楊 彪 何 靜 李潮偉 李紅軍

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

核動(dòng)力設(shè)備的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量直接影響核動(dòng)力裝置的質(zhì)量、性能和核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，核動(dòng)力設(shè)備在設(shè)計(jì)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，但在制造方面仍然沿用傳統(tǒng)的裝配方法和手段。傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計(jì)方法主要存在以下問題：（1）裝配工藝設(shè)計(jì)仍采用二維方式；（2）沒有有效的三維工藝設(shè)計(jì)的驗(yàn)證、優(yōu)化和評(píng)估手段；（3）缺少典型示教和溝通交流的三維動(dòng)態(tài)裝配過程。本文將數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用于某核動(dòng)力設(shè)備復(fù)雜的總裝工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)行了三維裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配過程動(dòng)態(tài)仿真分析研究，優(yōu)化了總裝工裝和裝配工藝。通過該設(shè)備的數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用研究解決了傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計(jì)問題，提升了核動(dòng)力設(shè)備的裝配工藝設(shè)計(jì)水平。

1 數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用方案

針對(duì)該核動(dòng)力設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征、總裝工藝特點(diǎn)，建立了核動(dòng)力設(shè)備的總裝數(shù)字化裝配工藝流程，制定了詳細(xì)的數(shù)字化裝配工藝實(shí)施方案，以下對(duì)數(shù)字化裝配工藝流程和數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施方法進(jìn)行介紹。

1.1 數(shù)字化裝配工藝流程設(shè)計(jì)

核動(dòng)力設(shè)備的總裝數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)流程

輸入信息消化需要對(duì)產(chǎn)品、工藝裝備等的設(shè)計(jì)圖冊(cè)進(jìn)行詳細(xì)消化；產(chǎn)品及工裝的3D建模是根據(jù)理解消化的設(shè)計(jì)圖冊(cè)進(jìn)行產(chǎn)品及工裝的3 D建模，生成直接用于虛擬裝配環(huán)境中的數(shù)字樣機(jī)；三維模型向數(shù)字化裝配環(huán)境的導(dǎo)入是建模軟件和虛擬仿真軟件之間數(shù)字模型的格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到虛擬仿真軟件中的模型保持原模型的結(jié)構(gòu)層次特點(diǎn)和屬性，在新的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中需要對(duì)其賦予新的材料特性，以使模擬過程更加逼真；裝配工藝過程的詳細(xì)設(shè)計(jì)包括產(chǎn)品和資源的規(guī)劃，裝配順序和裝配路徑的設(shè)計(jì)，工藝過程的設(shè)計(jì)需要對(duì)總裝工藝涉及的所有單個(gè)組裝工藝的裝配順序和裝配路徑進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和合理性的詳細(xì)分析；裝配過程的動(dòng)態(tài)仿真是將所有組裝工藝進(jìn)行匯編，將整個(gè)總裝工藝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)裝配仿真驗(yàn)證，確定總裝工裝結(jié)構(gòu)的正確性和總裝工藝的合理性；裝配結(jié)果的輸出包括裝配指令、各種形式報(bào)表以及三維動(dòng)態(tài)裝配視頻等文件。

1.2 數(shù)字化裝配工藝實(shí)施

本文選用數(shù)字化仿真軟件DEL MIA V5 R16作為數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，3 D建模和產(chǎn)品預(yù)裝配過程的實(shí)施在軟件UGS NX6.0中實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)具體實(shí)施步驟如下：（1）在UGS NX6.0軟件中進(jìn)行核動(dòng)力設(shè)備和總裝工裝的3D建模，并進(jìn)行產(chǎn)品的裝配順序和預(yù)裝配檢查。（2）在DEL MIA的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)模塊支持下，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入DPE模塊數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)和資源數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中模型導(dǎo)入數(shù)字化裝配仿真環(huán)境中。（3）創(chuàng)建裝配工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，以設(shè)計(jì)好的裝配順序?yàn)榛A(chǔ)利用PERT圖進(jìn)行DPE環(huán)境下的二維裝配順序的建立，PERT圖中每一個(gè)圖標(biāo)元素代表一個(gè)裝配工序，通過修改其中的元素或者順序，數(shù)字化環(huán)境中的裝配順序也會(huì)相應(yīng)改變。（4）進(jìn)行裝配過程仿真，對(duì)每一個(gè)工序分配產(chǎn)品或資源元素，并進(jìn)行總裝焊接工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及組裝焊接操作空間的評(píng)估，裝配路徑的規(guī)劃，碰撞干涉檢查，這一步驟是一個(gè)反復(fù)修改過程，直到得到最優(yōu)結(jié)果再進(jìn)行下一個(gè)裝配工序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)根據(jù)PERT圖和單個(gè)工序設(shè)計(jì)結(jié)果，自動(dòng)生成整個(gè)裝配工藝的動(dòng)態(tài)仿真過程。

2 核動(dòng)力設(shè)備及工裝3D建模

根據(jù)數(shù)字化裝配工藝需要進(jìn)行產(chǎn)品、總裝工裝及其他輔助工具等的3D建模。其中總裝工裝涉及的零部件較多，需要在裝配工藝動(dòng)態(tài)仿真前對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)裝配驗(yàn)證，檢查工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性和工裝與產(chǎn)品組件的干涉狀況。通過驗(yàn)證結(jié)果對(duì)工裝的結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化。

3 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證

3.1 總裝工藝初步制定

根據(jù)核動(dòng)力設(shè)備和工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成初步的核動(dòng)力設(shè)備整臺(tái)的組裝工藝的制定，為數(shù)字化裝配仿真驗(yàn)證做前期的準(zhǔn)備。

3.2 產(chǎn)品和工裝資源規(guī)劃

產(chǎn)品和工裝資源規(guī)劃是數(shù)字化裝配工藝中的重要一環(huán)，是保證生產(chǎn)有序進(jìn)行的前提。首先要對(duì)生產(chǎn)車間的場(chǎng)地及總裝過程中需要的各種產(chǎn)品資源進(jìn)行清理和分析，然后根據(jù)生產(chǎn)車間場(chǎng)地的情況對(duì)核動(dòng)力設(shè)備各個(gè)零部件、總裝工裝、總裝臺(tái)架及輔助工裝、工具進(jìn)行有序的規(guī)劃布局，使整個(gè)生產(chǎn)過程的資源擺放整齊，不會(huì)發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)混亂的現(xiàn)象。

3.3 裝配路徑設(shè)計(jì)

在數(shù)字化裝配過程中，需要對(duì)核動(dòng)力設(shè)備的每一步組裝工序的裝配順序進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化，使其達(dá)到最優(yōu)。裝配路徑設(shè)計(jì)要遵循效率優(yōu)先、路徑最短原則。在節(jié)約效率的同時(shí)，要考慮人性化設(shè)計(jì)，即在考慮操作人員的操作空間和操作舒適度的情況下增加裝配路徑。

3.4 裝配過程運(yùn)動(dòng)仿真

裝配過程運(yùn)動(dòng)仿真是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配技術(shù)的關(guān)鍵，是將所有組裝工序的運(yùn)動(dòng)過程匯編成最終的裝配過程。在進(jìn)行裝配過程運(yùn)動(dòng)仿真過程中需要對(duì)零部件的裝配順序與裝配路徑、裝配資源配置的合理性、工藝裝備設(shè)計(jì)的合理性及操作空間的開敞性和安裝工具的可達(dá)性進(jìn)行一個(gè)全面的驗(yàn)證、評(píng)估與優(yōu)化，并根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)前期的設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行不斷的修改完善。裝配仿真對(duì)核動(dòng)力設(shè)備總裝工裝設(shè)計(jì)的合理性和組件裝配過程的碰撞干涉進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注，并在數(shù)字化裝配環(huán)境中對(duì)每一個(gè)裝配工序進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析，并最終得出最優(yōu)的組件動(dòng)態(tài)裝配過程。圖2為總裝過程組中的一個(gè)裝配場(chǎng)景。

圖2 核動(dòng)力設(shè)備數(shù)字化裝配場(chǎng)景圖

經(jīng)過動(dòng)態(tài)裝配過程仿真和分析，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、初步工藝設(shè)計(jì)和操作空間可達(dá)性、舒適性等多個(gè)問題，并提出了解決措施和解決后效果評(píng)估。

3.5 仿真結(jié)果輸出

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)仿真輸出結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)各種文件形式，如avi視頻文件、t xt文件以及各種形式報(bào)表等，可以對(duì)核動(dòng)力設(shè)備總裝過程中每個(gè)工序動(dòng)態(tài)裝配過程的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和資源的描述文本和動(dòng)態(tài)裝配過程視頻進(jìn)行輸出。

4 結(jié)語

通過核動(dòng)力設(shè)備總裝工藝數(shù)字化裝配技術(shù)的研究，走通了數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)流程，完成了組件的裝配順序和裝配路徑的規(guī)劃與仿真，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)碰撞干涉檢查與分析，得出最優(yōu)的總裝工藝，生成了可用于操作人員培訓(xùn)和技術(shù)人員交流的組件動(dòng)態(tài)裝配過程的視頻，總裝工藝已成功應(yīng)用于科研生產(chǎn)項(xiàng)目。

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［3］邢莉，趙燕偉，蘇楠，等.基于DEL MIA的電動(dòng)工具虛擬裝配技術(shù)研究［J］.機(jī)電工程，2008（6）：35～38