基于IC.IDO的柴油機裝配仿真應用研究

梁國祥 陳建軍 曹美文 李玉 康毅 曹艷

摘要：本文介紹了IC.IDO軟件的特點，研究了用IC.IDO軟件實現柴油機虛擬裝配的方法與原理，采用三維CAD軟件和IC.IDO軟件實現了柴油機的虛擬裝配，并結合三維可視化沉浸系統實現了柴油機三維結構觀察和交互，使得設計和工藝人員在實物裝配前，可以對柴油機的空間結構有直觀的認識，并且檢查柴油機零部件之間的干涉情況，獲得最優的裝配方案。

關鍵詞：柴油機;虛擬裝配;仿真應用

0? 引言

虛擬裝配技術是一種依托于計算機系統的仿真技術，在實際應用中主要通過三維建模以及工藝資源信息得到針對各類工藝要素的設計和模擬，具體的要素內容包括了制造環境、產品結構、工裝狀態、設備狀態和工藝流程的可視化設計與模擬，裝配工作還可完成對先進技術手段的評估和優化，我國目前的柴油機裝配制造中，這項技術還處在應用的起步階段，只有少數企業能夠實現數字化演示和展示的效果。但從宏觀上來說，整體級的三維虛擬仿真工程目前并沒有公開報道。另外，從科學研究的角度來說，部分專項檢測項目在開展檢測工作時，也需要應用工藝復雜性更高的設備完成對工裝功能的評估和檢測。

IC.IDO是法國ESI集團為用戶提供的虛擬虛擬現實解決方案和可視化設計制造決策平臺（VDP），VDP虛擬現實技術兼具協同可視化和沉浸式交互兩大核心技術，主要特征是功能完整性高、多線程技術的兼容效果好、海量數據模型的支持能力強、異構數據類型的整合能力以及柔性分析能力強。工程建設的主要模塊包括了IDO：Package對象包模塊、IDO：Ergonomics人機工程模塊、IDO：Behave部件行為活動模塊等主要模塊。從這些功能模塊特點上來看，這一平臺可完成生產系統的規劃設計工作、工藝布局的模型建立和仿真操作、生產過程中的動作仿真以及生產工藝的流程仿真幾方面工作。

總的來講，裝配工藝在準備階段的具體工作中，需要依托專業軟件平臺將裝配過程通過三維虛擬的仿真技術進行展現。這種模式對于提升工藝設計的便捷性、規避工藝設計中的風險有重要的作用。本文以柴油機機械設備為背景，探討虛擬裝配仿真技術的科學應用方法，主要需要建立的模型類型包括了零部件模型、裝配體模型、裝配體的預處理以及轉換虛擬裝配。

1? 虛擬仿真技術方案分析

關于柴油機的裝配工作開展，三維模擬仿真技術實施需要經過以下幾個基本流程。

1.1 數據模型的準備階段

這一階段的主要工作是對柴油機裝配工藝的主要內容、設備類型和工裝清單機型整理和收集，并且同步將柴油機的零部件清單進行整理規劃，此三項內容是進一步建立三維模型的基礎準備階段。

1.2 裝配線工藝布局建模

裝配線的工藝布局建模過程對建模環境有嚴格的要求，要求建模過程的完成要處在3D虛擬的環境下，并按照系統工藝流程規范設置緩沖區、工位區。根據預定生產的基本綱領要求在不同的緩沖區與工位區區域完成零部件模型的擺放。按照預期的物料配送方案對物流輸送路線進行規劃。

1.3 裝配動作設置與仿真過程

關于裝配動作的設置與仿真過程，是在建立裝配線工藝布局模型的基礎上，按照不同的裝配工藝要求完成不同工序的動作操作。具體的動作類型包括了人工動作、工裝動作等，動作的過程主要包括了運動順序的調整和運動位置的變化，另外還包括運動的實踐指標與速度指標的變化。

1.4 結果分析與工藝改進過程

關于仿真結果的分析過程，主要是針對工藝布局的合理性對車間內部的面積指標、緩沖區與容器的容積利用率指標以及物料運輸路徑的合理性指標等結合實際需求進行優化和改進。

2? 基于ESI-IC.IDO的柴油機裝配虛擬仿真分析

2.1 基于CAD的整機三維數據模型導入

首先，在CAD軟件中建立柴油機零部件模型，裝配虛擬仿真前需要將整機、系統及零部件的CAD模型導入VDP軟件中，運用虛擬顯示系統以及CAD異構系統完成通信并實現CAD數據的導入和整合。確保模型文件從CAD環境數據實現到虛擬環境數據的導入。其中柴油機曲柄連桿機構裝配模型如圖1所示。

2.2 針對虛擬場景模型的渲染

從現階段的實際出發觀察，虛擬現實環境中的模型渲染功能效果主要是純色渲染，基于提高模型的逼真程度的目標，大部分仿真軟件都是通過圖片的形式完成渲染的，在輕量化限時模式的背景下，圖片發的添加方式和參數調節方式存在差異。渲染后的圖形效果如圖2所示。

2.3 虛擬環境交互裝配模式的順序評估與優化

沉浸式的虛擬現實環境具有直觀性強的典型特征，在具體的裝配操作環節，需要逐個按照順序完成零部件的裝配操作，并分析不同裝配操作的難度和使用性能。實現分析結果與裝配順序的合理規劃和結合，以求取得最佳的裝配順序。避免產品出現錯裝和漏裝的現象。沉浸式虛擬環境交互式裝配順序規劃流程如圖3所示。

2.4 虛擬裝配干涉檢查及路徑優化

裝配路徑的規劃工作開展是指以安裝零部件的過程中，從位置到產品的行走軌跡都進行合理規劃。在裝配仿真的過程中，應當選擇被撞的零部件，完成零部件起止點的精確定位。實現移動過程中針對零部件的干涉和檢查，對初始裝配路徑進行驗證和優化，確保優化后的路徑不存在干涉與碰撞問題。通過賦予對象可碰撞和動態屬性，便可進行實時運動干涉檢查。設置界面如圖4所示。

2.5 裝配過程人機工效分析

通過對人體模型工廠化定制，人體模型快速定義和人體模型物理學動作姿態等人機工程開展研究，評價并優化現場操作人員裝配過程的可視化、可達性和舒適性，針對柴油機裝配過程中涉及的人機因素（如裝配所需時間、裝配操作的舒適程度和安全性），以虛擬環境下人體模型模擬操作為依據，驗證并分析裝配空間、工具和裝配行為對操作人員強度的影響，從而涉及出最優裝配工位，為實際操作提供指導。如圖5所示。

3? 結束語

綜合來講，在本文的分析和研究中，針對具體的裝配工藝流程進行了按步驟的仿真分析。具體分析內容包括了新產品組裝工作開展前的具體裝配工藝規劃和分析、可裝配性驗證、裝配過程演示、裝配操作培訓與指導等完整解決方案，可縮短生產周期、降低生產成本、減少返工、報廢量，提高裝配質量，同時，可獲得部分工藝參數，為后期批量生產提供參考，將產生明顯的直接經濟效益。

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