45 t岸边集装箱起重机可视化装配仿真

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摘要： 为缩短岸边集装箱起重机生产制造过程中的装配周期并降低成本，针对某45 t岸边集装箱起重机，基于面向装配设计的方法引入可视化虚拟装配技术，运用CATIA对其进行虚拟装配仿真分析，确定零部件装配层次关系，设计零件的部装、预拼装和总装等部分的整体装配流程.在CATIA DMU平台建立基于仿真试拆卸的装配路径规划流程，并以运行小车滑轮组为例分析装配路径规划并进行装配干涉检查. 该方法可以直观地显示出各零部件的可装配性，优化岸边集装箱起重机装配结构.

关键词：

岸边集装箱起重机； 虚拟装配； 路径规划； 干涉检查； CATIA

中图分类号： TH213.8；TP391.7

文献标志码： B

Visual assembly simulation of 45 t quayside container crane

LIU Jingshuai, YAN Wei, LU Houjun

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract： To shorten the assembly cycle and reduce the cost of quayside container crane during manufacturing process, based on assembly-oriented design methods, the visual virtual assembly technology is applied by using CATIA for virtual assembly analysis on a type of 45 t quayside container crane. The part assembly hierarchy is determined and the overall process of part sub-assembly, pre-assembly, final assembly and so on is designed, and then the assembly path planning process based on trial disassembling simulation is set up on CATIA DMU platform. Taking crab pulley block as an example, the assembly path planning and interference detection are analyzed. The method can directly show the assembling ability of all parts and optimize the assembly structure for quayside container crane.

Key words： quayside container crane; virtual assembly; path planning; interference detection;

0 引 言

岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是在港口码头前沿进行集装箱装卸作业的专用设备之一. ［1］岸桥的装配是各个零部件进行组合的过程，对整体的性能、寿命和成本有很大影响，是生产制造过程中的重要中间环节.

虚拟装配是装配过程在计算机上的实现.采用CATIA DMU进行产品的设计和过程验证，其本质是一种拟实化的、广义的、面向装配的设计，能够在计算机上分析、验证产品的装配性能和工艺过程.国内外学者对虚拟装配进行过大量研究：陈宁等［2］基于DELMIA 研究发动机装配过程的可视化仿真；CHRISTIAND等［3］研究基于触觉反馈机制的装配序列规划和路径规划的智能虚拟装配仿真系统；CHEN等［4］讨论基于Java 3D的碰撞检测机器人虚拟装配系统；JAYARAM等［5］应用虚拟现实技术开发虚拟装配系统.目前，将虚拟装配技术应用于岸桥装配的研究案例还较少.

本文以某型岸桥为研究对象，分析总体装配流程，以运行小车滑轮组为具体案例进行基于CATIA DMU平台的装配仿真分析，为实际装配工艺规划提供参考.

1 虚拟装配过程设计

1.1 建立装配结构

本文研究对象为45 t/28 m俯仰式双箱型结构主梁岸桥，轨距为24 m，基距为18 m.装配结构反映产品的构成，可使用层次模型.在岸桥装配层次模型中，底层是参与装配的零件叶节点，经过序列约束组装成子节点（装配组或子装配体），子装配与子装配或零件的序列集合构成总装配体，即根节点.通常可将该层次关系表示成装配树结构（见图1）以表达父子从属关系.图1中，根节点A为总装配体，子节点

A1，A2，…，Am为子装配体，叶节点A121，A122，…，A12j为零件.

以岸桥大车行走机构为例，从层次模型的底层(如传动轴、齿轮和车轮等零件)开始，经序列约束组装成主动轮组、从动轮组子节点，再逐步向行走总成根节点逼近，递归形成总装配层次模型.

1.2 虚拟装配过程

整个虚拟装配过程包括零件建模、装配建模、零部件几何形状的修改、干涉检查和装配规划等，全面反映虚拟装配过程中各环节之间的相互关系.［6］基于“可拆即可装”的假设条件，整个虚拟装配过程可按以下步骤进行：

(1)零件建模模式.建立岸桥零部件几何模型.

(2)装配建模模式.基于约束的装配体建模.

(3)装配规划模式.通过引导的拆装路径，利用交互工具动态拆装零部件，修改和优化装配顺序、路径.

(4)装配仿真模式.通过静态和动态干涉检查、验证零部件的可装配性.

根据虚拟装配过程，岸桥装配体建模流程见图2.

1.3 虚拟装配基本原理

在三维装配空间中，正确模拟装配过程的关键是装配元件的运动表示和变换. ［7］在装配实体模型的三维空间Oxyz中，零部件的位置和姿态一般通过一个4×4的齐次变换矩阵P决定，即

P=R3×3f3×1

p1×3w1×1 (1)

式中：R3×3=Xv1Xv2Xv3

Yv1Yv2Yv3

Zv1Zv2Zv3为姿态矩阵，表示装配元件控制坐标系OsXvYvZv在固定装配坐标系Oxyz中的姿态；p1×3=［XsYsZs］为位置矢量矩阵，表示OsXvYvZv坐标原点在Oxyz中的位置；f3×1=［000］T为透视变换矩阵，一般置0；w1×1=［1］为总体比例因数.装配元件位姿描述见图3.

当装配元件由当前位姿关键点A运动到另一关键点B时，即将原来的位姿P经矩阵T变换后到达新的位姿P’，即

P’=P・T[JY] (2)

T=X1X2X30

Y1Y2Y30

Z1Z2Z30

MvxMvyMvz1 (3)

式中：旋转矩阵X1X2X3Y1Y2Y3Z1Z2Z3反映转动因素，即零部件的姿态信息；(Mvx,Mvy,Mvz)为装配元件沿3个坐标轴方向的平移分量，表示零部件的位置信息.

2 虚拟装配过程仿真

2.1 虚拟装配平台

虚拟装配是在虚拟环境中完成的，基于CATIA DMU模块可完成岸桥的可视化装配过程仿真：DMU Fitting Simulator（虚拟样机装配仿真）定义零件装配或拆卸轨迹，仿真安装和拆卸过程并进行分析；DMU Space Analysis（虚拟样机空间分析）使用动态模拟实现干涉、碰撞、剖切和测量等高级空间分析功能，系统可确定并显示零部件之间是否发生干涉碰撞以及是否超出最小间隙等.

2.2 装配路径规划

路径规划是虚拟装配技术的核心.基于虚拟装配的装配规划就是在虚拟环境下模拟手工装配、拆卸的交互式过程，对装配体进行可装配性和可拆卸性分析，通过对自动装配顺序生成器产生的可行性装配顺序进行反复验证，确定最佳装配规划方案.

基于仿真试拆卸的可行装配路径规划以“可拆即可装”的基本假设为前提，其总体思想是，人机交互与自动推理相结合，充分利用人的知识、经验和灵活性求得拆卸路径，然后“反演”拆卸路径得到装配路径.基于仿真试拆卸的装配路径规划流程见图4.

3 仿真分析

干涉检查是装配设计中的必要环节之一，是判断所规划路径能否安全可达的唯一依据. ［8］按照对象观测状态，干涉检查可分为静态干涉检验和动态干涉检验.从装配角度分析，在产品装配过程中产生干涉的原因主要有：(1)在设计或制造过程中发生错误，导致零件的几何形状和尺寸等产生缺陷，造成装配干涉；(2)装配路径设计不合理，导致装配干涉；(3)零部件装配顺序选择不合理，造成装配干涉.

对运行小车滑轮组装配体分别进行静态干涉检查和动态干涉检查.滑轮组装配体静态干涉检查结果见表1，动态干涉检查见图6.

在滑轮组装配体所有部件的干涉检查中，干涉数目包含零件与周围零部件的接触，此类干涉不可避免. 由表1可知，滑轮与螺栓发生碰撞，干涉值为-19.9 mm，通过调整螺栓位置可消除该处干涉.由图6可知，图中圈出部分在动态装配过程中发生碰

撞，该引导路径为非安全装配路径，需进一步优化.可根据仿真结果并结合实际装配过程提出修改依据，对所规划的路径进行改善优化，再进一步验证，直到获得安全、合理的路径.

4 结束语

运用CATIA软件可快速建立岸桥几何三维零部件模型，在虚拟样机DMU环境下实现岸桥装配过程的动态可视化仿真.基于“可拆即可装”原理，将路径规划技术运用到装配过程中，能方便地评估零部件的可装配性能，同时进行干涉检查分析，不断优化装配工艺.

虚拟装配仿真和路径规划技术是个非常复杂的问题，涉及的知识面广，若要完成实用化的目标，在理论和应用方面仍有待探索.

参考文献：

［1］ 白刚, 林立. 岸边集装箱起重机的虚拟样机建模［J］. 中国重型装备, 2009(4): 7-16.

BAI Gang, LIN Li. Virtual prototype modeling of quayside container crane［J］. China Heavy Equipment, 2009(4): 7-16.

［2］ 陈宁, 解彦琦, 吕庆伦. 基于DELMIA的发动机装配过程可视化仿真［J］. 计算机辅助工程, 2010, 19(4): 66-69.

CHEN Ning, XIE Yanqi, L Qinglun. Visual simulation of engine assembly process based on DELMIA［J］. Comput Aided Eng, 2010, 19(4): 66-69.[ZK)]

［3］ CHRISTIAND, YOON Jungwon. Assembly simulations in virtual environments with optimized haptic path and sequence［J］. Robotics & Comput-Integrated Manufacturing, 2011, 27(2): 306-317.

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［5］ JAYARAM Sankar, CONNACHER H I, LYONS K W. Virtual assembly using virtual reality techniques［J］. Comput-Aided Des, 1997, 29(8): 575-584.

［6］ 郑勇, 龚光容. 虚拟装配系统及关键技术研究［D］. 南京: 南京理工大学, 2003.

［7］ 王峻峰, 李世其, 刘继红, 等. 虚拟拆卸中多方式交互技术的应用［J］. 计算机辅助工程, 2004, 13(4): 16-19.

WANG Junfeng, LI Shiqi, LIU Jihong, et al. Application of multi-modal interaction technology in virtual disassembly［J］. Comput Aided Eng, 2004, 13(4): 16-19.

［8］ 何朝良. 基于CATIA/CAA平台的虚拟装配路径规划的研究［D］. 南京: 南京航空航天大学, 2005.