虚拟环境下的管路装配仿真系统关键技术研究

摘  要：管路系统在工业生产当中应用非常广泛，管路系统设计和应用非常重要，网络布局具有数据繁琐和复杂的特点，如果采用实际装配的方式进行研究和应用工作量比较大，而计算机技术的快速发展为其提供了虚拟环境之下的管路模拟装配方法，通过这种方法可以为管路装配研究及应用提供准确的依据。本文根据现有研究资料结合自身在管路虚拟装配当中的一些经验，在研究当中针对管路虚拟装配系统流程进行了分析，介绍了传统手工方法与计算机辅助方法之间的差异，在此基础上阐述了虚拟装配的基本流程，以及管路虚拟装备中的一些关键技术，并针对管路系统信息管理提出了一些建议。通过研究，希望能够对管路虚拟装配提供一些帮助和启示。

关键词：管路系统;虚拟装配;应用;仿真

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A      文章编号：2096-6903（2021）11-0000-00

管路系统是工业生产当中的一项重要技术，这种技术的应用行业非常广泛，尤其是在机械制造等领域。管路系统以气体或液体作为工作介质，实现机电产品的运行控制等基本功能。管路系统设计是否能够满足这些领域相关产品的研发及生产需要，会对产品质量及相关系统运行的稳定性产生极大的负面影响。管路装配主要分为两种形式，也就是手工装配和虚拟装配，前者是在计算机模拟技术出现之前的一种装配方式，这种行为方式需要实际动手装配，确定管路系统设计是否科学合理，是否能够满足设计的需要，所以种管路装配技术效率要求比较高，对研发及生产工作的制约非常明显[1]。计算机辅助设计技术出现以后，利用计算机技术进行辅助管路装配已经成为一种趋势，类似的研究成果也不断增多，在推动管路虚拟装配等方面发挥了非常重要的作用。

1 管路虚拟装配系统流程分析

1.1 手工装配与计算机辅助设计分析

传统的手工方法管路装配是指先设计管路连接原理图，根据设计的原意图由设计人员根据自己的安装经验进行管路敷设，通过管路运行来确定管路布局与设计的科学性和合理性。从其技术实现过程来看，整个实现过程相对比较缓慢，实现过程中的影响因素比较多，管线装配效率比较低，在装配的过程中可能会出现大量的返工。计算机辅助管路设计装配，是指在网络设计和装配工作当中，使用计算机辅助软件进行设计和装配分析，其中CAD技术和计算机仿真技术是计算机辅助设计及模拟装配的关键。当然，无论是计算机辅助设计还是模拟装配都需要以管路连接原理图为基础进行，而管路连接原理图也可以在计算机上进行设计改动和完善。当然，單纯的应用CAD技术在实践当中也存在着很多缺陷，虽然可以进一步明确设计思路，但是采用的管路模型数据量比较大，在设计过程中的布局受局限性比较明显，所以单纯使用CAD软件也无法满足设计和虚拟装备的要求。在这种情况下，计算机仿真软件出现以后，通过计算机仿真软件在CAD设计的基础上进行仿真实验，这样可以更加客观全面地了解管路敷设的合理性。

1.2 管路虚拟装配工作流程分析

管路虚拟装配工作流程与人工装配流程实际上是基本一致的，但是因为这两种装配方法所使用的装配技术和工具不一样，在装配流程上略有差异。在虚拟环境搭建的前提和基础上，技术人员需要借助于虚拟仿真系统以管路连接原理图为基础，将管路系统布局、装配仿真和输出工艺文件集合起来，形成一个科学完善的解决方案。当然，在科技水平日益发达的今天，管路虚拟装配工作都是在产品其他结构零件装配完成以后进行的，而其他零件装配完成以后，在模拟仿真当中需要将其数字化和数据化，在此基础上建立一个数字化模型，在给定的数字化模型条件之下再进行管路的虚拟装配，其涵盖的流程比较多，包括导入基本零件模型并装配、确定要布局的导管、计划布局的导管位姿等流程，完成以后还需要进行继续布局，利用仿真软件分析装配结果是否达到预期的目标，如果未能达到预期的目标，则需要对布局结果进行进一步的修改和完善[2]。另外，如果最终完成布局，还需要将布局好的导管作为带状零件进行装配实验，验证这些零件的可装配性，在这一过程中可能出现无法装配的部分，对于此部分还需要进行重新布局设计，一直到管路虚拟装配完全合格以后才能结束。

2 管路虚拟装配的关键技术分析

2.1 建立管路系统数字化模型

要想实现管路虚拟装配的目标，关键是要建立管路系统数字化模型，通过数字化模型的建立为管路虚拟装配仿真奠定良好的基础。数字化模型的构建主要包括管路附件的建模和导管的建模两部分。在管路附件的建模当中，一般使用CAD软件根据设定好的参数进行，然后使用专门的接口程序，将CAD文件转化为sat文件，在导入到专门的仿真系统当中即可。相对于管路附件的建模，导管的建模相对比较复杂，需要首先解导管的布局问题，在此基础上生成导管几何模型。具体的建立过程如下。第一，在建立导管结合模型的同时，还应该包括导管的装配信息、管理信息等内容，从虚拟装配的角度来讲，导管模型的数据量越小，越容易实现虚拟装配的目标，所以要尽量控制模型的数据量，在此基础上实现交互布局的目标，在这一过程中可以采用控制点和圆弧离合的方式来表达几何模型，可以先屏蔽导管属性等物理信息，这样可以达到减少导管模型数据量的目的。第二，由于导管模型的横截面相对不变，所以可以通过圆环面扫掠的方法来实现建模目标，然后在虚拟仿真系统当中生成具体的导管模型。第三，在虚拟装配当中，导管的布局是确定形状未知信息的关键环节，所以在布局的时候不需要使用具体的实体模型，只需要在虚拟仿真软件当中载入象征logo位置的等价实心多元主体的曲面模型即可，这样可以极大的提高布局的效率，在确定空间位置以后，然后再导入实体模型，这样工作的效率会大为提升。

2.2 管路布局方式

管路布局的关键是要建立一个与实际管路装配非常类似的工作环境，在这一过程中要采用虚拟仿真方法构建环境，需要将现实当中的环境载入到虚拟仿真系统当中，然后在设定的环境当中进行管路布局操作，一直到管路布局达到设计目标和要求。从实践来看，实现这一过程基本上都是采用控制点和圆弧离合的导管建模方法，而管路布局设计主要是通过导管控制点的生成与布置来实现，在这一过程中成型的导管模型可以用P来表示，其具体的模型构成为：

在上述公式当中，P表示导管外径，r表示默认弯曲半径，t表示导管壁厚。其中，导管的控制点 。 是具体的控制点。现在所使用的虚拟仿真软件多支持交互布局的功能，交互布局在于设计的便捷性，可以通过鼠标拖动或者是键盘输入的方式随时随地的改变高管的位置和形态，整个设计过程非常直观，并且还能呈现立体化的效果。但是，使用虚拟仿真软件进行交互布局的过程中，还需要先确定初始位置，确定初始位置需要通过造型矩阵M1来确定，然后再输入控制量的造型矩阵M2，最后再计算出控制点的造型矩阵M3。但是在具体设计工作当中，导管的布局不需要确定导管两端连接的附件位置，因为在虚拟模拟的过程中可以通过改变导管位置的方式来进行连接，所以在设计的过程中，只需要将其按照普通导管或者是悬置导管进行设计即可。普通导管布局设计，是建立在已经确定两端连接附件未知的前提之下，这种情况下实际上既然解决了两端的连接问题，然后再对导管的位置进行设计。悬置导管布局则是尚未确定连接附件位置的情况下所进行的设计，或者是只确定一端连接附件的位置。所以，在实际布局设计当中不需要先确认导管两端连接附件的位置。

2.3 导管布局后置处理

在导管布局设计完成以后，还需要在虚拟环境下验证导管的可装配性，这是导管系列装配的关键环节，这一环节是否能够成功直接决定了导管虚拟装配目标是否实现，因为很多导管布局设计以后如果不进行虚拟装配，很可能会出现干涉而导致无法顺利装配的情况出现。在虚拟装配的过程中，先要将布局好的导管以及尚未确定位姿的管路附件拆卸到工作臺上，然后在虚拟环境下，按照设计的装配顺序进行装配，如果顺利装配则说明管路布局相对比较合理，如果未能顺利完成装配，则需要借助于系统提供的反馈数据分析产生的原因，一般情况下都是布局不合理导致的，或者是导管位置设计不当导致的，不管是哪一种原因，都要重新回到上一个工作流程当中，继续对管路布局进行优化设计，直到在虚拟环境下顺利完成装配即可。将完成好的导管装配结果保存为sat文件，然后将该文件导入到虚拟环境当中，此时需要记录导管布局式的位置，一般情况下将其保存为XML以便于能够随时读取。另外在该文件当中还需要记录与导管，虚拟装备相关的其他信息，这些信息并没有体现在装配的虚拟环境进行，包括材料、物理性能，传输的流体特性等等。

2.4 管路虚拟装配过程仿真技术

管路布局只是解决了管路的连接功能及空间问题，对于实际装配过程中可能发生的干涉问题并没有解决，在装配验证的过程中，可以发现是否存在干涉。但是，简单的装配验证可能存在一定的不足，在这种情况下，有必要在完成导管布局设计以后，对整个导管装配过程进行访问。将导管零件文件导入系统以后，打开前面的XML文件，将其中记录的导管位姿等相关数据，导入到系统当中进行装配操作。在这一过程中关键是要进行碰撞干涉检测，因为导管的形状是多种多样的，不规则性导管在装配的过程中可能会发生碰撞阻塞，导致流体在导管内的运行受阻。在具体的检测当中，一般使用基于包络盒的方式进行。在具体操作过程中，先根据导管位置数据使用虚拟仿真软件，将其位移到待装配位置附近，然后根据文件中记录的位置约束和设计好的导管装配程序完成装配，在装配过程中，如果发现了装配干涉问题，以控制点的位置信息确认问题位置及其对应的导管，然后再对该导管的位置和形态形态进行修改，这是一个反复进行的过程，也是虚拟装配过程中耗时可能比较长的一个环节，通过反复进行才能确保导管在虚拟环境下顺利完成装配。完成装配以后，需要完整的记录管路附件零件装配信息，并与管路信息同时记录在报表文件当中，最大程度确保报表文件的完整性。

2.5 管理虚拟装配仿真系统的要求

伴随着技术的发展和进步，专门用于管路区域装配的仿真系统越来越多，其中主要是以虚拟装配系统为主。这种系统可以更好的满足管路虚拟装备的要求。在使用这种系统的过程中，一般情况下先要对管路系统布局和装配模块进行数据化处理，在最基础上将相关数据导入机体零件和管路附件零件，然后使用虚拟装配系统进行网络布局操作即可，现在所使用的虚拟装配系统的功能非常强，可以根据设计的目标进行自动布局，也可以通过控制点布局和导管多少布局等不同的布局方式，来解决导管布局的细节问题，完成布局设计以后还可以在虚拟环境下进行导管的验证装配，通过验证装配后，还可以对整个管路系统的相关信息进行统计记录。可以看出整个操作过程是非常便捷和强大的。另外，在系统开发当中最好设计管路附件库，因为管路附件一般是相对不变的，虽然市场的管路附件型号有很多，但是在具体使用的过程中，尤其是在针对具体的产品设计当中所使用的附件实际上都在一个范围之内，建立管路附件库以后，可以按照管路附件的种类及其数据直接导入到系统当中即可，所以在整个管路虚拟装配的过程中，只需要解决管路的布局及其连接，就可以基本上达到管路虚拟装配的目标。另外，在功能设计当中既要支持导管的单个调整和修改，也可以支持同一类型导管的统一调整和修改。在整个虚拟装配过程中所产生的相关数据都可以记录在XML文件当中，文件可以直接用于生产环节，可以直接导出为生产文件报表，从而更好地支持企业的科研和生产。

3 管路虚拟装配信息管理

网络系统信息管理主要解决管路虚拟装配过程中所产生的各种数据信息的保存问题。在保存的数据信息上主要包含管路附件零件以及布局完成的导管零件这两种。保存的文件形式主要是以sat模型文件为主，具体包括sat模型文件、导管装配信息和管路附件零件、导管，零件和基本相对位置等三个方面。布局信息的保存当中，包括导管控制点位置、物理性质、材料等都是保存在XML文件当中的。其中，导管布局节点信息记录非常关键，这是虚拟装配过程中最重要的信息，在记录的过程中既要详细记录导管的类型，在每种导管的类型中，还需要详细记录导管的外径、壁厚、控制点数量、控制点坐标、弯曲半径等信息，在这些信息的基础上，根据虚拟装配的结果记录导管的布局悬置附件和链接关系信息，这些信息在生产的过程中只需要从XML中直接提取使用即可。

总之，导管的虚拟装配是一个非常复杂的技术过程，在虚拟装备的过程中要选择合适的虚拟仿真软件并加以运用，同时要熟练的使用虚拟仿真软件的各种功能，尤其是掌握可使用虚拟软件当中的管路布局和虚拟装配的操作过程及其要点，在完成管路虚拟装配的基础上，按照设计及后续生产的要求保存好相关数据信息和资料，这样才能在实现导管虚拟装配目标的前提之下，将虚拟装配过程中所形成的各种数据信息应用于生产实践。

参考文献

[1] 李彤，韩锋，李静洪，等.基于DELMIA的导管虚拟装配仿真研究[J].机械制造，2014，52（05）：74-77.

[2] 郭广鑫，李澍，郭逸婧，等.逆向工程在小导管数字化构建与虚拟装配中的应用[J].数字通信世界，2020（9）：24-27.

收稿日期：2021-10-05

作者简介：杨文龙（1983—），男，广东普宁人，本科，工程师，研究方向：虛拟环境下的管路装配。

Abstract： Pipeline system is widely used in industrial production. The design and application of pipeline system is very important. The network layout has the characteristics of cumbersome and complex data. If the actual assembly method is used for research and application， the workload is relatively large， and the rapid development of computer technology provides it with the pipeline simulation assembly method under the virtual environment， This method can provide an accurate basis for the research and application of pipeline assembly. According to the existing research data， combined with some experience in pipeline virtual assembly， this paper analyzes the process of pipeline virtual assembly system， introduces the differences between traditional manual methods and computer-aided methods， and expounds the basic process of virtual assembly and some key technologies in pipeline virtual equipment， Some suggestions for pipeline system information management are put forward. Through the research， we hope to provide some help and Enlightenment for pipeline virtual assembly.

Keywords： pipeline system; Virtual assembly; Application; simulation