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基于虚拟现实技术的柴油机虚拟装配工艺探索

2017-09-11陈斌

西部论丛 2017年1期
关键词:装配工艺三维可视化

陈斌

摘 要:装配工艺可视化和可视化教学都是可视化技术研究方向之一。装配工艺可视化以装配过程动画的形式直观地表达了装配规程的内容,便于工艺人员和操作工人对于装配工艺的理解。可视化教学以非语言形态提供了较为具体、直观的信息,利于学生的学习和回忆,可以使教育得到更好地普及,使教学质量得到大大的提高。

关键词:装配工艺;三维;可视化

1.装配技术的现状

从生产上讲,装配技术的发展过程是由手工装配到圆台式自动装配机、自动装配线装配,再到柔性自动化装配。这是社会化大工业发展的必然趋势。随着产品淘汰频率的加快和人们对产品质量和性能要求的提高,单件小批量手工装配已经不能满足人们日常生活的需要,手工加工与装配的产品或是已经成为一种生活的奢侈品,或是成为一种初级劣质产品的代名词。

装配技术在应用了计算机、可视化、传感器等技术之后,装配效率和可靠性方面都有了很大进步,自动化程度更高。计算机控制的自动装配系统可以准确地实现零部件的定位夹紧—减少了人工的误操作且减轻了劳动强度,在自动装配线上的装配可以节省大量的搬运时间——实现了最优装配路线,等等。然而,在许多情况下,从技术经济的观点来看,混合式装配系统才是最佳选择。在这种装配系统中既包含自动装配,又包含手工装配,因为自动化装配像加工一样要求人的智慧和经验[1]。不过,自动装配与手工装配的配比关系一定还会有很大变化,在装配过程中自动装配的应用领域将会越来越广,人的作用将主要集中在监管上。从设计上说,CAD/CAM/CAE技术迅速发展,带动整个生产制造业向着“计算机辅助”方向前进。计算机辅助工艺设计(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)已成为工艺规程设计的发展趋势,装配类CAPP的研究正成为当下热门研究项目之一,随着工艺库、知识库的逐步完善,可以快速生成标准化程度高的工艺规程卡成为CAPP系统的发展目标,未来CAPP系统将向通用化、实用化、智能化、集成化、网络化和开放性的方向发展,从而更好地提高工艺设计效率,促进工艺标准化建设,实现与其他应用系统的集成。

基于参数化特征和动态建模技术的三维CAD软件的普及和虚拟现实技术的广泛应用,给虚拟装配的发展奠定了坚实的理论和现实基础,虚拟装配环境注重从Immersion-Interaction-Imagination即“沉浸感—交互式—想象性”三方面建立,其中,沉浸感(Immersion)指用户难以分辨虚拟环境的真假;交互式(Interaction)指用户可以操作模拟环境内的物体;想象性(Imagination)指模拟环境不仅可以是一定现实世界的真实体现,也可以是纯粹想像出来的世界。虚拟装配使用计算机工具,不必进行产品物理模型实现,通过分析、预测模型、可视化数据表示进行与装配有关的工程决策。虚拟装配是多项技术的结合,包括可视化技术、仿真技术、决策论、装配与制造规程、装配制造设备开发技术等。利用虚拟装配技术,能够减少开发研制周期,迅速响应市场变化;高级的设计方法和工具使设计人员应用方便;改进装配质量;降低成本等。

2.装配工艺可视化应用

以车用柴油机为例,将装配工艺规划与实际的装配操作结合,研究装配工艺三维可视化的表达内容及表现方式。

2.1总体设计

首先分析可视化系统的目标要求及面向的对象,设计系统的功能模块。系统的功能确定为熟悉柴油机的理及构造并掌握柴油机的装配工艺,既要兼顾知识的系统性又要满足交互性,其中以柴油机的装配工艺为重点,以能三维动态地表达装配工艺为最终目的。这些功能几乎涵盖了柴油机装配工艺的全部内容,用户不但能全面了解柴油机的原理结构,而且通过装配动画能详细熟悉柴油机的装配过程,以及相应的装配工艺,包括装配方法、装配组织形式、装配序列(包括装配顺序和装配路径)、装配工具和装配技术等。

2.2关键技术

2.2.1 CAD系统之间的数据转换

CAD系统间的数据转换目前主要有三种方法:(1)利用国际图形数据交换标准进行转换:IGES(初始图形交互规范)和STEP(产品模型数据交换标准)。(2)开发中间的数据格式进行转换。(3)对CAD系统进行二次开发,二者共享底层数据库。装配可视化系统考虑采用第一种方法,因为AutodeskInventor和Pro/Engineer都自带有STEP转换器,使二者之间可以相互转换数据,虽然装配约束条件部分丢失,但装配位置信息和装配文件名称仍存在,可满足制作装配动画的需要。

2.2.2装配动画的生成

研究产品装配的层次性是创建装配模型的第一步。在产品的装配中,装配体可以分解成若干个子装配体或零件,子装配体又可以进一步分解成若干个子装配体或零件,由此表现出层次性,这样能够对柴油机的构造和原理有更清晰的认识,从而更好地完成子装配与总装。在AutodeskInventor中根据“可拆即可装”的原则通过寻找可行拆卸路径来进行“反演”,确定装配序列,规划装配路径,生成装配动画,并演示装配条件与装配要求,真正实现装配工艺的三维仿真。其中需要对输出的*.avi动画进行后期的编辑与合成才能生成满足要求的有装配工艺说明的动画。

3.装配工艺可视化系统的应用展望

装配工艺三维可视化最为直接的应用是作为工人培训与学生生产实习的教学课件,它能提供完整系统的装配工艺知识,可以直观生动地表达装配工艺涉及的方方面面,易于全面理解、学习与掌握装配工艺知识。若全面应用开来,面向不同的人员可以起到不同的作用[3]:(1)面向设计人员:显示协调路线、装配图表和干涉检查结果等,用于评价装配方案,更改装配设计;(2)面向工艺人员:显示协调路线、装配图表、指令性工艺方案、零件技术状态和装配件等,用于检查装配工艺文件;(3)面向装配人员:显示工作地、装配过程动画、所涉及的零件和零件技术状态等,用于了解工作内容,指导装配操作;(4)面向检验人员:显示协调路线和装配公差等,作为检验的依据。

4.结语

基于虛拟现实技术的虚拟装配技术的发展,为解决产品的装配问题提供了一个新的低成本的快速手段。装配工艺可视化是虚拟装配的研究方向之一,而且目前装配工艺可视化的研究方向也很多,包括装配工艺规程的可视化和装配过程的可视化,本文是将二者结合起来进行研究,在装配过程中表现装配工艺规程的内容。

参考文献:

[1]肖田元.虚拟制造[M].北京:清华大学出版社,2004:440-444.

[2]刘爱华,侯晓林,李秀勇.产品装配结构技术的实现及应用[J].机械设计,2006,23(1):16-19.

[3]孙中雷,陶华.飞机装配工艺仿真与可视化技术研究[J].现代制造工程,2006(2):55-58.

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