毕业论文范文——基于ic.ido可视化虚拟平台的设计制造协同方案研究

西安航空职业学院毕业论文基于IC.IDO可视化虚拟平台的设计制造协同方案研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要 文中基于设计端与制造端的技术隔离现象，提出了设计制造协同的概念，给出了基于IC.IDO可视化虚拟平台的组成，研究了运行模式、信息集成及应用规划，结合详细应用案例分析了可视化设计制造协同应用系统在电缆设计中的应用，证实了通过构建基于IC.IDO的可视化虚拟平台，实现设计制造协同，能有效地减少产品研制过程中的实物试装次数，提高产品装配质量、效率和可靠性。关键词 协同 IC.IDO 可视化虚拟平台 运行模式 信息集成 应用方案1 引言 近年来，随着信息技术的不断发展，制造端已经普遍采用了CAD、CAPP等工具及PDM系统进行工艺设计以及数据管理工作，但与设计端一直缺乏良好的协同手段，导致设计与制造环节相互割裂，无法实现良好的并行工作模式。随着用户方对产品质量、交付周期等的要求越来越严格，必须打破设计与制造部门间的技术隔离现象，加强设计部门与制造单位的协同能力，实时交互，并行开展工作，才能更好的在设计过程中尽早的发现在后续工艺、生产制造中可能存在的问题，减少错误，避免大规模的返工。 基于以上需求，本文建立了可视化虚拟平台，对平台本身的组成、运行模式进行了分析，对于如何实现设计端与制造端的协同进行了信息集成以及应用规划，并对具体的应用案例进行了说明。2 可视化虚拟平台组成可视化虚拟平台由分别部署于设计端和制造端的具有相同软件模块的多套可视化设计制造协同应用系统组成。各系统通过网络连接，进行快速的数据交换。所有协同参与方都可以看到完全相同的产品模型，并可独立对模型进行交互操作，实现设计端与制造端以在线的方式，基于同一环境异地同步开展虚拟仿真。图1 分布式协同工作示意图可视化设计制造协同应用系统由驱动核心功能实现的IC.IDO软件系统及与支持功能实现的同期建设的大规模投影系统硬件及外设共同组成的。软件系统采用模块化架构，支持多核心、多线程技术，支持64位操作系统，不仅可以驱动高性能图形显卡的多种渲染器，同时可以通过自身模块实现包括模型导入、动态干涉检查、柔性部件实时分析、动画及渲染、人机工效仿真等复杂功能。硬件系统主要包括四大部分：投影成像系统、动作捕捉系统、图形数据处理系统和中控系统。软件系统与同期建设的硬件系统结合，实现设计模型的真实尺寸三维显示和实时人机交互反馈。固定式沉浸环境的系统整体结构设计布局示意图如图2所示：图2 固定式沉浸环境设计布局示意图其中，1）图形和数据处理系统：采用高性能图形工作站集群，其中1台作为应用节点（主节点），另1台作为图形渲染子节点，所有图形设计软件及虚拟现实软件在图形工作站集群或单节点图形服务器中运行；2）投影及成像系统：由高亮度、高分辨率的高清主动立体投影机构成，提供三维沉浸感可视化环境；3）动作捕捉系统：包含动作捕捉系统主机、红外动作捕捉摄像头、手执式交互设备等；通过接口软件实现与用户软件应用的通信，让操作者与虚拟现实图形间进行互动，实现用户需求的工程流程；4）中控系统：实现对投影机、灯光、音响等系统进行的控制。3 运行模式可视化设计制造协同应用系统的运行模式主要包括：系统独立运行模式和多系统协同运行模式。3.1 系统独立运行模式可视化设计制造协同应用系统分为桌面环境及沉浸式立体展示环境两种模式，在这两种模式中的系统功能模块完全相同，可以实现一致的各类操作及数据处理过程。但这两种模式对于应用场合各有侧重，表现在：桌面应用环境：更适用于单人操作的场合，如设计模型的导入、更新和管理，单独进行模型检查及分析，单个人参与网络协同评审等情况。沉浸式立体展示环境：更适用于需要多人共同现场讨论或需要真实体验的场合，如阶段性综合评审、真实模拟工艺及装配可行性分析、产品展示、虚拟制造及虚拟维护培训等环节。首先，使用者从PDM中调入已有的CAD三维数据模型，并在系统自动进行轻量化处理后，在系统环境中完成多部件模型的整合工作（如：原为多个单一数据模型，在具有相同建模坐标系的情况下可直接调入系统中，无需在CAD软件中进行装配整合），这一过程一般在桌面环境中完成即可。之后，可根据不同应用场景（如：评审应用场景、制造性/维护性检查应用场景等）需求选择桌面环境或沉浸式立体展示环境进行使用。当然，在网络协同评审等过程中也可选择两种环境的结合使用。对于桌面环境的应用将在一台桌面图形工作站上完成，与常规软件的应用模式一致；对于沉浸式立体展示环境的应用模式相对比较特殊，采用可视化设计制造协同应用系统自身的图形通道将模型信息传递给渲染通道图形处理服务器，并由其实现三维显示，最终在沉浸式展示环境中实现沉浸的立体显示功能；同时，动作捕捉系统可实时捕获人机交互设备产生的真实操作信息，并实时反馈给系统，由系统对各项软件功能及功能性虚拟样机展示等进行实时控制。3.2 多系统协同运行模式以上应用模式在不同的业务环节及应用需求中，可单独使用，也可根据需要进行多系统的协同应用，实现灵活的应用效果。在多个系统间，可通过协同模块实现异地的协同运行模式，各系统可基于同一个数据模型在不同地点进行操作，在其它系统环境中可同步了解其视角、具体操作等，以实现异地的协同讨论、协调、评价、审核等工作。对于多系统协同运行模式，可支持IC.IDO软件各种应用环境的多方协同，包括：沉浸式系统、便携式系统、桌面系统。具体应用模式示意图如图3所示：图3 应用环境组合应用示意图4 信息集成为了实现设计端与制造端基于可视化虚拟平台良好的开展协同工作，本系统需要实现可视化设计制造协同应用系统集成应用以及本系统与PDM系统的联合应用。4.1 设计端与制造端的系统集成应用通过可视化设计制造协同应用系统的协同工作模块，可实现在多系统间的数据、操作等的交互式传输，打通单位与单位间、部门间协同应用的桥梁，实现更直观、多地的协同沟通工作环境。主要应用方式如下：1）沉浸式环境及桌面环境的多地点协同交流，工作方式为：由主持方的环境建立协调服务，设定协同会议的参会用户名及密码，其他参加协同会议的用户，可在可视化协同应用软件协同模块中以参加者身份输入IP地址、参会用户名及密码进入协同工作环境，开展协同工作。2）在协同环境中，可支持对不同参与者的视角进行显示，视角控制方可将自身视角共享给其他参与方，使参与人员均能远程同步观察视角，视角控制方可进行控制方切换；不同参与方可同时对同一数模的不同零部件进行选择、移动等操作；各参与方可对同一模型进行标注、测量等。3）通过会议电话，可实现设计端与制造端沉浸式环境的语音传输，协同设计时，两端各用一台会议电话机，通过全向麦克风及扩音器，可在15m-60m范围内接收声音并传递给对方，实现人员的直接交流。对于在协同工作中数据传输的安全性方面，软件可以支持由本地从PDM或其他系统中将模型下载到本地后进行协同的方式，在协同过程中仅传递视角、移动位置等信息的模式，以保证数据的安全性。4.2 与PDM系统的联合应用可视化设计制造协同应用系统将与PDM系统实现联合应用模式。可视化设计制造协同应用系统可为接收上游设计数据后进行装配工艺验证、管线布置分析、生成3D工艺指导文件、装配生产线规划等提供技术支撑，通过PDM系统对其所生成的3D可视化协同模型数据、3D工艺指导文件等进行管理与发放。系统整体集成应用模式如图4所示：图4 系统整体集成应用模式示意图5 应用规划 通过梳理设计端与制造端的实际业务流程，制定了针对设计及制造协同的具体业务流程应用规划如下：5.1 在装配工艺流程中的应用规划 可视化设计制造协同应用系统在装配工艺流程中的应用规划，涉及到不同的软件环境，如桌面环境、沉浸式环境及协同环境。图5 装配工艺应用流程图应用步骤详细说明见下表1：表1 在装配工艺流程中的应用步骤详细说明序号应用步骤应用人员软件环境应用输出说明可装配性分析人机工程分析设计师桌面环境及沉浸式环境3D可视化模型在设计过程中，设计师进行内部产品可装配性及人机工程分析验证。将Pro/E模型读入3D可视化系统，在3D可视化系统中进行。可装配性协同分析设计师发起，工艺师配合沉浸式协同环境3D可视化模型在设计过程中，如遇需要工艺参与讨论的问题，可随时通过协同环境进行，以便尽早发现问题、解决问题。设计模型预发布设计师Pro/E模型3D可视化模型在达到一定产品成熟度后，设计单位将设计模型在PDM系统中进行预发布，以便工艺人员提早进行工艺审查等工作。装配工艺审查工艺师桌面环境3D可视化模型工艺师基于设计端提供的3D可视化模型，对产品整个装配工艺进行验证及审查，对于重点或狭小空间等可调入工装、工具等进行重点验证审查。装配工艺性评审设计师、工艺师沉浸式协同环境3D可视化模型通过协同环境，对装配工艺审查中发现的问题等进行协同讨论评审装配工艺规划工艺师桌面环境3D可视化模型基于设计端提供的3D可视化模型，加入工装、设备、工具等，制定装配规划、定义装配顺序及装配路径等，并进行仿真模拟装配工艺辅助文件生成工艺师桌面环境装配动画、报告、XML装配顺序文件生成装配动画、报告、XML装配顺序文件等装配工艺所需辅助文件与VPPC系统集成导入结果数据工艺师将上述装配工艺所需辅助文件（工序及视频文件）导入VPPC系统，视频文件大小可根据用户需求制定。5.2 在线缆工艺设计中的应用规划 可视化设计制造协同应用系统在线缆工艺设计中的应用规划，主要涉及软件桌面环境。图6 线缆工艺应用流程图应用步骤详细说明见下表2：表2 在线缆工艺设计中的应用步骤详细说明序号应用步骤应用人员软件环境应用输出说明线缆模型发布设计师、工艺师 Pro/E软件及可视化设计制造协同应用软件 桌面环境Pro/E模型3D可视化模型当线缆设计完成后，将线缆数模转换为Pro/E实体模型，并可结合可视化设计制造协同应用软件进行重点部位分析后，将Pro/E实体模型及 3D可视化模型在 PDM系统中进行发布，以便工艺人员进行线缆工艺验证及编制工作。线缆装配性验证工艺师可视化设计制造协同应用软件 桌面环境3D可视化模型工艺师从PDM系统下载数模后，在可视化设计制造协同应用系统中对线缆的空间干涉情况、接头连接及紧固过程等，基于完整产品及设备环境进行验证，确保线缆装配的可行性。线缆生产工艺辅助动画制作工艺师可视化设计制造协同应用软件 桌面环境3D可视化模型视频文件在线缆生产工艺编制完成后，制作线缆生产过程动画，将包含相应工装，验证工装设计及提供生产人员参考。线缆装配工艺辅助动画制作工艺师可视化设计制造协同应用软件 桌面环境3D可视化模型视频文件对线缆在产品中的装配过程进行模拟，最终验证线缆的可装配性，同时生成装配动画。与PDM系统集成导入结果数据工艺师视频文件将线缆生产过程动画导入PDM系统，以供生产人员参考。6 应用案例某型号产品体积小、装配集成度高、舱内外电缆密集，尤其是后端设备组合各设备之间、后端设备组合与主舱体及动力系统之间空间非常狭小，但电缆数量及电缆分支却非常多，造成后端设备组合电缆布线困难，在入舱过程中容易出现电缆结构干涉并需进行反复调整，影响装配效率，并且舱内电缆无法直接观察，存在挤压损伤电缆的风险。通过可视化设计制造协同应用系统对电缆装配过程进行了仿真。具体仿真步骤包括四部分： 第一步：仿真环境的建立；第二步：电缆的柔性化；第三步：柔性电缆三维装配工艺仿真和设计；第四步：提出电缆设计和制作的优化方案。每一步具体工作如下：6.1仿真环境建立1）导入设计结构模型数据并轻量化处理可视化设计制造协同应用系统通过轻量化算法，将所有与产品有关的模型进行轻量化处理，并将这些轻量化的模型与数据信息融合在统一的环境中，通过交互操作对基于全信息环境的产品进行评定、分析、协调、展示、培训等具体应用。2）导入厂房、工装、工具等制造资源模型制造资源模型是系统应用的基础，对于在虚拟环境下的展示及仿真分析过程，完整的数据样机模型是在各类讨论、协调、评价、审核等工作中获得正确认知及正确结论的基础。因此，随着系统应用的深化，企业也需要逐步建立所需的各类制造资源模型，形成制造资源库，包括常用零部件库、标准材料库、标准工具库、标准工装库、人体模型库以及环境资源库。以便在进行工艺审查、装配工艺的分析及验证、人机工程分析、数字化生产线仿真，以及可视化讨论协调、评价决策等过程中，调用所需的制造资源模型。本系统可以直接读取Pro/E野火4.0-5.0版本、Creo 2.0版本的原始三维实体模型。6.2电缆的柔性化在ICIDO软件中导入根据实际电缆参数建立的电缆三维模型，通过柔性仿真模块可以沿刚性三维电缆模型创建柔性电缆，只需在刚性体上设置卡头并沿刚性体拖动即可，创建的柔性电缆与原刚性电缆的尺寸、形状基本一致，如图7所示，图7为经过柔性化处理后的某型号电缆模型（左侧为原刚性电缆，右侧为柔性电缆）。对柔性化后的电缆物理参数和弯曲限制进行了定义，其中电缆的弹性模量选取软件系统中推荐的常用值1.0e+06N/m2，最小转弯半径根据设计文件中的相关要求定为电缆外径的5倍。 图7 通过刚性电缆建立柔性电缆图8 电缆柔性化处理6.3 柔性电缆三维装配工艺仿真和设计导入柔性电缆模型后，将电缆与相关插头进行关联组合后进行柔性电缆的动画仿真工作，主要应用ICIDO软件的Present模块。仿真过程主要是定义产品上设备电缆的安装顺序和安装路径，并考虑柔性电缆与刚性体的机构干涉，根据动态仿真过程中电缆的运动轨迹和弯曲情况，实时根据产品空间调整柔性电缆的空间位置，优化电缆布线和装配方式，防止出现结构干涉和电缆挤压。下图9为柔性电缆动画仿真的截图。通过软件输出三维装配动画的视频文件，能够在生产现场指导整个产品的实际装配操作。 图9 柔性电缆动画仿真6.4 提出电缆设计和制作的优化方案在电缆模装和三维装配仿真中，发现通过优化缩短某些电缆分支的长度，可以减少多余电缆在产品有限空间内的堆积，缓解产品舱内外空间紧张的状态；通过加长某些电缆分支的长度，可以优化电缆的走线位置，防止大量电缆在局部堆积；通过更改某些电缆分支的出线位置，可以防止电缆出现180度转弯的状态；通过优化电缆短接点的位置，根据电缆布线情况将短接点的位置布置在远离电缆弯曲的位置，能够尽可能的降低在装配过程中造成短接点弯曲损伤电缆的风险；对于一些直径较大、硬度较高的电缆，可以进行电缆制作过程中的预成型，以减少在总装过程中的弯折操作，提高装配效率同时降低质量隐患。通过装配仿真，经过优化后的电缆的装配状态得到了明显改善，能够提高装配效率、降低质量隐患。7 结论 通过构建基于IC.IDO的可视化虚拟平台，用数字化样机对产品可装配性、可拆卸性、可维修性进行分析、验证和优化，以及对产品的装配工艺过程包括产品的装配顺序、装配路径以及装配精度、装配性能等进行规划、仿真和优化，加强设计部门与工艺制造部门工作的充分协调，通过预装配等技术手段将现有只能在工艺、制造阶段才能发现的若干问题提前到设计阶段解决，尽可能降低潜在问题的出现概率，有效的减少了产品研制过程中的实物试装次数，提