林巨廣，黃曉丹，任永強

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

裝配是產(chǎn)品制造的重要環(huán)節(jié)，其所占成本約為產(chǎn)品總成本的40%[1]。傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計主要使用計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)(CAPP)來完成，這種模式主要基于二維工程圖和文字描述[2]，缺陷是過于依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗，缺少直觀的產(chǎn)品表現(xiàn)形式，缺乏仿真驗證手段，容易出現(xiàn)裝配干涉、裝配順序不合理、路徑不夠優(yōu)化等問題[3]，在現(xiàn)代制造業(yè)競爭激烈的環(huán)境下，已很難滿足企業(yè)發(fā)展的需要。

伴隨著計算機技術(shù)的不斷成熟，虛擬裝配技術(shù)于20世紀(jì)90年代前中期開始出現(xiàn)，其無需物理樣機做支撐，只需在計算機中基于產(chǎn)品的數(shù)字化實體模型，分析和驗證產(chǎn)品的裝配性能及工藝過程，從而提高了產(chǎn)品的可裝配性[4]，大大縮短了裝配線的開發(fā)周期。因此，虛擬裝配取代傳統(tǒng)裝配設(shè)計是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

國內(nèi)外對此技術(shù)也展開了相關(guān)研究，例如美國華盛頓州立大學(xué)開發(fā)的VADE虛擬裝配系統(tǒng)，德國BMW建立的Virtual Process Week體系，日本開發(fā)的機械零件可裝配性驗證系統(tǒng)等。國內(nèi)于20世紀(jì)90年代后期開展虛擬裝配技術(shù)的研究，如清華大學(xué)的VASS虛擬裝配支持系統(tǒng)，西北工業(yè)大學(xué)基于Solidworks和CATIA開發(fā)的裝配仿真系統(tǒng)，等等[4-5]。由于發(fā)展時間較短，虛擬裝配技術(shù)尚未在國內(nèi)制造業(yè)普及。近年來我國提出了中國制造2025 ，三步走的第一步，邁入制造強國戰(zhàn)略，其中普及數(shù)字化制造是必不可少的一環(huán)，而虛擬裝配是數(shù)字化制造中的關(guān)鍵部分，值得我們進行深入研究。

Tecnomatix是西門子公司開發(fā)的數(shù)字化制造軟件平臺，是目前比較成熟的數(shù)字化制造平臺。本課題以汽車變速箱裝配線為例，基于Tecnomatix平臺，簡要探討了該軟件在虛擬裝配技術(shù)方面的應(yīng)用，以及變速箱靜態(tài)裝配和動態(tài)仿真方面關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，研究內(nèi)容對虛擬裝配技術(shù)在自動化裝配領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 理論基礎(chǔ)及技術(shù)路線

在虛擬空間中，對模型的操作主要為移動和旋轉(zhuǎn)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)為位姿變換技術(shù)。若以齊次坐標(biāo)法表示模型在三維空間中的位置，那么可以設(shè)其初始位置坐標(biāo)為(x0,y0,z0,1)，位姿變換后的坐標(biāo)為(x1,y1,z1,1)。其位姿變換[6]矩陣D4×4可以看成是由4個子矩陣組成，設(shè)D4×4為：

1.1 平移變換

設(shè)模型沿著x,y,z坐標(biāo)軸分別平移Dx,Dy,Dz后新位置的坐標(biāo)為(x1,y1,z1,1)，則此過程的平移變換矩陣為：

(x0+Dx,y0+Dy,z0+Dz,1)

1.2 旋轉(zhuǎn)變換

設(shè)模型繞x,y,z坐標(biāo)軸分別旋轉(zhuǎn)θ角后新位置坐標(biāo)為(x1,y1,z1,1)，則此過程的旋轉(zhuǎn)變換矩陣為：

(1)繞x軸旋轉(zhuǎn)

(x0,y0,cosθ-z0sinθ,y0sinθ+z0cosθ,1)

(2)繞y軸旋轉(zhuǎn)

(x0cosθ+z0sinθ,y0,-x0sinθ+z0cosθ,1)

(3)繞z軸旋轉(zhuǎn)

(x0cosθ-y0sinθ,x0sinθ+y0cosθ,z0,1)

1.3 技術(shù)路線

本課題從以下幾個方面進行相關(guān)研究：

(1)變速箱模型數(shù)據(jù)庫建立及虛擬裝配空間布局，運用Tecnomatix軟件對產(chǎn)品模型和裝配設(shè)備進行總體布局；

(2)變速箱裝配序列規(guī)劃，分析得出最優(yōu)的裝配序列；

(3)變速箱裝配路徑規(guī)劃；

(4)基于Tecnomatix軟件對變速箱裝配進行運動學(xué)仿真和干涉檢測。

2 變速箱虛擬裝配及運動學(xué)仿真

2.1 模型數(shù)據(jù)庫建立及虛擬空間布局

Tecnomatix分為PD(Process Designer規(guī)劃設(shè)計)和PS(Process Simulation規(guī)劃驗證)兩個部分。PD實現(xiàn)導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品樹、資源樹、操作樹，查看產(chǎn)品制造所需的所有工藝、設(shè)備工具、層次機構(gòu)和裝配關(guān)系，并可將整條生產(chǎn)線具體劃分到區(qū)間、工位，把任務(wù)分配給多人進行同時仿真的功能。PS利用PD中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進行三維可視化操作，搭建三維布局，完成對裝配路徑的分析、調(diào)整，對人機工程需求的分析評價，并進行仿真、干涉優(yōu)化等操作，最后輸出完整的工藝流程[2]。

產(chǎn)品建模是實現(xiàn)數(shù)字化裝配設(shè)計的基礎(chǔ)[7]，本課題選用Solidworks進行三維建模。Tecnomatix的優(yōu)勢在于仿真和干涉優(yōu)化，將Solidworks搭建的三維裝配模型轉(zhuǎn)換格式后，導(dǎo)入Tecnomatix中，運用其強大的運動規(guī)劃和仿真功能，可以實現(xiàn)用數(shù)字化手段驗證產(chǎn)品的工藝可行性，達(dá)到快速模擬實際裝配的目的[1]。

三維裝配模型通常由幾百個小模型組成，如圖1所示，文件過于龐大會導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取緩慢，所以格式的選擇尤其重要。Tecnomatix軟件采用的輕量化JT格式，最大特點就是數(shù)據(jù)輕量化，其文件大小僅相當(dāng)于傳統(tǒng)CAD格式文件的1%，但是卻包含裝配關(guān)系、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、幾何和物理屬性。目前Solidworks無法直接將三維模型文件轉(zhuǎn)為JT格式，所以借助西門子NX軟件作為中轉(zhuǎn)站，先在Solidworks中建模，把模型保存為STEP或X_T格式，將其導(dǎo)入NX中，轉(zhuǎn)為JT格式后，再導(dǎo)入Tecnomatix中。

圖1 變速箱三維模型

得到每個零件的JT格式后，將其單獨置于同名的cojt文件夾中，例如“變速箱殼體.jt”三維模型存放于“變速箱殼體.cojt”文件夾中。如此，建立變速箱裝配線的三維模型庫，如圖2所示，便于在PD和PS中調(diào)用。

圖2 變速箱裝配線三維模型庫

在PD環(huán)境下，新建項目New Project，然后在此項目的目錄下創(chuàng)建子項目，分別對應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)[8]，搭建完整的項目結(jié)構(gòu)。在Resources資源節(jié)點下，導(dǎo)入零件產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為零件定義類型，可以查看、修改零件的屬性，并通過拖拽的方式將產(chǎn)品樹、資源樹、操作樹進行關(guān)聯(lián)。對于需要進行仿真驗證的項目，在其名稱上點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Open with Process Simulate in Standard Mode”，進入到所選項目的PS規(guī)劃驗證模塊[9]。進入規(guī)劃驗證模塊后，首先需要根據(jù)Layout對三維模型進行整體布局，利用模型的顯/隱屬性來觀察產(chǎn)品和設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成，運用Placement Manipulator功能移動、調(diào)整零件結(jié)構(gòu)位置，將其重新組合成初始裝配結(jié)構(gòu)，完成三維布局，如圖3所示。

在Tecnomatix虛擬三維空間中，零件都是通過三維坐標(biāo)來定位，所以零件與零件之間不存在約束關(guān)系，可以通過平移、旋轉(zhuǎn)方便地進行調(diào)整，但同時也增加了裝配干涉的可能性，需要后期進行干涉檢查后進行微調(diào)。

圖3 三維裝配布局

2.2 裝配序列規(guī)劃

零件的裝配遵循“可拆即可裝”的原則，將產(chǎn)品模型在三維空間中進行拆卸，我們可以得到一個或幾個拆卸順序，選取最優(yōu)的一個，將拆卸順序倒過來，即“倒裝”，便可得到產(chǎn)品的裝配順序。根據(jù)“倒裝”的思路，可以規(guī)劃出變速箱的裝配序列。

以本文的變速箱裝配為例，通過將變速箱按從外到內(nèi)的順序拆卸，可以得到變速箱的一般結(jié)構(gòu)樹，如圖4所示。將拆卸順序倒過來，以從內(nèi)到外的順序安裝，即是變速箱的裝配序列。

圖4 變速箱結(jié)構(gòu)樹

2.3 裝配路徑規(guī)劃

得到變速箱的裝配序列后，為了使其能夠進行無干涉裝配，需要對每個零件進行路徑規(guī)劃。Tecnomatix提供了Path Editor和Sequence Editor兩種規(guī)劃方式。Path Editor通過在運動路徑上依次增加關(guān)鍵位置過渡點，使得零件沿指定路徑運動，通過拖拽或輸入精確數(shù)值的方式，調(diào)整零件移動或旋轉(zhuǎn)的距離或角度，并可以實時觀察零件是否與其他零件或設(shè)備產(chǎn)生干涉。Sequence Editor對具有固定運動方向的零件和設(shè)備，進行移動和旋轉(zhuǎn)設(shè)計，并賦予其運動節(jié)拍。通過Path Editor和Sequence Editor兩種方式規(guī)劃的裝配路徑，聯(lián)接并賦予父子級關(guān)系，即是變速箱整體的裝配路徑。下面分別闡述兩種路徑規(guī)劃方式的具體操作。

在Path Editor中，選擇Location點擊右鍵，增加過渡點，一個過渡點代表一個動作節(jié)點，為求設(shè)備動作平穩(wěn)，也為了避免可能存在的干涉，應(yīng)給設(shè)備添加一定數(shù)量的過渡點,每個過渡點互無約束，可以在空間中進行移動布局。在添加過渡點的同時，應(yīng)充分考慮到該點的可達(dá)性，以及沿過渡點運動過程中，零件是否會與其他零件或設(shè)備產(chǎn)生干涉，如發(fā)生干涉，需要重新調(diào)整過渡點位置。

在Sequence Editor中，不需要添加過渡點，只需對具有固定運動方向的零件和設(shè)備在Kinematics Editor中進行運動姿態(tài)設(shè)計，例如擰緊軸承板螺栓動作，分別設(shè)計擰緊軸推進和擰緊頭旋轉(zhuǎn)動作即可，在Sequence Editor中賦予擰緊軸設(shè)備運動時序，并在時序中添加螺栓和擰緊軸的Attach從屬關(guān)系，則擰緊軸在運動的同時便可帶動螺栓運動。在設(shè)計過程中，同樣也需要考慮運動可達(dá)性以及運動路徑中是否產(chǎn)生干涉。

將兩種方式規(guī)劃的路徑加載到操作樹，生成Gantt圖，如圖5，可顯示變速箱的裝配時序，并清晰地表達(dá)各構(gòu)件的父子級關(guān)系。且為了能夠方便觀看和發(fā)送文件，軟件自帶視頻錄制功能，可將變速箱虛擬裝配過程錄制成.avi格式視頻，下發(fā)工廠車間。這對于企業(yè)在制造物理樣機前，檢驗裝配工藝合理性、規(guī)劃預(yù)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[10]。

圖5 Gantt圖

2.4 運動學(xué)仿真及干涉檢測

變速箱是高精度裝配產(chǎn)品，在設(shè)計階段就應(yīng)保證各零部件完美配合，因此必須保證在虛擬裝配設(shè)計過程中各零部件能夠完美裝配，不可出現(xiàn)任何干涉情況的發(fā)生。Tecnomatix軟件具有強大的運動學(xué)仿真和干涉檢測功能。點擊Collision Viewer打開干涉檢查窗口，設(shè)置干涉的約束條件。以擰緊螺栓和定排銷工位為例，選擇設(shè)備上滑臺組件、止轉(zhuǎn)組件、擰緊軸組件A、擰緊軸組件B、油位管外螺栓擰緊組件、檢測滑臺組件以及變速箱殼體、后軸承板螺栓和定排銷，并且點擊Collision Mode OnOff激活干涉檢查模式，然后開始運行仿真。在仿真過程中，若檢測到干涉發(fā)生，發(fā)生干涉的組件會變成紅色并呈透視狀態(tài)。檢測結(jié)果顯示，干涉發(fā)生在三處，如圖6所示。

經(jīng)分析，判斷干涉是由于上滑臺組件沿空間Y軸方向下降距離過多，帶動三個子構(gòu)件(止轉(zhuǎn)組件、擰緊軸組件A、擰緊軸組件B)與配合零件發(fā)生干涉，干涉值為0.45mm。上滑臺組件為具有固定運動方向的設(shè)備，故只需打開上滑臺組件的Kinematics Editor運動編輯器，將零件沿Y軸方向的運動距離減小0.45mm，保存并重新運行仿真，顯示干涉消除。

1.止轉(zhuǎn)組件和變速箱殼體 2.擰緊軸組件A和后軸承板螺栓 3.擰緊軸組件B和定排銷圖6 干涉檢測

3 結(jié)束語

(1)通過NX建立變速箱輕量化模型數(shù)據(jù)庫，繼而基于Tecnomatix對變速箱虛擬裝配空間進行布局，設(shè)計者可以通過增加數(shù)據(jù)庫中的JT文件，向虛擬空間添加三維模型并搭建布局；

(2)依據(jù)“倒裝”思路尋找變速箱合理的裝配序列，逆向思維提高設(shè)計規(guī)劃效率；

(3)針對不同零件和設(shè)備，采用兩種不同方式對裝配路徑進行規(guī)劃，要求能使零件和設(shè)備的動作合理、平順、可達(dá)，路徑?jīng)Q定了裝配的可行性及裝配效率；

(4)運動學(xué)仿真及干涉檢測，能實時模擬真實裝配，及時快速地找出不合理設(shè)計并優(yōu)化；

(5)成熟的虛擬裝配技術(shù)可以做到在制作物理樣機前，預(yù)先運行裝配流程，優(yōu)化不可行的裝配環(huán)節(jié)，輸出合理的裝配方案，避免了在實際裝配過程中因設(shè)計漏洞而出現(xiàn)的產(chǎn)品錯裝、漏裝現(xiàn)象，這大大縮短了裝配線的開發(fā)周期，對于企業(yè)在產(chǎn)品裝配線的開發(fā)工作中，有很好的輔助應(yīng)用價值。