復雜機電產品剛柔混合裝配仿真技術研究

高 揚，廖文和，郭 宇，王發麟，宋 倩

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

復雜機電產品剛柔混合裝配仿真技術研究

高 揚，廖文和，郭 宇，王發麟，宋 倩

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

為了提高復雜機電產品的裝配質量和縮短裝配周期，結合復雜機電產品裝配的特點和難點，提出了剛柔混合裝配的總體思路，對剛柔混合裝配仿真技術進行了研究。從線纜的彎曲半徑屬性；自身重力屬性和溫度屬性三個方面進行了仿真，通過實例驗證并對典型的剛柔混合裝配模型進行了裝配仿真。

機電產品；剛柔混合裝配；彎曲半徑約束；溫度仿真；裝配動畫仿真

0 引言

復雜機電產品是由機械結構電氣設備控制裝置檢測裝置等有機組合在一起的復雜系統，是機、電、液、控、光、磁等多種物理過程融合于同一載體的復雜系統，是涉及多學科、多領域、多因素具有復雜功能的一類產品[1]。隨著以航空、航天、船舶、電子、兵工、能源等大型電氣系統的飛速發展，現代電氣系統日益復雜化、集成化。近年來，柔性線纜類零件越來越多地應用于航空航天、船舶、汽車和家電等行業中，而柔性線纜的裝配質量直接影響產品的性能和可靠性。線纜指用于機電產品總裝或部裝中連接電氣設備或控制裝置的柔性電線或線纜的總稱。目前對于剛性結構件虛擬裝配仿真技術和軟件技術已經日益完善，比如三維設計軟件UG、Pro/E、CATIA等在制造業應用廣泛。而線纜基于它本身具有柔性的性質，并且結構復雜，還需要與剛性結構件交叉裝配，并且還具有連接數量多、線纜相對比較集中、機電產品空間狹窄等特性，線纜裝配一直是機電產品研究中的難題，國內外的學者在剛柔混合裝配方面有了許多研究成果。Ng[2,3]和Ritchie[4]等人提出了在沉浸式環境中使用人機交互方法來實現電纜設計、裝配和安裝規劃。他們研發了一個虛擬電纜設計系統，通過頭盜顯示器、三維鼠標等虛擬外設，用戶可以在虛擬環境下進行電纜的裝配或拆卸活動。并對虛擬環境下進行線纜布線效率進行了檢測。該系統實現了線纜靜態干涉檢測，但在實際裝配過程中，線纜一直在運動中，并沒有對線纜的動態過程進行模擬，反觀國內，相關的研究起步比較晚，所以很少有關線纜方面的文獻，其中中國工程物理研究院的魏發遠，王峰軍等[5,6]把裝配單元分成“剛性組件”和“柔性電纜”提出了“剛-柔混合系統”裝配工藝規劃方法。南京航空航天大學王金芳[7]提出了基于Pro/E平臺的線纜建模和剛柔混合的裝配規劃等，并實現了裝配動畫與工藝文件的生成，王發麟[8]研究了線纜虛擬裝配的關鍵技術。北京理工大學的寧汝新，劉檢華等[9～13]建立在基于離散控制點的線纜模型并用于虛擬環境下裝配規劃。

在實際復雜機電產品裝配過程中，剛柔混合裝配涉及大量剛性結構件和柔性線纜交叉進行，要經常調整線纜的形狀和位置。線纜裝配還需要考慮其中的一些重要屬性，比如最小彎曲半徑、楊氏模量、溫度變換和材料密度等因素。總的而言，目前國內外在線纜裝配仿真規劃技術方面的研究還不是很完善處于初級的階段，還有許多的難題沒有得到解決，本文結合某企業的需求，基于以上的剛柔混合特點及要求提出剛柔混合裝配的總體思路，然后對裝配仿真技術進行了研究并進行了彎曲半徑屬性和溫度屬性仿真實驗，并對典型的剛柔混合裝配模型進行了裝配仿真。

1 復雜機電剛柔混裝思路

由于大多數復雜機電產品都是既包括剛性結構件又包含柔性結構件，工程實際中，機電產品的交叉裝配現象普遍存在，所謂的交叉裝配[14]是指裝配過程中剛性結構件和柔性結構件（線纜）之間進行穿插裝配，即在進行柔性零件比如線纜先完成線纜的部分裝配（只裝配了線纜接頭）后，繼續安裝其他剛性結構件，如此相互交叉裝配，最后線纜和剛性結構件均裝配到位。

在剛柔混合裝配中不僅包括電纜的整體或者局部的位姿的調整還包括電連接器的捆扎固定等。在進行剛柔混合裝配時，首先導入基本零件模型，并將其分為剛性結構件和柔性結構件（線纜），柔性結構件如需要附件，導入附件進行裝配，剛性結構件可以裝配成剛性裝配體，柔性零件的裝配主要包括裝配起始端電連接器，柔性線纜裝配，終止端電連接器，其中剛性裝配體或剛性結構件可以與柔性線纜一起裝配，并對其進行工藝規劃，驗證其可裝配性，進行剛柔混合裝配仿真，對將結果如裝配工藝文檔，裝配動畫等輸出給現場工作人員，用于指導現場裝配。剛柔混合裝配的流程圖如圖1所示。

圖1 剛柔混合裝配流程圖

2 剛柔混合裝配仿真技術

2.1 線纜內部屬性仿真

2.1.1 彎曲半徑屬性約束仿真

在復雜機電產品中，線纜基本都會受到若干次折彎，特別是在拐角處，要滿足線纜的最小彎曲半徑要求。線纜最小彎曲半徑需要參考線纜的直徑，通常用D（線纜外徑）的倍數表示，一般都是不小于6D。如圖2所示，當拐角處的彎曲半徑比較小時，線纜在拐角處會出現淺藍色的高亮提示，需要對拐角處的線纜控制點進行局部調整以滿足線纜的彎曲屬性。

圖2 最小彎曲半徑約束

2.1.2 重力屬性仿真

在復雜機電中，一般都是單根線纜或者分支線纜經過捆扎成線纜束來進行裝配，我們就應該考慮線纜束自身重力屬性，只有體現出線纜重力屬性才能在虛擬環境中真實地表達出線纜在現實中的狀態，這樣才能使得線纜裝配過程仿真的結果具有實際意義，才能體現其真實性和實時性。如圖3所示，沒有加入重力屬性的線纜和加入了重力屬性的線纜進行比較，可以看出加入重力屬性的線纜更加符合實際，線纜形態更加逼真。

圖3 重力屬性仿真

2.2 線纜外部屬性仿真

復雜機電中，由于其環境特殊性和復雜性，線纜會隨著空間環境溫度和內部發電（發熱）設備而造成溫度應力的變換。電纜是供電系統的功率傳輸通道，電流較大，溫度就會逐漸升高。安裝于發動機附件高溫區域的線束考慮線束耐高溫特性，線束參考標準參考QC/ T 29106-2004進行設計。溫度的變換對線纜的楊氏模量（N/m2）、泊松比、材料密度（kg/m3）內徑、外徑和長度都有影響。隨著溫度的升高，線纜的楊氏模量變大，長度變長，材料密度也隨著變大，如圖4所示，溫度在20℃時，線纜的狀態如圖4(a)所示，溫度在80℃時線纜的狀態如圖4(b)所示。

圖4 溫度變換仿真

2.3 剛柔混合裝配操作仿真

剛柔混合的裝配操作仿真主要包括剛性結構件的裝配操作，電連接器的裝配操作，線纜單元的裝配操作。

電連接器裝配操作主要包括電連接器的位姿變化，在移動電連接器到裝配位置時，與電連接器相關的線纜也會隨之進行相應的位姿變換，在此時通過剛性結構件的約束將電連接器裝配到插裝位置。裝配完成后線纜與電連接器相關的控制點將不能進行位姿變換，但是可以將電連接器與線纜的約束關系設置成不關聯，重新對電連接器進行裝配操作。

線纜單元的裝配操作是將整個線纜單元作為操作對象，對整個線纜單元進行移動，平移轉動等操作，可以將線纜單元迅速地移動到目標裝配位置，對線纜單元進行裝配操作能夠提高剛柔混合裝配的效率。線纜單元的操作還需要對線纜的模型和走線過程進行局部的調整和優化。我們可以通過對線纜上的控制點進行操作使得空間位姿進行變換平移，旋轉等位姿的調整，從而改變線纜的位姿。

2.4 剛柔混合裝配干涉檢測

在進行復雜機電混合裝配時，線纜需要在其裝配過程中進行動態干涉碰撞檢測，以防止在裝配過程中由于其不規則性而造成線纜與剛性體發生碰撞。動態干涉檢查能夠識別線纜在運動過程中的碰撞情況，并且可以獲取線纜平移，旋轉到合適的位置而不與周圍其他幾何體相碰撞的方向、軸向和路徑等相關關鍵信息。動態干涉檢測采用基于包圍盒的方式進行，如圖5所示，當線纜與剛性結構件發生碰撞，就會進行高亮顯示，如圖5中A所示，我們就可以通過人工方式對干涉線纜的控制點或者電連接器進行合理的調整，直至滿足裝配的要求，如圖5中B所示，再進行仿真驗證。進行完干涉檢測后就需要對線纜進行固定，捆扎等工藝，當將線纜固定時，就約束了柔性線纜的運動和變形。

圖5 裝配干涉檢測

3 應用實例

本文提出的方法和思路在軟件ICIDO系統中得以實現。其中產品的剛性零部件模型，和電連接器模型是在Pro/E中進行建立，通過接口導入到系統中并對其進行裝配過程建模，柔性線纜模型是利用系統本身的功能通過交互式操作進行建立的。實例中系統運行環境為雙核CPU，4GBRAM，Windows7系統，以鍵盤和鼠標作為基本的輸入設備，實現對剛柔結構件的拾取和操作。如圖6所示是一個剛柔混合裝配仿真的實例。首先將復雜機電產品的結構件模型通過接口導入到系統中，在系統中建立線纜模型時需要考慮其本身的重力屬性，在裝配仿真過程中可以操作電連接器和線纜單元本身，在操作線纜的同時注意其最小彎曲半徑的限制，同時還將對線纜干涉進行檢測，如果發生干涉和最小彎曲半徑的限制則對其進行局部調整已達到不干涉狀態并順利的裝配其相應的位置，隨后對其線纜進行固定捆扎，將以上的裝配仿真過程可以輸出工藝文檔和裝配動畫以便于提高復雜機電產品的裝配質量。

4 結束語

復雜機電產品中，剛性結構件與柔性線纜存在大量的相互交叉裝配，線纜的裝配和調整一直是實際工程問題。本文主要結合了剛柔混合裝配的特點，提出剛柔混合裝配的總體思路，然后對剛柔混合裝配仿真等關鍵技術進行了闡述，并對彎曲半徑約束，自身重力屬性和溫度屬性進行了仿真實驗，在ICIDO系統中進行驗證，以便于對相關人員進行指導裝配，提高裝配效率，縮短裝配周期。

剛柔混合裝配工藝規劃一直也是實際工程中的難題，對剛性零件的裝配工藝規劃技術研究和其評估系統也相對比較完善，而對剛柔混合裝配工藝規劃的少之又少，很少有學者進行深入的研究，所以剛柔混合裝配工藝規劃和其評估系統將是我們下一步的研究重點方向。

圖6 裝配仿真實例

[1] 鐘掘.復雜機電系統耦合設計理論與方法[M].北京:機械工業出版社.2007.

[2] Ng F M.Virtual reality and computer-based tools for the routing of cable harnesses[D].Heriot-Watt University,Edinburgh, 1999.

[3] Ng F M, Ritchie J M,Simmons J E L.et al Designing cable harness assemblies in virtual environment[J].Journal of Materials Processing Technology,2000,107(1):37-43.

[4] Ritchie J M,Robinson G Day P N, et al Cable harness design, assembly and installation planning using immersive virtual reality[J].Virtual Reality, 2007,11(4):261-273.

[5] 魏發遠,王峰軍,陳新發.電纜虛擬布線及其逆運動學仿真[J].計算機輔助設計與圖形學報,2006,10(10):1623-1627.

[6] 魏發遠,王峰軍,陳新發.含有柔性線纜的復雜系統裝配仿真[J].工程設計學報,2007,14(1):25-30.

[7] 王金芳.基于Pro/E的線纜裝配規劃系統的研究與設計[D]. 南京:南京航空航天大學,2008.

[8] 王發麟,廖文和,郭宇,等.線纜虛擬裝配關鍵技術研究現狀及其發展[J].中國機械工程,2016,3(18):839-851.

[9] 寧汝新,鄭軼.虛擬裝配技術的研究進展及發展趨勢分析[J].中國機械工程,2005,16(15):1398-1404.

[10] 劉檢華,萬畢樂,寧汝新.虛擬環境下基于離散控制點的線纜裝配規劃技術[J].機械工程學報,2006,42(8):125-130.

[11] 劉檢華,萬畢樂,孫剛,等.線纜虛擬布線與敷設過程仿真技術[J].計算機集成制造系統,2012,18(4):787-795．

[12] 高紀開達,劉檢華,寧汝新,等.虛擬環境下線纜建模及裝配規劃技術的研究[J].系統仿真學報,2005,17(4):933-935．

[13] 劉佳順,劉檢華,王志斌,等.虛擬環境下復雜線纜的集成信息模型[J].計算機集成制造系統,2013,19(5):964-971.

[14] 萬畢樂,寧汝新,劉檢華,等.面向交叉裝配的線纜虛擬裝配規劃信息管理技術[J].中國機械工程,2008,19(7):793-797.

Research on assembly simulation technology of rigid-flex model in complex electromechanical products

GAO Yang, LIAO Wen-he, GUO Yu, WANG Fa-lin, SONG Qian

TP391

A

1009-0134(2016)12-0126-04

2016-09-19

國家自然科學基金（51575274）；國防基礎科研（A2620132010）；江蘇省研究生培養創新工程（KYLX_0311）；中央高校基本科研業務費專項資金

高揚（1992 -），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為剛柔混合裝配和線纜裝配仿真技術。