復雜構件三維激光測量與仿真裝配集成應用研究

高 瑞，馬 濤，邊 東，武榮國，張 磊，梁思文

(1.特種車輛及其傳動系統智能制造國家重點實驗室，內蒙古 包頭 014032；2.內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014032)

測量仿真裝配技術對復雜產品的裝配問題有著其他技術無可替代的優勢，尤其對產品可裝配性、可拆卸性、可維修性和裝配過程中的裝配精度、裝配性能等進行分析、預測和驗證[1-2]，并支持面向生產現場的裝配工藝過程的動態仿真、規劃與優化，從而有效減少產品研制過程中的實物試裝次數，提高產品裝配一次性成功率和裝配質量。

國外航空制造企業，如波音、空客、洛克希德·馬丁等，其測量技術的應用已由關鍵零部件的離線檢測發展到貫穿于制造和裝配的檢測過程控制和故障維護等全過程的在線自動化測量，測量依據也由二維圖樣發展為三維CAD模型[3-4]，而且國內外都對虛擬裝配中人機交互、裝配建模、裝配序列規劃、裝配路徑優化、碰撞檢測、約束導航、可裝配性等進行了深入的研究[5-9]。然而，國內對測量技術的應用還處于初級階段，缺乏對測量技術應用的深入研究和系統分析[10]。

目前，虛擬裝配技術主要是基于理想幾何的裝配過程模擬，如何推動虛擬裝配技術進一步向實用化的方向發展，是虛擬裝配技術面臨的最大難題之一。對于數字化狀態條件下零部件裝配過程中的流程控制和數據集成方法還需要進一步研究，特別是對于大型復雜構件這種數量多、精度要求高的零部件的裝配，需要一種集成多項先進數字化技術的技術體系來實現多個系統的數據交換和控制。因此，大型復雜構件工藝不能完全照搬航空航天的大部件裝配模式，而是要充分借鑒其數字化、自動化及裝配過程動態測量實時調整等先進技術，研究基于三維激光測量數據進行復雜構件虛擬裝配，根據仿真結果給出的調整間隙值進行實物裝配，不再重復試裝，實現基于數字化的大型復雜構件精準裝配。

數字化裝配是制造業未來發展的必然之路，復雜構件激光測量與裝配集成應用在整體裝配系統中有著重要的輔助作用，研究并開發出一套完整的測量裝配系統并實現數據傳輸集成應用是實現復雜構件數字化裝配的關鍵，對未來復雜構件制造業的發展具有非常重要的意義。

1 測量仿真裝配系統概述

由于大型復雜構件零件數量多、精度要求高，因此裝配難度大、過程復雜，傳統裝配過程采用裝配臺定位、劃線測量、人工調整，但是裝配周期長，不能很好地保證裝配質量，因此不利于提高裝配效率。為適應現代大型復雜構件制造與裝配的要求，需要采用數字化測量仿真裝配系統集成應用，通過實時準確的數據傳輸與精確的裝配調整控制來實現數字化裝配過程。

針對數字化測量與仿真裝配系統集成技術進行研究與開發，其工作原理為將工裝夾具上的待裝配零部件通過非接觸測量獲取裝配結構件信息，從多個位置跟蹤掃描測量一定數量的數字像片(架構圖如圖1所示)，然后由計算機軟件自動處理(標志點圖像中心自動定位、自動匹配、自動拼接和自動平差計算)得到結構件三維模型數據，然后通信鏈接至虛擬仿真裝配系統中(仿真界面如圖2所示)，利用仿真裝配調整技術，按照復雜構件裝配工藝進行預裝配，通過預裝配發現零件之間存在的裝配間隙或干涉情況，并在滿足最終裝配要求的前提下進行微調整，直至全部零件滿足裝配要求，確保在實際裝配前對裝配過程實現準確預測，避免產生裝配間隙和干涉問題。

圖1 測量系統架構圖

圖2 虛擬仿真裝配界面

2 工藝流程

隨著測量技術的發展，測量過程已融入到產品裝配過程中，實現全數字化的高精度、高效率裝配過程。測量與裝配的集成不是僅將測量環節與裝配操作簡單地組合在一起，而是涉及到產品設計、工藝、制造、裝配、檢測等多個環節的數據整合與過程融合。圖3所示提出了測量與裝配集成的工藝流程，實現了裝配仿真、公差分析以及測量輔助裝配執行各個環節的數據與過程集成。

圖3 工藝流程圖

針對復雜構件的結構特點和工藝裝配要求，首先通過非接觸測量獲取裝配結構件信息，然后借助虛擬仿真技術，進行虛擬裝配仿真，及時發現產品設計缺陷和裝配工藝問題，優化裝配工藝順序，改善結構件裝配工藝性和可維護性，降低返工率，大力提升裝配質量和效率。

3 復雜結構件測量與仿真裝配集成應用

通過測量系統與裝配仿真集成應用(見圖4～圖6)，可以對裝配過程中復雜構件的零部件進行自動掃描測量，然后通過集成仿真裝配系統接收掃描數據，系統采集每個零件的點坐標值，與標準坐標值進行對比，給出尺寸偏差，判定零件是否合格，合格之后進行各個零件進行模擬裝配，完成裝配間隙規劃，輸出優化結果，根據仿真分析報告得到裝配間隙要求，給出最佳裝配方案，減少裝配過程的重復調整過程。

圖4 測量與仿真系統集成接收掃描模型界面

圖5 對接收掃描模型建立裝配方案

圖6 虛擬仿真系統界面

復雜結構件測量與仿真裝配集成應用，不僅是測量技術與仿真裝配過程的應用，還包括測量數據、測量方法在產品設計、工藝以及裝配過程中的融合，實現裝配分析規劃過程與數字化測量、產品設計過程的并行協同，產品裝配階段實現裝配過程的可視化仿真和基于數據的可裝配性分析、高精度高效率的數字化測量系統以及數據處理，實現不再依賴產品實物，仿真系統可直接識別掃描數據進行結構件裝配驗證分析，并出具裝配分析報告，指導現場裝配，同時也可對產品設計進行評價，獲取最優的裝配模型。

4 結語

測量系統與虛擬裝配仿真系統之間的數據傳輸是非常重要的，可以有效提高復雜構件裝配效率與裝配質量，只有通過有效的數據傳輸，并保證傳輸過程中數據的完整性，測量系統才能將測得的數據信息實時并準確無誤地傳遞給虛擬裝配仿真系統，得出仿真調整分析報告，并可很好地指導現場實際裝配過程。從長遠意義上來看，不但節約了成本，而且提高了經濟效益，逐步縮短了我國與國際先進水平的差距。