复杂机电产品刚柔混合装配仿真技术研究

高 扬，廖文和，郭 宇，王发麟，宋 倩

（南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

复杂机电产品刚柔混合装配仿真技术研究

高 扬，廖文和，郭 宇，王发麟，宋 倩

（南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

为了提高复杂机电产品的装配质量和缩短装配周期，结合复杂机电产品装配的特点和难点，提出了刚柔混合装配的总体思路，对刚柔混合装配仿真技术进行了研究。从线缆的弯曲半径属性；自身重力属性和温度属性三个方面进行了仿真，通过实例验证并对典型的刚柔混合装配模型进行了装配仿真。

机电产品；刚柔混合装配；弯曲半径约束；温度仿真；装配动画仿真

0 引言

复杂机电产品是由机械结构电气设备控制装置检测装置等有机组合在一起的复杂系统，是机、电、液、控、光、磁等多种物理过程融合于同一载体的复杂系统，是涉及多学科、多领域、多因素具有复杂功能的一类产品[1]。随着以航空、航天、船舶、电子、兵工、能源等大型电气系统的飞速发展，现代电气系统日益复杂化、集成化。近年来，柔性线缆类零件越来越多地应用于航空航天、船舶、汽车和家电等行业中，而柔性线缆的装配质量直接影响产品的性能和可靠性。线缆指用于机电产品总装或部装中连接电气设备或控制装置的柔性电线或线缆的总称。目前对于刚性结构件虚拟装配仿真技术和软件技术已经日益完善，比如三维设计软件UG、Pro/E、CATIA等在制造业应用广泛。而线缆基于它本身具有柔性的性质，并且结构复杂，还需要与刚性结构件交叉装配，并且还具有连接数量多、线缆相对比较集中、机电产品空间狭窄等特性，线缆装配一直是机电产品研究中的难题，国内外的学者在刚柔混合装配方面有了许多研究成果。Ng[2,3]和Ritchie[4]等人提出了在沉浸式环境中使用人机交互方法来实现电缆设计、装配和安装规划。他们研发了一个虚拟电缆设计系统，通过头盜显示器、三维鼠标等虚拟外设，用户可以在虚拟环境下进行电缆的装配或拆卸活动。并对虚拟环境下进行线缆布线效率进行了检测。该系统实现了线缆静态干涉检测，但在实际装配过程中，线缆一直在运动中，并没有对线缆的动态过程进行模拟，反观国内，相关的研究起步比较晚，所以很少有关线缆方面的文献，其中中国工程物理研究院的魏发远，王峰军等[5,6]把装配单元分成“刚性组件”和“柔性电缆”提出了“刚-柔混合系统”装配工艺规划方法。南京航空航天大学王金芳[7]提出了基于Pro/E平台的线缆建模和刚柔混合的装配规划等，并实现了装配动画与工艺文件的生成，王发麟[8]研究了线缆虚拟装配的关键技术。北京理工大学的宁汝新，刘检华等[9～13]建立在基于离散控制点的线缆模型并用于虚拟环境下装配规划。

在实际复杂机电产品装配过程中，刚柔混合装配涉及大量刚性结构件和柔性线缆交叉进行，要经常调整线缆的形状和位置。线缆装配还需要考虑其中的一些重要属性，比如最小弯曲半径、杨氏模量、温度变换和材料密度等因素。总的而言，目前国内外在线缆装配仿真规划技术方面的研究还不是很完善处于初级的阶段，还有许多的难题没有得到解决，本文结合某企业的需求，基于以上的刚柔混合特点及要求提出刚柔混合装配的总体思路，然后对装配仿真技术进行了研究并进行了弯曲半径属性和温度属性仿真实验，并对典型的刚柔混合装配模型进行了装配仿真。

1 复杂机电刚柔混装思路

由于大多数复杂机电产品都是既包括刚性结构件又包含柔性结构件，工程实际中，机电产品的交叉装配现象普遍存在，所谓的交叉装配[14]是指装配过程中刚性结构件和柔性结构件（线缆）之间进行穿插装配，即在进行柔性零件比如线缆先完成线缆的部分装配（只装配了线缆接头）后，继续安装其他刚性结构件，如此相互交叉装配，最后线缆和刚性结构件均装配到位。

在刚柔混合装配中不仅包括电缆的整体或者局部的位姿的调整还包括电连接器的捆扎固定等。在进行刚柔混合装配时，首先导入基本零件模型，并将其分为刚性结构件和柔性结构件（线缆），柔性结构件如需要附件，导入附件进行装配，刚性结构件可以装配成刚性装配体，柔性零件的装配主要包括装配起始端电连接器，柔性线缆装配，终止端电连接器，其中刚性装配体或刚性结构件可以与柔性线缆一起装配，并对其进行工艺规划，验证其可装配性，进行刚柔混合装配仿真，对将结果如装配工艺文档，装配动画等输出给现场工作人员，用于指导现场装配。刚柔混合装配的流程图如图1所示。

图1 刚柔混合装配流程图

2 刚柔混合装配仿真技术

2.1 线缆内部属性仿真

2.1.1 弯曲半径属性约束仿真

在复杂机电产品中，线缆基本都会受到若干次折弯，特别是在拐角处，要满足线缆的最小弯曲半径要求。线缆最小弯曲半径需要参考线缆的直径，通常用D（线缆外径）的倍数表示，一般都是不小于6D。如图2所示，当拐角处的弯曲半径比较小时，线缆在拐角处会出现浅蓝色的高亮提示，需要对拐角处的线缆控制点进行局部调整以满足线缆的弯曲属性。

图2 最小弯曲半径约束

2.1.2 重力属性仿真

在复杂机电中，一般都是单根线缆或者分支线缆经过捆扎成线缆束来进行装配，我们就应该考虑线缆束自身重力属性，只有体现出线缆重力属性才能在虚拟环境中真实地表达出线缆在现实中的状态，这样才能使得线缆装配过程仿真的结果具有实际意义，才能体现其真实性和实时性。如图3所示，没有加入重力属性的线缆和加入了重力属性的线缆进行比较，可以看出加入重力属性的线缆更加符合实际，线缆形态更加逼真。

图3 重力属性仿真

2.2 线缆外部属性仿真

复杂机电中，由于其环境特殊性和复杂性，线缆会随着空间环境温度和内部发电（发热）设备而造成温度应力的变换。电缆是供电系统的功率传输通道，电流较大，温度就会逐渐升高。安装于发动机附件高温区域的线束考虑线束耐高温特性，线束参考标准参考QC/ T 29106-2004进行设计。温度的变换对线缆的杨氏模量（N/m2）、泊松比、材料密度（kg/m3）内径、外径和长度都有影响。随着温度的升高，线缆的杨氏模量变大，长度变长，材料密度也随着变大，如图4所示，温度在20℃时，线缆的状态如图4(a)所示，温度在80℃时线缆的状态如图4(b)所示。

图4 温度变换仿真

2.3 刚柔混合装配操作仿真

刚柔混合的装配操作仿真主要包括刚性结构件的装配操作，电连接器的装配操作，线缆单元的装配操作。

电连接器装配操作主要包括电连接器的位姿变化，在移动电连接器到装配位置时，与电连接器相关的线缆也会随之进行相应的位姿变换，在此时通过刚性结构件的约束将电连接器装配到插装位置。装配完成后线缆与电连接器相关的控制点将不能进行位姿变换，但是可以将电连接器与线缆的约束关系设置成不关联，重新对电连接器进行装配操作。

线缆单元的装配操作是将整个线缆单元作为操作对象，对整个线缆单元进行移动，平移转动等操作，可以将线缆单元迅速地移动到目标装配位置，对线缆单元进行装配操作能够提高刚柔混合装配的效率。线缆单元的操作还需要对线缆的模型和走线过程进行局部的调整和优化。我们可以通过对线缆上的控制点进行操作使得空间位姿进行变换平移，旋转等位姿的调整，从而改变线缆的位姿。

2.4 刚柔混合装配干涉检测

在进行复杂机电混合装配时，线缆需要在其装配过程中进行动态干涉碰撞检测，以防止在装配过程中由于其不规则性而造成线缆与刚性体发生碰撞。动态干涉检查能够识别线缆在运动过程中的碰撞情况，并且可以获取线缆平移，旋转到合适的位置而不与周围其他几何体相碰撞的方向、轴向和路径等相关关键信息。动态干涉检测采用基于包围盒的方式进行，如图5所示，当线缆与刚性结构件发生碰撞，就会进行高亮显示，如图5中A所示，我们就可以通过人工方式对干涉线缆的控制点或者电连接器进行合理的调整，直至满足装配的要求，如图5中B所示，再进行仿真验证。进行完干涉检测后就需要对线缆进行固定，捆扎等工艺，当将线缆固定时，就约束了柔性线缆的运动和变形。

图5 装配干涉检测

3 应用实例

本文提出的方法和思路在软件ICIDO系统中得以实现。其中产品的刚性零部件模型，和电连接器模型是在Pro/E中进行建立，通过接口导入到系统中并对其进行装配过程建模，柔性线缆模型是利用系统本身的功能通过交互式操作进行建立的。实例中系统运行环境为双核CPU，4GBRAM，Windows7系统，以键盘和鼠标作为基本的输入设备，实现对刚柔结构件的拾取和操作。如图6所示是一个刚柔混合装配仿真的实例。首先将复杂机电产品的结构件模型通过接口导入到系统中，在系统中建立线缆模型时需要考虑其本身的重力属性，在装配仿真过程中可以操作电连接器和线缆单元本身，在操作线缆的同时注意其最小弯曲半径的限制，同时还将对线缆干涉进行检测，如果发生干涉和最小弯曲半径的限制则对其进行局部调整已达到不干涉状态并顺利的装配其相应的位置，随后对其线缆进行固定捆扎，将以上的装配仿真过程可以输出工艺文档和装配动画以便于提高复杂机电产品的装配质量。

4 结束语

复杂机电产品中，刚性结构件与柔性线缆存在大量的相互交叉装配，线缆的装配和调整一直是实际工程问题。本文主要结合了刚柔混合装配的特点，提出刚柔混合装配的总体思路，然后对刚柔混合装配仿真等关键技术进行了阐述，并对弯曲半径约束，自身重力属性和温度属性进行了仿真实验，在ICIDO系统中进行验证，以便于对相关人员进行指导装配，提高装配效率，缩短装配周期。

刚柔混合装配工艺规划一直也是实际工程中的难题，对刚性零件的装配工艺规划技术研究和其评估系统也相对比较完善，而对刚柔混合装配工艺规划的少之又少，很少有学者进行深入的研究，所以刚柔混合装配工艺规划和其评估系统将是我们下一步的研究重点方向。

图6 装配仿真实例

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Research on assembly simulation technology of rigid-flex model in complex electromechanical products

GAO Yang, LIAO Wen-he, GUO Yu, WANG Fa-lin, SONG Qian

TP391

A

1009-0134(2016)12-0126-04

2016-09-19

国家自然科学基金（51575274）；国防基础科研（A2620132010）；江苏省研究生培养创新工程（KYLX_0311）；中央高校基本科研业务费专项资金

高扬（1992 -），男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为刚柔混合装配和线缆装配仿真技术。