虛擬裝配技術(shù)在起重機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用

張晉強(qiáng)， 張娟玲

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

大噸位的橋式起重機(jī)（如鋼廠、水電站用的起重機(jī)）一般是單臺(tái)或小批量訂貨的產(chǎn)品，每臺(tái)起重機(jī)的生產(chǎn)圖紙都需要根據(jù)用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)周期比較短，且只采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，沒(méi)有三維數(shù)字化裝配驗(yàn)證和實(shí)際的裝配仿真，往往在實(shí)際產(chǎn)品安裝階段，經(jīng)常會(huì)發(fā)生零部件的干涉、電纜長(zhǎng)度的富余或不夠、安裝不方便等問(wèn)題，而且許多零部件在制造階段產(chǎn)生的質(zhì)量隱患只有在實(shí)際的裝配過(guò)程中才顯現(xiàn)出來(lái)。如果這些問(wèn)題到現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)才暴露出來(lái)，將導(dǎo)致產(chǎn)品的安裝周期長(zhǎng)、安裝費(fèi)用高，無(wú)形中增加著產(chǎn)品的制造成本，并給用戶造成不好的影響。

虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)有效地解決這類問(wèn)題提供了可能。通過(guò)虛擬裝配技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)營(yíng)造的虛擬制造環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品三維模型的預(yù)裝配，發(fā)現(xiàn)不合理之處并修改，在虛擬整機(jī)上模擬液壓管路和電氣走線的布置，使工程師能夠選擇合理的方案和最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)。運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可裝配性和經(jīng)濟(jì)性，提高產(chǎn)品的一次裝配成功率，降低產(chǎn)品的安裝費(fèi)用。

1 虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配技術(shù)是20世紀(jì)80年代提出來(lái)的概念，它是指在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行預(yù)裝配，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下，通過(guò)分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性和經(jīng)濟(jì)性，以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最優(yōu)化，生產(chǎn)效率的最高化[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品的裝配費(fèi)用占整個(gè)生產(chǎn)成本30%～50%乃至更高，因此對(duì)產(chǎn)品裝配進(jìn)行模擬，盡早解決存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題，以縮短制造周期、降低成本為目標(biāo)的改進(jìn)和再規(guī)劃，是增強(qiáng)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要環(huán)節(jié)。

由于橋式起重機(jī)是單件、小批量訂貨的產(chǎn)品，且設(shè)計(jì)周期比較短，所以如何快速實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的虛擬裝配最為關(guān)鍵。本文對(duì)各種起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)模塊的劃分原則將起重機(jī)劃分成功能和結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的子模塊，然后建立各個(gè)模塊的三維模板庫(kù)。進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，利用模板通過(guò)變型設(shè)計(jì)建立子模塊的產(chǎn)品三維模型，最后通過(guò)定義不同模塊之間的約束關(guān)系、裝配序列及裝配路徑，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維模型的虛擬裝配。

2 三維產(chǎn)品模型的虛擬裝配

2.1 子模塊模板的建立

根據(jù)橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能特點(diǎn)以及零部件之間的約束關(guān)系把其劃分為多個(gè)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)獨(dú)立的子模塊。劃分時(shí)應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的完整性、功能的獨(dú)立性以及裝配的工藝性，以便于模塊的設(shè)計(jì)、制造和裝配。如下頁(yè)圖1所示為橋式起重機(jī)的模塊劃分關(guān)系圖，根據(jù)模塊劃分原則，橋式起重機(jī)分為橋架、小車、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、吊具、附屬結(jié)構(gòu)等模塊，每個(gè)模塊又包含有幾種不同的結(jié)構(gòu)類型，如橋架模塊包括有雙梁結(jié)構(gòu)、四梁結(jié)構(gòu)、剛性結(jié)構(gòu)、鉸接結(jié)構(gòu)等。利用三維軟件建立各子模塊所有結(jié)構(gòu)類型的三維模型作為模板，建模時(shí)要保證模塊接口的一致性。

圖1 橋式起重機(jī)的模塊劃分關(guān)系圖

所謂模塊接口是指有相互結(jié)合關(guān)系的模塊在結(jié)合部位存在的具有一定幾何形狀、尺寸和精度的邊界結(jié)合表面[2]。模塊接口要具有互換性和兼容性，各個(gè)模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口可以拼裝成不同的起重機(jī)產(chǎn)品。所以建模時(shí)要根據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出共性特征，合理地選擇模型的基準(zhǔn)點(diǎn)、坐標(biāo)系及主參數(shù)，以便于子裝配的組裝。

2.2 產(chǎn)品三維模型的預(yù)裝配

預(yù)裝配是指將子模塊的產(chǎn)品三維模型按照一定的約束關(guān)系和裝配順序組裝成起重機(jī)產(chǎn)品三維模型，以便及早發(fā)現(xiàn)裝配中存在的干涉問(wèn)題，及時(shí)對(duì)零部件進(jìn)行修改。其主要目的是以最短的時(shí)間、最小的人力物力和最少的資金進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，最終指導(dǎo)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)安裝。其中子模塊的產(chǎn)品三維模型是以子模塊模板為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用變型設(shè)計(jì)的方法建立的。

所謂變型設(shè)計(jì)是指將結(jié)構(gòu)形式相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)品或部件，對(duì)其三維模型的尺寸和空間位置關(guān)系用一組參數(shù)約束，當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列時(shí)，就可以驅(qū)動(dòng)典型的三維模型生成滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品模型[3]。變型設(shè)計(jì)不僅包括三維模型尺寸的參數(shù)化，而且還包括幾何相似零件的局部結(jié)構(gòu)變型。其實(shí)現(xiàn)方法是將子模塊接口中的主參數(shù)定義為驅(qū)動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)布局草圖、方程式控制零部件之間的空間位置關(guān)系和尺寸關(guān)系。當(dāng)主參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求被賦予序列后，就可以生成滿足設(shè)計(jì)要求的子模塊產(chǎn)品三維模型。采用變型設(shè)計(jì)生成子模塊的產(chǎn)品三維模型，可以極大地提高產(chǎn)品三維模型的建模效率，縮短設(shè)計(jì)周期。

2.3 液壓管路布置和電氣布線

傳統(tǒng)的液壓管路布置和電氣布線都是在二維圖紙上進(jìn)行的，要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)起重機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸，合理地布置液壓元件和電氣元件，并計(jì)算出液壓管路和電纜的長(zhǎng)度。如圖2所示為二維圖紙上進(jìn)行管路設(shè)計(jì)。由于二維圖紙缺乏直觀性，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算液壓管路和電纜的長(zhǎng)度時(shí)，難免考慮不周出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果到安裝現(xiàn)場(chǎng)時(shí)才發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，處理費(fèi)用會(huì)很高。采用虛擬裝配技術(shù)，在產(chǎn)品三維模型上利用三維軟件的管路功能，直觀地模擬管路和電纜的布置情況，精確測(cè)量出其長(zhǎng)度，把一切可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤盡可能及早發(fā)現(xiàn)，以降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，如圖3所示。

圖2 二維圖紙上進(jìn)行管路設(shè)計(jì)

圖3 三維模型上進(jìn)行管路設(shè)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬裝配技術(shù)是一個(gè)處于發(fā)展中的極具應(yīng)用潛力的新技術(shù)，它充分利用數(shù)字化研制技術(shù)真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程，檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行預(yù)裝配和布線，盡早發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題并進(jìn)行修改，有助于降低產(chǎn)品制造成本，縮短產(chǎn)品制造周期。它是現(xiàn)代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。

[1]劉國(guó)華，姚英學(xué).虛擬裝配技術(shù)[J].機(jī)械制造，2006（8）：65-67.

[2]喬慧麗.門式起重機(jī)三維參數(shù)化及模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2005.

[3]葉永偉，楊慶華，厲淦，等.基于特征技術(shù)的變型設(shè)計(jì)與產(chǎn)品裝配建模[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（13）：192-194.