虛擬裝配在城軌車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用

劉廣 張龍 吳祖樂 閆昕

摘 要：對于城軌車輛的整體組裝，因結(jié)構(gòu)和裝配順序問題導(dǎo)致的干涉是造成城軌車輛制造資源的浪費；且對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)空間狹小區(qū)域，在設(shè)計初始階段判別是否有可操作性至關(guān)重要。由此引入虛擬裝配技術(shù)，虛擬裝配是以零部件的三維模型為基礎(chǔ)，可利用三維數(shù)據(jù)仿真裝配操作的全過程。在城軌車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計階段引入虛擬裝配技術(shù)，可提前發(fā)現(xiàn)裝配過程中的各類問題（裝配干涉、現(xiàn)場作業(yè)空間不足），有效避免因結(jié)構(gòu)和裝配順序問題導(dǎo)致的干涉和作業(yè)困難等問題，從而提升數(shù)字化裝配水平，優(yōu)化設(shè)計、工藝、縮短產(chǎn)品研制周期。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；虛擬裝配；城軌車輛

1引言

城軌車輛傳統(tǒng)設(shè)計流程如圖 1-1所示，設(shè)計結(jié)構(gòu)通過“結(jié)構(gòu)審核”進入制造現(xiàn)場，在制造過程中發(fā)現(xiàn)因結(jié)構(gòu)和裝配順序問題導(dǎo)致的干涉，以及作業(yè)空間狹小無法作業(yè)等問題，再反饋予以設(shè)計部門，通過“結(jié)構(gòu)變更”的方式優(yōu)化結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)三維輔助設(shè)計系統(tǒng)只是靜態(tài)分析模型內(nèi)組裝件的干涉情況，即只分析零件組裝完成的最終狀態(tài)是否有干涉，難以動態(tài)模擬各個零件從裝配前至裝配完成的整個組裝流程。城軌車輛結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，傳統(tǒng)“結(jié)構(gòu)審核”難以充分暴露結(jié)構(gòu)問題，大量的“問題反饋”和“結(jié)構(gòu)變更”造成城軌車輛制造資源的巨大浪費。由此，設(shè)計階段引入虛擬裝配技術(shù)，避免因結(jié)構(gòu)和裝配順序問題導(dǎo)致的干涉和作業(yè)困難等問題，對在城軌車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造至關(guān)重要。

2虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配是以零部件的三維實體模型為基礎(chǔ)，利用實體模型在計算機上仿真裝配操作的全過程，實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配規(guī)劃和評價，生成指導(dǎo)實際裝配現(xiàn)場的工藝文件。

2.1虛擬裝配的分類

1）以產(chǎn)品設(shè)計為中心的虛擬裝配

找出零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中不適合裝配或裝配性能不好的結(jié)構(gòu)特征并進行設(shè)計修改，最終保證所設(shè)計的產(chǎn)品從技術(shù)角度來講裝配是合理可行的，從經(jīng)濟角度來講應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品總成本，同時還必須兼顧人機工程等因素。

2）以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配

獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。分為系統(tǒng)級裝配規(guī)劃和作業(yè)級裝配規(guī)劃，前者是裝配生產(chǎn)的總體規(guī)劃，主要包括生產(chǎn)規(guī)模、資源分配、裝配車間布置、裝配生產(chǎn)線平衡等內(nèi)容；后者主要指裝配作業(yè)與過程規(guī)劃，主要包括裝配順序的規(guī)劃、裝配路徑的規(guī)劃、工藝路線的制定等內(nèi)容，客觀地反映產(chǎn)品裝配的真實過程。

2.2虛擬裝配技術(shù)的用途

應(yīng)用裝配仿真技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段消除潛在的裝配缺陷，評價車輛的裝配性，提前發(fā)現(xiàn)裝配過程中的各類問題，大幅提升數(shù)字化裝配工藝設(shè)計水平。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的逐步深入，裝配仿真技術(shù)已經(jīng)成為優(yōu)化工藝設(shè)計、縮短產(chǎn)品研制周期和降低成本的必要手段。

3虛擬裝配實現(xiàn)過程

3.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包括模型的建立和導(dǎo)入。通過三維輔助系統(tǒng)可導(dǎo)出對應(yīng)項目的模型數(shù)據(jù)，模型導(dǎo)入后應(yīng)根據(jù)裝配層次的需要對工程數(shù)據(jù)集中的零部件進行重組（如圖 3 1所示），對仿真環(huán)境中的模型進行靜態(tài)干涉檢查，確認(rèn)產(chǎn)品對象的初始狀態(tài)沒有任何干涉，并對它們的初始狀態(tài)進行記錄。

4裝配工藝過程分析與優(yōu)化

裝配過程仿真階段是指通過裝配路徑規(guī)劃，實現(xiàn)裝配工藝過程仿真，檢查裝配過程中產(chǎn)品零部件的動態(tài)干涉和碰撞情況，驗證裝配工藝的可行性。編輯移動零部件的運動路徑，并實時檢驗零部件在運動過程中是否與其他對象發(fā)生干涉或碰撞（如圖 4 1紅色箭頭指示為干涉區(qū)域），從而及時調(diào)整運動路徑。

根據(jù)裝配過程仿真中的驗證結(jié)果，對裝配過程中存在干涉情況進行分析，通過對裝配路徑的改進、工藝流程的重新設(shè)汁和調(diào)整，甚至對產(chǎn)品、資源進行設(shè)計改進，保證裝配過程無干涉、無碰撞，完成合理的裝配工藝過程。當(dāng)裝配工藝改進仍不能滿足要求時，需對產(chǎn)品設(shè)計的問題進行反饋與優(yōu)化，直到得到合理的裝配。

5人機工程分析

在安裝隔墻時，作業(yè)空間狹小，操作人員無法用扭矩板子緊固螺栓，如圖 5 1（a）所示。圖示人體模型由若干關(guān)節(jié)組成，各個關(guān)節(jié)的操作舒適度會以顏色實時顯示，其中紅色代表是疲勞狀態(tài)，綠色表示舒適；當(dāng)前結(jié)構(gòu)使員工處于疲勞狀態(tài)。對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化（隔墻增加禁固孔）后，如圖 5-1（b）所示，操作員工的疲勞狀態(tài)已消除。

6總結(jié)

虛擬裝配以零部件的三維實體模型為基礎(chǔ)，仿真裝配操作的全過程，可提前發(fā)現(xiàn)裝配過程中的干涉以及操作空間狹窄作業(yè)困難的問題；可進行人機工程分析，降低操作人員的作業(yè)強度；可節(jié)約由大量“問題反饋”和“結(jié)構(gòu)變更”造成城軌車輛制造資源的浪費，降低試制成本、縮短周期；設(shè)計階段引入虛擬裝配技術(shù)，對城軌車輛的制造有一定的指導(dǎo)意義。

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