案書(shū)。

▲圖3 汽車(chē)總成檢驗(yàn)圖

3 汽車(chē)鈑金件數(shù)字?jǐn)M實(shí)虛擬裝配流程關(guān)鍵因素

基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配最終制定的裝配方案書(shū)，能對(duì)實(shí)際裝配時(shí)起到正確的、有方向性的指導(dǎo)作用，達(dá)到降低成本、提高裝配效率的目的。擬實(shí)虛擬裝配的零件與實(shí)際裝配零件保持一致就是該規(guī)范流程中的基礎(chǔ)，也是重中之重。鈑金件數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配流程如圖4所示。

3.1 數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配檢驗(yàn)流程關(guān)鍵點(diǎn)分析

數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配流程的關(guān)鍵點(diǎn)之一是獲取零件的實(shí)際裝配狀態(tài)，它直接影響到最終的裝配方案。在車(chē)身測(cè)量的應(yīng)用中，由于工件本身的形狀復(fù)雜，且在一定程度上具有柔性特點(diǎn)、工況要求變化多樣、被測(cè)對(duì)象涵蓋常規(guī)形狀和曲面曲線(xiàn)、鈑金工件回彈、沖裁光亮帶窄且形狀誤差大等問(wèn)題，獲得穩(wěn)定的和實(shí)際裝配狀態(tài)一致的測(cè)量值難度大大提高。

3.2 數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配檢驗(yàn)流程數(shù)據(jù)提取規(guī)范

（1）工件檢測(cè)狀態(tài)規(guī)范。只有在實(shí)際工況下提取零件的數(shù)據(jù)才能夠正確地反映裝配時(shí)零件真實(shí)狀態(tài)，而鈑金件易變形的特性必須對(duì)裝夾方法提出一定的要求，即鈑金件裝夾后的狀態(tài)與實(shí)際裝配時(shí)一致。

（2）零件測(cè)量規(guī)范。對(duì)鈑金件測(cè)點(diǎn)的數(shù)量、分布及對(duì)特征擬合方法等設(shè)置，與特征提取后的結(jié)果有很大關(guān)系，因此，必須對(duì)零件點(diǎn)云提取方法、特征的擬合及基準(zhǔn)建立制訂規(guī)范。

（3）代表性數(shù)據(jù)。數(shù)字化擬實(shí)裝配是針對(duì)批量零件而非單獨(dú)零件，需要統(tǒng)計(jì)出具有代表性的零件信息，可以正確地進(jìn)行批量調(diào)整及修改。

3.3 單件車(chē)身零件的調(diào)整策略及規(guī)范

由于不同質(zhì)量狀態(tài)的鈑金件對(duì)后續(xù)的裝配工作會(huì)有不同的裝配方案，對(duì)單件車(chē)身鈑金件制定一套評(píng)價(jià)及調(diào)整階段規(guī)范。單件鈑金件在GD&T下進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)不合格鈑金件可進(jìn)行形面擬合調(diào)整、修改或部分零件暫時(shí)不作調(diào)整等多種方案。以上需要一定量的具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出分類(lèi)方法。

通過(guò)單件車(chē)身鈑金件的檢測(cè)，可對(duì)鈑金件進(jìn)行修正指導(dǎo)及裝配指導(dǎo)。在進(jìn)行檢測(cè)前，可用虛擬裝配軟件進(jìn)行公差分析，找出影響控制要求的關(guān)鍵因素，在評(píng)價(jià)中重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵因素。

3.4 多零件擬實(shí)裝配調(diào)整策略及規(guī)范

在實(shí)際的匹配問(wèn)題分析過(guò)程中，一個(gè)缺陷往往不只是某個(gè)零件單獨(dú)產(chǎn)生的，常與若干個(gè)零件有關(guān)，也有可能每個(gè)零件都不超差，但匹配到一起就會(huì)產(chǎn)生缺陷，這也就是偏差累計(jì)，多零件虛擬裝配調(diào)整階段就要解決這一問(wèn)題。該階段根據(jù)GD&T要求，進(jìn)行虛擬裝配，當(dāng)不合格時(shí)，選擇對(duì)形面的擬合分析來(lái)制訂調(diào)整及修改零件的策略是該階段的關(guān)鍵點(diǎn)，最后制訂出實(shí)際零件裝配調(diào)整方案。在該階段，通過(guò) VSA（Variation Simulation Analysis）軟件也可以從實(shí)際出發(fā)對(duì)產(chǎn)品的公差設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

基于產(chǎn)品的擬實(shí)虛擬裝配流程，更具針對(duì)性，更適用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝配的調(diào)整，從實(shí)際出發(fā)，事前發(fā)現(xiàn)及解決裝配中可能產(chǎn)生的誤差原因，使汽車(chē)在最后裝配階段更便捷，整個(gè)汽車(chē)制造效率提高，成本大大降低。對(duì)汽車(chē)鈑金件數(shù)字?jǐn)M實(shí)虛擬裝配流程的完善，需要大量的數(shù)據(jù)以形成一個(gè)有效的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)不同的零件進(jìn)行分類(lèi)，這也是今后的研究方向，同時(shí)數(shù)字?jǐn)M實(shí)裝配規(guī)范應(yīng)根據(jù)實(shí)際調(diào)整狀況，增加某些規(guī)范。

▲圖4 鈑金件數(shù)字化擬實(shí)虛擬裝配流程圖

4 結(jié)論

針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品，利用數(shù)字?jǐn)M實(shí)裝配技術(shù)可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，避免或減少物理模型的制作，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開(kāi)發(fā)，提高裝配質(zhì)量和效率，改善產(chǎn)品的售后服務(wù)。擬實(shí)裝配在航空航天、汽車(chē)、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其裝配工藝規(guī)劃具有重要的意義，受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注。

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1000-4998（2015）02-0080-04

2014年8月