復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的虛擬裝配技術(shù)

1、第41卷第6期2008年12月武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版Eng ineer ing Jour nal of W uhan U niversity Vo l.41N o.6Dec.2008收稿日期:2007 12 10作者簡(jiǎn)介:鄧明星(1980 ,女,湖北人,講師,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)備理論.基金項(xiàng)目:湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(編號(hào):2003A 19.文章編號(hào):1671 8844(200806 0095 05復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的虛擬裝配技術(shù)鄧明星1,巫世晶2,石端偉2,謝震宇2(1.武漢科技大學(xué),湖北武漢 430081; 2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北武漢 430072摘要:首先從工程應(yīng)用的角度,提出了

2、工程設(shè)計(jì)中虛擬裝配的定義,并對(duì)其基本思想以及復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵建模技術(shù)進(jìn)行了探討;對(duì)于工程設(shè)計(jì)采用建模與仿真分析相結(jié)合的交互式設(shè)計(jì)方法,通過(guò)設(shè)計(jì)、建模、仿真分析再修改設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代直至滿足工程要求;并首次將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于磁懸浮列車動(dòng)車段工程的設(shè)計(jì)中,通過(guò)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游、工藝流程動(dòng)態(tài)仿真和碰撞檢測(cè)驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)的合理性和可靠性,取得了良好的效果.工程實(shí)際應(yīng)用表明虛擬裝配技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為復(fù)雜工程設(shè)計(jì)提供了一種直觀、可靠的設(shè)計(jì)方法.關(guān)鍵詞:虛擬裝配;復(fù)雜工程系統(tǒng);工程設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):T B 24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AVirtual assembly technology in complex e

3、ngineering designDENG M ing xing 1,WU Shijing 2,SH I Duanwei 2,XIE Zhengyu 2(1.Wuhan U niv ersity of Science and T echnolog y,Wuhan 430081,China;2.School of P ow er and M echanical Engineering ,W uhan U niver sity,Wuhan 430072,ChinaAbstract:From the v iew o f eng ineering applicatio n,the virtual as

4、sem bly in eng ineering design is de fined.The crucial modeling technique and basic idea o f v ir tual assem bly in complex eng ineering design is discussed.T he design metho d,in which design,simulation and analysis is executed interactively until the r esult is satisfied,is adopted to com plex eng

5、ineering desig n.Then virtual assembly techno logy is ap plied to the desig n o f magnetic levitation train depot successfully for the first tim e,by using scene navi g ation,dy namic sim ulation and collisio n detectio n to verify the ratio nality and reliability of design.T he practical applicatio

6、n show s that the virtual assem bly in eng ineer ing design pro vides an effective and relia ble design m ethod fo r complex eng ineering sy stem design.Key words:virtual assem bly;com plex eng ineering system;eng ineer ing desig n 復(fù)雜工程往往涉及到多專業(yè)、多領(lǐng)域,包括交通運(yùn)輸、機(jī)械、建筑、電子電氣、環(huán)境、消防等多個(gè)系統(tǒng).參與設(shè)計(jì)的單位包括業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)咨詢單

7、位、市政規(guī)劃,一般都有十幾家單位在設(shè)計(jì)周期各個(gè)階段(預(yù)可行性研究、工程可行性研究、總體設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、施工配合中以不同角色參與其中,而且其設(shè)計(jì)必須精確可靠.該設(shè)計(jì)過(guò)程不僅僅是簡(jiǎn)單的單向設(shè)計(jì),必須采用建模與仿真分析相結(jié)合的交互式設(shè)計(jì)方法,通過(guò)設(shè)計(jì)、建模、仿真分析再修改設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代直至滿足要求.虛擬裝配 (V ir tual Assembly 是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用研究.Sankar Jayaram 1對(duì)虛擬裝配作了這樣的定義: 虛擬裝配是利用計(jì)算機(jī)工具,在沒有產(chǎn)品或支撐工藝的物理實(shí)現(xiàn)情況下,通過(guò)分析、虛擬模型、可視化和數(shù)據(jù)表達(dá),

8、作出武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第41卷或!輔助作出裝配關(guān)系工程決定.也就是說(shuō),虛擬裝配設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)上完成所設(shè)計(jì)零部件的裝配模型,將不同的零件組裝成一個(gè)裝配體,進(jìn)行零件之間的動(dòng)態(tài)干涉檢查,改進(jìn)設(shè)計(jì)并完成該裝配體的動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì).虛擬裝配的主要目的是以最短的時(shí)間、最少的人力物力和最少的資金進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證.本文結(jié)合工程應(yīng)用給出以下定義:虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上完成工程各個(gè)單位的實(shí)體造型,進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配、全局或局部場(chǎng)景瀏覽、干涉檢測(cè)以及工程中所涉及的作業(yè)設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)過(guò)程.虛擬裝配在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是一種較新的概念,為復(fù)雜工程設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)方法.1 復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中的虛擬裝配1.1 設(shè)計(jì)與

9、建模技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了保證后續(xù)的工作能順利實(shí)施,工程設(shè)計(jì)需按以下幾個(gè)方面的要求去考慮:1空間幾何尺寸要求.不僅所有三維模型的幾何尺寸必須準(zhǔn)確定義,而且相互間位置、空間布局、裝配關(guān)系須準(zhǔn)確合理,確保設(shè)備能正常運(yùn)行.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求.對(duì)于工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備,必須確保能達(dá)到一定的強(qiáng)度,保證實(shí)際運(yùn)行時(shí)安全、可靠.3工藝流程要求.所生成的三維模型,須能在預(yù)定時(shí)間實(shí)現(xiàn)所有工藝流程,合理、高效利用設(shè)備.4制造/建造要求.對(duì)于所建立的非標(biāo)準(zhǔn)件,要滿足可制造性要求;對(duì)于建筑,必須滿足施工要求.同時(shí)還須考慮到采光、通風(fēng)、溫度、環(huán)保、舒適度、人性化等方面的要求.為了綜合考慮上述要求,設(shè)計(jì)與數(shù)字建模方法的選取則顯

10、得非常重要.傳統(tǒng)的Bo ttom U p設(shè)計(jì)方法是先設(shè)計(jì)并在CAD系統(tǒng)中繪制好各個(gè)零件,然后施加約束對(duì)零件進(jìn)行裝配生成裝配圖,如果在裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求,諸如零件與零件之間產(chǎn)生干涉、某一零件根本無(wú)法進(jìn)行安裝等,就要對(duì)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì),重新裝配,再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,再進(jìn)行修改#.這種設(shè)計(jì)方法是從零件設(shè)計(jì)到總體裝配設(shè)計(jì),既不支持產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì),又不能支持零件設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息傳遞,特別是產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系(如裝配形式、層次、配合等無(wú)法在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中得到完整描述.但它的優(yōu)點(diǎn)則是思路簡(jiǎn)單,操作快捷、方便,容易被大多數(shù)設(shè)計(jì)人員所理解和接受.而隨著并行設(shè)計(jì)出現(xiàn)的T op Dow n

11、設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)開發(fā)人員從一開始就考慮工程或產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)直至消亡的整個(gè)生命周期里的所有相關(guān)因素的影響,盡可能及早發(fā)現(xiàn)一切可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤和矛盾.它從工程/產(chǎn)品功能要求出發(fā),設(shè)計(jì)人員首先定義其功能表示,然后進(jìn)行功能表示分析,選用一系列的零件去實(shí)現(xiàn)其功能.即先設(shè)計(jì)出初步方案及其結(jié)構(gòu)草圖,建立約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品模型,通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,確定每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),然后進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì),通過(guò)幾何約束求解將零件裝配成產(chǎn)品;對(duì)設(shè)計(jì)方案分析之后,返回修改不滿意的地方,直到得到滿足功能要求的工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì).它有利于實(shí)現(xiàn)有效的過(guò)程控制.To p Dow n的設(shè)計(jì)思想較Bottom Up設(shè)計(jì)思想在設(shè)計(jì)意圖、功能要求以及許多裝配語(yǔ)意信息

12、表達(dá)上前進(jìn)了一大步,它使設(shè)計(jì)的后期階段可以繼承前期設(shè)計(jì)階段的信息,但它無(wú)法把后期設(shè)計(jì)階段的信息反饋回前期設(shè)計(jì)階段,信息傳遞具有單向性.因此,必須將兩種方法結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息雙向流動(dòng),裝配圖既要從零件圖中繼承信息,又要把設(shè)計(jì)信息反饋給零件圖.只有將兩種設(shè)計(jì)方法有效地結(jié)合起來(lái),才能充分發(fā)揮兩種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn).對(duì)于復(fù)雜工程三維模型的建立46,建模方法的選擇是決定建模效率和優(yōu)劣的重要因素.整個(gè)工程是一個(gè)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)需全面考慮多方面因素,靈活運(yùn)用3種建模方法.并行設(shè)計(jì)的思想在復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中尤為重要,首先要全面考慮整個(gè)工程的要求,按功能或結(jié)構(gòu)不同將工程模型劃分為不同的子模型,然后分別完成各子模

13、型的建模.對(duì)于子模型的建立,也應(yīng)根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法23.1.2 虛擬裝配思想虛擬裝配根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)的不同,結(jié)合工程應(yīng)用可以從3個(gè)方面來(lái)闡述它的基本設(shè)計(jì)思想.設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配7(Design Centered Virtual Assem bly是突出以設(shè)計(jì)為核心的應(yīng)用思想,表現(xiàn)在面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA、自頂向下(T op Dow n的并行設(shè)計(jì)(CPD等.即在設(shè)計(jì)初期把工程設(shè)計(jì)與施工有機(jī)結(jié)合,從設(shè)計(jì)的角度來(lái)保證工程的可實(shí)施性,引入面向施工及運(yùn)行過(guò)程的設(shè)計(jì)思想,從一開始就考慮工程從初始設(shè)計(jì)直至消亡的整個(gè)生命周期里的所有相關(guān)因素的影響,盡可能及96第6期鄧明星,等:復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的虛擬裝

14、配技術(shù)早發(fā)現(xiàn)一切可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤和矛盾,使得在工程設(shè)計(jì)初期使設(shè)計(jì)部門與施工部門之間更有效地協(xié)同工作.以過(guò)程控制為中心的虛擬裝配7(ProcessCentered Virtual Assem bly主要包含實(shí)現(xiàn)對(duì)工程總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制和過(guò)程控制管理兩個(gè)方面.在數(shù)字化定義過(guò)程中,結(jié)合工程施工、運(yùn)行特點(diǎn),將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)過(guò)程,對(duì)工程總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制可以劃分為3個(gè)階段:總體設(shè)計(jì)階段、裝配設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段.總體設(shè)計(jì)階段是工程設(shè)計(jì)的初期階段,在此階段進(jìn)行工程初步的總體布局,主要包括:建立主模型空間;進(jìn)行工程初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局.裝配設(shè)計(jì)階段為工程設(shè)計(jì)的主要階段,在此階段工程三維實(shí)體模

15、型設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成,主要包括:各單位模型空間分配(裝配區(qū)域、裝配層次的劃分;具體模型定義(建立幾何約束關(guān)系、三維實(shí)體模型等等.詳細(xì)設(shè)計(jì)階段為工程設(shè)計(jì)的完善階段,在此階段完成工程三維實(shí)體模型的最終設(shè)計(jì),主要包括:完成工程三維實(shí)體模型的最終設(shè)計(jì),進(jìn)行工程模型的計(jì)算機(jī)裝配,進(jìn)行干涉檢查.以仿真為中心的虛擬裝配2(Simulate Cen tered Virtual Assembly是在工程三維數(shù)字裝配設(shè)計(jì)模型中,融入仿真技術(shù),并以此來(lái)評(píng)估和優(yōu)化裝配過(guò)程.其主要目標(biāo)是評(píng)價(jià)工程的可實(shí)施性.而復(fù)雜工程通常涉及到多個(gè)行業(yè),其設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且各個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系的過(guò)程.鑒于復(fù)雜工程的設(shè)計(jì)要求,整個(gè)設(shè)計(jì)階段必須采用

16、建模與仿真分析相結(jié)合的交互式設(shè)計(jì)方法,通過(guò)反復(fù)迭代設(shè)計(jì)、建模、仿真分析,直至滿足要求,因此它是一個(gè)設(shè)計(jì)、過(guò)程控制以及仿真緊密相連的虛擬裝配設(shè)計(jì)過(guò)程.2 工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程的虛擬裝配需要良好的協(xié)同工作環(huán)境、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理.本文的工作在H P4200工作站以及同局域網(wǎng)中若干臺(tái)PC機(jī)上并借助法國(guó)Dassault Sy stem公司的CAT IA三維建模軟件完成.本文所設(shè)計(jì)的是某磁懸浮列車動(dòng)車段系統(tǒng),其總長(zhǎng)在1000m以上,可配屬20列磁懸浮列車,具有列車入段、出段、清洗、調(diào)度、檢修、檢查及存放等 功能.段內(nèi)線路可采用道岔連接或移車臺(tái)連接方式.根據(jù)工程設(shè)計(jì)的需要,本文根據(jù)功能劃分將動(dòng)車段數(shù)字模型分為

17、4個(gè)部分:清洗庫(kù)、存車線、移車臺(tái)、檢修區(qū)(包括檢修庫(kù)、檢查庫(kù)、邊跨車間、列車、作業(yè)平臺(tái)、起重設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等.對(duì)于磁懸浮列車動(dòng)車段系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示.圖1 懸浮列車動(dòng)車段總體設(shè)計(jì)過(guò)程首先結(jié)合并行設(shè)計(jì)的思想,從整體上對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行規(guī)劃.運(yùn)用Top Dow n設(shè)計(jì)方法對(duì)工程總體設(shè)計(jì)進(jìn)程進(jìn)行控制,主要對(duì)磁懸浮列車動(dòng)車段系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)布局、各個(gè)子單元/子裝配模型的空間分配;合理選擇Bottom U p和T op Dow n設(shè)計(jì)方法,完成各個(gè)子裝配模型詳細(xì)設(shè)計(jì)并通過(guò)幾何約束求解實(shí)現(xiàn)總體裝配模型811;同時(shí)結(jié)合Bot tom Up設(shè)計(jì)思想,對(duì)整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行必要的修改.圖23分別顯示了所建模型

18、的局部外景和內(nèi)景.圖2 庫(kù)房外景(局部圖3 庫(kù)房?jī)?nèi)景(局部97武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第41卷 然后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真、分析,保證設(shè)計(jì)方案的合理性和可實(shí)施性,其中包括干涉檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)仿真等手段.在本實(shí)例的設(shè)計(jì)中,為確保磁懸浮動(dòng)車段設(shè)計(jì)的可靠性,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,運(yùn)用DMU 空間分析(DM U Space Analy sis模塊提供的可視化工具實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備靜態(tài)下的諸如干涉檢測(cè)、最小距離分析和斷面可視化等空間分析,圖4顯示了對(duì)廠房和車間內(nèi)的某作業(yè)設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)碰撞檢測(cè)過(guò)程. 圖4 干涉檢查仿真分析在此處的應(yīng)用充分考慮了工程完成后的運(yùn)作過(guò)程.為了能真實(shí)展現(xiàn)動(dòng)車段作業(yè)場(chǎng)景,綜合運(yùn)用DM U 空間漫游(DMU

19、Navigator中的多種可視化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)任意位置的漫游、瀏覽,從而對(duì)動(dòng)車段布局進(jìn)行詳細(xì)審查.如圖5所示為漫游場(chǎng)景之一.為保證各作業(yè)設(shè)備能夠正常運(yùn)行,須對(duì) 圖5 漫游場(chǎng)景建立的模型進(jìn)行工藝流程動(dòng)態(tài)仿真及空間分析.動(dòng)車段工藝流程主要表現(xiàn)為各作業(yè)設(shè)備按流程依序運(yùn)動(dòng),而在DMU 裝配仿真(DMU Fitting1214中可快速定義各設(shè)備的起始、終止位置和運(yùn)動(dòng)路徑,無(wú)需考慮這些零部件間的裝配層級(jí)關(guān)系,無(wú)需對(duì)運(yùn)動(dòng)部件施加全約束.因此,對(duì)于動(dòng)車段作業(yè)流程的仿真,主要在裝配仿真中完成.圖6顯示了磁懸浮列車檢修過(guò)程中蓄電池更換動(dòng)態(tài)仿真中的一幕.與此同時(shí),綜合運(yùn)用DM U 空間分析模塊中提供的各種分析工具,對(duì)于

20、設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中空間距離進(jìn)行實(shí)時(shí)的空間分析15,并得到詳盡的分析結(jié)果.圖7顯示了某設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)干涉檢測(cè).圖6電池更換工藝動(dòng)態(tài)仿真圖7 列車入庫(kù)過(guò)程動(dòng)態(tài)碰撞檢查3 結(jié) 論虛擬裝配的低成本使得它廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品研制,本文借助CATIA 軟件將CAD 技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜工程設(shè)計(jì),并取得了良好的效果.對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言,可以在投入施工之前展現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,提供前瞻性預(yù)測(cè),確保工程設(shè)計(jì)的合理性,縮短設(shè)計(jì)工期以及降低設(shè)計(jì)成本,使設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)、方便地修改設(shè)計(jì);對(duì)于施工而言,可以避免工程施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的設(shè)備安裝和管線鋪設(shè)等的干涉問(wèn)題,確保工程如期完成,防止由于不可預(yù)見性導(dǎo)致的巨大損失,證實(shí)未來(lái)工程功能和性能

21、的可行性與可靠性,為工程設(shè)計(jì)方案評(píng)估提供了依據(jù).借助CAD 技術(shù),將虛擬裝配應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)是一個(gè)較新的領(lǐng)域,突破了工程設(shè)計(jì)平面化的局限,為復(fù)雜工程設(shè)計(jì)提供了一種直觀、可靠的設(shè)計(jì)手段.參考文獻(xiàn):1 Sankar Jayar am.V ir tual assembly using virtual realit y techniqueJ.Computer A ided Desig n,1997,29(8:575 584.2 陳定芳,羅亞波.虛擬設(shè)計(jì)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.98第6期鄧明星,等:復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的虛擬裝配技術(shù)3 鄭壽森.并行工程下的產(chǎn)品裝配建模及可裝配性的研究D.合肥:

22、合肥工業(yè)大學(xué),2000.4 L ieberman L I,Wesley M A.A U T O PA SS:A n automation pr og ramming sy stem fo r computer co nt ro lledmechanical assemblyJ.IBM Journal o f Researchand Dev elopment,1997,18(7:321 333.5 W esley M A,L ozano Per ez T,L ieberman L I,et al.A geo metric modelling system for automated mechanical assemblyJ.IBM J.Res.Dev.,1980,1(1:6474.6 L ee K,G ossard D C.A hierarchical data structurefor represent ing assemblies:P art1J.Computer aidDesig n,1985,17(1:8 12