機械設計中虛擬裝配數字化設計方法

葉開成

(泰州凱昂登機電有限公司,江蘇 泰興 225400)

0 引言

傳統機械設計主要依賴于手工繪圖和樣機制造,不僅耗時費力,還可能導致設計錯誤并產生高昂的成本。近年來,隨著裝配數字化設計方法的出現和應用,利用計算機輔助技術和先進的軟件工具,可以顯著提高機械設計的效率和精準度。

虛擬裝配技術通過利用計算機輔助工具,能夠在數字化環境中對產品裝配過程進行模擬和優化,提前檢查零部件之間的干涉和碰撞,預先解決裝配中可能出現的問題[1-2],不僅節省了樣機制造時間和費用,還提供了一個更加安全、高效的設計環境。設計師可以在虛擬環境中進行多次試驗和優化,快速迭代設計,從而確保最終的產品裝配質量和性能。此外,虛擬裝配技術也為設計團隊的協作和溝通帶來了便利,通過共享虛擬裝配模型,設計師之間可以更直觀地交流意見,從而更好地理解設計方案并相互協作[3]。

本文將聚焦于虛擬裝配技術,深入探討該技術的原理、工作流程和應用。研究結果旨在為機械設計過程提供全新的工具和技術,創造出更優質、更可靠的機械產品。

1 裝配數字化技術的發展

1.1 裝配數字化內涵

裝配數字化技術是一種基于計算機輔助設計(CAD)和數字化工具,將機械產品的各個零部件尺寸、材料屬性、裝配關系等信息以三維數字模型的形式呈現,在裝配過程中,裝配數字化技術能夠實時檢查零部件之間的干涉、碰撞和間隙情況,通過分析裝配過程中的問題,可以優化零部件的設計、調整裝配順序或修改裝配工藝,進而實現更高效的裝配流程[4-6]。

機械產品數字化裝配流程如圖1所示,機械產品通過數字化裝配技術,檢驗零部件設計是否合格,然后開展機械零件的制造,對零件的裝配及設備進行定位,逐個將零部件放置在正確的位置,設置裝配關系,例如螺紋連接、配合間隙等,以模擬實際裝配過程。最后,根據數字化裝配信息,準確地定位零部件的裝配位置,使用合適的工具和設備進行裝配。

圖1 機械產品數字化裝配流程示意圖

1.2 研究進展

裝配數字化技術經歷了從2D繪圖到3D建模,從簡單碰撞檢測到智能化裝配的演進,發展歷程如表1所示。

表1 數字化裝配技術發展歷程

2 虛擬裝配系統結構組成及應用原理

虛擬裝配技術基于計算機輔助設計(CAD)和計算機仿真技術,對機械產品進行模擬和優化,將產品各個零部件以數字化的方式進行三維建模,逐步將各個零部件放置在正確的位置,設置裝配關系,如螺紋連接、配合間隙等,模擬實際裝配過程,驗證零部件設計是否合理,檢查是否存在干涉和碰撞問題,預先解決可能出現的裝配問題[7]。

虛擬裝配系統主要包括軟件部分和硬件部分,軟件部分分為自動裝配、手動裝配、自動拆卸和碰撞檢測;硬件部分分為圖形工作站、三維立體顯示設備、輸入設備和音效設備(圖2)。

圖2 虛擬裝配系統總體設計結構

2.1 軟件部分

2.1.1 自動裝配

自動裝配軟件是虛擬裝配系統的核心組成部分之一,基于計算機輔助設計技術(CAD),根據預設的裝配規則和約束條件,自動完成機械產品的數字化裝配。通過算法和規則,自動裝配軟件可以快速將各個零部件正確放置在裝配位置,并實現自動化的裝配過程。

2.1.2 手動裝配

手動裝配軟件允許設計師以交互式的方式進行裝配操作,在操作過程中,設計師可以使用鼠標和其他輸入設備,手動拖動、旋轉和調整零部件的位置和姿態,模擬實際手動裝配過程。該交互式裝配方式能夠提供更靈活、直觀的裝配體驗,允許設計師根據需要進行實時調整和優化。

2.1.3 自動拆卸

自動拆卸功能可以在虛擬裝配環境中對產品進行拆卸操作,主要用于檢查和修復裝配中的問題,或者進行零件的單獨分析和修改。通過自動拆卸,可以快速將零部件分離,進行必要的修改,然后重新裝配,從而進行快速迭代和優化設計。

2.1.4 碰撞檢測

碰撞檢測軟件能夠在裝配過程中實時檢查各個零部件之間是否存在干涉和碰撞問題,發現問題時系統會給出警告并顯示碰撞部位,以幫助設計師及時進行調整和優化。

2.2 硬件部分

2.2.1 圖形工作站

圖形工作站是運行虛擬裝配軟件的主要計算設備,具有強大的計算能力和圖形處理能力,在工作過程中需要配備高性能的中央處理器(CPU)、顯卡(GPU)和內存,以支持復雜的三維模型和裝配操作。表2 為常規設備選型。

表2 圖形工作站設備選型

2.2.2 三維立體顯示設備

三維立體顯示設備能夠以立體的方式顯示虛擬裝配場景,使設計師能夠感知零部件的空間關系,提供更真實的裝配體驗。

三維立體顯示設備是一種能夠提供立體視覺效果的顯示設備,能夠在三維空間中呈現虛擬物體或場景,使用戶能夠感知物體的深度和立體效果,從而獲得更真實、更逼真的視覺體驗。不同三維立體顯示設備參數如表3所示。

表3 不同三維立體顯示設備參數

2.2.3 音效設備

音效設備為虛擬裝配系統提供聲音反饋,例如碰撞警告、裝配完成提示等,增強用戶體驗。

音效設備是用于處理和播放聲音的設備,能夠提供更加真實、沉浸式的音頻體驗。在虛擬裝配系統中,音效設備可以為用戶提供更加逼真的聲音反饋,增強虛擬裝配的交互體驗和感知。常見的音效設備包括音箱、耳機、虛擬環聲系統和音頻接口。

2.3 開發平臺

虛擬裝配技術的開發中,常見的開發平臺及其特點如表4所示,具體選擇取決于項目需求和開發團隊的技術背景。根據開發平臺的不同,可以實現各種虛擬裝配應用,從簡單的虛擬場景搭建到復雜的虛擬現實模擬,此外,還可以自定義開發相關平臺,實現更加個性化和定制化的虛擬裝配系統。

表4 虛擬裝配開發平臺及其特點

3 虛擬裝配技術發展趨勢

3.1 融合虛擬現實和增強現實

虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術的融合將為虛擬裝配技術帶來更加豐富和真實的體驗。通過VR技術,能夠更直觀地感知裝配過程中的空間關系、零件位置和裝配順序,設計師可以身臨其境地進行虛擬裝配;而AR技術則可以將虛擬零部件疊加到現實場景中,能夠更直觀地理解虛擬零部件與實際場景之間的匹配程度,有助于優化零部件設計和調整裝配位置,確保裝配的準確性和可行性,幫助設計師更好地理解裝配關系和空間布局。基本工作原理如圖3所示。

圖3 虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術融合下工作原理

3.2 多模態交互

未來虛擬裝配技術將更加注重多模態交互體驗,即通過手勢識別、聲音識別、觸覺反饋等多種交互方式,讓用戶更加方便、自然地操作虛擬裝配系統。通過多模態交互,設計人員可以使用多種交互方式與虛擬裝配系統進行溝通和互動。例如,通過手勢來選擇、移動、旋轉零部件,實現直觀的裝配操作;聲音識別技術則能夠使設計師通過聲音指令來操作虛擬裝配系統,如喊出指令或說出特定操作動作,從而更加自然地進行虛擬裝配;而觸覺反饋技術可以增強交互體驗的真實感,在虛擬裝配過程中,當設計師與零部件發生碰撞或接近干涉時,觸覺反饋可以提供一種振動或壓力感,警示設計師進行調整。

3.3 云端技術支持

隨著云計算技術的發展,虛擬裝配技術也將借助云端計算資源和存儲來支持更復雜的模擬和處理。云端技術可以實現遠程協作、數據共享和資源共享,尤其是對于大規模裝配項目或需要大量計算資源的虛擬場景,云端技術可以實現高效的數據處理和渲染,保證虛擬裝配的流暢性和高度真實感。

4 結論

虛擬裝配技術是機械設計領域的一項重要創新,通過利用計算機輔助工具在數字化環境中模擬和優化產品裝配過程,顯著提高了機械設計的效率、精準度,并降低了制造成本。本文通過對虛擬裝配技術進行綜述,主要得出以下結論:

1)基于虛擬裝配技術的定義及發展歷程,闡述了虛擬裝配技術的概念及內涵,包括虛擬裝配技術的工作原理、軟件和硬件部分的組成。

2)隨著虛擬裝配技術的不斷發展及云端技術的推動,未來虛擬裝配技術將更加注重多模態交互體驗,即通過手勢識別、聲音識別、觸覺反饋等多種交互方式,推動機械設計領域的數字化轉型和升級。