基于DELMIA的发动机装配过程可视化仿真

基于DELMIA的发动机装配过程可视化仿真
陈宁;解彦琦;吕庆伦
【摘要】为实现发动机的虚拟装配,用反装思路,通过DELMIA创建某汽油机拆卸路径来仿真装配过程.将产品开发过程中的产品设计和工艺设计2大重要环节在统一的软件平台上进行并行设计;在三维设计条件下,能利用DELMIA的数字化制造工艺(Digital Process of Manufacturing,DPM)与DELMIA工艺工程师(DELMIA Process Engineer,DPE)的数据交换提前安排制造计划.该方法可以实现生产、工艺与制造资源的虚拟协同设计,缩短设计周期,降低设计成本.
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2010(019)004
【总页数】4页(P66-69)
【关键词】发动机;虚拟装配;可视化仿真;并行设计;制造计划;DELMIA process engineer
【作者】陈宁;解彦琦;吕庆伦
【作者单位】江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003
【正文语种】中文
【中图分类】U270.6
0 前言
在产品的开发设计过程中，产品设计和工艺设计是2大重要环节;装配设计则是工艺设计中提高产品整体性能的重要技术手段之一.
虚拟装配技术利用三维软件预先模拟产品在生产过程中可能产生的问题，分析产品的可制性、可达性、可拆卸性和可维护性，实现三维产品数据与三维工艺数据的同步，从而使产品设计与工艺设计实现真正的并行.
虚拟装配技术起始于20世纪90年代，程成等［1］提出基于场景的虚拟环境用户界面模型，并创建出装配车间的工作场景:零件进入装配车间，零件匹配，装配特征匹配以及约束识别与装配.侯文君等［2］利用UG对整个胶印机进行装配设计，并提出改善Top_down虚拟装配技术的算法.
本文重点介绍发动机的虚拟装配过程，利用反装的思路即“可拆定可装”的原理，通过DELMIA创建的发动机的拆卸路径仿真装配过程，并进一步提出用时间排序的方法模拟发动机的装配工时，使仿真过程更精确、真实.
1 DELMIA简介
DELMIA能为企业提供电子商务解决方案，帮助客户建立数字化企业，仿真从概念设计到产品维护的整个生命周期过程.［3］DELMIA的核心为PPR(Process，Product，Resource)HUB，主要由 DELMIA工艺工程师(DELMIA Process Engineer，DPE)、数字化制造工艺(Digital Process of Manufacturing，DPM)和DELMIA队列事件仿真工具(Queuing Event Simulation Tool，QUEST)等组成.
DPE是规划和验证工艺细节的软件，它将产生的结构和图表与生产制造要求结合形成三维虚拟制造环境，以实际产品的三维模型或 DMU(Digital Mock-up)模型构建三维工艺过程，通过编排制造资源目录确定产品装配的顺序、资源分配和产能
估计，并分析制造成本，缩短产品上市时间、降低成本.
2 发动机虚拟装配过程设计
2.1 虚拟装配简介
虚拟装配是在计算机上将实际对象的装配过程体现出来，即在计算机上完成产品零部件模型的装配过程.［4］通过模拟装配和干涉分析等多次协调的设计过程，在并行工程中将产品的设计与装配工艺规划进行有机的统一，再通过产品数据管理(Product Data Management，PDM)实现零部件三维研发过程与零部件制造、
装配过程的高度统一.虚拟装配技术主要有3种形式:
(1)以设计为中心的虚拟装配.该装配将产品的三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制具体情况，突出以设计为核心的应用思想.
(2)以过程控制为中心的虚拟装配.该装配包括2方面的内容:一方面人为地将装配过程划分为总体设计、装配设计和详细设计等3个阶段，通过对3个设计阶段的控
制实现对产品总体设计进程的控制;另一方面，通过对过程模型的有效管理实现对
产品研制过程中设计结果和加工工艺等相关信息的管理，实现优化产品开发过程的目的.
(3)以仿真为中心的虚拟装配.该装配在产品装配设计模型中融入仿真技术，并以此评估和优化装配过程，其主要目标是评价产品的可装配性.
2.2 发动机虚拟装配的基本思路
发动机分为汽油机和柴油机2大类，本文以汽油机为例.汽油机由2大机构和5大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构以及燃料供给、润滑、冷却、点火和起动系统等组成，包含数千个零部件.
为简化起见，选择汽油机主机、空气过滤器和机盖等部件建立汽油机装配过程的仿真模型.以装配顺序为基础，对初始路径及其关键点位置进行实时交互修改和调整，并对工具的可达性、装配空间的可操作性进行仿真，同时检查各条装配路径上的零
件在装配过程中是否存在干涉情况，展现动态可视化的装配过程.汽油机装配过程的仿真流程见图1.
图1 汽油机装配过程的仿真流程
2.3 发动机虚拟装配的基本原理
位置变换技术是定义发动机路径的关键技术.［5］
(1)发动机零件坐标平移变换.设零部件的起始坐标为(x，y，z)，经过(a，b，c)距离的平移后，终点坐标为(x1，y1，z1)，则零部件的位置变换矩阵
(2)发动机零件坐标旋转变换.设零部件的起始坐标为(x1，y1，z1)，分别绕 x，y 和 z轴旋转θ角度后，终点坐标为(x2，y2，z2)，则零部件绕x，y和z轴的位置变换矩阵分别为
3 发动机虚拟装配过程实例
3.1 建立发动机装配仿真的PPR结构树
PPR HUB是DELMIA的核心，是沟通生产过程中产品、工艺和资源，进行设计、验证和规划的桥梁.DPM与DPE，QUEST以及CATIA之间的数据传输可通过PPR结构树完成，因此，建立PPR结构树是用户进行装配仿真的首要工作. (1)产品机构的创建.由CATIA创建汽油机模型，模型以CATproduct格式保存，直接导入DPM中进行动态仿真装配，使设计和动态装配一体化.
(2)工艺结构的创建.利用“反装”思路模拟虚拟装配过程，依次定义汽油机的拆卸过程，并创建各零部件的工艺节点，通过反置拆卸的工艺顺序完成装配过程. (3)资源结构的创建.DPM中的资源指不包括产品在内的实体元素，如工作台、工具、机器设备以及其他静态的环境设施.为简化，创建2个工作台(Workbench)，1只扳手(Adjust_wrench)和地板(PlantFloor).
汽油机装配过程的PPR结构树见图2.
图2 汽油机装配过程的PPR结构树
为展现细致、完整的汽油机装配过程，本文创建改变视角、添加文本等工艺子过程，利用PERT图调整装配顺序，迅速设计出最优的发动机装配路线.
3.2 发动机大部件装配过程的动态仿真
通过定义零部件的装配路径完成汽油机的装配过程，即在工艺库内创建每个零部件的 Move Activities子工艺，以直线表示零部件的路径.按照汽油机加工车间内流
水作业的顺序定义加工路径，当主要部件的路径定义完毕后再定义部件上的细小零件，使装配细致且有条理.图3为汽油机主要部件路径定义完毕后的情形.当汽油机所有可拆卸零部件的路径都定义完毕后，就可仿真完整的装配过程.
图3 汽油机主要部件路径定义完毕后的情形
3.3 发动机小部件装配过程的动态仿真
按照流水线作业的要求对发动机各个小部件进行装配仿真.本文以Head Assembly 部件为例.该部件包含9个螺丝和1个屏蔽盖.在对螺丝进行装配时考虑与工具之间的配合情况，定义好的螺丝等部件的路径情况见图4，其他所有零件的路径定义都采用同样的方法.
图4 定义好的螺丝等部件的路径情况
3.4 发动机装配过程仿真分析
3.4.1 干涉分析
计算机辅助设计需避免干涉［6］，一般要求各装配部件之间贴合或保持间隙.干涉主要有3类:(1)软干涉，2个零件没有接触，但其最小距离小于预先规定的间隙范围;(2)硬干涉，2个零件重叠在一起发生相交现象;(3)包容干涉，1个零件完全包容在另1个零件的内部.
装配序列或者装配路径不合理易使装配过程产生干涉.本文采用“反装”的思路从
内部最细小的零件开始装配，从而减少装配序列不合理的可能性.汽油机的零部件
细小而繁多，装配过程中零部件之间以及零部件与工具之间易发生干涉.装配路径
不合理成为汽油机装配过程中的主要问题之一.
对汽油机装配过程进行干涉检查时，首先在PPR结构树中定义表示干涉的clash
事件.当干涉发生时，装配仿真过程自动停止，分析监测窗口提示干涉事件的名称，干涉结果见图5.
图5 干涉结果
在汽油机所有部件的干涉检查中，干涉数目中包含部件与周围环境的接触干涉，此类干涉不可避免.通过结果栏显示值可迅速分析装配的干涉程度，以避免不必要的
干涉.由图 5可知，Area与Workbench之间发生干涉，干涉值为 -4.76，Head
与Wrench也发生长度为-14.71的干涉.通过调整Workbench的位置消除第1处干涉，Head中存在1个设计不合理的螺母且螺母周围的钢板分布过于紧密，难以用工具拆卸螺母.利用CATIA对Head重新进行设计并选择小号的工具可消除此干涉，从而修正出合理的工艺装配过程.
3.4.2 甘特图分析
甘特图主要用以编制产品的生产计划，调整产品的生产周期，通过确定瓶颈工位调整车间的生产安排，提高工作效率.［7］汽油机甘特图的排列类似于PPR结构树，包含各工艺节点的父子关系.各项工序按装配顺序安排装配的起始和停止时间.在装
配车间的实际生产中，通过工业工程中的现场统计测试时法测得汽油机的装配工时，将其导入DPM中进行生产计划模拟.
通过设定汽油机的总装配周期，历时195 s.仿真运行结束后，测得Head的装配
时间最长(45 s)，主要是由于螺丝个数多以及1个设计不合理的螺丝等造成的.本文将Head部件装配工序视为瓶颈工序，通过对设计不合理的螺丝处进行设计修整，装配时间可减少5 s.
4 结论
(1)与普通装配分析方法相比，反装方法更适于仿真发动机等零件品种复杂的产品，可大大简化装配过程.(2)将干涉分析添加到动态仿真过程中可更精确地显示设计不合理的位置，便于迅速调整产品设计，避免发动机在实际制造中可能造成的损
失.(3)按照工时定义部件的装配顺序可仿真发动机的装配工时，调整生产瓶颈、平衡生产负荷.
虚拟制造可带来更便利、更快捷的生产手段，大大缩短产品的交付周期，最大限度地降低成本，提高产品质量，使制造行业得以迈上新台阶.
参考文献:
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