装甲车三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术.doc

装甲车三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术 应小昆 杜增辉 曲强 李济龙 中国兵器工业新技术推广研究所 北京理工大学机械与车辆学院 摘 要： 传统装甲车的装配过程是由装配工艺设计人员对装配体模型进行分析, 依靠自身的实际装配经验和装配相关的技术要求, 借助于二维装配图样进行装配工艺规划和设计的随着三维 CAD 技术和虚拟装配技术的发展, 在三维环境下进行装配工艺设计已经成为趋势为了实现装甲车装配工艺设计的三维化, 提出了装甲车三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术是在产品数字化模型的基础上, 对产品的装配工艺过程进行优化和设计, 进行装配序列规划仿真和三维装配工艺信息详细编辑, 发布三维装配工艺数据包, 通过三维工艺浏览器展示二维工艺电子化文档和三维工艺信息来指导装配现场的装配操作, 从而达到降低设计难度与成本, 提高设计效率、装配质量和培训速度, 以及缩短装配时间的目的关键词： 三维装配工艺; 装配序列; 三维工艺浏览器; 作者简介：应小昆 (1982-) , 男, 高级工程师, 硕士, 主要从事数字化制造技术等方面的研究收稿日期：2017-11-09Technology of 3D Assembly Process Design and Simulation and Scene Visualization on Armored VehiclesYING Xiaokun DU Zenghui QU Qiang LI Jilong Advanced Technology Generalization Institute of CNGC; School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology; Abstract： The assembly process of traditional armored vehicles is analyzed by assembly process designers on assembly models.Based on their own actual assembly experience and assembly-related technical requirements, assembly process planning and design are carried out by means of two-dimensional assembly drawings.With the development of 3D CAD technology and virtual assembly technology, assembly process design in three-dimensional environment has become a trend.In order to achieve the three-dimensional design of the assembly process of armored vehicles, this paper presents a three-dimensional assembly process design and simulation and scene visualization technology for armored vehicles.The three-dimensional assembly process design and simulation and scene visualization technology is based on the digital model of the product, optimizing and designing the assembly process of the product, assembly sequence planning and simulation and 3D assembly process detailed editing information, releasing 3D assembly process data package.And the three-dimensional process browser is used to display two-dimensional process electronic documents and three-dimensional process information to guide the assembly site assembly operations, to reduce the design difficulty and cost, improve design efficiency and assembly quality, and improve training speed and reduce assembly time.Keyword： 3D assembly process planning; assembly sequence; 3D craft browser; Received： 2017-11-091 研究现状装配是装甲车辆等复杂产品研发中不可或缺的一个环节, 装配结果直接影响产品的性能和质量。

在制造过程中, 装配时间约占总生产时间的 20%~50%, 装配费用占制造总费用的 20%~30%传统的装配过程是由装配工艺设计人员对装配体模型进行分析, 依靠自身的实际装配经验和装配相关的技术要求, 借助于二维装配图样进行装配工艺规划和设计的传统工艺设计不具备验证能力, 无法及时将装配中的干涉、操作空间开敞性和工具可达性等问题提前暴露, 只有在实际装配阶段才会反映出来, 这必然会影响复杂产品研制的进度和质量随着三维 CAD 技术和虚拟装配技术的发展, 工艺设计人员可以在三维可视化环境下进行装配工艺设计、装配顺序规划, 并在工装、工具三维模型的支持下, 对装配工艺设计的可行性和合理性进行验证, 同时输出三维装配工艺文件和仿真动画, 以指导现场操作人员进行产品的装配目前, 国内外众多学者就此展开了大量的研究在基于 DELMIA 的三维装配工艺规划与仿真系统方面, 冷毅勋等详细论述了基于DELMIA 的三维工艺设计与仿真流程, 并应用 3DVIA Composer 软件完成了可视化装配文档的编制[1];刘阳等将工艺节点与相关分段零部件节点、设备资源节点进行关联, 规划分段产品和工艺节点的属性, 完成分段装配工艺模型的构建, 实现了对双层分段的具体装配顺序和路径的规划, 基于 DELMIA 和 3DVIA Composer 实现了三维装配工艺文档的生成[2];冯廷廷根据产品模型借助 DELMIA软件系统 DPE 模块及相关二次开发定制装配工艺模板、规划装配工艺, 并借助3DVIA Composer 软件进行装配仿真, 开发轻量化模型的按钮, 将其集成到 AO文档中, 形成生动直观的三维 AO, 有效指导工人进行现场操作[3];屈力刚等采用 CATIA/CAA 开发技术获取工艺信息, 利用 3DVIA Composer 二次开发轻量化工艺模型, 同时采用 XML 存储获取的工艺信息, 并通过可视化浏览器实现了基于三维模型的工艺信息显示[4]。

在基于其他 CAD 软件的三维装配工艺规划与仿真系统方面, KM-CAPP (开目CAPP) 具有系统管理、工艺管理、工艺设计、工艺资源管理、工艺规则管理和辅助管理等功能模块, 在国内的航天、兵器和船舶等行业具有广泛的应用[5];TH-CAPP (天河 CAPP) 是典型的“所见即所得”的卡片式工艺设计系统, 可实现卡片与工艺数据分开存储, 具有较强的二次开发功能, 但其无法实现基于三维模型的产品设计, 无法满足三维工艺模型、装配仿真动画元素添加的需求[6];华军应用 UG 6.0 软件及二次开发技术来实现装配建模及装配信息的提取, 以Tecnomatix 9.0 为虚拟仿真软件, 实现了装配环境的仿真和装配路径的规划, 并借助 3DPDF 软件进行三维装配工艺文件的编辑及输出[7];何小波基于 Pro/E二次开发技术实现了三维工艺设计系统的应用研究, 着重分析了特征关联引用、模型状态控制、特征识别与提取和特征亮选等 CAD/CAPP 集成关键技术[8];黄李勇通过 Borland C++Builder 对 Pro/E 软件进行的二次开发, 实现了 Pro/E 模型与工艺节点的关联显示, 工艺数据通过 C++Builder 平台写入网页文件, 在外部通过静态网页技术中的 CSS+DIV 完成发布系统主体布局设计[9];张金等利用CATIA CAA 提取 CATIA 模型的装配信息将模型结构树信息储存于 XML 文件, 并应用于三维装配工艺系统 KM3DCAPP-A, 最终导出包含装配步骤与每个步骤所需要的装配零件[10]的装配 BOM 清单。

基于上述研究现状, 本项目主要研究开发基于 DELMIA 的三维数字化装配集成平台软件系统, 以解决轮式装甲车辆制造过程中, 工艺设计以二维工程图样为主, 主要依赖于人的装配经验和知识, 以及设计难度大、效率低、优化程度低, 二维工艺文件在装配现场应用的局限性等问题本文以轮式装甲车辆的动力舱吊装和轮毂装配过程为例, 建立面向对象层次时间 Petri 网的模型, 以该模型为基础进行三维工艺设计与仿真, 并展示轮式装甲车辆的动力舱吊装和轮毂装配的三维工艺设计过程以及车间工艺浏览的应用效果2 三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术总体框架三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术是将三维设计模型进行信息提取和轻量化处理后进行工艺设计, 有效组织和管理装配工艺设计数据, 并处理系统的多输入与输出通过交互式工艺过程规划后进行装配工艺仿真, 迭代进行装配过程的优化, 确定最佳的装配顺序和装配路径, 最终将三维轻量化模型、仿真动画和工艺文件等发布到车间现场, 在车间终端显示器上采用三维工艺浏览器进行查看三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术总体框架 (见图 1) 包括模型处理、三维工艺设计与仿真和装配工艺现场可视化等 3 个步骤。

图 1 三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术总体框架 下载原图2.1 模型预处理对三维设计模型进行信息提取, 主要包括装配约束关系、位置关系和产品结构树等, 再批量进行模型轻量化处理, 转换为 CGR 或 3DXML 文件, 以适用于大模型 (300 M 以上) 的三维装配工艺设计和仿真, 处理后的模型可以缩小为原模型大小的 1/10 以上通过配置的资源库 (车间、工装和工具等) , 构建 PPR 模型树的 Product 和 Resource 节点, 建立符合实际生产场景的仿真环境2.2 三维装配工艺设计与仿真建立基于面向对象层次时间 Petri 网的装配信息模型, 首先对装配和拆卸过程进行图形化描述, 建立对象 PN 子网和辅助 PN 子网;在此基础上, 人工交互式进行装配序列规划和路径规划;对结构件、柔性件和人机工程进行装配过程的混合仿真和迭代优化, 确定最优的装配序列和路径复杂产品三维装配工艺的设计以装配工艺设计流程为主线展开, 主要包含装配工艺的划分、工艺流程的设计、工艺信息建模、装配工序和装配工步的生成, 以及三维装配动画的制作在此过程中, 会产生包含层次关系的装配工艺流程、三维动画文件和结构化的工艺卡等在内的二维/三维、结构化/非结构化数据。

三维装配工艺总体设计流程如图 2 所示, 具体步骤如下1) 将三维 CAD 设计模型转换为 CATIA 模型后, 在 CATIA 装配设计工作台进行CGR 批量转换, 提取相关数据信息, 轻量化后模型的大小减少为原来的 。