塔机虚拟装配的精度与规划研究

马雪恬

【摘  要】机械装配是机械产品制造和生產工作的重要部分，在机械的生产过程中，装配是占产品生产制造用时最长的工序。机械装配的质量在很大程度上影响着机械产品本身的质量，因此，装配工艺的科学性和规范性就显得尤为重要。装配工艺规划是根据机械产品的装配特点表现来进行程序和技术上的规划，使装配更加高效，对实际的装配生产起着重要的指导性作用。

【关键词】塔式起重机;虚拟平台;规划研究

1 引言

目前国内针对复杂产品的装配方法比较落后，针对非确定性多项式优化的装配工艺顺序规划研究，项目采用交互式评价方法与智能启发式算法相结合的方法，在减少人为决策的前提下，综合考虑了装配的机械可行性、技术可行性、几何可行性因素，运行计算生成复杂产品的最优可行的装配工艺顺序。

2 搭建模型构架

首先开发接口提取三维模型的装配层次信息、配合约束信息及其几何引用项信息，完成装配意图的捕捉、精确定位求解与装配运动导航、动态约束的解除等，从而搭建出虚拟装配平台框架。然后在虚拟装配的场景中，借助交互辅助技术，对产品零件进行装配，建立并优化零件之间的装配优先关系，根据装配优先关系生成初始可行装配序列，并使用粒子群改进的遗传算法对初始可行装配序列计算出工艺最优的装配顺序，最后根据计算出的最优装配顺序在虚拟装配环境中进行仿真验证，直至得到满足工艺需求的最优装配顺序。建立几何精度的可视化模型以及精度信息与颜色值的映射关系，结合计算机图形学基于OpenGL技术能将最终装配体的装配公差以不同颜色可视化出来。

编程实现约束识别、碰撞检测、约束解除、位置跟踪、装配确定等基本交互手段搭建虚拟平台，进而在机械研究院采棉机车间进行考察，并根据各项装配影响因子的权重制定适应性函数，求解运行生成最优的装配顺序。

3 虚拟平台的二次开发

基于图形系统OpenGL Performer的虚拟装配平台装配层次信息、配合约束信息及其几何引用项信息的读取，精确定位、导航及基本交互功能的实现。采用交互式评价方法与智能启发式算法相结合生成复杂产品的最优可行的装配工艺顺序。借助虚拟环境相关渲染技术，实现了对几何偏差或误差值的相对几何精度可视化，以及对公差等级的绝对几何精度可视化。通过颜色的变化来表达几何相对精度和绝对精度的高低，将现实世界中不可感知的几何精度信息以直观的方式显示出来。

根据一级装配单体案例分析出不同的装配次序会产生不同的装配公差，相反适当的装配顺序能减小，甚至吸收装配公差。分析自动装配序列规划和交互式装配序列的优缺点，提出了将虚拟现实技术和智能优化算法结合起来，提出了智能装配顺序推理和交互式装配规划评价相结合的新方法，其基本思想是：一方面利用智能优化算法的智能性，充分发挥计算机的优势，直接推理出初始可行或接近较优的装配顺序，从而对产品的装配序列规划过程进行智能引导和优化;另一方面利用虚拟现实技术的直观性，充分发挥人的经验和智慧，实现人机交互式装配规划和仿真，从而对智能算法得到的初始优化的装配顺序进行进一步分析、仿真、评价和优化，直到得到产品的最佳装配顺序，实现人机协同的智能装配规划与优化。建立可视化模型与偏差约束几何、几何精度三维标注模型之间的关联，以实现可视化信息、产品几何精度信息和产品几何模型信息之间的传递与关联。基于颜色几何装配精度可视化，关联三维标注模型，获取可视化的数据信息，并根据标注的点位和方向转化获得几何精度可视化颜色条、文本框的点位、方向信息，进而实现可视化信息的编辑和交互。相对几何精度可视化包括特定几何偏差或误差值的可视化和公差域的可视化两方面。特定几何偏差与特定颜色进行映射;公差域与颜色域进行映射，在某偏差自由度方向用渐变颜色条表示。基于三维标注模式，在标注一侧显示颜色条;为了使颜色与数值的映射关系更为直观，便于判断偏差的偏离程度，对应颜色条底端、中间和顶端颜色处标明几何的下限偏差值、中间偏差值和上限偏差值，并实时绘制标志箭头指示到当前偏差值对应的颜色位置。

4 机械装配工艺规划的关键点

4.1 装配工艺规划的层次化

机械产品结构复杂，而且零部件的种类繁多，数量大，特别是重型机械产品，在重量和尺寸上都很大，装配难度高。在进行装配工艺规划时，要对机械产品进行深入地分析，根据其结构、组织和功能进行层次化地规划，为产品装配部门和工作人员提供详细可靠的指导和参考。

4.2 BOM变换

在对机械产品装配工艺规划后，在实际装配中很难避免会有一定的偏差存在，在对零部件进行调整时，可能位置要有一定的变化。因此，在进行装配工艺规划时，要对零部件的变化进行详细地解释说明，为装配操作人员提供参考信息，便于装配操作的顺利进行。

4.3 做好进度计划

机械产品在装配时一定要按照规划的顺序进行装配，正确的装配思路能够有效地减少装配中的重复操作，提高装配效率，也避免零部件之间出现不良衔接。生产部门要根据装配工艺规划，结合实际装配经验，对生产计划进行合理地掌控，把握时间节点，保证产品装配的按时完成。

4.4 装配工序的规划

一个机械产品的装配涉及到多方面的工序内容，装配信息会由多人提供，因此在对装配工艺进行描述时可能会有模糊不清的问题存在。在对装配工序规划时，尽可能地保障装配说明的详细性，对各个工序的安排、零部件的使用，装配的顺序、开工和完工的时间、各项工艺参数、装配工装的要求、装配基准等问题力争详细、具体、准确，保证装配工作的有序进行。

5运行结果

最终搭建出一套人机交互的虚拟装配平台，研究出针对塔式起重机的最优装配工艺方法，求解生成最优的装配顺序，并利用数据手套等外设顺利完成对塔式起重机减速箱部件的虚拟装配。本项目采用有效的集合约束实现精确定位、导航，基于虚拟现实提供的多通道感知环境和虚拟菜单、三维鼠标、数据手套、位置跟踪器等多种交互手段，对具有物理属性的零部件直接进行操作，开发实现基础的虚拟装配平台。

参考文献：

[1] 陈波;基于VR技术的虚拟车间可视化系统研究倡陈波，孙文磊，崔权维，洪荣荣 [D];新疆大学;2013年第9期

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[3] 王峻峰，李健，李世其.面向装配规划的机械产品装配工艺知识管理系统[J].机械制造与自动化，2014（6）：21-24.

[4] 张瑞，王春英，梁成岭，等.工程机械装配工艺现状与发展趋势[J].建筑机械，2010（3）：70-72.

（作者单位：陕西建设机械股份有限公司）