线缆装配可视化虚拟仿真标准化流程设计与应用

刘苏 胡晓娅 张博

(首都航天机械有限公司，北京，100076)

近年来，随着航天复杂结构产品的设计与制造装配需求以及计算机三维数字化工程、虚拟仿真技术的突飞猛进，面向航天产品型号研制的虚拟装配仿真技术已成为型号研制不可或缺的重要推进力量。

随着数字化制造的快速发展，越来越多的设计单位已经从原始的基于二维图样设计过渡到全三维无纸化的设计手段中。为了进一步缩短整个产品的研发周期，降低实际制造风险，数字化制造将不可避免的应用到从产品设计、工艺设计到下厂制造的各个环节。

产品设计人员通过在线协同环境，采取关联设计手段，可在相对较短的时间内，完成结构复杂、零部件众多的产品设计。在产品设计阶段，工艺人员就可提前介入，通过数字样机进行可装配性检查等分析，从而给设计人员提供可靠的分析数据，结合工艺将某些产品设计问题消灭在设计阶段。同时将可视化虚拟装配仿真流程固化，快速完成演示验证工作。

1 可视化虚拟装配仿真应用需求及发展现状

1.1 需求分析

虚拟装配基于产品信息模型和装配资源模型，采用计算机仿真和虚拟显示技术进行模拟装配，可验证装配设计和操作正确与否。

现有的产品装配性设计，依然依赖工艺人员的经验以及实物试装进行验证，装配质量很难实现预测与控制，并且多数产品存在装配不可逆的问题。另外，由于缺乏前期装配验证手段，导致产品装配返工率高、装配质量不稳定，从而导致产品装配周期延长，制约产品制造能力的提升。利用装配仿真手段，提前介入产品设计，提高产品装配能力显得尤为重要。

可视化虚拟装配仿真技术是以工程数字化虚拟样机模型为基础，以沉浸式虚拟现实技术展示可交互操作的产品装配制造过程，充分利用包括产品、工艺装备在内的数字样机三维数据，实现三维基础上的工艺规划，并对产品的装配过程、规划、生产环境布局进行模拟并验证。可视化虚拟装配仿真技术是虚拟制造体系中重要的组成部分，其应用范围涵盖产品的设计、工艺、分析试验、加工、装配、产品后期维护维修等产品全生命周期的各个阶段。

装配仿真技术的虚拟可视化可通过对产品、资源及环境接近真实的模拟，形成一个高度仿真的可视化虚拟现实环境，提前发现产品潜在的设计薄弱环节、工艺方案遗漏，避免不必要的返工及人工、物料等资源的浪费。帮助设计人员、工艺人员更全面直观的了解产品结构、装配工艺过程。同时，可将产品工艺设计前置，提高设计的有效性。

1.2 技术应用现状

在工业发达国家，尤其以德、美企业为代表的很多工业企业，对生产工艺布局的仿真已开展多年，拥有较为成熟的解决方案。我国的可视化虚拟装配仿真技术研究起步较晚，但是在航空、船舶及各大汽车制造业已开展应用可视化的虚拟装配仿真技术对产品装配生产进行布局仿真研究，对产品工艺流程、操作人员行走路径等进行验证、评估和优化。通过建立虚拟的环境、厂房布局以及交互式的虚拟仿真系统，将产品的装配过程与生产现场的布局结合起来，采用沉浸式的体验环境，实现完全真实、全面的感知仿真过程，从而快速、准确、全面地理解产品装配要点及工艺资源使用情况。

2 线缆装配工艺规划

虚拟装配工艺规划，就是按照实际装配过程中的设计、工艺要求，确定产品的装配序列以及装配路径。首先按照工艺要求及仿真过程需求，梳理仿真时产品装配的主要流程，并对产品装配过程中所需要的厂房、设备、工装、工具等资源环境以及各资源的布局予以确定，便于真实地展现装配仿真流程的分析与优化，有效指导装配过程。线缆装配工艺规划步骤如下。

首先，将通过DELMIA软件建立的厂房、设备、产品等模型导入软件中进行渲染和轻量化处理，根据模型的结构、材料等属性设置模型的几何信息可增加模型的真实度。

其次，对产品中设计的柔性管线的固定卡头位置、移动路径和最小弯曲半径等进行设置，这样在仿真过程中可根据产品移动的情况实时分析计算，并通过不同的颜色反馈其管线状态。

随后，在装配仿真的过程中，如遇到干涉情况，可使运动部件自动避让环境中其他诸多模型，智能计算其可通过的方式，并结合实时人机交互，验证其是否可顺利通过。

最后，通过设置人体模型的身高、性别、年龄、体态，可得到人体在装配操作过程中的操作范围和视野范围，实时地显示出操作过程中人体的工作状态。线缆布线效果如图1所示。

图1 线缆布线效果展示

3 线缆装配仿真过程演示验证

线缆产品的连接装配是型号产品总装测试过程中非常重要的环节，任何一个线缆的插接失效都会影响航天系统工程的成败，对线缆的装配仿真过程进行演示验证尤为重要。

影响线缆插接可靠性的主要原因：①插接方法，即是否在充足的空间下进行正确连接；②外界因素，即线缆质量及多余物防控。

装配仿真过程的演示验证主要用于排查：①装配空间是否满足操作人员及工具使用；②线缆结构设计，其长度和型号规格能够正确进行操作，排除易错风险；③连接后是否可以进行人工检查，是否存在检查盲区，而对连接情况造成漏检等问题。

3.1 包装箱吊装流程演示

将需要安装的线缆包装箱吊运到工位处，首选对现有包装箱型号及物品进行目视检查。然后绑扎吊运带，将吊车移动至正确位置，采用专用吊挂对产品进行起吊，起吊后控制吊车将包装箱运送至操作工位处，操作人员将产品取下，拆掉吊带，吊车移开后，打开包装箱进行总装工作。其吊装仿真过程如图2所示。

图2 包装箱吊装

3.2 线缆插接流程演示

将线缆从包装箱内取出后，进行清理及相关准备工作。具体线缆装配仿真流程如图3所示。

图3 线缆装配仿真过程

操作人员对线缆进行人工插接过程，插接时将手掌（含相关工具）伸入产品装配区内。线缆接头分为两端，首先进行接头1的连接，插接过程中应避免与其他仪器设备碰撞造成线缆损伤，插接时避免歪斜，应保持手臂进入方向与插接处垂直进入，同时注意在插接过程中不要引入多余物。接头1插接完成后，进行接头2的插接工作，要求同上。

插接完成后，手臂伸出安装区，人体站立姿势下通过移动查看装配区电缆插接情况。人眼的最小分辨视角为1′，而人眼的明视距离为25cm，由此人眼的最大分辨力约为0.1mm。最后确认人工检查是否会出现检查盲区，是否对多余物和歪斜插接情况造成漏检。

综上所述，通过建立可视化虚拟装配标准化仿真流程设计，可直接避免在装配现场发生各种预料之外的问题。在产品设计的同时，开展初步工艺设计、工装设计，在产品设计阶段完成所有的工艺设计、装配布局优化，提前发现工装设计及制造过程中的问题，实现全三维验证工艺设计流程。以达到真正的并行工程，在保证产品设计及工艺合理性的前提下，缩短产品研发周期。此外，将可视化虚拟装配仿真流程固化，最终实现标准化流程演示验证工作。