基于IC.IDO的柴油机装配仿真应用研究

梁国祥 陈建军 曹美文 李玉 康毅 曹艳

摘要：本文介绍了IC.IDO软件的特点，研究了用IC.IDO软件实现柴油机虚拟装配的方法与原理，采用三维CAD软件和IC.IDO软件实现了柴油机的虚拟装配，并结合三维可视化沉浸系统实现了柴油机三维结构观察和交互，使得设计和工艺人员在实物装配前，可以对柴油机的空间结构有直观的认识，并且检查柴油机零部件之间的干涉情况，获得最优的装配方案。

关键词：柴油机;虚拟装配;仿真应用

0  引言

虚拟装配技术是一种依托于计算机系统的仿真技术，在实际应用中主要通过三维建模以及工艺资源信息得到针对各类工艺要素的设计和模拟，具体的要素内容包括了制造环境、产品结构、工装状态、设备状态和工艺流程的可视化设计与模拟，装配工作还可完成对先进技术手段的评估和优化，我国目前的柴油机装配制造中，这项技术还处在应用的起步阶段，只有少数企业能够实现数字化演示和展示的效果。但从宏观上来说，整体级的三维虚拟仿真工程目前并没有公开报道。另外，从科学研究的角度来说，部分专项检测项目在开展检测工作时，也需要应用工艺复杂性更高的设备完成对工装功能的评估和检测。

IC.IDO是法国ESI集团为用户提供的虚拟虚拟现实解决方案和可视化设计制造决策平台（VDP），VDP虚拟现实技术兼具协同可视化和沉浸式交互两大核心技术，主要特征是功能完整性高、多线程技术的兼容效果好、海量数据模型的支持能力强、异构数据类型的整合能力以及柔性分析能力强。工程建设的主要模块包括了IDO：Package对象包模块、IDO：Ergonomics人机工程模块、IDO：Behave部件行为活动模块等主要模块。从这些功能模块特点上来看，这一平台可完成生产系统的规划设计工作、工艺布局的模型建立和仿真操作、生产过程中的动作仿真以及生产工艺的流程仿真几方面工作。

总的来讲，装配工艺在准备阶段的具体工作中，需要依托专业软件平台将装配过程通过三维虚拟的仿真技术进行展现。这种模式对于提升工艺设计的便捷性、规避工艺设计中的风险有重要的作用。本文以柴油机机械设备为背景，探讨虚拟装配仿真技术的科学应用方法，主要需要建立的模型类型包括了零部件模型、装配体模型、装配体的预处理以及转换虚拟装配。

1  虚拟仿真技术方案分析

关于柴油机的装配工作开展，三维模拟仿真技术实施需要经过以下几个基本流程。

1.1 数据模型的准备阶段

这一阶段的主要工作是对柴油机装配工艺的主要内容、设备类型和工装清单机型整理和收集，并且同步将柴油机的零部件清单进行整理规划，此三项内容是进一步建立三维模型的基础准备阶段。

1.2 装配线工艺布局建模

装配线的工艺布局建模过程对建模环境有严格的要求，要求建模过程的完成要处在3D虚拟的环境下，并按照系统工艺流程规范设置缓冲区、工位区。根据预定生产的基本纲领要求在不同的缓冲区与工位区区域完成零部件模型的摆放。按照预期的物料配送方案对物流输送路线进行规划。

1.3 装配动作设置与仿真过程

关于装配动作的设置与仿真过程，是在建立装配线工艺布局模型的基础上，按照不同的装配工艺要求完成不同工序的动作操作。具体的动作类型包括了人工动作、工装动作等，动作的过程主要包括了运动顺序的调整和运动位置的变化，另外还包括运动的实践指标与速度指标的变化。

1.4 结果分析与工艺改进过程

关于仿真结果的分析过程，主要是针对工艺布局的合理性对车间内部的面积指标、缓冲区与容器的容积利用率指标以及物料运输路径的合理性指标等结合实际需求进行优化和改进。

2  基于ESI-IC.IDO的柴油機装配虚拟仿真分析

2.1 基于CAD的整机三维数据模型导入

首先，在CAD软件中建立柴油机零部件模型，装配虚拟仿真前需要将整机、系统及零部件的CAD模型导入VDP软件中，运用虚拟显示系统以及CAD异构系统完成通信并实现CAD数据的导入和整合。确保模型文件从CAD环境数据实现到虚拟环境数据的导入。其中柴油机曲柄连杆机构装配模型如图1所示。

2.2 针对虚拟场景模型的渲染

从现阶段的实际出发观察，虚拟现实环境中的模型渲染功能效果主要是纯色渲染，基于提高模型的逼真程度的目标，大部分仿真软件都是通过图片的形式完成渲染的，在轻量化限时模式的背景下，图片发的添加方式和参数调节方式存在差异。渲染后的图形效果如图2所示。

2.3 虚拟环境交互装配模式的顺序评估与优化

沉浸式的虚拟现实环境具有直观性强的典型特征，在具体的装配操作环节，需要逐个按照顺序完成零部件的装配操作，并分析不同装配操作的难度和使用性能。实现分析结果与装配顺序的合理规划和结合，以求取得最佳的装配顺序。避免产品出现错装和漏装的现象。沉浸式虚拟环境交互式装配顺序规划流程如图3所示。

2.4 虚拟装配干涉检查及路径优化

装配路径的规划工作开展是指以安装零部件的过程中，从位置到产品的行走轨迹都进行合理规划。在装配仿真的过程中，应当选择被撞的零部件，完成零部件起止点的精确定位。实现移动过程中针对零部件的干涉和检查，对初始装配路径进行验证和优化，确保优化后的路径不存在干涉与碰撞问题。通过赋予对象可碰撞和动态属性，便可进行实时运动干涉检查。设置界面如图4所示。

2.5 装配过程人机工效分析

通过对人体模型工厂化定制，人体模型快速定义和人体模型物理学动作姿态等人机工程开展研究，评价并优化现场操作人员装配过程的可视化、可达性和舒适性，针对柴油机装配过程中涉及的人机因素（如装配所需时间、装配操作的舒适程度和安全性），以虚拟环境下人体模型模拟操作为依据，验证并分析装配空间、工具和装配行为对操作人员强度的影响，从而涉及出最优装配工位，为实际操作提供指导。如图5所示。

3  结束语

综合来讲，在本文的分析和研究中，针对具体的装配工艺流程进行了按步骤的仿真分析。具体分析内容包括了新产品组装工作开展前的具体装配工艺规划和分析、可装配性验证、装配过程演示、装配操作培训与指导等完整解决方案，可缩短生产周期、降低生产成本、减少返工、报废量，提高装配质量，同时，可获得部分工艺参数，为后期批量生产提供参考，将产生明显的直接经济效益。

参考文献：

[1]赵宁.虚拟现实仿真技术研究与应用[J].新技术新工艺，2018（8）.

[2]毛斌.基于ICIDO的转向架装配仿真应用研究[J].科技与创新，2016（15）.

[3]姚寿文.传动装置高沉浸虚拟实时交互装配技术研究[J].兵器装备工程学报，2018（4）.

[4]秦志南.沉浸式虚拟装配系统的可用性研究[D].华南理工大学，2018.

[5]王辉.沉浸式虚拟装配技术的研究与应用[D].杭州电子科技大学，2012.