虛擬裝配技術(shù)概述

□ 楊 建 □ 謝志強(qiáng) □ 王 堅(jiān) □ 夏善衛(wèi)

中國(guó)工程物理研究院 四川綿陽(yáng) 621900

裝配是按照規(guī)定的技術(shù)要求和相關(guān)工藝，將零部件進(jìn)行配合和連接，使之成為半成品或成品的工藝過(guò)程。它是整個(gè)制造過(guò)程中最后也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的作用。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）曾推動(dòng)了裝配技術(shù)的發(fā)展，能使工程師看到產(chǎn)品的最后模型。但CAD技術(shù)不支持裝配過(guò)程的可視化或裝配工藝的規(guī)劃，仍需要實(shí)物樣品來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配過(guò)程，大大增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，延長(zhǎng)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。虛擬裝配的出現(xiàn)和發(fā)展為產(chǎn)品裝配帶來(lái)了新的思路和方法。

1 虛擬裝配的定義

虛擬裝配的定義首次出現(xiàn)是在文獻(xiàn)［1］中，是指在沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品或者物理過(guò)程支持的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析、預(yù)測(cè)模型，用數(shù)據(jù)表達(dá)，輔以可視化，作出與裝配相關(guān)的工程決策。虛擬裝配實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)層次的映射，第一層（底層）產(chǎn)品物理模型被映射為產(chǎn)品數(shù)字化模型，第二層（頂層）產(chǎn)品真實(shí)的裝配過(guò)程被映射為虛擬的裝配仿真過(guò)程。底層映射的作用是免除了產(chǎn)品的實(shí)際物理模型，為實(shí)現(xiàn)可裝配/拆卸性分析、公差分析打下基礎(chǔ)；有了頂層的映射，可實(shí)現(xiàn)裝配規(guī)劃、裝配仿真和裝配評(píng)價(jià)等［2］。

2 虛擬裝配的分類

虛擬裝配技術(shù)按照國(guó)內(nèi)外研究的目的和實(shí)現(xiàn)功能的不同，可分為以下四類：

（1）以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配。虛擬裝配技術(shù)是一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，它是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，在虛擬環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析，從而更好地進(jìn)行與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)決策［3］。虛擬裝配技術(shù)結(jié)合面向裝配設(shè)計(jì)的理論和方法，以設(shè)計(jì)原理方案為出發(fā)點(diǎn)，在各種因素制約下尋求裝配結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，從而擬定裝配草圖。它以全面改善產(chǎn)品的可裝配性為目的，通過(guò)定量分析和模擬試裝，找出零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裝配不合理或裝配性能不好的特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)適用。

（2）以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配。這種虛擬裝配技術(shù)主要針對(duì)產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)的問(wèn)題，在產(chǎn)品的信息模型和裝配資源模型的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)，獲得可行性較好的裝配工藝方案［4］。該虛擬裝配技術(shù)具有較高的仿真度，能保證在虛擬裝配中的操作對(duì)象和所使用的工裝夾具與生產(chǎn)實(shí)際情況吻合，這樣更能生動(dòng)直觀反映真實(shí)的產(chǎn)品裝配過(guò)程，為裝配工藝的規(guī)劃提供可靠的驗(yàn)證和優(yōu)化手段。

（3）以制造系統(tǒng)規(guī)劃為中心的虛擬裝配。這種虛擬裝配技術(shù)是在產(chǎn)品的信息模型、裝配工藝和裝配資源模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)車間柔性裝配制造系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和仿真［5］。主要包括以下研究?jī)?nèi)容：建立柔性裝配系統(tǒng)模型、分配資源、分析生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)周期、分析裝配生產(chǎn)線的平衡、布置裝配車間、診斷與預(yù)測(cè)自動(dòng)化裝配過(guò)程中的操作誤差［6］、對(duì)裝配單元進(jìn)行裝配操作控制及仿真［7］等。這些內(nèi)容為設(shè)計(jì)與調(diào)整柔性裝配系統(tǒng)、協(xié)同操作與控制柔性裝配系統(tǒng)提供支持。

（4）以虛擬原型為中心的虛擬裝配。虛擬原型是指通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)在一定程度上模擬產(chǎn)品的外形、功能和性能，并與物理樣機(jī)進(jìn)行比較，從而檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品特性。主要研究?jī)?nèi)容包括建立帶變形和殘余應(yīng)力的零件制造過(guò)程模型、配合公差與零件變形、有限元分析與仿真等。

3 虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境

虛擬環(huán)境是虛擬裝配的前提，良好的虛擬環(huán)境能使虛擬裝配與實(shí)際裝配過(guò)程更接近，更可靠地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。虛擬環(huán)境按產(chǎn)生沉浸感程度的不同和使用的顯示設(shè)備，可分為四類［7］：桌面式系統(tǒng)、頭盔式系統(tǒng)、CAVE系統(tǒng)和CyberSphere式虛擬裝配系統(tǒng)。

Cybersphere系統(tǒng)采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉(zhuǎn)的支架上，操作者處于球體內(nèi)部，可以自由行走。但由于球體完全封閉，操作者與外界聯(lián)系的各種交互設(shè)備必須采用無(wú)線連接方式，需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)；操作者要背負(fù)如電源之類的設(shè)備。

針對(duì)CyberSphere系統(tǒng)存在的問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)操作者自由行走的新型虛擬裝配環(huán)境系統(tǒng)［8］，操作者通過(guò)佩戴立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套與虛擬環(huán)境交互從而生成沉浸感較強(qiáng)的虛擬環(huán)境，為大型復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)、規(guī)劃和訓(xùn)練提供較高逼真度的仿真平臺(tái)。

3.2 虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)包括零部件建模、裝配序列規(guī)劃及優(yōu)化、決策支持、可行裝配路徑規(guī)劃、裝配合理性評(píng)價(jià)、裝配誤差分析等內(nèi)容，是開(kāi)發(fā)虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)必須解決的重要共性技術(shù)。這里對(duì)部分虛擬裝配涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

（1）零部件建模。零部件建模技術(shù)從虛擬裝配技術(shù)發(fā)展以來(lái)一直是研究的重點(diǎn)。現(xiàn)一般采用常規(guī)三維CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品的建模。劉振宇等人提出了將虛擬裝配中的產(chǎn)品屬性和行為信息分為產(chǎn)品層、顯示層、特征層和幾何拓?fù)鋵铀膫€(gè)層次，通過(guò)產(chǎn)品層次信息模型中的數(shù)據(jù)和約束映射，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息層次間的關(guān)聯(lián)［9］。

（2）裝配建模技術(shù)。對(duì)產(chǎn)品裝配模型的研究，國(guó)外學(xué)者提出了圖結(jié)構(gòu)模型、樹(shù)表達(dá)的層次結(jié)構(gòu)模型和基于虛鏈結(jié)構(gòu)的混合模型，這些模型對(duì)裝配體靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述。圖結(jié)構(gòu)模型是用圖描述裝配體中各種不同實(shí)體間的相互關(guān)系，其特點(diǎn)是關(guān)系表達(dá)比較直觀，但與產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)不一致，不能表達(dá)零件間的層次關(guān)系。層次模型是根據(jù)零部件的層次關(guān)系以樹(shù)的形式表達(dá)裝配并組織產(chǎn)品，能體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，但各零件之間的裝配關(guān)系的描述不夠直觀［10］。近年來(lái)，許多研究者提出了一些新的層次模型。如劉振宇等提出的面向虛擬裝配的產(chǎn)品層次信息模型［11］，姚珺提出的基于架構(gòu)的動(dòng)態(tài)裝配模型［12］等。虛擬鏈模型是以層次模型為基礎(chǔ)，用虛擬鏈表達(dá)各子裝配級(jí)別零件間的裝配關(guān)系，但缺點(diǎn)是一致性維護(hù)比較困難［13］。

（3）約束定位技術(shù)。虛擬裝配環(huán)境與現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境相比，最主要的就是缺少各種物理約束和感知能力，而只能依靠幾何約束對(duì)零件進(jìn)行定位。華盛頓州立大學(xué)的S.Jayaram等首先提出約束定位的思想，通過(guò)零部件受約束運(yùn)動(dòng)以及約束求解，從而實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程中待裝配零件的精確定位［1］。英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)Richard等提出“近似捕捉”和“碰撞捕捉”的方法來(lái)解決虛擬環(huán)境中零部件的精確定位［14］。英國(guó)Salford大學(xué)虛擬環(huán)境中心的Fernando等研究了基于幾何約束的零件精確定位和三維操作［15］。浙江大學(xué)劉振宇、譚建榮等在語(yǔ)義識(shí)別的基礎(chǔ)上，提出了基于語(yǔ)義引導(dǎo)的幾何約束識(shí)別方法［16］。

（4）工藝規(guī)劃技術(shù)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行試裝，規(guī)劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，從而得到經(jīng)濟(jì)適用的裝配方案。加拿大Yuan等提出了虛擬環(huán)境中交互式裝配序列規(guī)劃的方法［17］。浙江大學(xué)的萬(wàn)華根等人在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)中提出用戶引導(dǎo)的拆卸方法［18］。

3.3 虛擬裝配的應(yīng)用系統(tǒng)

隨著虛擬裝配技術(shù)的研究發(fā)展，針對(duì)不同工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了多種虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)。本文針對(duì)幾個(gè)典型的系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1） 虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境 （virtual assembly design environment）。該系統(tǒng)于1995年開(kāi)始研究，是第一個(gè)具有代表性的虛擬裝配系統(tǒng)，通過(guò)建立一個(gè)用于裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品裝配過(guò)程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可能性［1］。

（2）神奇的車輛虛擬裝配單元（Unbelievable Vehicle for Assembling Virtual Units）。 1997年，英國(guó)的Heriot-Watt大學(xué)開(kāi)發(fā)了虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)UVAVU。基于當(dāng)時(shí)力反饋設(shè)備以及跟蹤設(shè)備的局限性，采用了“接近捕捉”和“碰撞捕捉”的精確定位方法［19］。

（3） CHDP（Cable Harness Design and Planning）系統(tǒng)。CHDP系統(tǒng)是英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)在2002年開(kāi)發(fā)出來(lái)的［20］。它是在UVAVU系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的，主要解決現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的管路和線纜裝配的難題。

（4）V-REALISM系統(tǒng)。V-REALISM系統(tǒng)是新加坡南洋理工大學(xué)2003年開(kāi)發(fā)的基于CAD的桌面式虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可用于虛擬裝配、拆卸與維修。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)了可視化、交互性和自由導(dǎo)航三個(gè)特點(diǎn)；系統(tǒng)能提供優(yōu)化的裝配/拆卸序列；提供三維虛擬環(huán)境進(jìn)行操作和導(dǎo)航；將智能裝配/拆卸序列規(guī)劃算法和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成到一起［21］。

（5）虛擬裝配支持系統(tǒng) （virtual assembly support system）。清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的VASS為裝配工程師和設(shè)計(jì)師提供了對(duì)產(chǎn)品可裝配性/可拆卸性仿真和評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝配順序規(guī)劃、工具規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、裝配過(guò)程仿真，最終生成裝配文檔。

（6） 個(gè)人活動(dòng)助手 （Personal Active Assistant）。 該系統(tǒng)是2005年意大利Bologna大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于CAD的裝配規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)。PAA系統(tǒng)利用CAD工具來(lái)有效提高對(duì)象識(shí)別能力，生成優(yōu)化裝配序列和產(chǎn)生裝配操作指令［22］。

4 虛擬裝配存在的不足

虛擬裝配技術(shù)從提出到現(xiàn)在的時(shí)間還不長(zhǎng)，各種理論和方法還不夠成熟，將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際裝配生產(chǎn)中研究還不夠深入，有許多方面都存在著不足［23～25］：

（1）虛擬裝配技術(shù)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前在CAD領(lǐng)域已有一些標(biāo)準(zhǔn)，但在虛擬裝配的世界中還沒(méi)有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性方面的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建模能力弱。目前，虛擬裝配系統(tǒng)的模型需要CAD系統(tǒng)準(zhǔn)備，模型修改能力弱，在產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)中應(yīng)用困難。

（3）大多采用桌面式虛擬環(huán)境。這種虛擬環(huán)境的成本較低，使用方便，但沉浸感差，難以考慮實(shí)際裝配過(guò)程中人體的大范圍活動(dòng)和人體對(duì)裝配操作的影響。

（4）缺乏與產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD）、工裝夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAFD）以及車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成，缺乏與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)其它階段的有機(jī)結(jié)合。

（5）偏重于裝配過(guò)程的三維圖形仿真，而對(duì)裝配過(guò)程中的各種工藝因素考慮不足，如裝配力引起的零部件變形、裝配質(zhì)量測(cè)試的方便性、工裝夾具的設(shè)計(jì)、裝配人員的安全性和舒適性等，從而難以生成滿足實(shí)際需要的方案。

5 虛擬裝配技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)

虛擬裝配涉及的各項(xiàng)技術(shù)仍在不斷的發(fā)展，需要研究人員進(jìn)一步的研究和探索，將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)如下［26～31］：

（1）CAD接口的標(biāo)準(zhǔn)化。虛擬裝配系統(tǒng)應(yīng)能接受CAD系統(tǒng)的模型信息，實(shí)現(xiàn)與主流CAD系統(tǒng)的無(wú)縫集成。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬裝配。裝配作為產(chǎn)品功能的最終體現(xiàn)的環(huán)節(jié)，其工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃、分析、驗(yàn)證更需要若干成員的協(xié)同參與，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬裝配會(huì)為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的支持。

（3）開(kāi)放性的系統(tǒng)框架。虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及到多方面的技術(shù)，如支撐技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、用戶界面、數(shù)據(jù)庫(kù)等，需要構(gòu)架虛擬裝配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，規(guī)劃輔助技術(shù)、功能實(shí)現(xiàn)、統(tǒng)一的模型信息結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)集成接口等，從而通過(guò)信息、系統(tǒng)集成和技術(shù)共享，較快地開(kāi)發(fā)出工程應(yīng)用系統(tǒng)。

（4）裝配質(zhì)量分析。在虛擬裝配中，可以設(shè)定零件的形狀和尺寸、定位誤差等，預(yù)測(cè)裝配精度，也可以通過(guò)分析裝配過(guò)程零件變形的影響，評(píng)價(jià)裝配工藝，從而更全面地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供支持。

（5）智能化的裝配方案設(shè)計(jì)。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品而言，可集思廣益，全面考慮，虛擬裝配系統(tǒng)可以交互地利用專家系統(tǒng)智能化地進(jìn)行裝配方案的設(shè)計(jì)，并且對(duì)之進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)。

6 結(jié)束語(yǔ)

虛擬裝配作為一種新的裝配方式,引起了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。國(guó)外學(xué)者研究比較深入，形成了較豐富的理論體系，并聯(lián)系實(shí)際領(lǐng)域的特點(diǎn)，研究出了不同虛擬裝配系統(tǒng)，且在生產(chǎn)實(shí)際中得到驗(yàn)證。在國(guó)內(nèi)，雖然我們的研究起步比較晚，但也涌現(xiàn)出了一批帶頭研究的學(xué)者，并取得了一定的成就，也在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了實(shí)際應(yīng)用的探索。隨著對(duì)虛擬裝配的逐步認(rèn)識(shí)及研究的推進(jìn)，虛擬裝配用于機(jī)械制造生產(chǎn)實(shí)際也只是時(shí)間問(wèn)題，屆時(shí)將為制造業(yè)注入新的活力。

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