虚拟装配技术在起重机产品中的应用

张晋强， 张娟玲

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

大吨位的桥式起重机（如钢厂、水电站用的起重机）一般是单台或小批量订货的产品，每台起重机的生产图纸都需要根据用户的个性化需求进行重新设计。由于设计周期比较短，且只采用传统的二维设计，没有三维数字化装配验证和实际的装配仿真，往往在实际产品安装阶段，经常会发生零部件的干涉、电缆长度的富余或不够、安装不方便等问题，而且许多零部件在制造阶段产生的质量隐患只有在实际的装配过程中才显现出来。如果这些问题到现场安装时才暴露出来，将导致产品的安装周期长、安装费用高，无形中增加着产品的制造成本，并给用户造成不好的影响。

虚拟装配技术的出现对有效地解决这类问题提供了可能。通过虚拟装配技术，可以在计算机营造的虚拟制造环境中进行产品三维模型的预装配，发现不合理之处并修改，在虚拟整机上模拟液压管路和电气走线的布置，使工程师能够选择合理的方案和最优的技术参数。运用虚拟装配技术可以实现产品的可装配性和经济性，提高产品的一次装配成功率，降低产品的安装费用。

1 虚拟装配技术

虚拟装配技术是20世纪80年代提出来的概念，它是指在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划、仿真等改进产品的设计和装配的结构，实现产品可装配性和经济性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化[1]。据统计，产品的装配费用占整个生产成本30%～50%乃至更高，因此对产品装配进行模拟，尽早解决存在的设计问题，以缩短制造周期、降低成本为目标的改进和再规划，是增强制造业竞争力的重要环节。

由于桥式起重机是单件、小批量订货的产品，且设计周期比较短，所以如何快速实现起重机的虚拟装配最为关键。本文对各种起重机的结构进行分析，根据模块的划分原则将起重机划分成功能和结构相对独立的子模块，然后建立各个模块的三维模板库。进行产品设计时，利用模板通过变型设计建立子模块的产品三维模型，最后通过定义不同模块之间的约束关系、装配序列及装配路径，实现产品三维模型的虚拟装配。

2 三维产品模型的虚拟装配

2.1 子模块模板的建立

根据桥式起重机的结构特点、功能特点以及零部件之间的约束关系把其划分为多个结构和功能相对独立的子模块。划分时应充分考虑结构的完整性、功能的独立性以及装配的工艺性，以便于模块的设计、制造和装配。如下页图1所示为桥式起重机的模块划分关系图，根据模块划分原则，桥式起重机分为桥架、小车、大车运行机构、吊具、附属结构等模块，每个模块又包含有几种不同的结构类型，如桥架模块包括有双梁结构、四梁结构、刚性结构、铰接结构等。利用三维软件建立各子模块所有结构类型的三维模型作为模板，建模时要保证模块接口的一致性。

图1 桥式起重机的模块划分关系图

所谓模块接口是指有相互结合关系的模块在结合部位存在的具有一定几何形状、尺寸和精度的边界结合表面[2]。模块接口要具有互换性和兼容性，各个模块通过标准的模块接口可以拼装成不同的起重机产品。所以建模时要根据模块的结构特点，找出共性特征，合理地选择模型的基准点、坐标系及主参数，以便于子装配的组装。

2.2 产品三维模型的预装配

预装配是指将子模块的产品三维模型按照一定的约束关系和装配顺序组装成起重机产品三维模型，以便及早发现装配中存在的干涉问题，及时对零部件进行修改。其主要目的是以最短的时间、最小的人力物力和最少的资金进行产品的设计验证，最终指导产品的现场安装。其中子模块的产品三维模型是以子模块模板为基础，根据用户提供的设计参数，采用变型设计的方法建立的。

所谓变型设计是指将结构形式相对稳定的产品或部件，对其三维模型的尺寸和空间位置关系用一组参数约束，当赋予不同的参数序列时，就可以驱动典型的三维模型生成满足设计要求的产品模型[3]。变型设计不仅包括三维模型尺寸的参数化，而且还包括几何相似零件的局部结构变型。其实现方法是将子模块接口中的主参数定义为驱动参数，并通过布局草图、方程式控制零部件之间的空间位置关系和尺寸关系。当主参数根据设计要求被赋予序列后，就可以生成满足设计要求的子模块产品三维模型。采用变型设计生成子模块的产品三维模型，可以极大地提高产品三维模型的建模效率，缩短设计周期。

2.3 液压管路布置和电气布线

传统的液压管路布置和电气布线都是在二维图纸上进行的，要求设计人员根据起重机的设计尺寸，合理地布置液压元件和电气元件，并计算出液压管路和电缆的长度。如图2所示为二维图纸上进行管路设计。由于二维图纸缺乏直观性，设计人员在计算液压管路和电缆的长度时，难免考虑不周出现错误。如果到安装现场时才发现这些问题，处理费用会很高。采用虚拟装配技术，在产品三维模型上利用三维软件的管路功能，直观地模拟管路和电缆的布置情况，精确测量出其长度，把一切可能产生的错误尽可能及早发现，以降低产品成本，提高产品质量，如图3所示。

图2 二维图纸上进行管路设计

图3 三维模型上进行管路设计

3 结语

虚拟装配技术是一个处于发展中的极具应用潜力的新技术，它充分利用数字化研制技术真实地模拟产品三维装配过程，检验产品的可装配性。运用虚拟装配技术对桥式起重机进行预装配和布线，尽早发现存在的设计问题并进行修改，有助于降低产品制造成本，缩短产品制造周期。它是现代化企业生存、发展的必由之路。

[1]刘国华，姚英学.虚拟装配技术[J].机械制造，2006（8）：65-67.

[2]乔慧丽.门式起重机三维参数化及模块化设计系统的开发研究[D].武汉：武汉科技大学，2005.

[3]叶永伟，杨庆华，厉淦，等.基于特征技术的变型设计与产品装配建模[J].计算机工程，2008（13）：192-194.