虚拟装配在船舶制造中的应用
        本文介绍了虚拟装配技术在船舶制造企业中的实际应用,以17300吨多用途功能船为例,在基于DELMIA DMU的虚拟装配环境下,加入工装、设备、虚拟人等资源,对整船进行虚拟装配仿真,通过静态和动态的干涉检查,人机工程分析,验证船舶建造方针的可行性,寻找最佳的建造解决方案。

1、概述

    虚拟制造技术是一项以虚拟现实技术为基础,以优化产品的性能、成本为目标,面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评价的应用技术。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境,充分发挥技术人员的想象力和创造能力,相互协作发挥集体智慧,提高产品开发的质量和缩短开发周期。

    虚拟装配是虚拟制造的核心技术之一,其利用计算机技术对产品进行零部件的实体造型,在产品设计阶段进行预装配,验证装配工艺的准确性。就目前产品设计开发的现状来看,产品装配结构及其装配工艺的设计工具和设计水平仍然十分落后,装配结构和装配工艺的设计任务主要还是依靠经验丰富的设计师、工艺师来完成。设计周期长、受设计者的知识局限性和主观意识性影响较大,尤其是对于船舶等复杂产品的装配设计,设计者往往无法将各方面、各层次的问题都考虑进来,只能凭借经验来寻求较为合理的装配工艺路线,而这样得到的不一定是最佳的装配工艺路线。

    本文将针对公司的17300吨多用途功能船,通过DASSAULT公司的DELMIA DMU软件,对船舶的船体、管系、电气等各专业,进行分段装配、分段预舾装、分段总组、总段合拢等过程进行模拟,从而实现在设计阶段预测、分析、评估产品的各种质量、性能指标和工艺的可行性,并在考虑人机的因素下优化产品设计及工艺、维护过程,及时发现和纠正设计中的缺陷和问题,缩短产品的开发流程,提高船舶产品的建造质量,更好的指导实际建造生产。

2、虚拟装配的关键技术

    2.1 数据转换及精简

    目前主流船舶CAD设计软件Tribon是一个相对封闭的设计系统,与外部的几何数据交流只有简单的DXF、IGES格式,而且船舶CAD设计的模型数据非常庞大,和普通机械产品不能相比,一艘包含船、机、电等全专业设计模型的整船设计模型,存储的数据量往往会达到数千兆大小,就目前的方式,将如此海量的数据转到虚拟环境中将要花费很长的时间,而且在漫游、装配等操作时性能将受到很大的影响。

    3D XML是DASSAULT公司推出的一种通用、轻量、基于XML的文件格式,该格式高度压缩复杂数据,提供快速的文件传输和加载时间,保持交换文件的精确几何图形和产品结构树,保留零件的颜色、名称等属性信息,能够在模型三角化面片后进行精简,提高仿真的速度。而且3D XML完全基于标准的XML,任何软件程序都将能够使用标准工具读取、编写和丰富3D XML的内容。

    2.2 装配规划技术

    装配规划技术包括装配路径规划技术和装配顺序规划技术。传统装配规划的研究方法是针对特定的需求,在某些推理算法和规则的支持下,推理出几何上可行的装配顺序,但是装配路径规划在几何上可行,在工艺上不一定可行,所以这种装配规划还需要工程技术人员对其进行工艺性分析,才能保证其在工程上的可行性。虚拟装配规划就是在虚拟的环境下利用交换设备模拟手工装配拆卸的交互式过程,对装配体进行可装配性和可拆卸性分析,并且可以通过反复验证来确定最优装配规划方案,力求避免一些最优的装配顺序和装配路径中出现的遗漏问题。

    2.3 装配干涉的仿真

    装配干涉检查可分为静态干涉检查和动态干涉检查。静态干涉检查是指在虚拟装配结构形式下,检查装配体的各零部件之间相对位置关系是否存在干涉,装配公差设计是否合理;而动态干涉检查是装配的零部件在装配运动过程中,其运动的包络体是否存在零部件之间的运动干涉。

    在结构设计时,一般只用静态干涉检查的方式进行检查,将各个零件以不同的颜色进行渲染,就可以在视窗中通过旋转、放大等方式,观察三维模型中的装配体之间是否发生装配干涉现象。

    动态干涉检测可以通过装配路径等信息,将装配形成的虚拟体转化为静态干涉检测来实现,检查零件包容体的干涉情况。碰撞干涉检测与路径规划是息息相关的,在虚拟环境中依据设计好的装配工艺流程,对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真,验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去,以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。虽然装配顺序设计是按先里后外的原则设计的,但在实际装配的过程中,经常会发生有的零件装不上去,因此工人不得不返工来拆除已经装配好的零部件,浪费了大量的人力和物力,同时也拖延了装配工期,进而影响到整个工期的安排。

    在虚拟环境中,依据设计好的装配工艺流程,通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查,当系统发现存在干涉情况时实时报警,并给出干涉区域和干涉量,以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

干涉检查

    图1 干涉检查

    2.4 人机工程仿真

    产品装配的过程需要考虑人的因素,产品移动的过程也就是人的动作过程。在产品结构和工装结构环境中,按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中,针对零件的装配,对工人进行相应工作特性的分析。

    本文介绍了虚拟装配技术在船舶制造企业中的实际应用,以17300吨多用途功能船为例,在基于DELMIA DMU的虚拟装配环境下,加入工装、设备、虚拟人等资源,对整船进行虚拟装配仿真,通过静态和动态的干涉检查,人机工程分析,验证船舶建造方针的可行性,寻找最佳的建造解决方案。

3、船舶装配应用实例

    船舶建造工艺设计是在对舰船产品结构分析的前提下,在现有制造能力(场地、设备、工艺方法)的基础上,制定相应的装配流程,确定装配方法并定义各装配环节所需要的制造资源。

    (1)在DELMIA中建立产品结构树—Product。将Tribon系统建立的17300吨多用途功能船三维模型,按照船体:分段名—>板架名—>构件名;铁舾件:托盘名—>零件名;管子、风管:托盘名—>管路名—>零件名;电气:托盘名—>部件名的方式将三维设计数据转换成3DDXF格式输出,然后通过接口程序转换成DELMIA软件能够接受的3DXML格式,在转换的过程中保留了零件设计时给定的颜色、名称等属性信息,并且建立每个零件的三维模型与结构树的关联关系。

    (2)在DELMIA中建立资源结构树—Resource。根据装配工艺要求,建立工装、夹具等装配过程中需要的资源三维模型:装配胎架、托架、支柱、脚手架、吊车、行车、专用工具等,并且建立每个工装、工具的三维模型与结构树的关联关系。

    (3)在DELMIA中建立工艺结构树—Process。装配工位的划分与装配流程设计。在工艺划分的基础上,对每个总组部件进行初步装配流程设计,划分装配工位,确定在每个工位上装配的零组件项目,在虚拟环境下构建各装配工位组件装配的工艺模型,确定装配工艺基准和装配定位方法,并制定出全船各工位之间关系的装配流程图。

装配流程图

    图2 装配流程图

    (4)详细装配工艺设计。在装配大纲划分基础上,依据分段装配工艺模型进行详细的装配工艺过程设计,定义该过程所需要的标准件,在虚拟环境下确定该装配工艺过程零组件、标准件、成品等装配顺序,明确装配工艺方法、装配步骤,并选定该装配过程所需要的工装、夹具、辅助材料等一系列的制造资源,利用DELMIA直接形成用于指导生产的装配工艺文档。

装配工艺文档

    图3 装配工艺文档

    (5)装配生产线三维工艺布局设计。在虚拟环境下,建立厂房、地面、起吊设备等三维制造资源模型,将已经建立的各装配工艺模型和装配型架、工作平台、夹具等制造资源三维模型放入厂房中,按照确定的装配流程进行全面的工艺布局设计。三维工艺布局比传统的二维工艺布局更直观,充分体现了三维空间的状况,并且在数字环境下可以仿真生产流程。

仿真生产流程

    图4 仿真生产流程

    在上述数字化工艺设计过程中,借用过去已经建立的装配工艺模型、典型装配工艺流程、制造资源模型等,实现基于工艺知识和典型制造资源快速数字化装配工艺过程设计,有利于提高资源的继承性和通用性。

4、结论

    本文通过17300吨多用途功能船的虚拟装配应用,实现了船舶三维CAD设计模型在虚拟环境下的漫游再现和动态检查。同时通过交互方式,模拟从船体分段装配、分段总组到总段合拢的船体装配过程,以及分段的管子、风管、设备和铁舾件等预舾装过程,及时发现了在装配过程中出现的动态干涉问题,验证了船舶建造方针的可行性。

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    收录时间:2015年10月02日 21:44:51 来源:e-works 作者:匿名
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