塔機(jī)虛擬裝配的精度與規(guī)劃研究

馬雪恬

【摘 ?要】機(jī)械裝配是機(jī)械產(chǎn)品制造和生產(chǎn)工作的重要部分，在機(jī)械的生產(chǎn)過程中，裝配是占產(chǎn)品生產(chǎn)制造用時最長的工序。機(jī)械裝配的質(zhì)量在很大程度上影響著機(jī)械產(chǎn)品本身的質(zhì)量，因此，裝配工藝的科學(xué)性和規(guī)范性就顯得尤為重要。裝配工藝規(guī)劃是根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的裝配特點表現(xiàn)來進(jìn)行程序和技術(shù)上的規(guī)劃，使裝配更加高效，對實際的裝配生產(chǎn)起著重要的指導(dǎo)性作用。

【關(guān)鍵詞】塔式起重機(jī);虛擬平臺;規(guī)劃研究

1 引言

目前國內(nèi)針對復(fù)雜產(chǎn)品的裝配方法比較落后，針對非確定性多項式優(yōu)化的裝配工藝順序規(guī)劃研究，項目采用交互式評價方法與智能啟發(fā)式算法相結(jié)合的方法，在減少人為決策的前提下，綜合考慮了裝配的機(jī)械可行性、技術(shù)可行性、幾何可行性因素，運行計算生成復(fù)雜產(chǎn)品的最優(yōu)可行的裝配工藝順序。

2 搭建模型構(gòu)架

首先開發(fā)接口提取三維模型的裝配層次信息、配合約束信息及其幾何引用項信息，完成裝配意圖的捕捉、精確定位求解與裝配運動導(dǎo)航、動態(tài)約束的解除等，從而搭建出虛擬裝配平臺框架。然后在虛擬裝配的場景中，借助交互輔助技術(shù)，對產(chǎn)品零件進(jìn)行裝配，建立并優(yōu)化零件之間的裝配優(yōu)先關(guān)系，根據(jù)裝配優(yōu)先關(guān)系生成初始可行裝配序列，并使用粒子群改進(jìn)的遺傳算法對初始可行裝配序列計算出工藝最優(yōu)的裝配順序，最后根據(jù)計算出的最優(yōu)裝配順序在虛擬裝配環(huán)境中進(jìn)行仿真驗證，直至得到滿足工藝需求的最優(yōu)裝配順序。建立幾何精度的可視化模型以及精度信息與顏色值的映射關(guān)系，結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué)基于OpenGL技術(shù)能將最終裝配體的裝配公差以不同顏色可視化出來。

編程實現(xiàn)約束識別、碰撞檢測、約束解除、位置跟蹤、裝配確定等基本交互手段搭建虛擬平臺，進(jìn)而在機(jī)械研究院采棉機(jī)車間進(jìn)行考察，并根據(jù)各項裝配影響因子的權(quán)重制定適應(yīng)性函數(shù)，求解運行生成最優(yōu)的裝配順序。

3 虛擬平臺的二次開發(fā)

基于圖形系統(tǒng)OpenGL Performer的虛擬裝配平臺裝配層次信息、配合約束信息及其幾何引用項信息的讀取，精確定位、導(dǎo)航及基本交互功能的實現(xiàn)。采用交互式評價方法與智能啟發(fā)式算法相結(jié)合生成復(fù)雜產(chǎn)品的最優(yōu)可行的裝配工藝順序。借助虛擬環(huán)境相關(guān)渲染技術(shù)，實現(xiàn)了對幾何偏差或誤差值的相對幾何精度可視化，以及對公差等級的絕對幾何精度可視化。通過顏色的變化來表達(dá)幾何相對精度和絕對精度的高低，將現(xiàn)實世界中不可感知的幾何精度信息以直觀的方式顯示出來。

根據(jù)一級裝配單體案例分析出不同的裝配次序會產(chǎn)生不同的裝配公差，相反適當(dāng)?shù)难b配順序能減小，甚至吸收裝配公差。分析自動裝配序列規(guī)劃和交互式裝配序列的優(yōu)缺點，提出了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和智能優(yōu)化算法結(jié)合起來，提出了智能裝配順序推理和交互式裝配規(guī)劃評價相結(jié)合的新方法，其基本思想是：一方面利用智能優(yōu)化算法的智能性，充分發(fā)揮計算機(jī)的優(yōu)勢，直接推理出初始可行或接近較優(yōu)的裝配順序，從而對產(chǎn)品的裝配序列規(guī)劃過程進(jìn)行智能引導(dǎo)和優(yōu)化;另一方面利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的直觀性，充分發(fā)揮人的經(jīng)驗和智慧，實現(xiàn)人機(jī)交互式裝配規(guī)劃和仿真，從而對智能算法得到的初始優(yōu)化的裝配順序進(jìn)行進(jìn)一步分析、仿真、評價和優(yōu)化，直到得到產(chǎn)品的最佳裝配順序，實現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的智能裝配規(guī)劃與優(yōu)化。建立可視化模型與偏差約束幾何、幾何精度三維標(biāo)注模型之間的關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)可視化信息、產(chǎn)品幾何精度信息和產(chǎn)品幾何模型信息之間的傳遞與關(guān)聯(lián)。基于顏色幾何裝配精度可視化，關(guān)聯(lián)三維標(biāo)注模型，獲取可視化的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)標(biāo)注的點位和方向轉(zhuǎn)化獲得幾何精度可視化顏色條、文本框的點位、方向信息，進(jìn)而實現(xiàn)可視化信息的編輯和交互。相對幾何精度可視化包括特定幾何偏差或誤差值的可視化和公差域的可視化兩方面。特定幾何偏差與特定顏色進(jìn)行映射;公差域與顏色域進(jìn)行映射，在某偏差自由度方向用漸變顏色條表示。基于三維標(biāo)注模式，在標(biāo)注一側(cè)顯示顏色條;為了使顏色與數(shù)值的映射關(guān)系更為直觀，便于判斷偏差的偏離程度，對應(yīng)顏色條底端、中間和頂端顏色處標(biāo)明幾何的下限偏差值、中間偏差值和上限偏差值，并實時繪制標(biāo)志箭頭指示到當(dāng)前偏差值對應(yīng)的顏色位置。

4 機(jī)械裝配工藝規(guī)劃的關(guān)鍵點

4.1 裝配工藝規(guī)劃的層次化

機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且零部件的種類繁多，數(shù)量大，特別是重型機(jī)械產(chǎn)品，在重量和尺寸上都很大，裝配難度高。在進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃時，要對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行深入地分析，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、組織和功能進(jìn)行層次化地規(guī)劃，為產(chǎn)品裝配部門和工作人員提供詳細(xì)可靠的指導(dǎo)和參考。

4.2 BOM變換

在對機(jī)械產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃后，在實際裝配中很難避免會有一定的偏差存在，在對零部件進(jìn)行調(diào)整時，可能位置要有一定的變化。因此，在進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃時，要對零部件的變化進(jìn)行詳細(xì)地解釋說明，為裝配操作人員提供參考信息，便于裝配操作的順利進(jìn)行。

4.3 做好進(jìn)度計劃

機(jī)械產(chǎn)品在裝配時一定要按照規(guī)劃的順序進(jìn)行裝配，正確的裝配思路能夠有效地減少裝配中的重復(fù)操作，提高裝配效率，也避免零部件之間出現(xiàn)不良銜接。生產(chǎn)部門要根據(jù)裝配工藝規(guī)劃，結(jié)合實際裝配經(jīng)驗，對生產(chǎn)計劃進(jìn)行合理地掌控，把握時間節(jié)點，保證產(chǎn)品裝配的按時完成。

4.4 裝配工序的規(guī)劃

一個機(jī)械產(chǎn)品的裝配涉及到多方面的工序內(nèi)容，裝配信息會由多人提供，因此在對裝配工藝進(jìn)行描述時可能會有模糊不清的問題存在。在對裝配工序規(guī)劃時，盡可能地保障裝配說明的詳細(xì)性，對各個工序的安排、零部件的使用，裝配的順序、開工和完工的時間、各項工藝參數(shù)、裝配工裝的要求、裝配基準(zhǔn)等問題力爭詳細(xì)、具體、準(zhǔn)確，保證裝配工作的有序進(jìn)行。

5運行結(jié)果

最終搭建出一套人機(jī)交互的虛擬裝配平臺，研究出針對塔式起重機(jī)的最優(yōu)裝配工藝方法，求解生成最優(yōu)的裝配順序，并利用數(shù)據(jù)手套等外設(shè)順利完成對塔式起重機(jī)減速箱部件的虛擬裝配。本項目采用有效的集合約束實現(xiàn)精確定位、導(dǎo)航，基于虛擬現(xiàn)實提供的多通道感知環(huán)境和虛擬菜單、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等多種交互手段，對具有物理屬性的零部件直接進(jìn)行操作，開發(fā)實現(xiàn)基礎(chǔ)的虛擬裝配平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳波;基于VR技術(shù)的虛擬車間可視化系統(tǒng)研究倡陳波，孫文磊，崔權(quán)維，洪榮榮 [D];新疆大學(xué);2013年第9期

[2] 李維亮.淺談我國重型機(jī)械裝配工藝設(shè)計研究方法[J].黑龍江科技信息，2014（26）：21.

[3] 王峻峰，李健，李世其.面向裝配規(guī)劃的機(jī)械產(chǎn)品裝配工藝知識管理系統(tǒng)[J].機(jī)械制造與自動化，2014（6）：21-24.

[4] 張瑞，王春英，梁成嶺，等.工程機(jī)械裝配工藝現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].建筑機(jī)械，2010（3）：70-72.

（作者單位：陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司）