虛擬環(huán)境下的管路裝配仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 ?要：管路系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用非常廣泛，管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用非常重要，網(wǎng)絡(luò)布局具有數(shù)據(jù)繁瑣和復(fù)雜的特點(diǎn)，如果采用實(shí)際裝配的方式進(jìn)行研究和應(yīng)用工作量比較大，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為其提供了虛擬環(huán)境之下的管路模擬裝配方法，通過這種方法可以為管路裝配研究及應(yīng)用提供準(zhǔn)確的依據(jù)。本文根據(jù)現(xiàn)有研究資料結(jié)合自身在管路虛擬裝配當(dāng)中的一些經(jīng)驗(yàn)，在研究當(dāng)中針對管路虛擬裝配系統(tǒng)流程進(jìn)行了分析，介紹了傳統(tǒng)手工方法與計(jì)算機(jī)輔助方法之間的差異，在此基礎(chǔ)上闡述了虛擬裝配的基本流程，以及管路虛擬裝備中的一些關(guān)鍵技術(shù)，并針對管路系統(tǒng)信息管理提出了一些建議。通過研究，希望能夠?qū)苈诽摂M裝配提供一些幫助和啟示。

關(guān)鍵詞：管路系統(tǒng);虛擬裝配;應(yīng)用;仿真

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

管路系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，這種技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)非常廣泛，尤其是在機(jī)械制造等領(lǐng)域。管路系統(tǒng)以氣體或液體作為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的運(yùn)行控制等基本功能。管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否能夠滿足這些領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)需要，會對產(chǎn)品質(zhì)量及相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。管路裝配主要分為兩種形式，也就是手工裝配和虛擬裝配，前者是在計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)出現(xiàn)之前的一種裝配方式，這種行為方式需要實(shí)際動手裝配，確定管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，是否能夠滿足設(shè)計(jì)的需要，所以種管路裝配技術(shù)效率要求比較高，對研發(fā)及生產(chǎn)工作的制約非常明顯[1]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)出現(xiàn)以后，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行輔助管路裝配已經(jīng)成為一種趨勢，類似的研究成果也不斷增多，在推動管路虛擬裝配等方面發(fā)揮了非常重要的作用。

1 管路虛擬裝配系統(tǒng)流程分析

1.1 手工裝配與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析

傳統(tǒng)的手工方法管路裝配是指先設(shè)計(jì)管路連接原理圖，根據(jù)設(shè)計(jì)的原意圖由設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的安裝經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管路敷設(shè)，通過管路運(yùn)行來確定管路布局與設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。從其技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程來看，整個實(shí)現(xiàn)過程相對比較緩慢，實(shí)現(xiàn)過程中的影響因素比較多，管線裝配效率比較低，在裝配的過程中可能會出現(xiàn)大量的返工。計(jì)算機(jī)輔助管路設(shè)計(jì)裝配，是指在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和裝配工作當(dāng)中，使用計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配分析，其中CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及模擬裝配的關(guān)鍵。當(dāng)然，無論是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)還是模擬裝配都需要以管路連接原理圖為基礎(chǔ)進(jìn)行，而管路連接原理圖也可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改動和完善。當(dāng)然，單純的應(yīng)用CAD技術(shù)在實(shí)踐當(dāng)中也存在著很多缺陷，雖然可以進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)思路，但是采用的管路模型數(shù)據(jù)量比較大，在設(shè)計(jì)過程中的布局受局限性比較明顯，所以單純使用CAD軟件也無法滿足設(shè)計(jì)和虛擬裝備的要求。在這種情況下，計(jì)算機(jī)仿真軟件出現(xiàn)以后，通過計(jì)算機(jī)仿真軟件在CAD設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，這樣可以更加客觀全面地了解管路敷設(shè)的合理性。

1.2 管路虛擬裝配工作流程分析

管路虛擬裝配工作流程與人工裝配流程實(shí)際上是基本一致的，但是因?yàn)檫@兩種裝配方法所使用的裝配技術(shù)和工具不一樣，在裝配流程上略有差異。在虛擬環(huán)境搭建的前提和基礎(chǔ)上，技術(shù)人員需要借助于虛擬仿真系統(tǒng)以管路連接原理圖為基礎(chǔ)，將管路系統(tǒng)布局、裝配仿真和輸出工藝文件集合起來，形成一個科學(xué)完善的解決方案。當(dāng)然，在科技水平日益發(fā)達(dá)的今天，管路虛擬裝配工作都是在產(chǎn)品其他結(jié)構(gòu)零件裝配完成以后進(jìn)行的，而其他零件裝配完成以后，在模擬仿真當(dāng)中需要將其數(shù)字化和數(shù)據(jù)化，在此基礎(chǔ)上建立一個數(shù)字化模型，在給定的數(shù)字化模型條件之下再進(jìn)行管路的虛擬裝配，其涵蓋的流程比較多，包括導(dǎo)入基本零件模型并裝配、確定要布局的導(dǎo)管、計(jì)劃布局的導(dǎo)管位姿等流程，完成以后還需要進(jìn)行繼續(xù)布局，利用仿真軟件分析裝配結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，如果未能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，則需要對布局結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的修改和完善[2]。另外，如果最終完成布局，還需要將布局好的導(dǎo)管作為帶狀零件進(jìn)行裝配實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這些零件的可裝配性，在這一過程中可能出現(xiàn)無法裝配的部分，對于此部分還需要進(jìn)行重新布局設(shè)計(jì)，一直到管路虛擬裝配完全合格以后才能結(jié)束。

2 管路虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 建立管路系統(tǒng)數(shù)字化模型

要想實(shí)現(xiàn)管路虛擬裝配的目標(biāo)，關(guān)鍵是要建立管路系統(tǒng)數(shù)字化模型，通過數(shù)字化模型的建立為管路虛擬裝配仿真奠定良好的基礎(chǔ)。數(shù)字化模型的構(gòu)建主要包括管路附件的建模和導(dǎo)管的建模兩部分。在管路附件的建模當(dāng)中，一般使用CAD軟件根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行，然后使用專門的接口程序，將CAD文件轉(zhuǎn)化為sat文件，在導(dǎo)入到專門的仿真系統(tǒng)當(dāng)中即可。相對于管路附件的建模，導(dǎo)管的建模相對比較復(fù)雜，需要首先解導(dǎo)管的布局問題，在此基礎(chǔ)上生成導(dǎo)管幾何模型。具體的建立過程如下。第一，在建立導(dǎo)管結(jié)合模型的同時，還應(yīng)該包括導(dǎo)管的裝配信息、管理信息等內(nèi)容，從虛擬裝配的角度來講，導(dǎo)管模型的數(shù)據(jù)量越小，越容易實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的目標(biāo)，所以要盡量控制模型的數(shù)據(jù)量，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)交互布局的目標(biāo)，在這一過程中可以采用控制點(diǎn)和圓弧離合的方式來表達(dá)幾何模型，可以先屏蔽導(dǎo)管屬性等物理信息，這樣可以達(dá)到減少導(dǎo)管模型數(shù)據(jù)量的目的。第二，由于導(dǎo)管模型的橫截面相對不變，所以可以通過圓環(huán)面掃掠的方法來實(shí)現(xiàn)建模目標(biāo)，然后在虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中生成具體的導(dǎo)管模型。第三，在虛擬裝配當(dāng)中，導(dǎo)管的布局是確定形狀未知信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在布局的時候不需要使用具體的實(shí)體模型，只需要在虛擬仿真軟件當(dāng)中載入象征logo位置的等價(jià)實(shí)心多元主體的曲面模型即可，這樣可以極大的提高布局的效率，在確定空間位置以后，然后再導(dǎo)入實(shí)體模型，這樣工作的效率會大為提升。

2.2 管路布局方式

管路布局的關(guān)鍵是要建立一個與實(shí)際管路裝配非常類似的工作環(huán)境，在這一過程中要采用虛擬仿真方法構(gòu)建環(huán)境，需要將現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的環(huán)境載入到虛擬仿真系統(tǒng)當(dāng)中，然后在設(shè)定的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行管路布局操作，一直到管路布局達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。從實(shí)踐來看，實(shí)現(xiàn)這一過程基本上都是采用控制點(diǎn)和圓弧離合的導(dǎo)管建模方法，而管路布局設(shè)計(jì)主要是通過導(dǎo)管控制點(diǎn)的生成與布置來實(shí)現(xiàn)，在這一過程中成型的導(dǎo)管模型可以用P來表示，其具體的模型構(gòu)成為：

在上述公式當(dāng)中，P表示導(dǎo)管外徑，r表示默認(rèn)彎曲半徑，t表示導(dǎo)管壁厚。其中，導(dǎo)管的控制點(diǎn) 。 是具體的控制點(diǎn)?，F(xiàn)在所使用的虛擬仿真軟件多支持交互布局的功能，交互布局在于設(shè)計(jì)的便捷性，可以通過鼠標(biāo)拖動或者是鍵盤輸入的方式隨時隨地的改變高管的位置和形態(tài)，整個設(shè)計(jì)過程非常直觀，并且還能呈現(xiàn)立體化的效果。但是，使用虛擬仿真軟件進(jìn)行交互布局的過程中，還需要先確定初始位置，確定初始位置需要通過造型矩陣M1來確定，然后再輸入控制量的造型矩陣M2，最后再計(jì)算出控制點(diǎn)的造型矩陣M3。但是在具體設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，導(dǎo)管的布局不需要確定導(dǎo)管兩端連接的附件位置，因?yàn)樵谔摂M模擬的過程中可以通過改變導(dǎo)管位置的方式來進(jìn)行連接，所以在設(shè)計(jì)的過程中，只需要將其按照普通導(dǎo)管或者是懸置導(dǎo)管進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。普通導(dǎo)管布局設(shè)計(jì)，是建立在已經(jīng)確定兩端連接附件未知的前提之下，這種情況下實(shí)際上既然解決了兩端的連接問題，然后再對導(dǎo)管的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。懸置導(dǎo)管布局則是尚未確定連接附件位置的情況下所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，或者是只確定一端連接附件的位置。所以，在實(shí)際布局設(shè)計(jì)當(dāng)中不需要先確認(rèn)導(dǎo)管兩端連接附件的位置。

2.3 導(dǎo)管布局后置處理

在導(dǎo)管布局設(shè)計(jì)完成以后，還需要在虛擬環(huán)境下驗(yàn)證導(dǎo)管的可裝配性，這是導(dǎo)管系列裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)是否能夠成功直接決定了導(dǎo)管虛擬裝配目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹芏鄬?dǎo)管布局設(shè)計(jì)以后如果不進(jìn)行虛擬裝配，很可能會出現(xiàn)干涉而導(dǎo)致無法順利裝配的情況出現(xiàn)。在虛擬裝配的過程中，先要將布局好的導(dǎo)管以及尚未確定位姿的管路附件拆卸到工作臺上，然后在虛擬環(huán)境下，按照設(shè)計(jì)的裝配順序進(jìn)行裝配，如果順利裝配則說明管路布局相對比較合理，如果未能順利完成裝配，則需要借助于系統(tǒng)提供的反饋數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的原因，一般情況下都是布局不合理導(dǎo)致的，或者是導(dǎo)管位置設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致的，不管是哪一種原因，都要重新回到上一個工作流程當(dāng)中，繼續(xù)對管路布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到在虛擬環(huán)境下順利完成裝配即可。將完成好的導(dǎo)管裝配結(jié)果保存為sat文件，然后將該文件導(dǎo)入到虛擬環(huán)境當(dāng)中，此時需要記錄導(dǎo)管布局式的位置，一般情況下將其保存為XML以便于能夠隨時讀取。另外在該文件當(dāng)中還需要記錄與導(dǎo)管，虛擬裝備相關(guān)的其他信息，這些信息并沒有體現(xiàn)在裝配的虛擬環(huán)境進(jìn)行，包括材料、物理性能，傳輸?shù)牧黧w特性等等。

2.4 管路虛擬裝配過程仿真技術(shù)

管路布局只是解決了管路的連接功能及空間問題，對于實(shí)際裝配過程中可能發(fā)生的干涉問題并沒有解決，在裝配驗(yàn)證的過程中，可以發(fā)現(xiàn)是否存在干涉。但是，簡單的裝配驗(yàn)證可能存在一定的不足，在這種情況下，有必要在完成導(dǎo)管布局設(shè)計(jì)以后，對整個導(dǎo)管裝配過程進(jìn)行訪問。將導(dǎo)管零件文件導(dǎo)入系統(tǒng)以后，打開前面的XML文件，將其中記錄的導(dǎo)管位姿等相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行裝配操作。在這一過程中關(guān)鍵是要進(jìn)行碰撞干涉檢測，因?yàn)閷?dǎo)管的形狀是多種多樣的，不規(guī)則性導(dǎo)管在裝配的過程中可能會發(fā)生碰撞阻塞，導(dǎo)致流體在導(dǎo)管內(nèi)的運(yùn)行受阻。在具體的檢測當(dāng)中，一般使用基于包絡(luò)盒的方式進(jìn)行。在具體操作過程中，先根據(jù)導(dǎo)管位置數(shù)據(jù)使用虛擬仿真軟件，將其位移到待裝配位置附近，然后根據(jù)文件中記錄的位置約束和設(shè)計(jì)好的導(dǎo)管裝配程序完成裝配，在裝配過程中，如果發(fā)現(xiàn)了裝配干涉問題，以控制點(diǎn)的位置信息確認(rèn)問題位置及其對應(yīng)的導(dǎo)管，然后再對該導(dǎo)管的位置和形態(tài)形態(tài)進(jìn)行修改，這是一個反復(fù)進(jìn)行的過程，也是虛擬裝配過程中耗時可能比較長的一個環(huán)節(jié)，通過反復(fù)進(jìn)行才能確保導(dǎo)管在虛擬環(huán)境下順利完成裝配。完成裝配以后，需要完整的記錄管路附件零件裝配信息，并與管路信息同時記錄在報(bào)表文件當(dāng)中，最大程度確保報(bào)表文件的完整性。

2.5 管理虛擬裝配仿真系統(tǒng)的要求

伴隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，專門用于管路區(qū)域裝配的仿真系統(tǒng)越來越多，其中主要是以虛擬裝配系統(tǒng)為主。這種系統(tǒng)可以更好的滿足管路虛擬裝備的要求。在使用這種系統(tǒng)的過程中，一般情況下先要對管路系統(tǒng)布局和裝配模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，在最基礎(chǔ)上將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)體零件和管路附件零件，然后使用虛擬裝配系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布局操作即可，現(xiàn)在所使用的虛擬裝配系統(tǒng)的功能非常強(qiáng)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行自動布局，也可以通過控制點(diǎn)布局和導(dǎo)管多少布局等不同的布局方式，來解決導(dǎo)管布局的細(xì)節(jié)問題，完成布局設(shè)計(jì)以后還可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)管的驗(yàn)證裝配，通過驗(yàn)證裝配后，還可以對整個管路系統(tǒng)的相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄?？梢钥闯稣麄€操作過程是非常便捷和強(qiáng)大的。另外，在系統(tǒng)開發(fā)當(dāng)中最好設(shè)計(jì)管路附件庫，因?yàn)楣苈犯郊话闶窍鄬Σ蛔兊?，雖然市場的管路附件型號有很多，但是在具體使用的過程中，尤其是在針對具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中所使用的附件實(shí)際上都在一個范圍之內(nèi)，建立管路附件庫以后，可以按照管路附件的種類及其數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到系統(tǒng)當(dāng)中即可，所以在整個管路虛擬裝配的過程中，只需要解決管路的布局及其連接，就可以基本上達(dá)到管路虛擬裝配的目標(biāo)。另外，在功能設(shè)計(jì)當(dāng)中既要支持導(dǎo)管的單個調(diào)整和修改，也可以支持同一類型導(dǎo)管的統(tǒng)一調(diào)整和修改。在整個虛擬裝配過程中所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)都可以記錄在XML文件當(dāng)中，文件可以直接用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以直接導(dǎo)出為生產(chǎn)文件報(bào)表，從而更好地支持企業(yè)的科研和生產(chǎn)。

3 管路虛擬裝配信息管理

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息管理主要解決管路虛擬裝配過程中所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息的保存問題。在保存的數(shù)據(jù)信息上主要包含管路附件零件以及布局完成的導(dǎo)管零件這兩種。保存的文件形式主要是以sat模型文件為主，具體包括sat模型文件、導(dǎo)管裝配信息和管路附件零件、導(dǎo)管，零件和基本相對位置等三個方面。布局信息的保存當(dāng)中，包括導(dǎo)管控制點(diǎn)位置、物理性質(zhì)、材料等都是保存在XML文件當(dāng)中的。其中，導(dǎo)管布局節(jié)點(diǎn)信息記錄非常關(guān)鍵，這是虛擬裝配過程中最重要的信息，在記錄的過程中既要詳細(xì)記錄導(dǎo)管的類型，在每種導(dǎo)管的類型中，還需要詳細(xì)記錄導(dǎo)管的外徑、壁厚、控制點(diǎn)數(shù)量、控制點(diǎn)坐標(biāo)、彎曲半徑等信息，在這些信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)虛擬裝配的結(jié)果記錄導(dǎo)管的布局懸置附件和鏈接關(guān)系信息，這些信息在生產(chǎn)的過程中只需要從XML中直接提取使用即可。

總之，導(dǎo)管的虛擬裝配是一個非常復(fù)雜的技術(shù)過程，在虛擬裝備的過程中要選擇合適的虛擬仿真軟件并加以運(yùn)用，同時要熟練的使用虛擬仿真軟件的各種功能，尤其是掌握可使用虛擬軟件當(dāng)中的管路布局和虛擬裝配的操作過程及其要點(diǎn)，在完成管路虛擬裝配的基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)及后續(xù)生產(chǎn)的要求保存好相關(guān)數(shù)據(jù)信息和資料，這樣才能在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管虛擬裝配目標(biāo)的前提之下，將虛擬裝配過程中所形成的各種數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

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收稿日期：2021-10-05

作者簡介：楊文龍（1983—），男，廣東普寧人，本科，工程師，研究方向：虛擬環(huán)境下的管路裝配。

Abstract： Pipeline system is widely used in industrial production. The design and application of pipeline system is very important. The network layout has the characteristics of cumbersome and complex data. If the actual assembly method is used for research and application， the workload is relatively large， and the rapid development of computer technology provides it with the pipeline simulation assembly method under the virtual environment， This method can provide an accurate basis for the research and application of pipeline assembly. According to the existing research data， combined with some experience in pipeline virtual assembly， this paper analyzes the process of pipeline virtual assembly system， introduces the differences between traditional manual methods and computer-aided methods， and expounds the basic process of virtual assembly and some key technologies in pipeline virtual equipment， Some suggestions for pipeline system information management are put forward. Through the research， we hope to provide some help and Enlightenment for pipeline virtual assembly.

Keywords： pipeline system; Virtual assembly; Application; simulation