李旭光 徐强 石昀杭 宗宝 孙文罡
中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130000
摘要：为了解决中国标准动车组“复兴号”在车下设备装配过程中出现部件干涉、操作者施工不便等问题，提出了一种基于虚拟装配技术的仿真方法。利用SolidWorks软件构建部件模型与装配环境，并使用Motion功能对实际装配过程进行模拟仿真，对仿真过程进行评估，分析并解决可能产生的问题并应用于实际生产中。通过上述方法可以尽早的发现设计结构是否干涉，工艺路径规划是否合理，在安装过程中操作是否便利。可以起到减少财产损失，缩短操作工时，提高生产质量与指导操作者的作用。
关键词：中国标准动车组；虚拟装配；模拟仿真；SolidWorks
1 引言
近年来，随着“工业4.0”的提出与发展，传统的装备制造业正朝着智能化与信息化的方向转变。装配仿真技术是对生产过程中各个要素(如生产环境、设备、工装、工具与料件等)的动作与状态进行仿真，根据装配路径与装配序列模拟实际操作流程，从而提供产品可装配性验证、装配工艺规划与分析、装配操作培训与指导等。
中国高铁是中国走向世界的“金名片”，集众多前沿科技于一身，是中国最先进制造能力的代表，随着“复兴号”在京沪铁路上的首次运行，更是拉开了高速动车组以中国标准进行制造的序幕。高铁制造行业蓬勃发展的同时，许多生产中的技术问题也随之而来，例如前道工序完工后会对后道工序的操作空间进行限制；不同专业的设计人员会产生结构干涉的问题；部分螺栓由于位置特殊不便于操作者施加力矩；由于工艺路径规划不合理导致的拆卸返工等。上述问题不仅会浪费大量的人力物力，影响生产进度，更会制约高铁制造业智能化的进程。
本文以“复兴号”动车组废排单元吊装工序为例，建立生产要素三维模型，进行装配仿真，通过仿真过程预知生产中会遇到的装配问题，提前指导操作者，从而达到省时省力的效果。
2 装配环境的建立
根据设计图纸与工艺文件要求，废排单元吊装工序是在已完成车下废排风道安装的前提下，首先通过多功能升降车将废排单元送至车下，然后升起升降车使得U型吊座螺纹孔与车体安装孔对齐并预装M20螺栓，最后对M12螺栓施加力矩以固定废排单元与U型吊座。完成以上步骤后需检查车下废排风道下平面与废排单元上平面安装尺寸以及车体下边梁与废排单元下平面尺寸是否在许用范围之内，上述尺寸合格后对M20螺栓施加力矩从而完成整个吊装工序。通过上述分析需建立车体、架车马凳、多功能升降车、车下废排风道、废排单元、U型吊座、M12螺栓与螺母、M20螺栓与位距孔座、扭矩扳手以及开口扳手的1:1三维模型，并通过配合将其布置在生产环境中，具体如图1所示。
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3 装配仿真的制作
基于已创建完成的装配环境，利用SolidWorks距离与角度配合等约束模拟设备运送、吊装、螺栓施加力矩等操作，借助渲染与相机功能达到与实际生产情况完全符合的视觉效果。安装结束后对施工过程进行装配难度评估与碰撞检测，如有问题，则进行结构或工艺优化。
键码是制作装配仿真过程中最重要的因素，通过在一定时间内更改同种类相邻键码的参数可以达到控制物体位移，改变物体外观，调整环境灯光，转变视向角度的效果。本文中气垫船的移动与升降，旋转扭矩扳手对螺栓施加力矩，工具的隐藏与显现，通过不同角度观察装配过程都是通过控制不同的键码而实现的。
通过仿真过程可以看出，在将设备运送至车下安装位置过程中，废排单元和风缸吊架组成与制动指示器会发生磕碰，这是由于气垫船与废排单元总高度高于制动指示器最低点高度，解决办法是将气垫船倾斜运输，让吊架横梁上部低于制动指示器管路下部，待吊架横梁干涉部分进入安装位置后再将气垫船上平面摆正，将设备其余部分运送至安装位置。其它操作如升起设备以及对螺栓施加力矩均可以正常完成，不存在干涉与操作不便等问题，完工后检测废排风道下平面与废排单元上平面距离以及废排单元下平面与车体下平面尺寸均在许用范围之内。
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4 装配仿真与实际生产结合
通过仿真过程与结果可以预知在将设备运送至车下安装位置时需要将气垫船倾斜运送以避让制动指示器，将此情况提前指导给班组，让操作者按照仿真过程去执行操作。班组在完工后反馈问题的出处与原因和仿真过程一致，所提供的解决办法简单、高效、可行。用此技术可以保障生产进度，节省人力物力成本，保证装配质量，也可以直接证明仿真的正确性与可靠性。
5 结语
本文以“复兴号”动车组车下废排单元吊装为例，利用Solidworks构建出装配环境并进行仿真，提前预知实际生产中可能出现的问题，分析问题原因并进行解决，与实际生产结合证明仿真的正确性，并起到指导生产的作用。然而，车下设备吊装的虚拟仿真并不能满足对“复兴号”动车组智能化装配的要求，应拓展仿真工序，实现整车装配仿真，建立人机交互平台，提高操作真实感，让操作者进行装配训练，更好的保障高速动车组事业智能化的蓬勃发展。
参考文献：
[1] 姚艳彬, 邹方, 刘华东. 飞机智能装配技术[J]. 航空制造技术, 2014年Z2期.
[2] 朱殿烨. 基于SolidWorks Animator的掘进机升降油缸阀块运动干涉分析[J]. 煤矿机械, 2012, 33( 5): 228-230.