復(fù)雜構(gòu)件三維激光測量與仿真裝配集成應(yīng)用研究

高 瑞，馬 濤，邊 東，武榮國，張 磊，梁思文

(1.特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014032；2.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032)

測量仿真裝配技術(shù)對復(fù)雜產(chǎn)品的裝配問題有著其他技術(shù)無可替代的優(yōu)勢，尤其對產(chǎn)品可裝配性、可拆卸性、可維修性和裝配過程中的裝配精度、裝配性能等進行分析、預(yù)測和驗證[1-2]，并支持面向生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配工藝過程的動態(tài)仿真、規(guī)劃與優(yōu)化，從而有效減少產(chǎn)品研制過程中的實物試裝次數(shù)，提高產(chǎn)品裝配一次性成功率和裝配質(zhì)量。

國外航空制造企業(yè)，如波音、空客、洛克希德·馬丁等，其測量技術(shù)的應(yīng)用已由關(guān)鍵零部件的離線檢測發(fā)展到貫穿于制造和裝配的檢測過程控制和故障維護等全過程的在線自動化測量，測量依據(jù)也由二維圖樣發(fā)展為三維CAD模型[3-4]，而且國內(nèi)外都對虛擬裝配中人機交互、裝配建模、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑優(yōu)化、碰撞檢測、約束導(dǎo)航、可裝配性等進行了深入的研究[5-9]。然而，國內(nèi)對測量技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，缺乏對測量技術(shù)應(yīng)用的深入研究和系統(tǒng)分析[10]。

目前，虛擬裝配技術(shù)主要是基于理想幾何的裝配過程模擬，如何推動虛擬裝配技術(shù)進一步向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展，是虛擬裝配技術(shù)面臨的最大難題之一。對于數(shù)字化狀態(tài)條件下零部件裝配過程中的流程控制和數(shù)據(jù)集成方法還需要進一步研究，特別是對于大型復(fù)雜構(gòu)件這種數(shù)量多、精度要求高的零部件的裝配，需要一種集成多項先進數(shù)字化技術(shù)的技術(shù)體系來實現(xiàn)多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和控制。因此，大型復(fù)雜構(gòu)件工藝不能完全照搬航空航天的大部件裝配模式，而是要充分借鑒其數(shù)字化、自動化及裝配過程動態(tài)測量實時調(diào)整等先進技術(shù)，研究基于三維激光測量數(shù)據(jù)進行復(fù)雜構(gòu)件虛擬裝配，根據(jù)仿真結(jié)果給出的調(diào)整間隙值進行實物裝配，不再重復(fù)試裝，實現(xiàn)基于數(shù)字化的大型復(fù)雜構(gòu)件精準(zhǔn)裝配。

數(shù)字化裝配是制造業(yè)未來發(fā)展的必然之路，復(fù)雜構(gòu)件激光測量與裝配集成應(yīng)用在整體裝配系統(tǒng)中有著重要的輔助作用，研究并開發(fā)出一套完整的測量裝配系統(tǒng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸集成應(yīng)用是實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件數(shù)字化裝配的關(guān)鍵，對未來復(fù)雜構(gòu)件制造業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

1 測量仿真裝配系統(tǒng)概述

由于大型復(fù)雜構(gòu)件零件數(shù)量多、精度要求高，因此裝配難度大、過程復(fù)雜，傳統(tǒng)裝配過程采用裝配臺定位、劃線測量、人工調(diào)整，但是裝配周期長，不能很好地保證裝配質(zhì)量，因此不利于提高裝配效率。為適應(yīng)現(xiàn)代大型復(fù)雜構(gòu)件制造與裝配的要求，需要采用數(shù)字化測量仿真裝配系統(tǒng)集成應(yīng)用，通過實時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸與精確的裝配調(diào)整控制來實現(xiàn)數(shù)字化裝配過程。

針對數(shù)字化測量與仿真裝配系統(tǒng)集成技術(shù)進行研究與開發(fā)，其工作原理為將工裝夾具上的待裝配零部件通過非接觸測量獲取裝配結(jié)構(gòu)件信息，從多個位置跟蹤掃描測量一定數(shù)量的數(shù)字像片(架構(gòu)圖如圖1所示)，然后由計算機軟件自動處理(標(biāo)志點圖像中心自動定位、自動匹配、自動拼接和自動平差計算)得到結(jié)構(gòu)件三維模型數(shù)據(jù)，然后通信鏈接至虛擬仿真裝配系統(tǒng)中(仿真界面如圖2所示)，利用仿真裝配調(diào)整技術(shù)，按照復(fù)雜構(gòu)件裝配工藝進行預(yù)裝配，通過預(yù)裝配發(fā)現(xiàn)零件之間存在的裝配間隙或干涉情況，并在滿足最終裝配要求的前提下進行微調(diào)整，直至全部零件滿足裝配要求，確保在實際裝配前對裝配過程實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測，避免產(chǎn)生裝配間隙和干涉問題。

圖1 測量系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 虛擬仿真裝配界面

2 工藝流程

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，測量過程已融入到產(chǎn)品裝配過程中，實現(xiàn)全數(shù)字化的高精度、高效率裝配過程。測量與裝配的集成不是僅將測量環(huán)節(jié)與裝配操作簡單地組合在一起，而是涉及到產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、裝配、檢測等多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)整合與過程融合。圖3所示提出了測量與裝配集成的工藝流程，實現(xiàn)了裝配仿真、公差分析以及測量輔助裝配執(zhí)行各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)與過程集成。

圖3 工藝流程圖

針對復(fù)雜構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點和工藝裝配要求，首先通過非接觸測量獲取裝配結(jié)構(gòu)件信息，然后借助虛擬仿真技術(shù)，進行虛擬裝配仿真，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計缺陷和裝配工藝問題，優(yōu)化裝配工藝順序，改善結(jié)構(gòu)件裝配工藝性和可維護性，降低返工率，大力提升裝配質(zhì)量和效率。

3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件測量與仿真裝配集成應(yīng)用

通過測量系統(tǒng)與裝配仿真集成應(yīng)用(見圖4～圖6)，可以對裝配過程中復(fù)雜構(gòu)件的零部件進行自動掃描測量，然后通過集成仿真裝配系統(tǒng)接收掃描數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采集每個零件的點坐標(biāo)值，與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值進行對比，給出尺寸偏差，判定零件是否合格，合格之后進行各個零件進行模擬裝配，完成裝配間隙規(guī)劃，輸出優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)仿真分析報告得到裝配間隙要求，給出最佳裝配方案，減少裝配過程的重復(fù)調(diào)整過程。

圖4 測量與仿真系統(tǒng)集成接收掃描模型界面

圖5 對接收掃描模型建立裝配方案

圖6 虛擬仿真系統(tǒng)界面

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件測量與仿真裝配集成應(yīng)用，不僅是測量技術(shù)與仿真裝配過程的應(yīng)用，還包括測量數(shù)據(jù)、測量方法在產(chǎn)品設(shè)計、工藝以及裝配過程中的融合，實現(xiàn)裝配分析規(guī)劃過程與數(shù)字化測量、產(chǎn)品設(shè)計過程的并行協(xié)同，產(chǎn)品裝配階段實現(xiàn)裝配過程的可視化仿真和基于數(shù)據(jù)的可裝配性分析、高精度高效率的數(shù)字化測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)不再依賴產(chǎn)品實物，仿真系統(tǒng)可直接識別掃描數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)件裝配驗證分析，并出具裝配分析報告，指導(dǎo)現(xiàn)場裝配，同時也可對產(chǎn)品設(shè)計進行評價，獲取最優(yōu)的裝配模型。

4 結(jié)語

測量系統(tǒng)與虛擬裝配仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸是非常重要的，可以有效提高復(fù)雜構(gòu)件裝配效率與裝配質(zhì)量，只有通過有效的數(shù)據(jù)傳輸，并保證傳輸過程中數(shù)據(jù)的完整性，測量系統(tǒng)才能將測得的數(shù)據(jù)信息實時并準(zhǔn)確無誤地傳遞給虛擬裝配仿真系統(tǒng)，得出仿真調(diào)整分析報告，并可很好地指導(dǎo)現(xiàn)場實際裝配過程。從長遠意義上來看，不但節(jié)約了成本，而且提高了經(jīng)濟效益，逐步縮短了我國與國際先進水平的差距。