崔權(quán)維

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

0 引言

當今社會能源危機問題仍然是人們熱議的問題，石油仍然是一個國家的重要能源之一。

目前調(diào)徑變矩型節(jié)能抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場工況等一系列優(yōu)點的抽油機之一，在采油機械中占有舉足輕重的地位，一直倍受油田用戶的青睞。

對于節(jié)能抽油機的制造，一般的都需要在工廠把各個零部件加工完成進行裝配調(diào)試再經(jīng)過運輸?shù)浆F(xiàn)場再裝配調(diào)試，而協(xié)同裝配平臺可通過網(wǎng)絡(luò)不受地理限制，可將多個設(shè)計者的設(shè)計利用虛擬設(shè)計環(huán)境，在同一個虛擬場景對產(chǎn)品的各個部分進行裝配仿真，同時也可實現(xiàn)異地裝配指導(dǎo)，這樣大大減少了像節(jié)能抽油機這種復(fù)雜產(chǎn)品的裝配測試周期，進行異地培訓裝配人員［1］。

1 節(jié)能抽油機的虛擬樣機的建立

1.1 節(jié)能抽油機零部件建立

根據(jù)設(shè)計尺寸及標準在UG5.0中將節(jié)能抽油機的各個零部件建立三維模型，三維模型建立完成根據(jù)圖1所示的裝配樹，同時考慮抽油機裝配精度的6個影響因素如圖2所示，在UG中完成抽油機的預(yù)裝配，來檢查零件間的干涉和配合情況。

在裝配的實際操作中，通常是將抽油機具有緊密裝配連接關(guān)系的零件形成子裝配體，如抽油機底座、減速箱、支架、游梁、橫梁等，再將若干個子裝配體裝配成抽油機整體。零件、子裝配體、裝配體之間的層次關(guān)系通常直觀地用“裝配樹”來表示，通過裝配樹能清晰直觀地表達出零部件的從屬關(guān)系。

圖1 裝配樹

1.2 節(jié)能抽油機裝配順序分析

運用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對節(jié)能抽油機整機的裝配順序進行評價和分析，可得出節(jié)能抽油機較好裝配順序如圖3所示，按照圖3的裝配順序在UG中完成裝配如圖4所示。

圖2 抽油機裝配精度影響因素

圖3 裝配順序結(jié)構(gòu)圖

圖4 節(jié)能抽油機整機裝配圖

2 協(xié)同裝配規(guī)劃

協(xié)同裝配規(guī)劃的研究內(nèi)容主要包括裝配規(guī)劃結(jié)構(gòu)分解、裝配規(guī)劃任務(wù)分配、裝配規(guī)劃任務(wù)協(xié)同求解和裝配序列合并等部分。

針對節(jié)能抽油機來分析裝配規(guī)劃結(jié)構(gòu)分解。如節(jié)能抽油機這類復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃結(jié)構(gòu)分解方法總體上可分為自上而下和自下而上兩類。自上而下的分解方法通常參照設(shè)計約束把裝配結(jié)構(gòu)劃分為部件、組件和套件等［2-3］。節(jié)能抽油機的裝配分解主要考慮了裝配設(shè)計約束和抽油機結(jié)構(gòu)的整體性，但是裝配工藝約束卻沒有得到足夠的重視。相對來說自下而上的裝配規(guī)劃結(jié)構(gòu)分解方法則側(cè)重于考慮局部結(jié)構(gòu)和裝配工藝的作用。

鑒于抽油機的零部件較多，裝配規(guī)劃任務(wù)分配采取操作者針對不同的子裝配體及整體進行裝配操作。四個裝配人員分別記為1號、2號、3號、4號操作者，在此協(xié)同裝配中令1號操作者負責啟動，工程開始后，設(shè)定3個操作權(quán)限，分別添加2號、3號、4號操作者所應(yīng)用的用戶名，同時負責設(shè)置模型放置模式、產(chǎn)品管理路徑回放等一系列操作。2號操作者負責底座、動力機、支架的裝配。3號操作者負責驢頭、游梁、橫梁、吊臂的裝配。4號操作者負責減速器、曲柄、連桿的裝配。

3 節(jié)能抽油機協(xié)同裝配數(shù)據(jù)準備

筆者采用上海交通大學開發(fā)的一套面向復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的分布式虛擬裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)所應(yīng)用的裝配軟件是VAPlatform，VAPlatform軟件主要是解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中的若干協(xié)同設(shè)計問題，實現(xiàn)多個零部件供應(yīng)商與整機開發(fā)商之間的實時或準實時的協(xié)同設(shè)計工作，并能夠滿足整機數(shù)模的數(shù)據(jù)量的實時處理要求。協(xié)同裝配系統(tǒng)提供了基于鼠標鍵盤的選取、平移、碰撞檢測、旋轉(zhuǎn)視角等［4］，該軟件提供了目前主流三維 CAD軟件的專用接口，如 CATⅠA、Pro/E、UGⅠⅠ，用戶只要將開發(fā)的新產(chǎn)品在CAD中建立裝配關(guān)系，然后通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化為所需的文件格式，然后將初始化配置文件導(dǎo)入到軟件中，即可建立虛擬裝配場景，用戶可利用數(shù)據(jù)手套等硬件設(shè)備對產(chǎn)品進行虛擬裝配，對協(xié)同裝配、并行渲染、立體顯示有不錯的支持。

3.1 調(diào)徑變矩型節(jié)能抽油機協(xié)同裝配的信息提取

以Microsoft Visual C++6.0為集成環(huán)境，UG/OPEN APⅠ為開發(fā)接口程序，對UG5.0二次開發(fā)來訪問模型的底層數(shù)據(jù)，提取裝配模型的層次結(jié)構(gòu)、零件信息和約束信息等信息，并寫入初始裝配信息文件［5］，如圖5 所示。

圖5 初始文件生成

3.2 讀取節(jié)能抽油機模型并生成初始文件

在ⅠVAE平臺操作中，生成.mif信息文件的同時也生成了.stl文件以及輸出導(dǎo)出宏文件。再通過ⅠV轉(zhuǎn)換生成顯示模型，再添加文件生成碰撞模型。顯示模型、精確模型、碰撞模型3種模型均齊備時，通過VAPlatform軟件新建生成虛擬裝配前的.ave初始裝配仿真信息文件，并記錄調(diào)徑變矩型節(jié)能抽油機的零件信息、裝配信息、約束信息、面片模型信息及碰撞模型信息。.ave文件生成的具體操作過程如圖6、7所示。

圖6 碰撞模型生成圖

圖7 .ave文件生成

3.3 提取初始文件

點擊文件打開初始文件選擇自動排列，便會出現(xiàn)產(chǎn)品的初始位姿。

4 節(jié)能抽油機協(xié)同裝配的實現(xiàn)

4.1 多用戶注冊與管理

在VAPlatform軟件中運行虛擬裝配主控端，所有仿真參與者必須通過VRGird Portal進行注冊，獲得一個網(wǎng)絡(luò)賬戶，整機集成部門建立一個仿真項目組，并設(shè)定各仿真參與者在該仿真中的角色。各個用戶可在同一場景中進行協(xié)同操作，運行主控端的計算機可觀察到每個操作者的運動。主控端對每個用戶注冊進行管理。

4.2 節(jié)能抽油機的協(xié)同虛擬裝配

在對節(jié)能抽油機的協(xié)同裝配操作過程中，主控端選擇路徑管理，啟動記錄。此時2號、3號、4號操作者開始添加虛擬手，拾取零件，抓取移動零件，約束確認，小部件裝配完成，如圖8所示。

圖8 操作者的裝置操作圖

在裝配時要考慮抓取零件時所走的路徑，移動距離盡量短，零件布局要合理，裝配時不能發(fā)生碰撞，在ⅠVAE虛擬環(huán)境中模型運動過程中系統(tǒng)能夠檢測出模型間的干涉和碰撞情況。當所有仿真參與者都加入到協(xié)同環(huán)境中，即可在整機集成部分的協(xié)同下進行裝配仿真。當前系統(tǒng)支持多種交互操作，通過六自由度鼠標，5DT手套，位置跟蹤器及三維立體眼鏡等。所有仿真參與者裝配完成在虛擬現(xiàn)實平臺的顯示效果如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場操作圖

裝配完成時主控端操作者點擊停止記錄，重新命名保存路徑文件，回放記錄，可針對一個零件或整個裝配過程進行回放，以此對裝配過程進行評審。同時也可對裝配人員進行演示與培訓。

4.3 節(jié)能抽油機協(xié)同裝配評審結(jié)束

節(jié)能抽油機裝配完成后，主控端操作者以文本形式通知其他協(xié)同裝配操作者退出，同時生成裝配報告。整機及各零部件設(shè)計者可以根據(jù)協(xié)同虛擬裝配過程中發(fā)現(xiàn)的問題及過程進行商討，對整機零部件的可裝配性進行評價。整個虛擬裝配過程不需要制造物理樣機，協(xié)同過程可在異地進行，很大程度上節(jié)約了時間和費用，同時保密性得到保證。

5 結(jié)語

對節(jié)能抽油機各部件進行三維建模、裝配順序分析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，在局域網(wǎng)的支持下進行協(xié)同虛擬裝配和顯示，實現(xiàn)了在分布式虛擬裝配系統(tǒng)下多個用戶同時參與協(xié)同裝配仿真任務(wù)。

［1］ 徐延寧.虛擬樣機建模技術(shù)與協(xié)同裝配方法研究［D］.濟南:山東大學，2008.

［2］ 郭偉祥，劉志峰，劉光復(fù)，等.基于模塊化思想的拆卸序列規(guī)劃［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學學報，2005，17(3):498-504.

［3］ 王 永，劉繼紅.面向協(xié)同裝配規(guī)劃的裝配單元規(guī)劃方法［J］.機械工程學報，2009，45(10):172-179.

［4］ 胡 勇，武殿梁，范秀敏.面向協(xié)同裝配仿真的虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［J］.上海交通大學學報，2010，44(2):238-242.

［5］ 朱文華，范秀敏，馬登哲.從CAD系統(tǒng)到集成虛擬裝配環(huán)境的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2005，11(8):1115-1119.