風(fēng)機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)革新方略研究

李琳

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這也為風(fēng)機(jī)裝配技術(shù)的數(shù)字化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，在此背景下，探討風(fēng)機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)的革新方略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了風(fēng)機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)的主要類(lèi)型，分析了風(fēng)機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)的重要工藝環(huán)節(jié)，并重點(diǎn)探討了基于工藝仿真技術(shù)的風(fēng)機(jī)數(shù)字化裝配的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī) 風(fēng)機(jī)裝配 數(shù)字化技術(shù) 工藝仿真 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：V262.4

Abstract： With the rapid development of computer technology， it is more and more widely used in various fields， which also provides a technical basis for the digitization of fan assembly technology. Under this background， it has important practical significance to discuss the innovation strategy of fan assembly digitization technology. This paper introduces the main types of digital technology of fan assembly， analyzes the important process of digital technology of fan assembly， and focuses on the innovative design scheme of digital assembly of fan based on process simulation technology.

Key Words： Fan; Fan assembly; Digital technology; Process simulation; Virtual reality

隨著數(shù)字化信息技術(shù)的不斷更新迭代，信息化、數(shù)字化、虛擬化的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這也為風(fēng)機(jī)裝配環(huán)節(jié)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1風(fēng)機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)概述

目前在風(fēng)機(jī)裝配中常見(jiàn)的數(shù)字化技術(shù)主要包括：數(shù)字化裝配即利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及相關(guān)工具，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、仿真模型構(gòu)建、可視化等手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)裝配的技術(shù)。通過(guò)收集、分析、整合風(fēng)機(jī)實(shí)體的零部件數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝配過(guò)程仿真。該項(xiàng)技術(shù)在操作真實(shí)性強(qiáng)、人機(jī)交互性上具有顯著優(yōu)勢(shì)。另外可通過(guò)穿戴現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)設(shè)備（頭盔等），使得虛擬的影響能夠顯現(xiàn)于真實(shí)的物理環(huán)境中。該項(xiàng)技術(shù)多用于較為煩瑣、零部件關(guān)系復(fù)雜的裝配工作中【1】。

2風(fēng)機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)的重要工藝環(huán)節(jié)

2.1裝配建模

風(fēng)機(jī)的裝配建模本質(zhì)上是對(duì)風(fēng)機(jī)各個(gè)零部件之間關(guān)系的可視化描述。裝配模型主要包括關(guān)系性模型、層次性模型與面向?qū)ο竽Ｐ?種。關(guān)系模型基于圖論法的建模原理，表達(dá)簡(jiǎn)單，但存在較多的冗余連接，從而在一定程度上增加了后續(xù)計(jì)算的難度;層次模型一般以樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，這種方式能夠更加直觀地表達(dá)各個(gè)零部件之間的層級(jí)關(guān)系與連接關(guān)系，是目前使用較為廣泛的一種建模方式。

2.2裝配規(guī)劃

風(fēng)機(jī)的裝配規(guī)劃包含裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃兩個(gè)部分。裝配序列規(guī)劃主要針對(duì)裝配序列的生成環(huán)節(jié)，旨在探索可將各個(gè)零部件整合為風(fēng)機(jī)成品且滿足各項(xiàng)限制條件（物力限制、工藝限制、裝配工具限制等）的裝配順序;而裝配路徑規(guī)劃則是裝配者完成建模和序列規(guī)劃后，應(yīng)用這些風(fēng)機(jī)裝配的數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行各種裝配路徑的分析，旨在得出最為科學(xué)合理的裝配路徑，為后續(xù)操作環(huán)節(jié)提供操作依據(jù)【2】。

2.3裝配評(píng)估

通過(guò)在裝配環(huán)節(jié)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，能夠模擬整個(gè)風(fēng)機(jī)裝配流程，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)成品的質(zhì)量評(píng)估，并測(cè)試各種不同的風(fēng)機(jī)裝配方案，但要實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)操作，應(yīng)當(dāng)首先制定合理的風(fēng)機(jī)裝配評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

在設(shè)置風(fēng)機(jī)的裝配質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，綜合考慮風(fēng)機(jī)自身性能與企業(yè)的實(shí)際情況。主要包括：人員配合情況、風(fēng)機(jī)裝配花費(fèi)時(shí)間、風(fēng)機(jī)裝配序列、人機(jī)工作效能、工作環(huán)境安全性、風(fēng)機(jī)各項(xiàng)尺寸數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、零部件處理方式等。通過(guò)在裝配過(guò)程中參照評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)風(fēng)機(jī)裝配流程進(jìn)行評(píng)估得出評(píng)估結(jié)果，對(duì)于進(jìn)行科學(xué)化、高效化風(fēng)機(jī)裝配具有積極的現(xiàn)實(shí)意義【3】。

2.4實(shí)時(shí)圖形處理

通過(guò)在風(fēng)機(jī)數(shù)字化裝配過(guò)程中使用實(shí)時(shí)圖形處理技術(shù)能夠有效降低整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的時(shí)間成本，大幅提升系統(tǒng)的工作效能。圖形處理技術(shù)主要分為硬件與軟件兩種處理方式。硬件上的圖形處理主要借助于高性能的圖形工作站實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用圖形工作站，能夠大幅提升大體量、高精度圖形的運(yùn)算處理速度，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)數(shù)字化裝配的實(shí)時(shí)性與高效性;軟件上的圖形處理主要借助實(shí)時(shí)圖形繪制算法、快速的圖形處理算法與分布式運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，使用該算法能夠有效提升圖形的處理速度與顯示速度。目前常用的工藝仿真軟件，如Process Simulation（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為PS）和Process Designer（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為PD）等，均采用這些算法，對(duì)于處理較為復(fù)雜的圖形具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.5干涉檢驗(yàn)

干涉檢驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)數(shù)字化裝配的有力保障，主要包括風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的干涉檢驗(yàn)與裝配規(guī)劃方案的干涉檢驗(yàn)，通過(guò)開(kāi)展干涉檢驗(yàn)?zāi)軌蛴行?yàn)證風(fēng)機(jī)的實(shí)際可裝配性以及風(fēng)機(jī)裝配過(guò)程中各個(gè)零部件之間、裝配工具與零部件之間是否存在碰撞等【4】。目前干涉檢驗(yàn)一般基于碰撞檢驗(yàn)算法與空間分割法，碰撞檢驗(yàn)算法可在呈離散分布的各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)存在干涉可能的物體進(jìn)行受力面、邊緣以及整體的檢驗(yàn);空間分割法則可大幅降低需要檢驗(yàn)的個(gè)體數(shù)量，而空間分割法主要包括k-d trees、Octrees、Sphere trees、BSP treesL等分割方法。

3風(fēng)機(jī)數(shù)字化裝配的創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要基于通過(guò)應(yīng)用NX與PS軟件，設(shè)計(jì)了一套能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的風(fēng)機(jī)裝配工藝仿真工作流程。在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)裝配的工藝仿真工作流程時(shí)，可按照以下的設(shè)計(jì)流程開(kāi)展工作，如圖1與所示。

3.1 通過(guò)NX構(gòu)建風(fēng)機(jī)3D模型

搭建風(fēng)機(jī)的3D模型是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)裝配VR系統(tǒng)的先決條件，模型的精準(zhǔn)度及各個(gè)零部件之間裝配關(guān)系的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響到后續(xù)各個(gè)環(huán)節(jié)的裝配質(zhì)量與整體功能的實(shí)現(xiàn)。而Unigraphics NX軟件作為世界上虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件的集大成者，功能完善，通過(guò)NX軟件搭建風(fēng)機(jī)3D模型，能夠直觀地、精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出零部件尺寸大小、各零部件之間的關(guān)系等重要信息，從而減少模型搭建的工程量，降低模型搭建的難度【5】。

裝配人員應(yīng)當(dāng)首先全面收集風(fēng)機(jī)整體及各個(gè)零部件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，從而明確風(fēng)機(jī)各個(gè)零部件的準(zhǔn)確尺寸、裝配關(guān)系、裝配順序等特征，然后在NX中輸入這些數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行風(fēng)機(jī)零部件模型的搭建。

在構(gòu)建風(fēng)機(jī)零部件的模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵照以下3點(diǎn)基本要求。

（1）確保滿足3D建模的基本質(zhì)量要求，滿足零部件模型的精準(zhǔn)度、與實(shí)體零部件的一致性以及模型的可編輯性。

（2）開(kāi)始構(gòu)建3D模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行全局性的思考，深入剖析不同零部件的特性，從而制定科學(xué)合理的模型搭建順序，選擇行之有效的模型搭建方法。一般而言，模型的搭建順序應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：先建立模型搭建的環(huán)境，明確搭建工作會(huì)用到的各項(xiàng)坐標(biāo)的位置，設(shè)定初始基準(zhǔn)，并根據(jù)不同零部件的具體特點(diǎn)，讓模型搭建的順序與零部件的加工順序相同。

（3）搭建模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)反復(fù)核查各個(gè)零部件的實(shí)際尺寸是否準(zhǔn)確、裝配關(guān)系是否正確，避免出現(xiàn)過(guò)大誤差，從而影響后續(xù)操作流程。

在完成各個(gè)零部件的3D模型搭建后，應(yīng)當(dāng)將各個(gè)零部件模型整合為一個(gè)完成的風(fēng)機(jī)虛擬成品。通過(guò)虛擬的風(fēng)機(jī)裝配過(guò)程，可以進(jìn)一步檢測(cè)風(fēng)機(jī)各個(gè)零部件的尺寸大小及裝配關(guān)系是否存在問(wèn)題。

3.2 通過(guò)PS中搭建風(fēng)機(jī)工作場(chǎng)景

通過(guò)PS中搭建風(fēng)機(jī)模擬工作場(chǎng)景，可以使得場(chǎng)景具有較高的真實(shí)性，并且能夠?yàn)椴僮髡咛峁┩耆杂傻牟僮鞣绞?。具體操作步驟如下：載入風(fēng)機(jī)模型→從PS中將載入場(chǎng)景→人員穿戴設(shè)備→工藝人員對(duì)場(chǎng)景分析、工具移動(dòng)、細(xì)節(jié)檢查及相關(guān)標(biāo)記等各項(xiàng)操作。

可通過(guò)PS各個(gè)命令面板的應(yīng)用及窗口操作庫(kù)中資源，或者外部直接進(jìn)行資源庫(kù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。首先要?jiǎng)?chuàng)建合適的背景，背景的創(chuàng)建一定要使風(fēng)機(jī)更加清晰明了，以便于更清楚明了地觀察整個(gè)風(fēng)機(jī)工作狀況。例如風(fēng)場(chǎng)吊裝，可導(dǎo)入草坪JT模型作為背景，在PS中布局草坪背景。特別是在風(fēng)機(jī)車(chē)間安裝的環(huán)境中，可導(dǎo)入CAD制作的車(chē)間Layout圖，然后根據(jù)布局圖，利用建模模塊進(jìn)行車(chē)間廠房整體的搭建，導(dǎo)入相關(guān)的車(chē)間行車(chē)、舉升車(chē)、叉車(chē)、工作平臺(tái)、各種基礎(chǔ)工具等，逐步完成設(shè)備資源的布局【6】。

針對(duì)車(chē)間行車(chē)、運(yùn)輸車(chē)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的資源設(shè)備，利用PS中機(jī)器人模塊，定義其為機(jī)器人，通過(guò)逆向運(yùn)算，生成各工序步驟POSE，完成相對(duì)工藝過(guò)程的設(shè)備動(dòng)作及物流操作。

3.3 架構(gòu)工藝仿真整體過(guò)程

將產(chǎn)品輕量化JT模型整體導(dǎo)入PS中，輸入前段工藝規(guī)劃及工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，根據(jù)分配好的組件、工裝工具、設(shè)備資源進(jìn)行工藝仿真動(dòng)作。通過(guò)干涉檢驗(yàn)（靜態(tài)干涉及動(dòng)態(tài)路徑干涉減壓）、物流操作、組合操作、人因工程學(xué)定義等不同模塊和一系列工作，完成相關(guān)工序的工藝仿真過(guò)程。通過(guò)應(yīng)用PS軟件，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件與裝配信息的有效關(guān)聯(lián)，并且當(dāng)風(fēng)機(jī)模型中的零部件進(jìn)行修改后，可自動(dòng)進(jìn)行整體模型數(shù)據(jù)的更新。在進(jìn)行風(fēng)機(jī)的虛擬裝配時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要，生成新的零部件或編輯、修改、刪除現(xiàn)有的零部件，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)裝配的靈活性與精確性。同時(shí)預(yù)裝配過(guò)程后，根據(jù)各項(xiàng)仿真報(bào)告模板，輸出工藝仿真整體報(bào)告。

在仿真序列過(guò)程中通過(guò)添加不同的視角，來(lái)進(jìn)行仿真過(guò)程視頻的輸出。

3.4 VR場(chǎng)景展示及體驗(yàn)

完成風(fēng)場(chǎng)模擬工作場(chǎng)景的搭建工作后，可通過(guò)PS執(zhí)行交互式渲染，可在顯卡性能較好的工作站中直接打開(kāi)進(jìn)行操作，操作者可實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)作進(jìn)行虛擬設(shè)備的操作與零部件的拆卸等操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的;除此之外，還可以通過(guò)穿戴VR動(dòng)作捕捉設(shè)備，直接將人體動(dòng)作通過(guò)算法導(dǎo)入PS中，補(bǔ)充建設(shè)人體動(dòng)作庫(kù)，從而進(jìn)一步提升了交互性。另外，所有的PS裝配過(guò)程都可導(dǎo)出形成生工作場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)視頻，用于嵌入工藝文件做說(shuō)明或相關(guān)培訓(xùn)【7】。

數(shù)字化風(fēng)機(jī)裝配是數(shù)字孿生最直接的應(yīng)用場(chǎng)景，工藝是整個(gè)設(shè)計(jì)到制造的核心樞紐，后端可連接MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，前端連接研發(fā)設(shè)計(jì)輸出，用模型指導(dǎo)生產(chǎn)，用數(shù)字化的生產(chǎn)過(guò)程完成正向及不斷迭代數(shù)據(jù)流，在實(shí)際生產(chǎn)前完成工藝驗(yàn)證、產(chǎn)品驗(yàn)證，節(jié)約降低制造成本，對(duì)于企業(yè)快速研發(fā)產(chǎn)品是非常有益的。

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