数字化装配技术在核动力设备工艺设计中的应用

杨 彪 何 静 李潮伟 李红军

（中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，四川 成都610041）

0 引言

核动力设备的设计制造质量直接影响核动力装置的质量、性能和核反应堆的安全运行，核动力设备在设计上已经实现了计算机辅助设计和分析，但在制造方面仍然沿用传统的装配方法和手段。传统装配工艺设计方法主要存在以下问题：（1）装配工艺设计仍采用二维方式；（2）没有有效的三维工艺设计的验证、优化和评估手段；（3）缺少典型示教和沟通交流的三维动态装配过程。本文将数字化装配技术应用于某核动力设备复杂的总装工艺设计，进行了三维装配工艺设计和装配过程动态仿真分析研究，优化了总装工装和装配工艺。通过该设备的数字化装配技术应用研究解决了传统装配工艺设计问题，提升了核动力设备的装配工艺设计水平。

1 数字化装配技术应用方案

针对该核动力设备的结构特征、总装工艺特点，建立了核动力设备的总装数字化装配工艺流程，制定了详细的数字化装配工艺实施方案，以下对数字化装配工艺流程和数字化装配工艺设计的实施方法进行介绍。

1.1 数字化装配工艺流程设计

核动力设备的总装数字化装配工艺设计流程如图1所示。

图1 数字化装配工艺设计流程

输入信息消化需要对产品、工艺装备等的设计图册进行详细消化；产品及工装的3D建模是根据理解消化的设计图册进行产品及工装的3 D建模，生成直接用于虚拟装配环境中的数字样机；三维模型向数字化装配环境的导入是建模软件和虚拟仿真软件之间数字模型的格式转换，导入到虚拟仿真软件中的模型保持原模型的结构层次特点和属性，在新的虚拟现实环境中需要对其赋予新的材料特性，以使模拟过程更加逼真；装配工艺过程的详细设计包括产品和资源的规划，装配顺序和装配路径的设计，工艺过程的设计需要对总装工艺涉及的所有单个组装工艺的装配顺序和装配路径进行详细设计和合理性的详细分析；装配过程的动态仿真是将所有组装工艺进行汇编，将整个总装工艺过程进行动态装配仿真验证，确定总装工装结构的正确性和总装工艺的合理性；装配结果的输出包括装配指令、各种形式报表以及三维动态装配视频等文件。

1.2 数字化装配工艺实施

本文选用数字化仿真软件DEL MIA V5 R16作为数字化装配工艺设计平台，3 D建模和产品预装配过程的实施在软件UGS NX6.0中实现。数字化装配工艺设计具体实施步骤如下：（1）在UGS NX6.0软件中进行核动力设备和总装工装的3D建模，并进行产品的装配顺序和预装配检查。（2）在DEL MIA的数字化工艺设计模块支持下，将产品数据导入DPE模块数字化工艺设计环境，建立产品数据库和资源数据库，并将数据库中模型导入数字化装配仿真环境中。（3）创建装配工艺数据库，以设计好的装配顺序为基础利用PERT图进行DPE环境下的二维装配顺序的建立，PERT图中每一个图标元素代表一个装配工序，通过修改其中的元素或者顺序，数字化环境中的装配顺序也会相应改变。（4）进行装配过程仿真，对每一个工序分配产品或资源元素，并进行总装焊接工装结构设计的合理性及组装焊接操作空间的评估，装配路径的规划，碰撞干涉检查，这一步骤是一个反复修改过程，直到得到最优结果再进行下一个装配工序的设计。系统根据PERT图和单个工序设计结果，自动生成整个装配工艺的动态仿真过程。

2 核动力设备及工装3D建模

根据数字化装配工艺需要进行产品、总装工装及其他辅助工具等的3D建模。其中总装工装涉及的零部件较多，需要在装配工艺动态仿真前对其结构进行预装配验证，检查工装的结构设计合理性和工装与产品组件的干涉状况。通过验证结果对工装的结构不断进行优化。

3 数字化装配工艺设计与动态仿真验证

3.1 总装工艺初步制定

根据核动力设备和工装的结构特点，完成初步的核动力设备整台的组装工艺的制定，为数字化装配仿真验证做前期的准备。

3.2 产品和工装资源规划

产品和工装资源规划是数字化装配工艺中的重要一环，是保证生产有序进行的前提。首先要对生产车间的场地及总装过程中需要的各种产品资源进行清理和分析，然后根据生产车间场地的情况对核动力设备各个零部件、总装工装、总装台架及辅助工装、工具进行有序的规划布局，使整个生产过程的资源摆放整齐，不会发生现场混乱的现象。

3.3 装配路径设计

在数字化装配过程中，需要对核动力设备的每一步组装工序的装配顺序进行设计、验证和优化，使其达到最优。装配路径设计要遵循效率优先、路径最短原则。在节约效率的同时，要考虑人性化设计，即在考虑操作人员的操作空间和操作舒适度的情况下增加装配路径。

3.4 装配过程运动仿真

装配过程运动仿真是实现数字化装配技术的关键，是将所有组装工序的运动过程汇编成最终的装配过程。在进行装配过程运动仿真过程中需要对零部件的装配顺序与装配路径、装配资源配置的合理性、工艺装备设计的合理性及操作空间的开敞性和安装工具的可达性进行一个全面的验证、评估与优化，并根据验证的结果对前期的设计输入进行不断的修改完善。装配仿真对核动力设备总装工装设计的合理性和组件装配过程的碰撞干涉进行了重点关注，并在数字化装配环境中对每一个装配工序进行了详细的设计和分析，并最终得出最优的组件动态装配过程。图2为总装过程组中的一个装配场景。

图2 核动力设备数字化装配场景图

经过动态装配过程仿真和分析，发现了产品设计、工装设计、初步工艺设计和操作空间可达性、舒适性等多个问题，并提出了解决措施和解决后效果评估。

3.5 仿真结果输出

数字化装配工艺设计仿真输出结果可以实现各种文件形式，如avi视频文件、t xt文件以及各种形式报表等，可以对核动力设备总装过程中每个工序动态装配过程的数据、产品和资源的描述文本和动态装配过程视频进行输出。

4 结语

通过核动力设备总装工艺数字化装配技术的研究，走通了数字化装配工艺设计流程，完成了组件的装配顺序和装配路径的规划与仿真，实现了动态碰撞干涉检查与分析，得出最优的总装工艺，生成了可用于操作人员培训和技术人员交流的组件动态装配过程的视频，总装工艺已成功应用于科研生产项目。

［1］尚校.应用DEL MIA软件进行汽车白车身三维焊装工艺规划［J］.汽车工艺与材料，2009（3）：1～4

［2］王家海，庞旭旻.基于DEL MIA／Robotics的白车身焊接机器人路径仿真研究［J］.机电产品开发与创新，2009（1）：6～8

［3］邢莉，赵燕伟，苏楠，等.基于DEL MIA的电动工具虚拟装配技术研究［J］.机电工程，2008（6）：35～38