复杂机电产品刚柔混合装配规划系统体系结构研究*

王发麟，郭耀文，吉红伟

（1.南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌330063；2.北京无线电测量研究所，北京100854）

引言

复杂机电产品（Complex Mechatronic Products）是由不同种类、数量繁多的刚性结构件、电子元器件、柔性线缆、管路、原辅材料组合成机械结构、电器设备、控制装置、检测装置等若干部件，再由部件按照一定的装配序列和装配路径装配成一个复杂结构的装配体，是涉及多学科、多领域、多因素具有复杂功能的一类产品，具有质量要求高、装配周期长、制造成本高等特点[1，2]。因系统组成和制造过程复杂等特点，复杂机电产品的装配性直接影响到产品整体的开发时间、成本和质量。产品的装配设计和装配规划是复杂机电产品研发过程中的两个重要步骤，这两个阶段的快速和有效操作，能够显著缩短产品研发的生命周期，提高装配质量，降低装配成本[3]。统计指出，在复杂机电产品的生产周期中，约有30%以上的工人直接或间接从事与产品装配有关的活动，产品的装配成本占整个生产成本的30～50%[4]。

刚性结构件、柔性线缆和管路是复杂机电产品中三类重要的组成部分。刚性结构件是整个产品的骨架，主要包括框、梁、肋、壁板结构等零部件，柔性线缆、管路及其他安装辅助零件在相关约束条件下敷设在上述结构件上，共同构成产品装配体。线缆是复杂机电产品系统中连接电气元器件、电气设备或控制装置的电线、电缆和线束的总称，线缆因属于柔性体并存在捆扎、固定等特殊要求，连接器数量较多、布线空间狭窄、导线分布集中、布线操作比较困难。管路系统主要实现产品的运行、动作和控制等功能，工作介质多为气体、液体等，产品的质量、可靠性和工作寿命直接受管路的合理布局设计、精确制作与可靠性施工的影响。通用电气公司在对所研制发动机的空中停车事件进行归纳总结后发现，导致空中停车事件的真正原因中，50%是由于外部线缆、管路和传感器损坏和失效引起的[5]。

围绕刚柔混合装配，北京理工大学刘检华团队做了相关的研究工作，如为提高航空航天等复杂产品的质量和可靠性，他们结合复杂产品中管路研制的工程实践，提出了一种管路数字化布局设计、制造与检测集成方法[6]；针对复杂机电产品中存在的刚性零件及大量具有复杂几何形态和拓扑结构的柔性线缆的问题，该研究团队提出了一种面向复杂机电产品的刚柔混合装配过程仿真技术，以解决刚柔混合装配过程信息缺少有效表达和管理的问题[7]。华中科技大学的刘翊[8]在产品分层分级的基础上，实现了一种基于智能拆卸方法的装配工艺规划与验证方案用于规划刚柔混合产品的装配工艺，该方法同时结合了智能算法的智能性和人的知识、经验，使得最终生成的刚柔混合装配工艺具有一定的优越性。

1 相关概念及研究现状

1.1 刚性结构件

刚性结构件的一大主要特点是，零件在受到外力作用时，形状的变化微乎其微，形状相对固定。刚性结构件的物理属性在产品装配建模时可以忽略，由于自身刚性特点，在装配规划或装配仿真过程中，对于诸如变形之类的物理规律不需要考虑。在装配规划时只考虑刚性结构件的装配工艺，忽略变形的产品称为多刚体产品。关于刚性结构件的相关研究，目前已经有大量文献可供参考，在此不作叙述。

1.2 柔性零件

与刚性零件相反，柔性零件在装配过程中受到外力作用时，其形状很难保持固定，易发生大的变形，如缠绕、弯曲、扭转等。为了保证装配工艺的合理性和装配仿真时的逼真性，这类零件在装配建模和规划时需要考虑其真实的物理属性。本文中柔性零件主要指柔性线缆。线缆的主要作用是可靠地传输通讯信号，保证电气设备之间的正常通讯，其重要程度相当于人体的神经。

1.3 管路零件

管路零件介于刚性零件和柔性零件两者之间，在装配过程中管路零件的形状会发生一定的变形，但相对于线缆等柔性零件而言，其变形要小。管路的主要作用是稳定可靠地传输气体、液体和电气等工作介质，保证产品安全可靠地完成其功能。

1.4 刚柔混合装配

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、管路等，工程实际中，机电产品的交叉装配现象普遍存在。交叉装配是指装配过程中刚性结构件、柔性结构件（线缆）、管路之间进行穿插装配，即在进行柔性零件（比如线缆）和管路的装配后，继续安装其他刚性结构件，如此相互交叉装配，最后线缆、管路和刚性结构件全部装配完成[9]。

本文结合文献[10]提出刚柔混合装配的概念：复杂机电产品刚柔混合装配是指在虚拟环境下利用计算机图形学、虚拟现实技术、人工智能技术和仿真技术等，由产品结构设计师、布线设计师、电气工程师、管路设计师、装配工艺规划师等人员对产品（包括刚性结构件、柔性线缆及管路等）的交叉装配过程和装配结果进行仿真与分析，检查产品结构件的装配状态、电气元器件的布局、线缆的敷设、管路的走向和布局、各导体之间的电气间隙，检验、评价和预测产品结构、线缆和管路等的可装配性，最终确定产品结构、线缆和管路的装配顺序、装配路径等工艺信息。

刚柔混合装配规划系统体系将刚性件、柔性线缆、管路等纳入进行总体布局规划，单一的对刚性件或柔性线缆、管路进行装配工艺设计、走线路径设计和管路的布管设计，往往会出现零部件间干涉、结构空间预留不足造成线缆和管路无法敷设、交叉装配作业难以顺利进行、返工现象较多，从而造成装配周期延长，装配效率下降，成本上升。刚柔混合装配规划系统体系从刚性结构件与柔性线缆、管路等的交叉装配角度进行工艺规划，在考虑结构空间的同时，确定零部件的装配顺序和装配路径，确定诸如从一侧开始向另一侧排布，从底层向外层与结构件交替排布等细节，获取最优的混合装配方案。基于刚柔混合装配规划系统体系的装配模式，能够提高产品的装配效率和质量，避免或减少返工，降低成本。

本文结合工程实际情况，对柔性线缆和管路的特点进行了分析，介绍了刚柔混合装配规划系统业务流程和体系结构，对刚柔混合装配规划涉及到的内容和关键技术进行了梳理和分析，以期为开展复杂机电产品的刚柔混合装配提供新的思路。

2 刚柔混合装配规划系统业务流程

刚柔混合装配规划系统业务流程如图1 所示。整个业务流程分成3 个阶段：系统输入、系统处理和系统输出。

2.1 阶段Ⅰ：系统输入

进行刚柔混合装配工作需要准备基本的三大输入部分：刚性件、柔性线缆以及管路。其中刚性件主要包括刚性零件库、刚性部件库、工装夹具库等，在约束方面则需要满足产品可靠性能要求、产品可维修性要求、产品整机寿命要求，产品功能要求。对于柔性线缆方面，应准备线缆的接插件型号库、线缆材料库、线卡库等，线缆因为具有拓扑结构特征，所以其连接关系信息、线缆的拓扑结构信息、线缆的基本属性信息、线缆附件信息等是系统输入必不可少的部分，同时系统布线应含有相应的知识和规则库，如电气系统连接图、布线规范、接线表等。管路零件的装配则包括管路接插件库、管路材料库、管路附件库等，相应的知识和规则库包括管路连接原理图、管路敷设规范、管路物理信息等。

2.2 阶段Ⅱ：系统处理

系统处理是整个系统运行的核心部分，在前一阶段（系统输入）的基础上，对整个装配作业进行刚柔混合装配设计、刚柔混合装配工艺规划和刚柔混合装配过程仿真。刚柔混合装配设计完成后得到刚柔混合装配设计结果，基于设计结果进行刚柔混合装配工艺规划（主要进行装配序列规划和装配路径规划，装配序列规划和装配路径规划全程围绕刚性件、柔性线缆以及管路零件进行）；为了采用所得到的刚柔混合装配工艺对装配设计结果进行验证，需执行刚柔混合装配过程仿真操作，以验证和检查前段设计和工艺规划的优劣。刚柔混合装配设计、装配工艺规划、装配过程仿真3 个部分其各自完成的主要内容为：（1）刚性结构件的装配设计，主要利用三维设计软件（如Pro/E、UG、CATIA、开目3DAST、开目3DCAPP-A、山大华天CAPP-WIT-CAPP、思普CAPP-SIPM/CAPP 等）对刚性结构件进行装配设计；柔性线缆零件的布线设计主要完成对线缆的分支结构位置、空间走向、端接出线方式、线束的捆扎、固定方案的确定；布管设计则主要是对管路的外形走向、弯曲位置、排列固定位置、管接头连接方式等进行设计。（2）刚性结构件的装配工艺规划完成在三维环境中的装配顺序规划和装配路径规划操作；布线工艺规划主要完成对线缆的装配顺序、线缆的装配路径、工具使用方案、线缆的捆扎固定等进行确定；布管工艺规划则是对管路的装配顺序、装配路径、工具使用方案、管路的支撑固定等进行确定。（3）装配过程仿真对于刚性件主要验证零件的装配顺序和装配路径是否可行，并检测干涉状况；对于柔性线缆，验证线缆的长度是否合适，走线路径是否合理，检查线缆的可装配性、工具的可达性和可操作性等；对于管路零件，验证其可装配性等。

图1 刚柔混合装配规划系统业务流程

2.3 阶段Ⅲ：系统输出

系统输出的主要内容包括材料清单（刚性零部件材料清单、线缆材料清单、管路材料清单、线缆管路辅助材料清单）、三维模型（刚性结构件三维模型、线缆三维模型、管路三维模型、辅助工装夹具三维模型）、二维工程图（线缆平面分支图、线缆二维钉板图、管路平面分支图、管路二维钉板图）、混合装配规划结果文件及动画（布线/布管结果文件、混合装配过程动画、混合装配序列文件、混合装配路径文件），同时完成线缆的制作和管路的制作。

3 刚柔混合装配规划系统体系结构

刚柔混合装配规划系统体系结构如图2 所示，总共包含6 层：系统/网络管理层、数据服务层Ⅰ、数据服务层Ⅱ、支撑技术层、逻辑功能层和用户层。

3.1 系统/网络管理层

系统/网络管理层是支撑整个装配规划系统的软硬件环境和系统运行过程中对数据的存储管理，包括计算机硬件、操作系统（windows 系列等）、产品数据管理集成平台（Windchill、Teamcenter 等）/网络（Internet、Intranet）。

3.2 数据服务层Ⅰ

该层主要提供用于混合装配的待装配零件及其库：（1）待装刚性结构件，如刚性零件库、刚性部件库、知识/规则库、工具库、夹具库、吊具库，以及各种产品要求（产品整机功能要求、产品可靠性能要求、产品可维修性要求、产品整机寿命要求、产品操作使用要求、产品技术性能要求等）；（2）待装线缆零件，如线缆接头库、线缆卡箍库、辅助材料库、电气原理图、线束分叉图、布线规范库、布线工具库、布线夹具库、知识/规则库，以及线缆的装配要求（线缆布局设计要求、线缆敷设工艺要求、线缆机械性能要求、线缆电气性能要求、可维修及检测要求、整体美观性要求等）；（3）待装管路零件，如管路接插件库、导管零件库、辅助材料库、管路连接逻辑图、接头零件库、焊接工具库、布管工具库、布管夹具库、知识/规则库，以及管路的装配要求（管路可装配性要求、管路稳定性要求、管路可维修性要求、管路流阻损失要求、导管成本要求、工程美学要求等）。

3.3 数据服务层Ⅱ

图2 刚柔混合装配规划系统体系结构

该层主要为系统提供各种装配所需的数据源，结构信息包含结构件几何属性、工程设计属性、物理属性、定位约束信息、零部件层次关系等；线缆信息包含线缆名称、线缆代号、接口位置、接口方向、线缆最小折弯半径、线缆重量、线缆密度、抗弯特性、抗拉特性、电气组件信息、技术要求等；管路信息则包含导管几何信息、导管材料信息、导管功能信息、导管连接信息、导管拓扑关系信息、接头种类、连接形式、导管流通介质信息、振动特性信息、技术要求等；对于结构件、线缆、管路，三者的混合装配需要装配产品信息、装配工艺信息和装配资源信息的辅助。

3.4 支撑技术层

支撑技术层是整个刚柔混合装配规划系统的核心层，是顺利开展刚性结构件、柔性线缆和导管混合装配所需要解决的关键技术，具体包括：（1）线缆布局设计方面，需要解决线缆三维路径规划、线缆拓扑结构建立、线缆物理特性建模与仿真、线缆碰撞干涉检测、线缆敷设质量评估、人因工程分析、布线工艺数据库建立等；（2）管路布局设计方面，需要解决管路三维路径规划、管路拓扑结构建立、管路数字化检测、管路碰撞干涉检测、布管质量评估、人因工程分析、布管工艺数据库建立等；基于上述线缆布局设计和管路布局设计相关关键技术的突破，结合现有刚性结构件的装配技术，开展混合装配工艺规划，具体围绕混合装配序列规划、混合装配路径规划、装配力和装配变形分析、装配工装的使用和管理、混合装配过程的人因工程分析、混合装配过程和装配零部件的协调、电气连接件的插接、管接头装配工艺设计等。

3.5 逻辑功能层

逻辑功能层主要完成混合装配工艺规划后的相关处理和装配操作。混合装配工艺规划完成后需要先进行一些后处理，如生成刚柔混合装配序列、装配路径和装配动画，输出工艺规划结果，管理工艺规划数据；线缆标识制作设备包括导线印字机、线缆标识套打印机、插接件激光定位仪、线缆捆扎图板、线缆制造专用工具、3D 线缆捆扎型架、2D 线缆捆扎型架；导管弯曲工艺规程实现弯曲工艺性审查、弯曲工艺参数计算、弯曲工艺参数优化、弯曲工艺规程输出、管路接头焊接形式确定、导管模胎设计等；针对柔性线缆和管路，由于其特殊性，还需要对其进行相应的检测操作。线缆在线检测系统可以完成电缆导通测试、电阻电容测试、断路器测试、绝缘和耐压测试等任务，管路数字化检测则完成导管组件实物测量、管路三维重构、模型对比分析、管路弯曲校正、检测分析报告生成等内容。待上述所有工作完成后，即可进行混合装配操作，通过CAD 数据导入接口导入相关的三维数模，在混合装配工艺文件的基础上进行管路接头快速插装、线缆接头快速插装、零部件选择装配等。

3.6 用户层

该层主要面向不同的工作人员，如机械设计工程师、电气设计工程师、工艺设计工程师、布线和布管设计工程师、检测人员、制造人员以及现场施工人员。

4 原型系统开发

图3～图5 为基于本文提出的系统业务流程和体系结构所实现的部分装配工艺规划功能模块，管路等的内容将在后续不断补充和完善。需要说明的是，刚柔混合装配需要重点解决的一块内容就是线缆的装配工艺规划问题。复杂机电产品线缆的装配以往需要专人根据线缆号查表获得对应的连接器上的孔号，另外还需要专人根据孔号在连接器上找到这个孔，并完成插入，同时负责检查的工作人员需要时刻在旁边检查整个过程，确保正确无误。整个流程极其精细易错，耗时耗力，并且任何一个微小的偏差都可能造成无法想象的后果。本文开发出的线缆布线点位对应关系自动提取功能模块（如图3 所示）能够快速的找到线缆端点与电连接器接口位置之间的对应关系，从而提升整机线缆的布线效率。

图4 中的线缆分组原理为：当任意两根线缆所有对应的起始端和终止端都相同时，则该两根线缆为同一组线缆。当点击“线缆分组”按钮后，系统会弹出一个提示框显示“分组成功”，此时系统已对线缆信息完成分组。在列表中，组名都为“1”时，表示这些线缆为第一组线，组名都为“2”时，表示这些线缆为第二组线，以此类推。

图5 为线缆工艺视图创建和激活。当选择工艺视图列表中任意一个视图后，点击“激活工艺视图”按钮，线缆敷设序列规划系统会激活当前所选择的工艺视图。

图3 线缆敷设序列规划系统功能模块

图4 线缆分组

5 结束语

图5 线缆工艺视图创建和激活

复杂机电产品在系统组成、研制过程等方面都比一般的产品要复杂得多，尤其在进行装配生产时，大量刚性结构件、柔性线缆以及管路的混合组装使得安装空间错综复杂，这种复杂的装配操作直接影响此类产品的装配时间、成本和质量。本文对柔性线缆和管路的特点进行了分析，提出了刚柔混合装配的概念，从系统功能结构、技术体系、实施策略等方面重点介绍了面向复杂机电产品的刚柔混合装配规划系统业务流程和体系结构，以期为现场工程人员提供新的思路。