船用柴油机三维可视化装配应用技术研究

0 引言

装配是产品设计制造的最后一个环节，也是产品制造周期中最为关键、重要的环节，产品质量的50%取决于装配工艺

。装配成本占生产成本的20%～30%，如果在装配中发生问题，生产成本会提高50%

。船用柴油机装配涉及大量的零部件，装配的工作量和装配成本所占比例会更高(如图1)。

工艺创新是制造业企业技术创新的重要方面。工艺设计是连接产品设计与产品制造的桥梁，是制造系统的关键环节，装配工艺作为制造企业形成交付产品的重要环节，对产品质量和制造成本具有极其重要的影响，占用了企业大量的人力和物力资源。因此，良好的工艺设计，对加速企业技术创新，提高产品的质量和可靠性，降低产品开发成本，缩短开发周期和提高市场竞争力具有十分重要意义。

数字化工艺技术的研究始于20世纪90年代，国外发动机研制生产厂家对发动机的装配工艺和装配工装都有严格的要求

，在发动机总装技术条件完成后就开始对发动机的装配工艺方法进行研究，利用发动机三维数据模型、工艺设计管理平台以及虚拟装配技术对发动机装配进行规划。

国内的数字化工艺技术处于起步到深化发展的阶段

，三维可视化装配工艺在航天和汽车领域已经得到较为广泛的应用，但当前大多数船用柴油机制造企业装配工艺数字化、信息化水平较低，工艺规划仍处于信息孤岛阶段，主要依靠工人的经验进行规划，难以保证装配工艺规划结果的科学性和产品的装配质量；同时采用传统的二维纸质文件指导装配生产，装配工艺信息不能立体化、丰富化地呈现，对操作人员的视图能力和工作经验有很高的要求，在装配过程中容易出现装配质量问题

。

装配工艺文件能否易于装配人员理解和学习，能否直观指导工人进行装配，直接影响着装配的效率和质量

，结合国内装备制造业发展以及企业实际生产现状，本文以某型船用柴油机控制活塞部件为载体开展柴油机可视化装配与应用技术研究，建立可视化装配工序规划、装配路径规划以及技术图解，实现柴油机关键组件的三维可视化装配工艺规划。

1 三维可视化装配工艺设计流程

三维工序规划是在一个可视化的界面完成创建装配工序、分配工序对象、工序流程定义的功能。设计人员在创建装配工序后，对选定的装配工序选取需要装配的模型零件、部件，通过可视化操作窗口进行选取，如图4所示，可以直观的检测复杂产品是否存在“错装”、“漏装”，也可通过模型树进行选取。通过图示化的箭头实现工序间的先后次序、串并行关系的连接(如图5)。

正所谓“凡事预则立，不预则废”，要想做成功任何一件事，必须事先做好充足的准备。在志愿活动开展之前，我们需要设计好完备的活动方案。我校通过民主决策即关系到少先队员利益、少先队发展的重大事务让队员自主决定来彰显少先队员的主体地位。在广泛听取大家的意见后，各中队自主确立活动具体目标、拟定活动具体内容。总而言之，我校把“说”的机会让给队员、把“论”的自由交给队员，培养队员的决策能力。

2 三维可视化装配工艺规划

在对某一序列中装配对象的活动轨迹(装配路径)定义完成后，根据各个工步实际装配顺序及装配的复杂度,可以调整步骤中活动的顺序以及每个拆卸活动的运动时间，用来实现步骤内工步之间的并行和零件装配顺序的调整。采用活动甘特图及Microsoft Project 的界面操作方式，可以根据每个工步的技术要求的难易程度来调整装配工艺信息的起止时间(如图9)。

对2015年1月—2018年5月我院临床疑诊为胎盘植入患者20例影像学资料展开回顾性分析；患者一般资料见表1。

2.1 三维装配工艺工序规划

在制造业中，装配顺序的规划是一个关键环节，好的装配顺序能够节约成本，提高效率，传统的装配工序的规划是通过工艺员的经验来进行，但这样的规划结果可能并不是最优的,而且在装配过程中可能会存在干涉，通过可视化的界面进行装配工序的规划，可以很好地解决传统装配工艺工序规划的弊病。

对于复杂产品来说，数字化装配是虚拟制造的核心技术之一，是实际装配过程在计算机上的本质体现，本文所研究的三维装配工艺设计系统不仅仅是一个独立的三维装配工艺设计工具，还可实现与各种管理系统集成实现信息共享，本系统将数据管理平台和三维工艺设计系统进行集成，保证数据的同源性和唯一性。本系统从PDM中获取产品的三维装配模型，在CAPP中实现BOM转化，在三维产品装配模型的基础上，按照企业实际装配工位的布置情况，零部件装配的工艺性原则，重新组织产品的装配结构，基于三维装配工艺编制软件完成产品的三维装配工艺设计，在装配流程的引导下，实现装配工序和装配路径规划，建立了可视化装配仿真过程，输入装配工艺信息，形成完整的装配工艺，输出为多种格式的装配工艺文件。工艺设计流程如图2所示：

2.2 装配路径规划

装配路径规划建立在装配工序规划的基础上，是描述装配件的装配路线和相对运动过程。利用三维装配工艺编制软件基于“可拆即可装”的思想进行装配路径规划，采用逆向思维，用定义拆卸活动的方式来完成装配过程定义。装配顺序规划完成后，通过三维装配工艺编制软件进行装配路径规划，对选定的装配工序中包含的零件、部件进行详细的装配活动设计，装配活动按照运动方式分为直线、平动、旋转、螺旋、牵引、径向和周向等运动，将一个或多个装配活动组合起来表示零部件的安装轨迹(见图6)。

仿真动画与模型并不能完整的表达工艺操作信息，在数字化装配工艺设计系统中会涉及到大量的文字描述，如工序、工步的基本信息、零部件配套的基本信息、工装工具与仪器设备基本信息、辅助材料基本信息。

柴油机的装配工艺除了装配工序和装配路径的规划，还有很重要的一部分就是工装的使用，包括专用工装、通用工装和检测工具。在三维装配过程中，工艺装备是用来辅助完成装配活动的，完成零件装配路径的规划后，在需要工装辅助安装的零件路径下引入所需的工装，首先确定其作用零件，对工装进行定位，然后设置工装的辅助装配过程，完成零件的整个装配(见图8)。

相比肉类，豆制品更容易腐败，所以加热时要多煮几分钟。不用担心营养损失，豆腐中的维生素少，而它所富含的蛋白质和钙、镁都是不怕热的。

此次教学实践中，教师在课程实施、设计以及学生课堂管理上仍旧存在一些问题，还需要在课程实施过程中有效设置任务点督促学生学习，在设计课堂环节促进学生主动举手、抢答的积极性，以及减少学生在使用手机过程中出现的走神、分散学习精力等情况。同时，学生记录的分析也只是应用师星学堂不久的时间段内的分析，无法提供可靠依据。但是，本次课程是本校智能手机应用于课堂的初探，提出了基于智能手机的课堂互动应用系统的具体应用流程，对于今后的课程实践有一定的指导意义。■

3 三维装配仿真及文件输出

3.1 调整仿真顺序

装配序列规划的好坏直接影响装配操作的难易程度与准确性

，本文以某型柴油机控制活塞部件为载体，在三维可视化装配工艺设计平台上进行验证，将柴油机控制活塞三维模型导入三维装配工艺编制软件进行装配工艺设计，按照产品设计结构及装配流程进行产品装配工艺规划后通过动画仿真来验证工艺规划的合理性，最后输出工艺文件存档。装配过程规划是基于装配结构的装配工艺顺序的生成。产品中零部件之间的几何关系、物理结构以及功能特性等决定了零部件装配的先后顺序，所有零部件的装配序列形成产品的装配过程。装配过程定义的一般流程如图3所示：

3.2 装配工艺信息编辑

在仿真播放时，有时需要频繁地变换观察方位，可以在定义零件装配路径时，设置记录当前的观察方位，这样在仿真播放时就可以切换到最佳视角。对于有些内部结构复杂的零件，可以根据需要创建多个剖切方案，在定义装配路径的同时可以运用剖切方案来观察内部结构(见图7)。

在完成三维装配工艺序列和装配路径规划后，在三维装配工艺编制软件中基于三维装配工艺过程树进行装配工艺的编辑。如图10所示，在<技术图解>菜单中可以创建各类标记、标注、图像、文本、BOM表格、序号标注、局部放大，用来增强工艺过程的描述，提高装配仿真的可操作性及实用性。

本文利用重心距离指标和重心方向变动一致性指标对不同属性重心耦合态势进行分析，其中重心距离指标代表重心耦合的静态分析，重心方向变动一致性指标代表重心耦合的动态分析。重心距离指标的计算公式为：

3.3 动画仿真及文件输出

在完成装配工序、装配路径规划和技术图解之后，需要以一种指导性文件的形式输出装配工艺。装配仿真中，最重要的是进行可行性装配分析，装配元件运动路径的可靠性检查是确保装配工艺合理可行的关键，而路径的有效性检查主要是以判断是否发生干涉为依据的。本文研究的三维装配系统可以在装配过程中检查被装零件和其他零件之间是否存在干涉，并出据干涉检查报告。

通过动画演示功能进行柴油机控制活塞部件装配工艺的虚拟仿真，在仿真动画播放过程中可以直观显示装配工序的划分，以及附带装配工艺信息的零部件的运动轨迹，为了加强三维装配工艺的指导性，可通过添加音频来对装配过程进行讲解，同时根据定义的活动视角自动调姿，切换到最佳视角，以PDF、 Excel、AVI格式输出为工艺文件，形成可指导装配生产的三维可视化装配工艺。

4 结语

本文研究的三维可视化装配工艺设计系统基于产品数字化模型，借助于虚拟仿真技术等人机交互手段，在虚拟环境下进行装配工艺规划、仿真，实现装配工艺的可视化指导，从而克服传统的装配工艺依赖于工人的装配经验和知识等问题，提高装配工艺文件的指导性和准确性，有效提高船用柴油机的装配效率和质量，实现设计-工艺-制造一体化。另外，通过对装配工艺的仿真，验证装配工艺规划的合理性，缩短工艺设计周期，实现装配工艺无纸化，为推动企业数字化进程提供支撑。

[1]杨志波. 三维装配现场可视化关键技术及应用的研究[D]. 辽宁：东北大学，2014.

[2]刘检华，姚珺，宁汝新等. 虚拟装配工艺规划实现技术研究[J]. 机械工程学报，2004,40(6)：138-143.

[3]徐晓月.数字化装配工艺设计系统开发[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[4]郑勇.坦克发动机关键零部件的可视化仿真系统及其应用技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2003.

[5]王荣利，蔺玲，韩建魁等.数字化装配工艺技术的研究及应用[J].《新技术新工艺》综述，2020年第1期.

[6]赵涛.装配现场可视化关键技术研究及其系统实现[D]. 辽宁：沈阳航空航天大学，2010.

[7]谷秋实.三维可视化装配工艺发布系统关键技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2018.