基于虛擬環(huán)境裝配設(shè)計(jì)的研究與分析

郭宏偉 薛乃鳳

摘要 本文首先分析了目前使用的VADE系統(tǒng)，并且分析了當(dāng)前應(yīng)用的多模式虛擬環(huán)境，并且對(duì)虛擬技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用、配置以及特點(diǎn)進(jìn)行論述，最后，本文對(duì)虛擬系統(tǒng)在裝配設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)以及與自動(dòng)裝配技術(shù)的對(duì)于和今后發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞 虛擬裝配；機(jī)械設(shè)計(jì)；自動(dòng)裝配

中圖分類號(hào)TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）67-0199-02

在進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品或機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，在裝配工業(yè)產(chǎn)品前對(duì)產(chǎn)品的安裝方法和操作過程進(jìn)行仿真模擬，可以有效的提高實(shí)際的裝配工作的效率。設(shè)計(jì)人員需要在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮產(chǎn)品是否方便維護(hù)、以及產(chǎn)品各個(gè)部件的配合性以及產(chǎn)品的裝配性。而這些方面的問題通常根據(jù)具體情況和條件的不同，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的前期階段不容易發(fā)現(xiàn)， 而等到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期階段或者進(jìn)行生產(chǎn)或者使用時(shí)，往往才會(huì)逐漸的暴露出來，這樣不但影響了生產(chǎn)效率，還提高了生產(chǎn)周期和廢品率，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本增加。如果在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)使用虛擬技術(shù)，可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)裝配工作進(jìn)行虛擬仿真，因此在產(chǎn)品生產(chǎn)的前期就可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的缺陷，并且對(duì)實(shí)際安裝時(shí)的方法和具體情況進(jìn)行了解，對(duì)安裝時(shí)可能碰到的問題提前做出準(zhǔn)備。虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)是CAD/CAM技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行中的重要應(yīng)用，同時(shí)也是虛擬仿真領(lǐng)域中的重要發(fā)展項(xiàng)目。

1 虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和分類

目前市面上使用的虛擬裝配系統(tǒng)主要分為兩類：第一類虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)是由JayaramS的團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)，另一類這種虛擬裝配系統(tǒng)是由GuptaR的團(tuán)隊(duì)以多模式虛擬環(huán)境技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的。

虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)在工作時(shí)，需要根據(jù)CAD系統(tǒng)的相關(guān)軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，并且進(jìn)行產(chǎn)品建模；接著，虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過使用預(yù)處理子系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行處理，例如模型的漫反射、材質(zhì)紋理等，以及模型相關(guān)部件的幾何數(shù)據(jù)、物理信息和裝配信息等；最后虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出產(chǎn)品種所有零件和部件的安裝位置、安裝方向，以及各個(gè)零件的公差、零件集以及各個(gè)組件的裝配約束等。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就可以對(duì)虛擬仿真的情況進(jìn)行參考。當(dāng)使用沉浸式的裝配工作后，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)。在模擬裝配時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需求和具體條件對(duì)裝配軌跡進(jìn)行選擇、修改和生成等操作，或者重新進(jìn)行裝配模擬。設(shè)計(jì)人員還可以使用系統(tǒng)提供的碰撞檢測(cè)警告功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行公差以及干涉方面的操作，虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)生產(chǎn)的裝配軌跡信息、干涉信息以及產(chǎn)品安裝步驟信息等會(huì)被CAD系統(tǒng)直接讀取和應(yīng)用。在使用以多模式虛擬環(huán)境技術(shù)為基礎(chǔ)的裝配設(shè)計(jì)分析方法時(shí)，主要特點(diǎn)為：該方法與傳統(tǒng)的裝配方法不同，而是分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的裝配方法，并根據(jù)分析和評(píng)價(jià)的結(jié)果選擇適合的方法。首先在虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一的產(chǎn)品建模，使環(huán)境中“真實(shí)”物體與該產(chǎn)品模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。在虛擬環(huán)境中可以使用所建立的產(chǎn)品模型進(jìn)行面向產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的聽覺事件擴(kuò)大。在虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者不但可以預(yù)覽產(chǎn)品，還可以讓設(shè)計(jì)者聽到設(shè)備中零件產(chǎn)生的聲音，系統(tǒng)提供的觸覺交互系統(tǒng)以及力學(xué)反饋系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者還可以感覺到物體的操作。該系統(tǒng)該可以提供動(dòng)力學(xué)仿真模擬，可以模擬出物體的重量等力學(xué)特征，系統(tǒng)還可以對(duì)實(shí)際中的幾何元素以及公差進(jìn)行模擬，以及對(duì)設(shè)備或零件的物理特性進(jìn)行模仿仿真，在下文中會(huì)對(duì)虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的配置和特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)系統(tǒng)配置和特點(diǎn)

VADE樣機(jī)系統(tǒng)包括以下功能模塊：“Reality Engine TM”圖形加速設(shè)備、多通道控制設(shè)備以及“Cirmson TM”工作站，并且所支持的頭盔顯示器的數(shù)量為兩個(gè)。而且虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)在配置了觸覺反饋功能模塊“Tactools TM”以及“CyberGlove TM”數(shù)據(jù)手套。主要包括以下的具體工作特征：

1）可以將CAD系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VR系統(tǒng)中支持的數(shù)據(jù)；

2）可以在系統(tǒng)中模擬出零件的初始位置信息以及現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境；

3）設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中與零件進(jìn)行信息交互與模擬控制；

4）設(shè)計(jì)人員可以在系統(tǒng)中對(duì)產(chǎn)品的裝配軌跡進(jìn)行編輯操作；

5）設(shè)計(jì)人員可以通過VADE系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的裝配工作進(jìn)行模擬，并且記錄工作時(shí)所占用的空間以及工作軌跡，并且將這些信息數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中進(jìn)行分析；

6）產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)特性模擬；

7）可以根據(jù)需要在虛擬環(huán)境隨時(shí)更改產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)；

8）可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬信息與CAD數(shù)據(jù)信息的對(duì)接。

3 自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和缺陷以及虛擬裝配設(shè)計(jì)的意義

3.1自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和缺陷

自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)采用的傳統(tǒng)方法是通過學(xué)習(xí)拆卸的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)的，就是指通過記錄產(chǎn)品設(shè)備的拆卸過程中的軌跡和順序，制定出產(chǎn)品設(shè)備的安裝軌跡和順序。使用這種方法雖然可以確定出產(chǎn)品的裝配軌跡以及安裝流程和順序，但是卻有以下的缺點(diǎn)：

1）產(chǎn)品的最佳拆卸方案并一定是該產(chǎn)品的最佳裝配方案；

2）如果產(chǎn)品的部件比較多，或者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，產(chǎn)品的裝配軌跡、幾何信息等也會(huì)隨之增加，可能會(huì)造成規(guī)劃困難。

3.2虛擬裝配技術(shù)與自動(dòng)裝配技術(shù)的區(qū)別

1）自動(dòng)裝配技術(shù)采用對(duì)產(chǎn)品拆卸的工作流程和軌跡進(jìn)行記錄，并且生成逆序列的方法。而虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)所使用的方法是虛擬出相應(yīng)的環(huán)境和產(chǎn)品，使設(shè)計(jì)人員通過仿真模擬決定最佳的裝配方案；

2）在虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員將相關(guān)信息輸入系統(tǒng)，并且導(dǎo)入到CAD系統(tǒng)中進(jìn)行建模。而自動(dòng)裝配系統(tǒng)不具備上述功能；

3）虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能、分析功能和評(píng)價(jià)功能；自動(dòng)裝配系統(tǒng)不具備上述功能；

4）虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)通常應(yīng)用在有工作人員參加生產(chǎn)的情況下，而且產(chǎn)品的零件不宜太多；自動(dòng)裝配系統(tǒng)通常由設(shè)備自主完成組裝，可以適用于零件較多的情況。

3.3虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究意義

1）通過對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行虛擬仿真，技術(shù)人員就可以對(duì)裝配過程中的情況進(jìn)行分析，在虛擬環(huán)境技術(shù)人員可以模擬出所有零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高工作效率；

2）通過對(duì)產(chǎn)品建模，可以方便設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品的特性和約束進(jìn)行分析，得到最理想的方案；

3）設(shè)計(jì)人員可以使用虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行分析，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更加合理，有利于對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高設(shè)備的性能；

4）使用虛擬技術(shù)可以有效提高設(shè)備的設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)階段的效率和工作質(zhì)量。

4 結(jié)論

1）在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于提高生產(chǎn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和工作效率意義重大；

2）本文對(duì)虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并且介紹了虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作方式以及應(yīng)用特點(diǎn)；

3）本文對(duì)虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)和自動(dòng)裝配技術(shù)進(jìn)行了比較，說明了各自適合應(yīng)用的條件，并且分析了虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中所起到的重要作用。

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