虛擬環境下的管路裝配仿真系統關鍵技術研究

摘 ?要：管路系統在工業生產當中應用非常廣泛，管路系統設計和應用非常重要，網絡布局具有數據繁瑣和復雜的特點，如果采用實際裝配的方式進行研究和應用工作量比較大，而計算機技術的快速發展為其提供了虛擬環境之下的管路模擬裝配方法，通過這種方法可以為管路裝配研究及應用提供準確的依據。本文根據現有研究資料結合自身在管路虛擬裝配當中的一些經驗，在研究當中針對管路虛擬裝配系統流程進行了分析，介紹了傳統手工方法與計算機輔助方法之間的差異，在此基礎上闡述了虛擬裝配的基本流程，以及管路虛擬裝備中的一些關鍵技術，并針對管路系統信息管理提出了一些建議。通過研究，希望能夠對管路虛擬裝配提供一些幫助和啟示。

關鍵詞：管路系統;虛擬裝配;應用;仿真

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

管路系統是工業生產當中的一項重要技術，這種技術的應用行業非常廣泛，尤其是在機械制造等領域。管路系統以氣體或液體作為工作介質，實現機電產品的運行控制等基本功能。管路系統設計是否能夠滿足這些領域相關產品的研發及生產需要，會對產品質量及相關系統運行的穩定性產生極大的負面影響。管路裝配主要分為兩種形式，也就是手工裝配和虛擬裝配，前者是在計算機模擬技術出現之前的一種裝配方式，這種行為方式需要實際動手裝配，確定管路系統設計是否科學合理，是否能夠滿足設計的需要，所以種管路裝配技術效率要求比較高，對研發及生產工作的制約非常明顯[1]。計算機輔助設計技術出現以后，利用計算機技術進行輔助管路裝配已經成為一種趨勢，類似的研究成果也不斷增多，在推動管路虛擬裝配等方面發揮了非常重要的作用。

1 管路虛擬裝配系統流程分析

1.1 手工裝配與計算機輔助設計分析

傳統的手工方法管路裝配是指先設計管路連接原理圖，根據設計的原意圖由設計人員根據自己的安裝經驗進行管路敷設，通過管路運行來確定管路布局與設計的科學性和合理性。從其技術實現過程來看，整個實現過程相對比較緩慢，實現過程中的影響因素比較多，管線裝配效率比較低，在裝配的過程中可能會出現大量的返工。計算機輔助管路設計裝配，是指在網絡設計和裝配工作當中，使用計算機輔助軟件進行設計和裝配分析，其中CAD技術和計算機仿真技術是計算機輔助設計及模擬裝配的關鍵。當然，無論是計算機輔助設計還是模擬裝配都需要以管路連接原理圖為基礎進行，而管路連接原理圖也可以在計算機上進行設計改動和完善。當然，單純的應用CAD技術在實踐當中也存在著很多缺陷，雖然可以進一步明確設計思路，但是采用的管路模型數據量比較大，在設計過程中的布局受局限性比較明顯，所以單純使用CAD軟件也無法滿足設計和虛擬裝備的要求。在這種情況下，計算機仿真軟件出現以后，通過計算機仿真軟件在CAD設計的基礎上進行仿真實驗，這樣可以更加客觀全面地了解管路敷設的合理性。

1.2 管路虛擬裝配工作流程分析

管路虛擬裝配工作流程與人工裝配流程實際上是基本一致的，但是因為這兩種裝配方法所使用的裝配技術和工具不一樣，在裝配流程上略有差異。在虛擬環境搭建的前提和基礎上，技術人員需要借助于虛擬仿真系統以管路連接原理圖為基礎，將管路系統布局、裝配仿真和輸出工藝文件集合起來，形成一個科學完善的解決方案。當然，在科技水平日益發達的今天，管路虛擬裝配工作都是在產品其他結構零件裝配完成以后進行的，而其他零件裝配完成以后，在模擬仿真當中需要將其數字化和數據化，在此基礎上建立一個數字化模型，在給定的數字化模型條件之下再進行管路的虛擬裝配，其涵蓋的流程比較多，包括導入基本零件模型并裝配、確定要布局的導管、計劃布局的導管位姿等流程，完成以后還需要進行繼續布局，利用仿真軟件分析裝配結果是否達到預期的目標，如果未能達到預期的目標，則需要對布局結果進行進一步的修改和完善[2]。另外，如果最終完成布局，還需要將布局好的導管作為帶狀零件進行裝配實驗，驗證這些零件的可裝配性，在這一過程中可能出現無法裝配的部分，對于此部分還需要進行重新布局設計，一直到管路虛擬裝配完全合格以后才能結束。

2 管路虛擬裝配的關鍵技術分析

2.1 建立管路系統數字化模型

要想實現管路虛擬裝配的目標，關鍵是要建立管路系統數字化模型，通過數字化模型的建立為管路虛擬裝配仿真奠定良好的基礎。數字化模型的構建主要包括管路附件的建模和導管的建模兩部分。在管路附件的建模當中，一般使用CAD軟件根據設定好的參數進行，然后使用專門的接口程序，將CAD文件轉化為sat文件，在導入到專門的仿真系統當中即可。相對于管路附件的建模，導管的建模相對比較復雜，需要首先解導管的布局問題，在此基礎上生成導管幾何模型。具體的建立過程如下。第一，在建立導管結合模型的同時，還應該包括導管的裝配信息、管理信息等內容，從虛擬裝配的角度來講，導管模型的數據量越小，越容易實現虛擬裝配的目標，所以要盡量控制模型的數據量，在此基礎上實現交互布局的目標，在這一過程中可以采用控制點和圓弧離合的方式來表達幾何模型，可以先屏蔽導管屬性等物理信息，這樣可以達到減少導管模型數據量的目的。第二，由于導管模型的橫截面相對不變，所以可以通過圓環面掃掠的方法來實現建模目標，然后在虛擬仿真系統當中生成具體的導管模型。第三，在虛擬裝配當中，導管的布局是確定形狀未知信息的關鍵環節，所以在布局的時候不需要使用具體的實體模型，只需要在虛擬仿真軟件當中載入象征logo位置的等價實心多元主體的曲面模型即可，這樣可以極大的提高布局的效率，在確定空間位置以后，然后再導入實體模型，這樣工作的效率會大為提升。

2.2 管路布局方式

管路布局的關鍵是要建立一個與實際管路裝配非常類似的工作環境，在這一過程中要采用虛擬仿真方法構建環境，需要將現實當中的環境載入到虛擬仿真系統當中，然后在設定的環境當中進行管路布局操作，一直到管路布局達到設計目標和要求。從實踐來看，實現這一過程基本上都是采用控制點和圓弧離合的導管建模方法，而管路布局設計主要是通過導管控制點的生成與布置來實現，在這一過程中成型的導管模型可以用P來表示，其具體的模型構成為：

在上述公式當中，P表示導管外徑，r表示默認彎曲半徑，t表示導管壁厚。其中，導管的控制點 。 是具體的控制點。現在所使用的虛擬仿真軟件多支持交互布局的功能，交互布局在于設計的便捷性，可以通過鼠標拖動或者是鍵盤輸入的方式隨時隨地的改變高管的位置和形態，整個設計過程非常直觀，并且還能呈現立體化的效果。但是，使用虛擬仿真軟件進行交互布局的過程中，還需要先確定初始位置，確定初始位置需要通過造型矩陣M1來確定，然后再輸入控制量的造型矩陣M2，最后再計算出控制點的造型矩陣M3。但是在具體設計工作當中，導管的布局不需要確定導管兩端連接的附件位置，因為在虛擬模擬的過程中可以通過改變導管位置的方式來進行連接，所以在設計的過程中，只需要將其按照普通導管或者是懸置導管進行設計即可。普通導管布局設計，是建立在已經確定兩端連接附件未知的前提之下，這種情況下實際上既然解決了兩端的連接問題，然后再對導管的位置進行設計。懸置導管布局則是尚未確定連接附件位置的情況下所進行的設計，或者是只確定一端連接附件的位置。所以，在實際布局設計當中不需要先確認導管兩端連接附件的位置。

2.3 導管布局后置處理

在導管布局設計完成以后，還需要在虛擬環境下驗證導管的可裝配性，這是導管系列裝配的關鍵環節，這一環節是否能夠成功直接決定了導管虛擬裝配目標是否實現，因為很多導管布局設計以后如果不進行虛擬裝配，很可能會出現干涉而導致無法順利裝配的情況出現。在虛擬裝配的過程中，先要將布局好的導管以及尚未確定位姿的管路附件拆卸到工作臺上，然后在虛擬環境下，按照設計的裝配順序進行裝配，如果順利裝配則說明管路布局相對比較合理，如果未能順利完成裝配，則需要借助于系統提供的反饋數據分析產生的原因，一般情況下都是布局不合理導致的，或者是導管位置設計不當導致的，不管是哪一種原因，都要重新回到上一個工作流程當中，繼續對管路布局進行優化設計，直到在虛擬環境下順利完成裝配即可。將完成好的導管裝配結果保存為sat文件，然后將該文件導入到虛擬環境當中，此時需要記錄導管布局式的位置，一般情況下將其保存為XML以便于能夠隨時讀取。另外在該文件當中還需要記錄與導管，虛擬裝備相關的其他信息，這些信息并沒有體現在裝配的虛擬環境進行，包括材料、物理性能，傳輸的流體特性等等。

2.4 管路虛擬裝配過程仿真技術

管路布局只是解決了管路的連接功能及空間問題，對于實際裝配過程中可能發生的干涉問題并沒有解決，在裝配驗證的過程中，可以發現是否存在干涉。但是，簡單的裝配驗證可能存在一定的不足，在這種情況下，有必要在完成導管布局設計以后，對整個導管裝配過程進行訪問。將導管零件文件導入系統以后，打開前面的XML文件，將其中記錄的導管位姿等相關數據，導入到系統當中進行裝配操作。在這一過程中關鍵是要進行碰撞干涉檢測，因為導管的形狀是多種多樣的，不規則性導管在裝配的過程中可能會發生碰撞阻塞，導致流體在導管內的運行受阻。在具體的檢測當中，一般使用基于包絡盒的方式進行。在具體操作過程中，先根據導管位置數據使用虛擬仿真軟件，將其位移到待裝配位置附近，然后根據文件中記錄的位置約束和設計好的導管裝配程序完成裝配，在裝配過程中，如果發現了裝配干涉問題，以控制點的位置信息確認問題位置及其對應的導管，然后再對該導管的位置和形態形態進行修改，這是一個反復進行的過程，也是虛擬裝配過程中耗時可能比較長的一個環節，通過反復進行才能確保導管在虛擬環境下順利完成裝配。完成裝配以后，需要完整的記錄管路附件零件裝配信息，并與管路信息同時記錄在報表文件當中，最大程度確保報表文件的完整性。

2.5 管理虛擬裝配仿真系統的要求

伴隨著技術的發展和進步，專門用于管路區域裝配的仿真系統越來越多，其中主要是以虛擬裝配系統為主。這種系統可以更好的滿足管路虛擬裝備的要求。在使用這種系統的過程中，一般情況下先要對管路系統布局和裝配模塊進行數據化處理，在最基礎上將相關數據導入機體零件和管路附件零件，然后使用虛擬裝配系統進行網絡布局操作即可，現在所使用的虛擬裝配系統的功能非常強，可以根據設計的目標進行自動布局，也可以通過控制點布局和導管多少布局等不同的布局方式，來解決導管布局的細節問題，完成布局設計以后還可以在虛擬環境下進行導管的驗證裝配，通過驗證裝配后，還可以對整個管路系統的相關信息進行統計記錄。可以看出整個操作過程是非常便捷和強大的。另外，在系統開發當中最好設計管路附件庫，因為管路附件一般是相對不變的，雖然市場的管路附件型號有很多，但是在具體使用的過程中，尤其是在針對具體的產品設計當中所使用的附件實際上都在一個范圍之內，建立管路附件庫以后，可以按照管路附件的種類及其數據直接導入到系統當中即可，所以在整個管路虛擬裝配的過程中，只需要解決管路的布局及其連接，就可以基本上達到管路虛擬裝配的目標。另外，在功能設計當中既要支持導管的單個調整和修改，也可以支持同一類型導管的統一調整和修改。在整個虛擬裝配過程中所產生的相關數據都可以記錄在XML文件當中，文件可以直接用于生產環節，可以直接導出為生產文件報表，從而更好地支持企業的科研和生產。

3 管路虛擬裝配信息管理

網絡系統信息管理主要解決管路虛擬裝配過程中所產生的各種數據信息的保存問題。在保存的數據信息上主要包含管路附件零件以及布局完成的導管零件這兩種。保存的文件形式主要是以sat模型文件為主，具體包括sat模型文件、導管裝配信息和管路附件零件、導管，零件和基本相對位置等三個方面。布局信息的保存當中，包括導管控制點位置、物理性質、材料等都是保存在XML文件當中的。其中，導管布局節點信息記錄非常關鍵，這是虛擬裝配過程中最重要的信息，在記錄的過程中既要詳細記錄導管的類型，在每種導管的類型中，還需要詳細記錄導管的外徑、壁厚、控制點數量、控制點坐標、彎曲半徑等信息，在這些信息的基礎上，根據虛擬裝配的結果記錄導管的布局懸置附件和鏈接關系信息，這些信息在生產的過程中只需要從XML中直接提取使用即可。

總之，導管的虛擬裝配是一個非常復雜的技術過程，在虛擬裝備的過程中要選擇合適的虛擬仿真軟件并加以運用，同時要熟練的使用虛擬仿真軟件的各種功能，尤其是掌握可使用虛擬軟件當中的管路布局和虛擬裝配的操作過程及其要點，在完成管路虛擬裝配的基礎上，按照設計及后續生產的要求保存好相關數據信息和資料，這樣才能在實現導管虛擬裝配目標的前提之下，將虛擬裝配過程中所形成的各種數據信息應用于生產實踐。

參考文獻

[1] 李彤，韓鋒，李靜洪，等.基于DELMIA的導管虛擬裝配仿真研究[J].機械制造，2014，52（05）：74-77.

[2] 郭廣鑫，李澍，郭逸婧，等.逆向工程在小導管數字化構建與虛擬裝配中的應用[J].數字通信世界，2020（9）：24-27.

收稿日期：2021-10-05

作者簡介：楊文龍（1983—），男，廣東普寧人，本科，工程師，研究方向：虛擬環境下的管路裝配。

Abstract： Pipeline system is widely used in industrial production. The design and application of pipeline system is very important. The network layout has the characteristics of cumbersome and complex data. If the actual assembly method is used for research and application， the workload is relatively large， and the rapid development of computer technology provides it with the pipeline simulation assembly method under the virtual environment， This method can provide an accurate basis for the research and application of pipeline assembly. According to the existing research data， combined with some experience in pipeline virtual assembly， this paper analyzes the process of pipeline virtual assembly system， introduces the differences between traditional manual methods and computer-aided methods， and expounds the basic process of virtual assembly and some key technologies in pipeline virtual equipment， Some suggestions for pipeline system information management are put forward. Through the research， we hope to provide some help and Enlightenment for pipeline virtual assembly.

Keywords： pipeline system; Virtual assembly; Application; simulation