線纜裝配可視化虛擬仿真標(biāo)準(zhǔn)化流程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉蘇 胡曉婭 張博

(首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076)

近年來，隨著航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造裝配需求以及計(jì)算機(jī)三維數(shù)字化工程、虛擬仿真技術(shù)的突飛猛進(jìn)，面向航天產(chǎn)品型號研制的虛擬裝配仿真技術(shù)已成為型號研制不可或缺的重要推進(jìn)力量。

隨著數(shù)字化制造的快速發(fā)展，越來越多的設(shè)計(jì)單位已經(jīng)從原始的基于二維圖樣設(shè)計(jì)過渡到全三維無紙化的設(shè)計(jì)手段中。為了進(jìn)一步縮短整個產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低實(shí)際制造風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)字化制造將不可避免的應(yīng)用到從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)到下廠制造的各個環(huán)節(jié)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員通過在線協(xié)同環(huán)境，采取關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)手段，可在相對較短的時間內(nèi)，完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，工藝人員就可提前介入，通過數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行可裝配性檢查等分析，從而給設(shè)計(jì)人員提供可靠的分析數(shù)據(jù)，結(jié)合工藝將某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題消滅在設(shè)計(jì)階段。同時將可視化虛擬裝配仿真流程固化，快速完成演示驗(yàn)證工作。

1 可視化虛擬裝配仿真應(yīng)用需求及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 需求分析

虛擬裝配基于產(chǎn)品信息模型和裝配資源模型，采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬顯示技術(shù)進(jìn)行模擬裝配，可驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作正確與否。

現(xiàn)有的產(chǎn)品裝配性設(shè)計(jì)，依然依賴工藝人員的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)物試裝進(jìn)行驗(yàn)證，裝配質(zhì)量很難實(shí)現(xiàn)預(yù)測與控制，并且多數(shù)產(chǎn)品存在裝配不可逆的問題。另外，由于缺乏前期裝配驗(yàn)證手段，導(dǎo)致產(chǎn)品裝配返工率高、裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致產(chǎn)品裝配周期延長，制約產(chǎn)品制造能力的提升。利用裝配仿真手段，提前介入產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品裝配能力顯得尤為重要。

可視化虛擬裝配仿真技術(shù)是以工程數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型為基礎(chǔ)，以沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示可交互操作的產(chǎn)品裝配制造過程，充分利用包括產(chǎn)品、工藝裝備在內(nèi)的數(shù)字樣機(jī)三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維基礎(chǔ)上的工藝規(guī)劃，并對產(chǎn)品的裝配過程、規(guī)劃、生產(chǎn)環(huán)境布局進(jìn)行模擬并驗(yàn)證?？梢暬摂M裝配仿真技術(shù)是虛擬制造體系中重要的組成部分，其應(yīng)用范圍涵蓋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、分析試驗(yàn)、加工、裝配、產(chǎn)品后期維護(hù)維修等產(chǎn)品全生命周期的各個階段。

裝配仿真技術(shù)的虛擬可視化可通過對產(chǎn)品、資源及環(huán)境接近真實(shí)的模擬，形成一個高度仿真的可視化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)、工藝方案遺漏，避免不必要的返工及人工、物料等資源的浪費(fèi)。幫助設(shè)計(jì)人員、工藝人員更全面直觀的了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配工藝過程。同時，可將產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)前置，提高設(shè)計(jì)的有效性。

1.2 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，尤其以德、美企業(yè)為代表的很多工業(yè)企業(yè)，對生產(chǎn)工藝布局的仿真已開展多年，擁有較為成熟的解決方案。我國的可視化虛擬裝配仿真技術(shù)研究起步較晚，但是在航空、船舶及各大汽車制造業(yè)已開展應(yīng)用可視化的虛擬裝配仿真技術(shù)對產(chǎn)品裝配生產(chǎn)進(jìn)行布局仿真研究，對產(chǎn)品工藝流程、操作人員行走路徑等進(jìn)行驗(yàn)證、評估和優(yōu)化。通過建立虛擬的環(huán)境、廠房布局以及交互式的虛擬仿真系統(tǒng)，將產(chǎn)品的裝配過程與生產(chǎn)現(xiàn)場的布局結(jié)合起來，采用沉浸式的體驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)完全真實(shí)、全面的感知仿真過程，從而快速、準(zhǔn)確、全面地理解產(chǎn)品裝配要點(diǎn)及工藝資源使用情況。

2 線纜裝配工藝規(guī)劃

虛擬裝配工藝規(guī)劃，就是按照實(shí)際裝配過程中的設(shè)計(jì)、工藝要求，確定產(chǎn)品的裝配序列以及裝配路徑。首先按照工藝要求及仿真過程需求，梳理仿真時產(chǎn)品裝配的主要流程，并對產(chǎn)品裝配過程中所需要的廠房、設(shè)備、工裝、工具等資源環(huán)境以及各資源的布局予以確定，便于真實(shí)地展現(xiàn)裝配仿真流程的分析與優(yōu)化，有效指導(dǎo)裝配過程。線纜裝配工藝規(guī)劃步驟如下。

首先，將通過DELMIA軟件建立的廠房、設(shè)備、產(chǎn)品等模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行渲染和輕量化處理，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)、材料等屬性設(shè)置模型的幾何信息可增加模型的真實(shí)度。

其次，對產(chǎn)品中設(shè)計(jì)的柔性管線的固定卡頭位置、移動路徑和最小彎曲半徑等進(jìn)行設(shè)置，這樣在仿真過程中可根據(jù)產(chǎn)品移動的情況實(shí)時分析計(jì)算，并通過不同的顏色反饋其管線狀態(tài)。

隨后，在裝配仿真的過程中，如遇到干涉情況，可使運(yùn)動部件自動避讓環(huán)境中其他諸多模型，智能計(jì)算其可通過的方式，并結(jié)合實(shí)時人機(jī)交互，驗(yàn)證其是否可順利通過。

最后，通過設(shè)置人體模型的身高、性別、年齡、體態(tài)，可得到人體在裝配操作過程中的操作范圍和視野范圍，實(shí)時地顯示出操作過程中人體的工作狀態(tài)。線纜布線效果如圖1所示。

圖1 線纜布線效果展示

3 線纜裝配仿真過程演示驗(yàn)證

線纜產(chǎn)品的連接裝配是型號產(chǎn)品總裝測試過程中非常重要的環(huán)節(jié)，任何一個線纜的插接失效都會影響航天系統(tǒng)工程的成敗，對線纜的裝配仿真過程進(jìn)行演示驗(yàn)證尤為重要。

影響線纜插接可靠性的主要原因：①插接方法，即是否在充足的空間下進(jìn)行正確連接；②外界因素，即線纜質(zhì)量及多余物防控。

裝配仿真過程的演示驗(yàn)證主要用于排查：①裝配空間是否滿足操作人員及工具使用；②線纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其長度和型號規(guī)格能夠正確進(jìn)行操作，排除易錯風(fēng)險(xiǎn)；③連接后是否可以進(jìn)行人工檢查，是否存在檢查盲區(qū)，而對連接情況造成漏檢等問題。

3.1 包裝箱吊裝流程演示

將需要安裝的線纜包裝箱吊運(yùn)到工位處，首選對現(xiàn)有包裝箱型號及物品進(jìn)行目視檢查。然后綁扎吊運(yùn)帶，將吊車移動至正確位置，采用專用吊掛對產(chǎn)品進(jìn)行起吊，起吊后控制吊車將包裝箱運(yùn)送至操作工位處，操作人員將產(chǎn)品取下，拆掉吊帶，吊車移開后，打開包裝箱進(jìn)行總裝工作。其吊裝仿真過程如圖2所示。

圖2 包裝箱吊裝

3.2 線纜插接流程演示

將線纜從包裝箱內(nèi)取出后，進(jìn)行清理及相關(guān)準(zhǔn)備工作。具體線纜裝配仿真流程如圖3所示。

圖3 線纜裝配仿真過程

操作人員對線纜進(jìn)行人工插接過程，插接時將手掌（含相關(guān)工具）伸入產(chǎn)品裝配區(qū)內(nèi)。線纜接頭分為兩端，首先進(jìn)行接頭1的連接，插接過程中應(yīng)避免與其他儀器設(shè)備碰撞造成線纜損傷，插接時避免歪斜，應(yīng)保持手臂進(jìn)入方向與插接處垂直進(jìn)入，同時注意在插接過程中不要引入多余物。接頭1插接完成后，進(jìn)行接頭2的插接工作，要求同上。

插接完成后，手臂伸出安裝區(qū)，人體站立姿勢下通過移動查看裝配區(qū)電纜插接情況。人眼的最小分辨視角為1′，而人眼的明視距離為25cm，由此人眼的最大分辨力約為0.1mm。最后確認(rèn)人工檢查是否會出現(xiàn)檢查盲區(qū)，是否對多余物和歪斜插接情況造成漏檢。

綜上所述，通過建立可視化虛擬裝配標(biāo)準(zhǔn)化仿真流程設(shè)計(jì)，可直接避免在裝配現(xiàn)場發(fā)生各種預(yù)料之外的問題。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時，開展初步工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段完成所有的工藝設(shè)計(jì)、裝配布局優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)及制造過程中的問題，實(shí)現(xiàn)全三維驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)流程。以達(dá)到真正的并行工程，在保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝合理性的前提下，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。此外，將可視化虛擬裝配仿真流程固化，最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化流程演示驗(yàn)證工作。