虚拟装配技术及应用

引言

日益激烈的市场竞争要求制造业以最短的产品开发周期（Time）、最优的产品质量（Quality）、最低廉的制造成本（Cost）和最好的技术支持与售后服务（Service）即“TQCSP”来赢得市场与用户，同时要求制造业对环境的负面影响减垒最小。制造全球化以及消费观念的变革， 给传统的制造技术带来严峻挑战，21世纪的制造业正在以机械为特征的传统技术时代向着以信息为特征的系统技术时代迈进。随着计算机软、硬件技术的发展，先进制造技术 断涌现，2O世纪9O年代以来产生了一种新的制造概念和理论——虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM），其全新的制造体系和模式已成为现代制造技术与系统发展的必然趋势。

虚拟制造技术是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前 ，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性， 以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的[1].虚拟装配是虚拟制造研究领域的重要研究分支。

1 虚拟装配的国内外研究现状

自从20世纪80年代虚拟现实（Virtual Reality简称VR）概念的提出以来，虚拟现实作为一门新兴学科正在蓬勃发展，近年来在工程、航空航天、军事、建筑等领域得到越来越广泛的应用。虚拟现实采用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境中的人可以通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用，产生身临其境的感觉， 具有自主性、沉浸感和交互性的特征。我国从90年代开始进行虚拟现实技术方面的探索和研究工作。

利用虚拟现实技术创造虚拟环境，在虚拟环境中进行设计、制造称为虚拟设计、虚拟制造，虚拟装配是虚拟设计制造研究领域的重要研究分支，虚拟装配也是并行工程的支持技术之一。

虚拟装配是在虚拟环境中， 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。

据统计，产品的装配费用占整个生产成本30％～50％乃至更高，因此对产品装配工艺进行以提高质量和效率、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。虚拟装配技术可缩短产品的设计开发周期、降低成本、提高质量。

近年来，世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视， 投人了大量的人力物力进行研究[2-6].

波音公司在数字化代表产品波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与综合设计队伍（238个Team）的有效实施，保证飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成，研制周期从过去的8年时问缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。

德国Fraunhofer工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发，他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作，交互地装配和拆卸零件， 并在用户交互的基础上生成装配图，进行装配工时和装配成本的分析。

我国从90年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作[7]，我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究[8-9]， 由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内， 或者在非虚拟现实环境下进行研究。

2 虚拟装配的特征和关键

目前， 以Pro／E为代表的商用CAD系统中的产品装配建模过程典型表现为：设计者交互指定零件问的配合约束关系，确定零件在装配体中的位置，通过坐标变换将零件定位到装配定位点。这种基于坐标变换的装配建模，实质上是一种面向结果的装配设计方式。设计者关注的只是零件问的装配约束关系及装配体的最终状态， 缺乏对装配约束施加过程、装配顺序与装配路径等装配中问过程的考虑，不符合设计者思维特性，与实际的装配过程并不直接相关。因此，设计者在面向结果的装配建模过程中难以确保产品的可装配性，仍需通过制作实物样机来验证产品装配建模的结果。

同时这种典型的虚拟装配方法研究的重点是虚拟环境中产品装配过程仿真与装配规划，存在以下不足之处：虚拟装配系统零件模型导入虚拟环境之前，需要在商用CAD系统中建立产品装配模型；虚拟装配系统依赖于CAD装配建模预定义的装配约束关系，难以支持设计者在虚拟环境中指定或改变零件的装配约束关系，缺乏必要的灵活性。

由于设计者更习惯于通过工程术语表达零部件问的装配关系，而不是仅局限于几何体素间的约束关系。基于装配语义的虚拟装配技术将更加符合实际的装配过程，采用装配语义形式来简洁地表达零件间的装配关系。更适于设计者在虚拟环境中通过虚拟现实交互方法表达装配意图。

传统的预装配是以零部件的名义尺寸进的设计和分析， 即在装配过程中零部件没有考虑实际公差的变化对装配的影响。然而，尺寸仅代表了零件理想状况下的几何形状，公差指定了尺寸和几何的允许变动量。尺寸和公差均是产品信息的重要组成部分， 设计中设计者为产品的零部件指定尺寸和公差。因此，基于装配精度模型的虚拟装配有着工程实际应用的迫切性和必要性。

基于装配精度模型的虚拟装配包括功能性和装配性分析。功能性分析：分析和确定对装配体的功能起关键作用的关键尺寸， 其目的是对一个或多个功能尺寸生成尺寸链方程进行公差的分析：装配性分析：计算装配操作中装配零件位置的不确定性或者是分析设计的零件是否能成功配合装配在一起。

通常人们从计算机获取的信息是大量的视觉和听觉信息，然而要使人们获得“身临其境”的感觉，还必须有触觉和动感的反馈，用手触摸是人认识事物的一个重要途径。只有当操作者能够进人虚拟世界，通过手和手臀的运动，与虚拟模型和环境进行交互， 获取触觉、力感的反馈，才能形成对虚拟模型的一个完整的认识。在许多情况下，这种触觉、力感交互是至关重要的。譬如，许多装配和维护涉及部件的操作， 如果没有触觉、力感反馈，操作者无法感受到被操作物体的反馈力，得不到真实的操作感，甚至可能出现在现实世界中非法的操作， 比如手在空间的任何地方自由移动，包括穿过虚拟物体。因此带有触觉、力感反馈的人机交互接口是连接虚拟与现实世界、实现操作者与虚拟环境进行交互的关键，对虚拟装配是至关重要。

3 虚拟装配的实施方案和步骤

（1）在商用CAD系统中建立产品的装配模型，通过CAD系统提供的二次开发接口进行数据转换 ，将CAD系统中的零件信息以中性文件的形式进行存储。

（2）建立装配信息和规则库，如装配顺序规划基本准则、标准件联接和装配的原则、尺寸链的查找和装配评价准则等，建立基于装配语义的装配关系表达。

（3）虚拟环境中装配语义识别：根据设计者的交互操作， 当装配零件运动到己装配零部件附近时，通过两者装配特征属性匹配， 自动识别出装配零部件间的装配关系。在准确捕捉设计者装配意图的基础上，实现虚拟装配建模过程中零件的约束运动，确保设计者能准确自如地进行产品装配建模操作。

（4）以装配精度模型为基础，利用属性拓扑图进行装配公差传播方向和公差累积的分析计算，解决产品的可装配性分析。

（5）交互式装配顺序规划：对虚拟环境中的装配模型进行交互拆卸，基于“可拆即可装”的假定，通过拆卸得到可行序列；对于几种可能的装配序列， 根据装配操作的稳定性、装配操作中零部件的定位和定向次数及装配序列的并行度等进行优化及选择。

（6）装配仿真： 以装配顺序为基础，对初始路径及其关键点位姿进行实时交互修改与调整，同时对装夹工具的可达性、装配空间的可操作性进行仿真，检查各条装配路径上零件在装配过程中是否存在干涉情况。

（7）虚拟环境接受速度或者位置输入，并根据有关的物理模型计算出相应的力，通过适当的耦合匹配， 由力再现装置反馈给操作者。反馈对物体的重力感受。

4 结论

虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、触觉、力觉、运动感，使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中，来感受、体验和评价虚拟世界中的产品，利用虚拟现实技术，可以使得虚拟装配在逼真的虚拟世界中进行：基于装配语义的虚拟装配技术，使得虚拟装配更加符合实际装配过程；基于装配精度模型的虚拟装配技术，建立精度模型，将公差与装配结构和拓扑关系联系在一起，从而在产品装配设计和分析中如序列规划、可装配分析和评价等考虑公差的影响；

虚拟装配可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的过度依赖，可以有效地提高产品装配建模的质量与速度，有助于降低产品开发成本，缩短产品开发周期。

虚拟装配是一个处于发展中的极具应用潜力的新技术，许多国家都在进行这方面的研究与应用。但作为一项[考试|大|高新技术，虚拟装配技术还远未达到成熟。目前，在这一领域，美国处于国际研究的前沿，许多大学都在从事虚拟装配的研究工作。目前国内部分著名高校已陆续开展这一领域的研究工作， 但国内总体来说仍处于起步阶段，但是可以预言，只要创立一个好的基础，虚拟装配技术在我国企业的实用化， 并进而扩大应用已为期不远了。