復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計中的虛擬裝配技術(shù)_圖文

1、第41卷第6期2008年12月武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版收稿日期:2007 12 10作者簡介:鄧明星(1980 ,女,湖北人,講師,研究方向為現(xiàn)代設(shè)備理論.基金項目:湖北省重點實驗室開放基金(編號:2003A 19.文章編號:1671 8844(200806 0095 05復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計中的虛擬裝配技術(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)動力與機械學(xué)院,湖北武漢 430072摘要:首先從工程應(yīng)用的角度,提出了工程設(shè)計中虛擬裝配的定義,并對其基本思想以及復(fù)雜工程設(shè)計中的關(guān)鍵建模技術(shù)進行了探討;對于工程設(shè)計采用建模與仿真分析相結(jié)合的交互式設(shè)

2、計方法,通過設(shè)計、建模、仿真分析再修改設(shè)計的反復(fù)迭代直至滿足工程要求;并首次將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于磁懸浮列車動車段工程的設(shè)計中,通過實現(xiàn)場景漫游、工藝流程動態(tài)仿真和碰撞檢測驗證工程設(shè)計的合理性和可靠性,取得了良好的效果.工程實際應(yīng)用表明虛擬裝配技術(shù)在工程設(shè)計中的應(yīng)用為復(fù)雜工程設(shè)計提供了一種直觀、可靠的設(shè)計方法.關(guān)鍵詞:虛擬裝配;復(fù)雜工程系統(tǒng);工程設(shè)計中圖分類號:T B 24 文獻標志碼:AVirtual assembly technology in complex engineering designDENG M ing xing 1,WU Shijing 2,SH I Duanwei 2,XI

3、E 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 assem bly in eng ineering design is de fined.The crucial modeling t

4、echnique 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 engineering desig n.Then virtual assembly techno logy is ap plied to

5、 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 application show s that the virtual assem bly in eng ineer ing design pro v

6、ides 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,包括交通運輸、機械、建筑、電子電氣、環(huán)境、消防等多個系統(tǒng).參與設(shè)計的單位包括業(yè)主、設(shè)計單位、設(shè)計咨詢單位、市政規(guī)劃,一般都有十幾家單位在設(shè)計周期各個階段(預(yù)可行性研究、工程可行性研究、總體設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工配合中以不同

7、角色參與其中,而且其設(shè)計必須精確可靠.該設(shè)計過程不僅僅是簡單的單向設(shè)計,必須采用建模與仿真分析相結(jié)合的交互式設(shè)計方法,通過設(shè)計、建模、仿真分析再修改設(shè)計的反復(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對虛擬裝配作了這樣的定義: 虛擬裝配是利用計算機工具,在沒有產(chǎn)品或支撐工藝的物理實現(xiàn)情況下,通過分析、虛擬模型、可視化和數(shù)據(jù)表達,作出武漢大學(xué)學(xué)報(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,虛擬裝配設(shè)計是在計算機上完成所設(shè)計零部件的裝配模型,將不同

8、的零件組裝成一個裝配體,進行零件之間的動態(tài)干涉檢查,改進設(shè)計并完成該裝配體的動態(tài)模擬設(shè)計.虛擬裝配的主要目的是以最短的時間、最少的人力物力和最少的資金進行設(shè)計驗證.本文結(jié)合工程應(yīng)用給出以下定義:虛擬裝配是在計算機上完成工程各個單位的實體造型,進行計算機裝配、全局或局部場景瀏覽、干涉檢測以及工程中所涉及的作業(yè)設(shè)備運行動態(tài)仿真等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計過程.虛擬裝配在工程設(shè)計中的應(yīng)用是一種較新的概念,為復(fù)雜工程設(shè)計提供了一種新的設(shè)計方法.1 復(fù)雜工程設(shè)計中的虛擬裝配1.1 設(shè)計與建模技術(shù)在設(shè)計過程中,為了保證后續(xù)的工作能順利實施,工程設(shè)計需按以下幾個方面的要求去考慮:1空間幾何尺寸要求.不僅所有三維模型的幾

9、何尺寸必須準確定義,而且相互間位置、空間布局、裝配關(guān)系須準確合理,確保設(shè)備能正常運行.2結(jié)構(gòu)強度要求.對于工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備,必須確保能達到一定的強度,保證實際運行時安全、可靠.3工藝流程要求.所生成的三維模型,須能在預(yù)定時間實現(xiàn)所有工藝流程,合理、高效利用設(shè)備.4制造/建造要求.對于所建立的非標準件,要滿足可制造性要求;對于建筑,必須滿足施工要求.同時還須考慮到采光、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)計與數(shù)字建模方法的選取則顯得非常重要.傳統(tǒng)的Bo ttom U p設(shè)計方法是先設(shè)計并在CAD系統(tǒng)中繪制好各個零件,然后施加約束對零件進行裝配生成裝配圖,如果

10、在裝配過程中發(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、某一零件根本無法進行安裝等,就要對零件進行重新設(shè)計,重新裝配,再發(fā)現(xiàn)問題,再進行修改#.這種設(shè)計方法是從零件設(shè)計到總體裝配設(shè)計,既不支持產(chǎn)品從概念設(shè)計到詳細設(shè)計,又不能支持零件設(shè)計過程中的信息傳遞,特別是產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系(如裝配形式、層次、配合等無法在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中得到完整描述.但它的優(yōu)點則是思路簡單,操作快捷、方便,容易被大多數(shù)設(shè)計人員所理解和接受.而隨著并行設(shè)計出現(xiàn)的T op Dow n設(shè)計方法強調(diào)開發(fā)人員從一開始就考慮工程或產(chǎn)品從概念設(shè)計直至消亡的整個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

11、誤和矛盾.它從工程/產(chǎn)品功能要求出發(fā),設(shè)計人員首先定義其功能表示,然后進行功能表示分析,選用一系列的零件去實現(xiàn)其功能.即先設(shè)計出初步方案及其結(jié)構(gòu)草圖,建立約束驅(qū)動的產(chǎn)品模型,通過設(shè)計計算,確定每個設(shè)計參數(shù),然后進行零件的詳細設(shè)計,通過幾何約束求解將零件裝配成產(chǎn)品;對設(shè)計方案分析之后,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.它有利于實現(xiàn)有效的過程控制.To p Dow n的設(shè)計思想較Bottom Up設(shè)計思想在設(shè)計意圖、功能要求以及許多裝配語意信息表達上前進了一大步,它使設(shè)計的后期階段可以繼承前期設(shè)計階段的信息,但它無法把后期設(shè)計階段的信息反饋回前期設(shè)計階段,信息傳遞具有單向

12、性.因此,必須將兩種方法結(jié)合起來,實現(xiàn)設(shè)計信息雙向流動,裝配圖既要從零件圖中繼承信息,又要把設(shè)計信息反饋給零件圖.只有將兩種設(shè)計方法有效地結(jié)合起來,才能充分發(fā)揮兩種設(shè)計方法的優(yōu)點.對于復(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.整個工程是一個相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng),設(shè)計時需全面考慮多方面因素,靈活運用3種建模方法.并行設(shè)計的思想在復(fù)雜工程設(shè)計中尤為重要,首先要全面考慮整個工程的要求,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型的建模.對于子模型的建立,也應(yīng)根據(jù)需要選擇適當?shù)脑O(shè)計方法23.1.2 虛擬裝配思想虛擬裝配根據(jù)其側(cè)重點的不同,結(jié)合工程應(yīng)用可以從

13、3個方面來闡述它的基本設(shè)計思想.設(shè)計為中心的虛擬裝配7(Design Centered Virtual Assem bly是突出以設(shè)計為核心的應(yīng)用思想,表現(xiàn)在面向裝配的設(shè)計(DFA、自頂向下(T op Dow n的并行設(shè)計(CPD等.即在設(shè)計初期把工程設(shè)計與施工有機結(jié)合,從設(shè)計的角度來保證工程的可實施性,引入面向施工及運行過程的設(shè)計思想,從一開始就考慮工程從初始設(shè)計直至消亡的整個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)計中的虛擬裝配技術(shù)早發(fā)現(xiàn)一切可能產(chǎn)生的錯誤和矛盾,使得在工程設(shè)計初期使設(shè)計部門與施工部門之間更有效地協(xié)同工作.以過程控制為中心的虛擬裝配7(P

14、rocessCentered Virtual Assem bly主要包含實現(xiàn)對工程總體設(shè)計進程的控制和過程控制管理兩個方面.在數(shù)字化定義過程中,結(jié)合工程施工、運行特點,將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計過程,對工程總體設(shè)計進程的控制可以劃分為3個階段:總體設(shè)計階段、裝配設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段.總體設(shè)計階段是工程設(shè)計的初期階段,在此階段進行工程初步的總體布局,主要包括:建立主模型空間;進行工程初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局.裝配設(shè)計階段為工程設(shè)計的主要階段,在此階段工程三維實體模型設(shè)計已經(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、三維實體模型等等.詳細

15、設(shè)計階段為工程設(shè)計的完善階段,在此階段完成工程三維實體模型的最終設(shè)計,主要包括:完成工程三維實體模型的最終設(shè)計,進行工程模型的計算機裝配,進行干涉檢查.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)計模型中,融入仿真技術(shù),并以此來評估和優(yōu)化裝配過程.其主要目標是評價工程的可實施性.而復(fù)雜工程通常涉及到多個行業(yè),其設(shè)計是一個復(fù)雜且各個環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系的過程.鑒于復(fù)雜工程的設(shè)計要求,整個設(shè)計階段必須采用建模與仿真分析相結(jié)合的交互式設(shè)計方法,通過反復(fù)迭代設(shè)計、建模、仿真分析,直至滿足要求,因此它是一個設(shè)計、過程控制以及仿真緊密相連的

16、虛擬裝配設(shè)計過程.2 工程應(yīng)用實現(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PC機上并借助法國Dassault Sy stem公司的CAT IA三維建模軟件完成.本文所設(shè)計的是某磁懸浮列車動車段系統(tǒng),其總長在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連接方式.根據(jù)工程設(shè)計的需要,本文根據(jù)功能劃分將動車段數(shù)字模型分為4個部分:清洗庫、存車線、移車臺、檢修區(qū)(包括檢修庫、檢查庫、邊跨車間、列車、作業(yè)平臺、起重設(shè)備、運輸設(shè)備等.對于磁懸浮列車動車段

17、系統(tǒng)的總體設(shè)計過程如圖1所示.圖1 懸浮列車動車段總體設(shè)計過程首先結(jié)合并行設(shè)計的思想,從整體上對整個工程進行規(guī)劃.運用Top Dow n設(shè)計方法對工程總體設(shè)計進程進行控制,主要對磁懸浮列車動車段系統(tǒng)進行總體結(jié)構(gòu)布局、各個子單元/子裝配模型的空間分配;合理選擇Bottom U p和T op Dow n設(shè)計方法,完成各個子裝配模型詳細設(shè)計并通過幾何約束求解實現(xiàn)總體裝配模型811;同時結(jié)合Bot tom Up設(shè)計思想,對整體設(shè)計方案進行必要的修改.圖23分別顯示了所建模型的局部外景和內(nèi)景.圖2 庫房外景(局部圖3 庫房內(nèi)景(局部97武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版第41卷 然后對設(shè)計結(jié)果進行仿真、分析,保證設(shè)計

18、方案的合理性和可實施性,其中包括干涉檢測、運動仿真等手段.在本實例的設(shè)計中,為確保磁懸浮動車段設(shè)計的可靠性,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷,運用DMU 空間分析(DM U Space Analy sis模塊提供的可視化工具實現(xiàn)了各設(shè)備靜態(tài)下的諸如干涉檢測、最小距離分析和斷面可視化等空間分析,圖4顯示了對廠房和車間內(nèi)的某作業(yè)設(shè)備進行靜態(tài)碰撞檢測過程. 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作過程.為了能真實展現(xiàn)動車段作業(yè)場景,綜合運用DM U 空間漫游(DMU Navigator中的多種可視化手段實現(xiàn)對任意位置的漫游、瀏覽,從而對動車段布局進行詳細審查.如圖5所示為漫游場景之一.為保證各作

19、業(yè)設(shè)備能夠正常運行,須對 圖5 漫游場景建立的模型進行工藝流程動態(tài)仿真及空間分析.動車段工藝流程主要表現(xiàn)為各作業(yè)設(shè)備按流程依序運動,而在DMU 裝配仿真(DMU Fitting1214中可快速定義各設(shè)備的起始、終止位置和運動路徑,無需考慮這些零部件間的裝配層級關(guān)系,無需對運動部件施加全約束.因此,對于動車段作業(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程中蓄電池更換動態(tài)仿真中的一幕.與此同時,綜合運用DM U 空間分析模塊中提供的各種分析工具,對于設(shè)備運行過程中空間距離進行實.圖6電池更換工藝動態(tài)仿真圖7 列車入庫過程動態(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

20、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,并取得了良好的效果.對于設(shè)計人員而言,可以在投入施工之前展現(xiàn)設(shè)計結(jié)果,提供前瞻性預(yù)測,確保工程設(shè)計的合理性,縮短設(shè)計工期以及降低設(shè)計成本,使設(shè)計人員可以及時、方便地修改設(shè)計;對于施工而言,可以避免工程施工過程中可能出現(xiàn)的設(shè)備安裝和管線鋪設(shè)等的干涉問題,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,證實未來工程功能和性能的可行性與可靠性,為工程設(shè)計方案評估提供了依據(jù).借助CAD 技術(shù),將虛擬裝配應(yīng)用于工程設(shè)計是一個較新的領(lǐng)域,突破了工程設(shè)計平面化的局限,為復(fù)雜工程設(shè)計提供了一種直觀、可靠的設(shè)計手段.參考文獻:1 Sankar

21、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M .北京:機械工業(yè)出版社,2002.98第6期鄧明星,等:復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計中的虛擬裝配技術(shù)研究D.合肥: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 in