试论复杂机电产品中的柔性线缆装配过程仿真技术

王丽梅

摘要 本文通过分析复杂机电产品中的柔性线缆在装配仿真技术，提出仿真技术的完成方式和处理方案。首先分析了无向图的数字化表达模型以及元素包含关系，以达到复杂线缆几何、拓扑以及属性信息的表达，为仿真技术提供基础；其次改善层次链装配模型，完成装配操作、任务的保存和表达；最后构建线缆质点弹簧模型完成柔性形变的仿真。

关键词 复杂机电；柔性线缆；仿真技术

1.前言

柔性线缆是信号能量的传递介质，目前广泛运用于各类机电产品中，其质量水平将影响到机电产品的稳定性能和可靠性。较为复杂的机电产品在安装过程中不但包括有对刚性设备的装置，还有对于柔性线缆的装置。线缆的构造比较繁琐，其柔性特点必须要和结构件交叉协调安装，引起线缆装调是目前复杂机电产品中的难题[1]。

伴随着计算机网络技术的不断发展，数字化样机逐渐使用在产品可维护分析、人机工效学分析、装配工艺设置等安装工作中。如今刚性装配仿真技术、仿真软件已经逐步成熟。刚性结构件与柔性线缆的装配过程仿真逐渐受到工业界的关注，同时提出了装配仿真的环境，在检查刚性体和人机交叉前提下，使用质点-弹簧模型完成柔性线缆的仿真。复杂机电产品中线缆一般有较为繁杂的几何状态、拓扑结构以及其他属性信息，其安装时所涉及到的结构件和线缆交叉实施调整操作。

2.柔性线缆的过程仿真

三维产品数字样机的建设，安装仿真中采取的工夹具模型是在CAD的基础上设置的，柔性线缆模型在安装前经过人机互换或者别的途径构建，同时定义其数据信息。数字样机的设置主要有两个方面：首先经过线缆的数字化呈现模型对线缆信息的保存和表示；其次是在数字化的基础上形成线缆的可交互和可视化虚拟模型。

柔性线缆安装过程中的仿真，用户经过输入设备操作三维环境中的结构件、工夹具以及线缆实施仿真。构建线缆的物理模型，按照线缆的数字化模型和虚拟模型收集器物理属性、几何形态信息以及操作输入，计算变形形态，回馈给用户。柔性线缆装配的保存和显示，可以运用装配流程、过程动画等的组成。

3.处理方案中的主要技术

3.1数字化建模

机电产品的数字化样机一般以刚性部件CAD作为基础，CAD系统中的模板设计可以表现为实体模型，此模型在几何上体现出线缆布线的规划，但不能够完全表达线缆的柔性特点和安装过程中的状态[2]。完成对线缆结构建模以表现其具体的几何状态后，在三维环境中组成实体模型。复杂机电产品安装仿真的运用中，数字化模型可以表现出线缆的信息，特别是对于线缆的柔性特点。线缆的安装仿真只有几何状态的变化不会对结构产生改变，只需要更改模型中变形部分的几何信息和位置信息，刷新虚拟模型，即可完成对模型的修改，缆线的其他信息都不需要改变。

3.2 改善的层次链安装模型

对于复杂机电产品中的柔性线缆以及处理构建的安装过程，层次链模型，完成了对仿真过程的保存和显示。每个安装任务有一个或者多个的安装操作，记录涉及到的任务类型和对象。操作对多个虚拟实体实施，叙述安装操作动作，记录关键点序列。经过详细的装配动作、对象，完成了安装过程中的调整、拆卸以及柔性线缆的局部调整、总体操作等各种操作的表达，在操作层次和安装任务层次完成了柔性线缆和结构部件的交叉安装。通过安装历史数据信息可以完成对安装过程的回放、重做、撤销等[3]。

3.3 质点弹簧模型仿真

完成柔性线缆的安装过程仿真应该构建相对应的物理模板，可以在每一时段保证真实的仿真线缆的变形。在运动学方式的基础上完成对线缆的仿真，但运动学方法对于线缆的行为做了较大程度的简改，只可以表现出总体的趋势。此外柔性变形仿真的是在物理基础上的模型构建，根据物理定律探究力与变形的相关性，构建柔性体的模板，可以更加真实的进行仿真。其中有限元的准确度很高，但其经济成本也较高，不能够运用在每一时期的交互体系中，质点弹簧模型简捷方便，需要计算的数量较少，因此其普遍运用在柔性体变形的仿真中，主要有虚拟手术的组织仿真、织物仿真、柔性线缆仿真等等[4]。本文通过构建质点弹簧线缆模型，按照线缆安装仿真中的特征增加长度改变约束，对其实施假设的简易化，完成线缆在操作中的变形仿真。实际的线缆在安装过程中的长度不变，质点弹簧模型不可以对线缆的定长进行仿真。一般情况下，对模型中的弹簧应该运用弹性系数较大的以控制其长度变化，争取接近真实的仿真柔性线缆。但在实际的模型运用初始标准中可能会有对于某一质点位置的规定，这些规定的限制性，造成求解结果会产生总体的压缩和拉伸，和实际的线缆变形偏差比较大。

4.结束语

复杂机电产品中的柔性线缆安装以及调整是目前工程中的一大难题，本文经过构建元素包含关系以及无向图的表现模型，生成了三维环境中的实体模型，完成了数字化样机的线缆柔性表现。构建了完善的层次联模板，保存和显示复杂装配过程。构建质点弹簧模板，适用于求解安装操作的线缆变形。完成了三维环境中机电产品的仿真，能够运用在产品可安装性能的检查和安装步骤计划。柔性线缆的变形和运动仿真技术中的重难点问题，构建准确、高效率的物理模型，解决线缆的交叉时的碰撞响应，也是今后研究的主要方向[6]。

参考文献：

[1]尚炜，宁汝新，刘检华，王志斌.复杂机电产品中的柔性线缆装配过程仿真技术[J].计算机辅助设计与图形学学报.2012，08（06）：245-246.

[2]蒋超，吴波，李明宇，赵勇力，王小成.基于遗传算法的产品装配序列规划研究[J].机械与电子.2012，07（04）：147-148.

[3]刘检华，万毕乐，孙刚，尚炜，刘佳顺.线缆虚拟布线与敷设过程仿真技术[J].计算机集成制造系统.2012，07（04）：356-357.

[4]刘检华，赵涛，王春生，唐承统.虛拟环境下的活动线缆物理特性建模与运动仿真技术[J].机械工程学报.2011，07（09）：160-161.

[5]王雪平，蒋增强，葛茂根，扈静.装配过程资源的CPN建模与仿真技术研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版）.2011，08（01）：249-250.

[6]万峰，刘检华，宁汝新，庄存波.面向复杂产品装配过程的可视化生产调度技术[J].计算机集成制造系统.2013，07（04）：269-270.