基于虛擬裝配技術的工業產品設計研究探討

汪志杰++高康

[摘 要]綜述了工業產品設計和裝配的研究現狀，介紹了計算機輔助設計技術在生產制造過程中存在的利弊要素，詳細描述了虛擬裝配技術的原理，以及在實際使用過程中的諸多優點。

[關鍵詞]虛擬裝配；計算機輔助設計；交互仿真

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0380-01

引言

隨著經濟的發展和市場的日趨飽和，制造業已經逐漸從賣方市場向買方市場轉變，全球化統一的市場也已經逐漸形成，這也使得市場競爭日趨激烈。產品更新換代的節奏明顯加快，新產品從投放市場到退出市場的時間由過去的十幾年甚至幾十年縮短至2～3年，甚至更短[1]。如何低成本、高效率的開發出新產品，已經成為贏得市場競爭，爭奪生存權的首要因素。

1. 研究現狀

在產品的設計生產階段，裝配是產品設計過程中至關重要的一環。據相關統計[2]，三分之一甚至以上的人參與和裝配有關的活動，而裝配費用則會占整個生產成本的30%～50%（對于某些復雜的產品，這個比例甚至會更高）。產品的性能由設計師設計擬定，由制造階段提供保證，并由裝配階段具體落實。裝配生產環節是阻礙生產能否實現自動化的重要因素，裝配生產的可靠與否也是決定產品性能能否實現預期設計目標的關鍵。

傳統的生產裝配常常是在所有的零件模型制作完成之后才能進行，并且裝配的過程中也可能會出現兩種問題，一種是產品的設計存在缺陷而無法進行裝配，導致重新設計制作，失去在激烈市場競爭中的先機；另一種是裝配過程存在不合理的因素，需要設計人員重新設計規劃裝配過程。反復的調試物理樣機模型不僅增加了產品設計成本而且延長了整個研發周期，讓企業在激烈的市場競爭中處于不利地位。

2. 計算機輔助設計技術

20世紀70年代的計算機輔助設計誕生以來，有許多先進的計算機輔助設計技術（如CAD、CAM、CAE等）和并行工程CE（Concurrent Engineering）的設計理念相繼出現，極大的縮短了研發周期，降低了設計成本。這些技術工具可以在產品的構思設計、功能實現、結構分析和加工制造等方面進行全方位的輔助分析，以及對產品的所有零件信息進行管理。但是在機械零件裝配的過程中，由于需要考慮人員、工作空間、裝配工具等限制因素的影響，計算機輔助設計在裝配過程中分析評價的可信度就表現得不夠準確。

3. 虛擬裝配技術

虛擬現實技術（VirtualReality，簡稱VR）是虛擬裝配的基礎。VR是以計算機圖形學的相關理論為基礎，并結合計算機網絡、信息處理、人工智能等技術綜合發展的仿真技術。虛擬現實以計算機圖像技術為核心，通過現代科學技術生成逼真的視覺、聽覺、觸覺等全方位一體化的虛擬沉浸環境，用戶再借助必要的硬件設備（如頭盔顯示器，數據手套，力反饋器，位置跟蹤器等）就能與虛擬環境世界中的物體進行自然的交互，從而讓用戶能夠產生如同身臨其境的感受體驗。虛擬現實中的虛擬環境通過計算機生成的具有一定鮮明色彩的立體圖像，它可以是一些特定現實世界畫面中的仿真場景，也可以是某種純粹虛構的虛擬世界。正是因為有了虛擬現實技術的支持，人們才有條件考慮機械零件裝配過程中的工作空間、裝配工具、人員空間等限制因素的影響，而不是把虛擬裝配簡單地做成堆積木式的組裝。

虛擬裝配技術是以虛擬現實為基礎的計算機輔助技術，近年來受到了學術界和工業界的廣泛關注，并且還對諸如虛擬制造等先進制造技術模式的具體實施產生了巨大影響。虛擬裝配技術在計算機上創建近乎真實的虛擬環境，通過創建數字化的產品裝配模型，替代傳統裝配中的物理樣機，在虛擬環境中通過一些三維輸入設備（3D控制器、數據手套、頭盔式顯示器等）就能夠方便的進行產品裝配過程的模擬分析，驗證產品的裝配性能好壞，對存在的裝配沖突與設計缺陷作出及早的發現，同時可以根據發現的問題作出準確及時的修改，并且可以將這些裝配的信息及時反饋給研發設計人員[3]。

通過虛擬裝配技術，對經過嚴格設計得到的產品零件模型進行裝配仿真，可以免去物理原型樣機的制造使用，節省設計研發的時間費用。同時，對設計得到的零部件模型可以利用虛擬裝配技術提前進行干涉檢查，減少樣品的制造使用率。最重要的是可以利用各種技術方法如分析、評價、規劃、仿真等，在產品的設計階段就能對產品的裝配環節和其它相關因素的各種影響進行充分的考慮。通過改進產品的裝配工藝流程，使設計出的產品在滿足功能實現的前提下，具有最優的制造和裝配工藝，并盡可能降低生產制造成本，縮短設計研發周期，減少產品研發總成本。同時在完成產品的設計研發后，利用裝配仿真過程的記錄進行結果分析，便于設計團隊研究最優的裝配工藝，以及優化產品的設計精度，制造精度和成本之間的性價比。

4. 結束語

近年來，中國工業的發展為中國經濟的高速發展提供了強勁的動力，做出了不可磨滅的貢獻，中國已成為公認的世界級工廠。而工業在發展的同時，則使各行各業對勞動力需求的增加與日具顯。在生產企業，勞動密集型人工成本是一筆很大的開支，而且當前的用人成本也在日益增加。因此，在當下經濟環境不景氣的條件下，既想保證出口產品的產品質量，又想做到減少日益增長的成本，可行的路是引進虛擬裝配技術。

參考文獻

[1] 朱名銓，張樹生等.虛擬制造系統與實現[M].西安：西北工業大學出版社， 2001：1-2.

[2] 肖田元等. 虛擬制造[M].北京：清華大學出版社， 2004：440-444.

[3] 肖田元，韓向利等.虛擬制造內涵及其應用研究[J].系統仿真學報.2001.13（l）：118-123.