復雜機電產品剛柔混合裝配規劃系統體系結構研究*

王發麟，郭耀文，吉紅偉

（1.南昌航空大學 航空制造工程學院，江西 南昌330063；2.北京無線電測量研究所，北京100854）

引言

復雜機電產品（Complex Mechatronic Products）是由不同種類、數量繁多的剛性結構件、電子元器件、柔性線纜、管路、原輔材料組合成機械結構、電器設備、控制裝置、檢測裝置等若干部件，再由部件按照一定的裝配序列和裝配路徑裝配成一個復雜結構的裝配體，是涉及多學科、多領域、多因素具有復雜功能的一類產品，具有質量要求高、裝配周期長、制造成本高等特點[1，2]。因系統組成和制造過程復雜等特點，復雜機電產品的裝配性直接影響到產品整體的開發時間、成本和質量。產品的裝配設計和裝配規劃是復雜機電產品研發過程中的兩個重要步驟，這兩個階段的快速和有效操作，能夠顯著縮短產品研發的生命周期，提高裝配質量，降低裝配成本[3]。統計指出，在復雜機電產品的生產周期中，約有30%以上的工人直接或間接從事與產品裝配有關的活動，產品的裝配成本占整個生產成本的30～50%[4]。

剛性結構件、柔性線纜和管路是復雜機電產品中三類重要的組成部分。剛性結構件是整個產品的骨架，主要包括框、梁、肋、壁板結構等零部件，柔性線纜、管路及其他安裝輔助零件在相關約束條件下敷設在上述結構件上，共同構成產品裝配體。線纜是復雜機電產品系統中連接電氣元器件、電氣設備或控制裝置的電線、電纜和線束的總稱，線纜因屬于柔性體并存在捆扎、固定等特殊要求，連接器數量較多、布線空間狹窄、導線分布集中、布線操作比較困難。管路系統主要實現產品的運行、動作和控制等功能，工作介質多為氣體、液體等，產品的質量、可靠性和工作壽命直接受管路的合理布局設計、精確制作與可靠性施工的影響。通用電氣公司在對所研制發動機的空中停車事件進行歸納總結后發現，導致空中停車事件的真正原因中，50%是由于外部線纜、管路和傳感器損壞和失效引起的[5]。

圍繞剛柔混合裝配，北京理工大學劉檢華團隊做了相關的研究工作，如為提高航空航天等復雜產品的質量和可靠性，他們結合復雜產品中管路研制的工程實踐，提出了一種管路數字化布局設計、制造與檢測集成方法[6]；針對復雜機電產品中存在的剛性零件及大量具有復雜幾何形態和拓撲結構的柔性線纜的問題，該研究團隊提出了一種面向復雜機電產品的剛柔混合裝配過程仿真技術，以解決剛柔混合裝配過程信息缺少有效表達和管理的問題[7]。華中科技大學的劉翊[8]在產品分層分級的基礎上，實現了一種基于智能拆卸方法的裝配工藝規劃與驗證方案用于規劃剛柔混合產品的裝配工藝，該方法同時結合了智能算法的智能性和人的知識、經驗，使得最終生成的剛柔混合裝配工藝具有一定的優越性。

1 相關概念及研究現狀

1.1 剛性結構件

剛性結構件的一大主要特點是，零件在受到外力作用時，形狀的變化微乎其微，形狀相對固定。剛性結構件的物理屬性在產品裝配建模時可以忽略，由于自身剛性特點，在裝配規劃或裝配仿真過程中，對于諸如變形之類的物理規律不需要考慮。在裝配規劃時只考慮剛性結構件的裝配工藝，忽略變形的產品稱為多剛體產品。關于剛性結構件的相關研究，目前已經有大量文獻可供參考，在此不作敘述。

1.2 柔性零件

與剛性零件相反，柔性零件在裝配過程中受到外力作用時，其形狀很難保持固定，易發生大的變形，如纏繞、彎曲、扭轉等。為了保證裝配工藝的合理性和裝配仿真時的逼真性，這類零件在裝配建模和規劃時需要考慮其真實的物理屬性。本文中柔性零件主要指柔性線纜。線纜的主要作用是可靠地傳輸通訊信號，保證電氣設備之間的正常通訊，其重要程度相當于人體的神經。

1.3 管路零件

管路零件介于剛性零件和柔性零件兩者之間，在裝配過程中管路零件的形狀會發生一定的變形，但相對于線纜等柔性零件而言，其變形要小。管路的主要作用是穩定可靠地傳輸氣體、液體和電氣等工作介質，保證產品安全可靠地完成其功能。

1.4 剛柔混合裝配

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、管路等，工程實際中，機電產品的交叉裝配現象普遍存在。交叉裝配是指裝配過程中剛性結構件、柔性結構件（線纜）、管路之間進行穿插裝配，即在進行柔性零件（比如線纜）和管路的裝配后，繼續安裝其他剛性結構件，如此相互交叉裝配，最后線纜、管路和剛性結構件全部裝配完成[9]。

本文結合文獻[10]提出剛柔混合裝配的概念：復雜機電產品剛柔混合裝配是指在虛擬環境下利用計算機圖形學、虛擬現實技術、人工智能技術和仿真技術等，由產品結構設計師、布線設計師、電氣工程師、管路設計師、裝配工藝規劃師等人員對產品（包括剛性結構件、柔性線纜及管路等）的交叉裝配過程和裝配結果進行仿真與分析，檢查產品結構件的裝配狀態、電氣元器件的布局、線纜的敷設、管路的走向和布局、各導體之間的電氣間隙，檢驗、評價和預測產品結構、線纜和管路等的可裝配性，最終確定產品結構、線纜和管路的裝配順序、裝配路徑等工藝信息。

剛柔混合裝配規劃系統體系將剛性件、柔性線纜、管路等納入進行總體布局規劃，單一的對剛性件或柔性線纜、管路進行裝配工藝設計、走線路徑設計和管路的布管設計，往往會出現零部件間干涉、結構空間預留不足造成線纜和管路無法敷設、交叉裝配作業難以順利進行、返工現象較多，從而造成裝配周期延長，裝配效率下降，成本上升。剛柔混合裝配規劃系統體系從剛性結構件與柔性線纜、管路等的交叉裝配角度進行工藝規劃，在考慮結構空間的同時，確定零部件的裝配順序和裝配路徑，確定諸如從一側開始向另一側排布，從底層向外層與結構件交替排布等細節，獲取最優的混合裝配方案。基于剛柔混合裝配規劃系統體系的裝配模式，能夠提高產品的裝配效率和質量，避免或減少返工，降低成本。

本文結合工程實際情況，對柔性線纜和管路的特點進行了分析，介紹了剛柔混合裝配規劃系統業務流程和體系結構，對剛柔混合裝配規劃涉及到的內容和關鍵技術進行了梳理和分析，以期為開展復雜機電產品的剛柔混合裝配提供新的思路。

2 剛柔混合裝配規劃系統業務流程

剛柔混合裝配規劃系統業務流程如圖1 所示。整個業務流程分成3 個階段：系統輸入、系統處理和系統輸出。

2.1 階段Ⅰ：系統輸入

進行剛柔混合裝配工作需要準備基本的三大輸入部分：剛性件、柔性線纜以及管路。其中剛性件主要包括剛性零件庫、剛性部件庫、工裝夾具庫等，在約束方面則需要滿足產品可靠性能要求、產品可維修性要求、產品整機壽命要求，產品功能要求。對于柔性線纜方面，應準備線纜的接插件型號庫、線纜材料庫、線卡庫等，線纜因為具有拓撲結構特征，所以其連接關系信息、線纜的拓撲結構信息、線纜的基本屬性信息、線纜附件信息等是系統輸入必不可少的部分，同時系統布線應含有相應的知識和規則庫，如電氣系統連接圖、布線規范、接線表等。管路零件的裝配則包括管路接插件庫、管路材料庫、管路附件庫等，相應的知識和規則庫包括管路連接原理圖、管路敷設規范、管路物理信息等。

2.2 階段Ⅱ：系統處理

系統處理是整個系統運行的核心部分，在前一階段（系統輸入）的基礎上，對整個裝配作業進行剛柔混合裝配設計、剛柔混合裝配工藝規劃和剛柔混合裝配過程仿真。剛柔混合裝配設計完成后得到剛柔混合裝配設計結果，基于設計結果進行剛柔混合裝配工藝規劃（主要進行裝配序列規劃和裝配路徑規劃，裝配序列規劃和裝配路徑規劃全程圍繞剛性件、柔性線纜以及管路零件進行）；為了采用所得到的剛柔混合裝配工藝對裝配設計結果進行驗證，需執行剛柔混合裝配過程仿真操作，以驗證和檢查前段設計和工藝規劃的優劣。剛柔混合裝配設計、裝配工藝規劃、裝配過程仿真3 個部分其各自完成的主要內容為：（1）剛性結構件的裝配設計，主要利用三維設計軟件（如Pro/E、UG、CATIA、開目3DAST、開目3DCAPP-A、山大華天CAPP-WIT-CAPP、思普CAPP-SIPM/CAPP 等）對剛性結構件進行裝配設計；柔性線纜零件的布線設計主要完成對線纜的分支結構位置、空間走向、端接出線方式、線束的捆扎、固定方案的確定；布管設計則主要是對管路的外形走向、彎曲位置、排列固定位置、管接頭連接方式等進行設計。（2）剛性結構件的裝配工藝規劃完成在三維環境中的裝配順序規劃和裝配路徑規劃操作；布線工藝規劃主要完成對線纜的裝配順序、線纜的裝配路徑、工具使用方案、線纜的捆扎固定等進行確定；布管工藝規劃則是對管路的裝配順序、裝配路徑、工具使用方案、管路的支撐固定等進行確定。（3）裝配過程仿真對于剛性件主要驗證零件的裝配順序和裝配路徑是否可行，并檢測干涉狀況；對于柔性線纜，驗證線纜的長度是否合適，走線路徑是否合理，檢查線纜的可裝配性、工具的可達性和可操作性等；對于管路零件，驗證其可裝配性等。

圖1 剛柔混合裝配規劃系統業務流程

2.3 階段Ⅲ：系統輸出

系統輸出的主要內容包括材料清單（剛性零部件材料清單、線纜材料清單、管路材料清單、線纜管路輔助材料清單）、三維模型（剛性結構件三維模型、線纜三維模型、管路三維模型、輔助工裝夾具三維模型）、二維工程圖（線纜平面分支圖、線纜二維釘板圖、管路平面分支圖、管路二維釘板圖）、混合裝配規劃結果文件及動畫（布線/布管結果文件、混合裝配過程動畫、混合裝配序列文件、混合裝配路徑文件），同時完成線纜的制作和管路的制作。

3 剛柔混合裝配規劃系統體系結構

剛柔混合裝配規劃系統體系結構如圖2 所示，總共包含6 層：系統/網絡管理層、數據服務層Ⅰ、數據服務層Ⅱ、支撐技術層、邏輯功能層和用戶層。

3.1 系統/網絡管理層

系統/網絡管理層是支撐整個裝配規劃系統的軟硬件環境和系統運行過程中對數據的存儲管理，包括計算機硬件、操作系統（windows 系列等）、產品數據管理集成平臺（Windchill、Teamcenter 等）/網絡（Internet、Intranet）。

3.2 數據服務層Ⅰ

該層主要提供用于混合裝配的待裝配零件及其庫：（1）待裝剛性結構件，如剛性零件庫、剛性部件庫、知識/規則庫、工具庫、夾具庫、吊具庫，以及各種產品要求（產品整機功能要求、產品可靠性能要求、產品可維修性要求、產品整機壽命要求、產品操作使用要求、產品技術性能要求等）；（2）待裝線纜零件，如線纜接頭庫、線纜卡箍庫、輔助材料庫、電氣原理圖、線束分叉圖、布線規范庫、布線工具庫、布線夾具庫、知識/規則庫，以及線纜的裝配要求（線纜布局設計要求、線纜敷設工藝要求、線纜機械性能要求、線纜電氣性能要求、可維修及檢測要求、整體美觀性要求等）；（3）待裝管路零件，如管路接插件庫、導管零件庫、輔助材料庫、管路連接邏輯圖、接頭零件庫、焊接工具庫、布管工具庫、布管夾具庫、知識/規則庫，以及管路的裝配要求（管路可裝配性要求、管路穩定性要求、管路可維修性要求、管路流阻損失要求、導管成本要求、工程美學要求等）。

3.3 數據服務層Ⅱ

圖2 剛柔混合裝配規劃系統體系結構

該層主要為系統提供各種裝配所需的數據源，結構信息包含結構件幾何屬性、工程設計屬性、物理屬性、定位約束信息、零部件層次關系等；線纜信息包含線纜名稱、線纜代號、接口位置、接口方向、線纜最小折彎半徑、線纜重量、線纜密度、抗彎特性、抗拉特性、電氣組件信息、技術要求等；管路信息則包含導管幾何信息、導管材料信息、導管功能信息、導管連接信息、導管拓撲關系信息、接頭種類、連接形式、導管流通介質信息、振動特性信息、技術要求等；對于結構件、線纜、管路，三者的混合裝配需要裝配產品信息、裝配工藝信息和裝配資源信息的輔助。

3.4 支撐技術層

支撐技術層是整個剛柔混合裝配規劃系統的核心層，是順利開展剛性結構件、柔性線纜和導管混合裝配所需要解決的關鍵技術，具體包括：（1）線纜布局設計方面，需要解決線纜三維路徑規劃、線纜拓撲結構建立、線纜物理特性建模與仿真、線纜碰撞干涉檢測、線纜敷設質量評估、人因工程分析、布線工藝數據庫建立等；（2）管路布局設計方面，需要解決管路三維路徑規劃、管路拓撲結構建立、管路數字化檢測、管路碰撞干涉檢測、布管質量評估、人因工程分析、布管工藝數據庫建立等；基于上述線纜布局設計和管路布局設計相關關鍵技術的突破，結合現有剛性結構件的裝配技術，開展混合裝配工藝規劃，具體圍繞混合裝配序列規劃、混合裝配路徑規劃、裝配力和裝配變形分析、裝配工裝的使用和管理、混合裝配過程的人因工程分析、混合裝配過程和裝配零部件的協調、電氣連接件的插接、管接頭裝配工藝設計等。

3.5 邏輯功能層

邏輯功能層主要完成混合裝配工藝規劃后的相關處理和裝配操作。混合裝配工藝規劃完成后需要先進行一些后處理，如生成剛柔混合裝配序列、裝配路徑和裝配動畫，輸出工藝規劃結果，管理工藝規劃數據；線纜標識制作設備包括導線印字機、線纜標識套打印機、插接件激光定位儀、線纜捆扎圖板、線纜制造專用工具、3D 線纜捆扎型架、2D 線纜捆扎型架；導管彎曲工藝規程實現彎曲工藝性審查、彎曲工藝參數計算、彎曲工藝參數優化、彎曲工藝規程輸出、管路接頭焊接形式確定、導管模胎設計等；針對柔性線纜和管路，由于其特殊性，還需要對其進行相應的檢測操作。線纜在線檢測系統可以完成電纜導通測試、電阻電容測試、斷路器測試、絕緣和耐壓測試等任務，管路數字化檢測則完成導管組件實物測量、管路三維重構、模型對比分析、管路彎曲校正、檢測分析報告生成等內容。待上述所有工作完成后，即可進行混合裝配操作，通過CAD 數據導入接口導入相關的三維數模，在混合裝配工藝文件的基礎上進行管路接頭快速插裝、線纜接頭快速插裝、零部件選擇裝配等。

3.6 用戶層

該層主要面向不同的工作人員，如機械設計工程師、電氣設計工程師、工藝設計工程師、布線和布管設計工程師、檢測人員、制造人員以及現場施工人員。

4 原型系統開發

圖3～圖5 為基于本文提出的系統業務流程和體系結構所實現的部分裝配工藝規劃功能模塊，管路等的內容將在后續不斷補充和完善。需要說明的是，剛柔混合裝配需要重點解決的一塊內容就是線纜的裝配工藝規劃問題。復雜機電產品線纜的裝配以往需要專人根據線纜號查表獲得對應的連接器上的孔號，另外還需要專人根據孔號在連接器上找到這個孔，并完成插入，同時負責檢查的工作人員需要時刻在旁邊檢查整個過程，確保正確無誤。整個流程極其精細易錯，耗時耗力，并且任何一個微小的偏差都可能造成無法想象的后果。本文開發出的線纜布線點位對應關系自動提取功能模塊（如圖3 所示）能夠快速的找到線纜端點與電連接器接口位置之間的對應關系，從而提升整機線纜的布線效率。

圖4 中的線纜分組原理為：當任意兩根線纜所有對應的起始端和終止端都相同時，則該兩根線纜為同一組線纜。當點擊“線纜分組”按鈕后，系統會彈出一個提示框顯示“分組成功”，此時系統已對線纜信息完成分組。在列表中，組名都為“1”時，表示這些線纜為第一組線，組名都為“2”時，表示這些線纜為第二組線，以此類推。

圖5 為線纜工藝視圖創建和激活。當選擇工藝視圖列表中任意一個視圖后，點擊“激活工藝視圖”按鈕，線纜敷設序列規劃系統會激活當前所選擇的工藝視圖。

圖3 線纜敷設序列規劃系統功能模塊

圖4 線纜分組

5 結束語

圖5 線纜工藝視圖創建和激活

復雜機電產品在系統組成、研制過程等方面都比一般的產品要復雜得多，尤其在進行裝配生產時，大量剛性結構件、柔性線纜以及管路的混合組裝使得安裝空間錯綜復雜，這種復雜的裝配操作直接影響此類產品的裝配時間、成本和質量。本文對柔性線纜和管路的特點進行了分析，提出了剛柔混合裝配的概念，從系統功能結構、技術體系、實施策略等方面重點介紹了面向復雜機電產品的剛柔混合裝配規劃系統業務流程和體系結構，以期為現場工程人員提供新的思路。