基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的柴油機(jī)虛擬裝配工藝探索

陳斌

摘 要：裝配工藝可視化和可視化教學(xué)都是可視化技術(shù)研究方向之一。裝配工藝可視化以裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)的形式直觀地表達(dá)了裝配規(guī)程的內(nèi)容，便于工藝人員和操作工人對(duì)于裝配工藝的理解。可視化教學(xué)以非語(yǔ)言形態(tài)提供了較為具體、直觀的信息，利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和回憶，可以使教育得到更好地普及，使教學(xué)質(zhì)量得到大大的提高。

關(guān)鍵詞：裝配工藝；三維；可視化

1.裝配技術(shù)的現(xiàn)狀

從生產(chǎn)上講，裝配技術(shù)的發(fā)展過(guò)程是由手工裝配到圓臺(tái)式自動(dòng)裝配機(jī)、自動(dòng)裝配線裝配，再到柔性自動(dòng)化裝配。這是社會(huì)化大工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著產(chǎn)品淘汰頻率的加快和人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求的提高，單件小批量手工裝配已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰止ぜ庸づc裝配的產(chǎn)品或是已經(jīng)成為一種生活的奢侈品，或是成為一種初級(jí)劣質(zhì)產(chǎn)品的代名詞。

裝配技術(shù)在應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、可視化、傳感器等技術(shù)之后，裝配效率和可靠性方面都有了很大進(jìn)步，自動(dòng)化程度更高。計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)裝配系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)零部件的定位夾緊—減少了人工的誤操作且減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，在自動(dòng)裝配線上的裝配可以節(jié)省大量的搬運(yùn)時(shí)間——實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)裝配路線，等等。然而，在許多情況下，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，混合式裝配系統(tǒng)才是最佳選擇。在這種裝配系統(tǒng)中既包含自動(dòng)裝配，又包含手工裝配，因?yàn)樽詣?dòng)化裝配像加工一樣要求人的智慧和經(jīng)驗(yàn)[1]。不過(guò)，自動(dòng)裝配與手工裝配的配比關(guān)系一定還會(huì)有很大變化，在裝配過(guò)程中自動(dòng)裝配的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越廣，人的作用將主要集中在監(jiān)管上。從設(shè)計(jì)上說(shuō)，CAD/CAM/CAE技術(shù)迅速發(fā)展，帶動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)制造業(yè)向著“計(jì)算機(jī)輔助”方向前進(jìn)。計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）已成為工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，裝配類CAPP的研究正成為當(dāng)下熱門研究項(xiàng)目之一，隨著工藝庫(kù)、知識(shí)庫(kù)的逐步完善，可以快速生成標(biāo)準(zhǔn)化程度高的工藝規(guī)程卡成為CAPP系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，未來(lái)CAPP系統(tǒng)將向通用化、實(shí)用化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和開(kāi)放性的方向發(fā)展，從而更好地提高工藝設(shè)計(jì)效率，促進(jìn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成。

基于參數(shù)化特征和動(dòng)態(tài)建模技術(shù)的三維CAD軟件的普及和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給虛擬裝配的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，虛擬裝配環(huán)境注重從Immersion-Interaction-Imagination即“沉浸感—交互式—想象性”三方面建立，其中，沉浸感（Immersion）指用戶難以分辨虛擬環(huán)境的真假；交互式（Interaction）指用戶可以操作模擬環(huán)境內(nèi)的物體；想象性（Imagination）指模擬環(huán)境不僅可以是一定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)體現(xiàn)，也可以是純粹想像出來(lái)的世界。虛擬裝配使用計(jì)算機(jī)工具，不必進(jìn)行產(chǎn)品物理模型實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、預(yù)測(cè)模型、可視化數(shù)據(jù)表示進(jìn)行與裝配有關(guān)的工程決策。虛擬裝配是多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，包括可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、決策論、裝配與制造規(guī)程、裝配制造設(shè)備開(kāi)發(fā)技術(shù)等。利用虛擬裝配技術(shù)，能夠減少開(kāi)發(fā)研制周期，迅速響應(yīng)市場(chǎng)變化；高級(jí)的設(shè)計(jì)方法和工具使設(shè)計(jì)人員應(yīng)用方便；改進(jìn)裝配質(zhì)量；降低成本等。

2.裝配工藝可視化應(yīng)用

以車用柴油機(jī)為例，將裝配工藝規(guī)劃與實(shí)際的裝配操作結(jié)合，研究裝配工藝三維可視化的表達(dá)內(nèi)容及表現(xiàn)方式。

2.1總體設(shè)計(jì)

首先分析可視化系統(tǒng)的目標(biāo)要求及面向的對(duì)象，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模塊。系統(tǒng)的功能確定為熟悉柴油機(jī)的理及構(gòu)造并掌握柴油機(jī)的裝配工藝，既要兼顧知識(shí)的系統(tǒng)性又要滿足交互性，其中以柴油機(jī)的裝配工藝為重點(diǎn)，以能三維動(dòng)態(tài)地表達(dá)裝配工藝為最終目的。這些功能幾乎涵蓋了柴油機(jī)裝配工藝的全部?jī)?nèi)容，用戶不但能全面了解柴油機(jī)的原理結(jié)構(gòu)，而且通過(guò)裝配動(dòng)畫(huà)能詳細(xì)熟悉柴油機(jī)的裝配過(guò)程，以及相應(yīng)的裝配工藝，包括裝配方法、裝配組織形式、裝配序列（包括裝配順序和裝配路徑）、裝配工具和裝配技術(shù)等。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

CAD系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換目前主要有三種方法：（1）利用國(guó)際圖形數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：IGES（初始圖形交互規(guī)范）和STEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）。（2）開(kāi)發(fā)中間的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（3）對(duì)CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，二者共享底層數(shù)據(jù)庫(kù)。裝配可視化系統(tǒng)考慮采用第一種方法，因?yàn)锳utodeskInventor和Pro/Engineer都自帶有STEP轉(zhuǎn)換器，使二者之間可以相互轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，雖然裝配約束條件部分丟失，但裝配位置信息和裝配文件名稱仍存在，可滿足制作裝配動(dòng)畫(huà)的需要。

2.2.2裝配動(dòng)畫(huà)的生成

研究產(chǎn)品裝配的層次性是創(chuàng)建裝配模型的第一步。在產(chǎn)品的裝配中，裝配體可以分解成若干個(gè)子裝配體或零件，子裝配體又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子裝配體或零件，由此表現(xiàn)出層次性，這樣能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)的構(gòu)造和原理有更清晰的認(rèn)識(shí)，從而更好地完成子裝配與總裝。在AutodeskInventor中根據(jù)“可拆即可裝”的原則通過(guò)尋找可行拆卸路徑來(lái)進(jìn)行“反演”，確定裝配序列，規(guī)劃裝配路徑，生成裝配動(dòng)畫(huà)，并演示裝配條件與裝配要求，真正實(shí)現(xiàn)裝配工藝的三維仿真。其中需要對(duì)輸出的*.avi動(dòng)畫(huà)進(jìn)行后期的編輯與合成才能生成滿足要求的有裝配工藝說(shuō)明的動(dòng)畫(huà)。

3.裝配工藝可視化系統(tǒng)的應(yīng)用展望

裝配工藝三維可視化最為直接的應(yīng)用是作為工人培訓(xùn)與學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)課件，它能提供完整系統(tǒng)的裝配工藝知識(shí)，可以直觀生動(dòng)地表達(dá)裝配工藝涉及的方方面面，易于全面理解、學(xué)習(xí)與掌握裝配工藝知識(shí)。若全面應(yīng)用開(kāi)來(lái)，面向不同的人員可以起到不同的作用[3]：（1）面向設(shè)計(jì)人員：顯示協(xié)調(diào)路線、裝配圖表和干涉檢查結(jié)果等，用于評(píng)價(jià)裝配方案，更改裝配設(shè)計(jì)；（2）面向工藝人員：顯示協(xié)調(diào)路線、裝配圖表、指令性工藝方案、零件技術(shù)狀態(tài)和裝配件等，用于檢查裝配工藝文件；（3）面向裝配人員：顯示工作地、裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)、所涉及的零件和零件技術(shù)狀態(tài)等，用于了解工作內(nèi)容，指導(dǎo)裝配操作；（4）面向檢驗(yàn)人員：顯示協(xié)調(diào)路線和裝配公差等，作為檢驗(yàn)的依據(jù)。

4.結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展，為解決產(chǎn)品的裝配問(wèn)題提供了一個(gè)新的低成本的快速手段。裝配工藝可視化是虛擬裝配的研究方向之一，而且目前裝配工藝可視化的研究方向也很多，包括裝配工藝規(guī)程的可視化和裝配過(guò)程的可視化，本文是將二者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，在裝配過(guò)程中表現(xiàn)裝配工藝規(guī)程的內(nèi)容。

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