虛擬裝配技術

霍春明

【摘 要】虛擬裝配技術是虛擬現實技術、計算機仿真技術等多種先進技術在制造裝配領域的綜合應用，與一般的裝配仿真、基于虛擬現實技術的裝配仿真相比較，具有更大的智能性和優越性，可完成或者支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規劃，極大提高機械設計和制造的效率。

【關鍵詞】虛擬裝配技術機械設計機械制造計算機輔助設計

傳統的計算機輔助裝配系統輸入輸出設備是二維的，而機械虛擬裝配技術的輸入輸出設備是三維的。在虛擬的產品裝配環境中，設計人員如身臨現實的裝配環境，全方位的感受到裝配過程，眼可看到、手可摸到虛擬的零件，通過手勢、聲音等智能設計完成產品的虛擬裝配，同時對產品的可裝配性做出直接的判斷、評定或者修改。

1 虛擬裝配技術

1.1常見的虛擬裝配系統結構

常見的虛擬裝配系統結構一般分為4個模塊：模型模塊、用戶交互模塊、環境虛擬模塊和輸出模塊。

(1)模型模塊：功能是通過將零件的相關數據信息，包括幾何模型、物理特征、零件的公差等，以及產品的裝配模型，輸入到虛擬裝配系統里，生成需要的虛擬零件模型。

(2)用戶交互模塊：即各種虛擬外部設備和其支持系統，通常有麥克風、數據手套、光柵眼鏡、數據衣、頭盔式顯示器等。裝配技術人員利用這些虛擬外部設備與虛擬裝配系統進行人機交互，進行虛擬裝配的各種操作。

(3)環境虛擬模塊：是虛擬裝配系統的核心，包括各種虛擬現實算法、虛擬裝配環境配置、虛擬裝配環境生成、虛擬零件模型、虛擬裝配工具包以及虛擬外部設備驅動系統。其中，虛擬現實算法主要包括干涉檢驗算法、多細節層次模型自動生成算法；虛擬裝配環境配置即對裝配環境進行配置，包括坐標系的設定、定位、光照設置等；虛擬環境生成即生成虛擬環境所需的視覺、聽覺和觸覺信息等，利用各種優化算法對虛擬環境進行優化，以保證系統的實時性，為裝配技術人員創造猶如現實的虛擬裝配環境；虛擬裝配工具包是由CAD系統創建的各種裝配工具的幾何模型轉換得到的虛擬工具模型；虛擬外部設備驅動即各種虛擬外部設備的驅動程序。

(4)輸出模塊：輸出零件裝配軌跡、干涉檢查報告、零件裝配順序文件、裝配過程動畫以及產品的虛擬模型。其中，零件裝配軌跡可用來指導裝配機器人的操作運動軌跡；干涉檢查報告為產品設計更改提供參考，如：更改零件尺寸、形狀或者更改產品的結構；裝配順序文件用于指導制定裝配工藝；裝配過程動畫用于培訓裝配人員。

1.2虛擬裝配系統中的裝配環節

在虛擬裝配系統中，裝配人員置身虛擬裝配環境中，通過人機交互，利用虛擬外部設備對零件進行虛擬操作，完成產品的虛擬裝配。此過程分為三個環節：準備環節、虛擬裝配環節和輸出環節。

(1)準備環節，主要是構建零件的虛擬模型。零件的虛擬模型即包括零件的工程設計信息、零件物理屬性信息以及零件虛擬幾何模型。零件的工程設計信息即是那些體現設計者裝配意圖的幾何元素，物理屬性信息即是對虛擬對象物理特性的描述，零件的虛擬幾何模型則描述了虛擬零件的外觀、幾何形狀，通過CAD系統生成的零件幾何模型轉換而來。工程設計信息體現的幾何元素附加到零件的虛擬模型，可以保證虛擬零件在虛擬的環境下按照設計者的意圖完成零件間的定位和約束，零件物理屬性信息與虛擬幾何模型相結合則可以在虛擬環境中再現現實中的零件模型。

(2)虛擬裝配環節。首先，主要是對虛擬裝配系統進行一些配置和環境設置，即構造虛擬裝配環境，設置坐標系統以及燈光光照，構造工作臺和調入所需裝配工具，檢查虛擬外部設備工作狀況；其次，裝配技術人員進行產品的虛擬裝配。裝配技術人員運用各種虛擬外部設備，直接與虛擬零件和虛擬環境進行人機交互，按照設計人員的設計意圖進行裝配。在這過程，系統記錄裝配的各種信息，如零件的裝配順序、裝配軌跡、干涉情況以及裝配技術人員發現產品設計存在的問題等，并生成各種報告供有關工程技術人員備用。

(3)輸出環節。獲得的虛擬裝配的結果主要是零件掃掠軌跡、零件裝配順序文件、零件裝配軌跡文件、裝配過程動畫文件，還有零件干涉情況報告、產品的虛擬裝配模型，這些結果都以一定的格式進行記錄，并可以與其他機械工程系統進行數據交換。總之，機械工程人員在虛擬環境中對設計的產品進行虛擬裝配，可以現實地感受他們自己或者他人設計的產品的科學性和可行性，及時發現設計中的種種問題。而且虛擬裝配系統輸出各種技術文檔，能夠給工程技術人員在設計和裝配中有更多的參考，從而使決策準確率更高。

2 虛擬裝配技術的特點

虛擬裝配系統突出人的因素在虛擬裝配中的重要性，盡量將裝配技術人員的經驗、專業知識融入裝配系統。在虛擬裝配過程，不僅要驗證產品設計和裝配的可行性，即可裝配，還要尋找、驗證設計和裝配的科學性，即定出最優的設計方案和裝配順序。因此，虛擬裝配技術可稱為人機一體的裝配智能系統。主要表現為以下幾個不同的方面：

(1)人機交互手段不同。傳統系統下的產品裝配，是鼠標和鍵盤等二維輸入設備，技術人員只能通過計算機的二維屏幕感受產品模型。虛擬裝配技術系統中交互手段是麥克風、數據手套、光柵眼鏡、數據衣、頭盔式顯示器等三維設備，裝配技術人員可以直接操作虛擬零件進行虛擬裝配，通過視覺、觸覺和聽覺等立體地感受裝配過程，猶如現實中的裝配。

(2)裝配過程不同。在傳統系統下，裝配技術人員是通過鼠標拾取零件模型上的幾何元素，根據菜單指定兩個零件的約束關系，讓系統自動計算兩個零件間的位置關系，然后進行幾何變換將待裝配零件移動到目標位置，完成裝配。在這過程中，裝配技術人員無法感受到裝配過程，系統也不能按照一條沒有碰撞的路徑將待裝配的零件移動到目標位置。傳統系統中不考慮零件間的干涉，如按照傳統環境下的裝配順序來制定現實的裝配順序，往往是不可行的。在虛擬裝配技術系統中，裝配技術人員直接抓取虛擬零件，沿著一條沒有碰撞的、優化的路徑將待裝配零件移動到目標位置，檢測零件之間的干涉情況，并且融入了裝配技術人員的經驗、專業知識，由此獲得的裝配順序一般是可行的和優化的。

(3)對設計和裝配技術人員的反饋支持力度不同。在傳統的系統中，設計和裝配技術人員對產品進行裝配建模得到的只是產品的數字模型，信息量很少，獲得的反饋支持力度較小。在虛擬裝配系統中，設計和裝配技術人員可以得到零件掃掠軌跡、零件裝配順序文件、零件裝配軌跡文件、裝配過程動畫文件，還有零件干涉情況報告、產品的虛擬裝配模型等大量信息，獲得的反饋支持力度比較大。

3 結束語

機械虛擬裝配技術是虛擬現實技術、計算機仿真技術、三維網絡技術等多種先進技術在制造裝配領域的綜合應用，與一般的裝配仿真、傳統CAD系統下的裝配相比較，具有更大的智能性和優越性，可完成或者支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規劃，極大提高機械設計和制造質量，而且大大降低了機械設計和制造的周期和成本。

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[4]劉振宇.虛擬現實環境下產品裝配定位導航技術研究[J].中國機械工程，2007，（1）.

（作者單位：內蒙古民族大學）