基于虛擬環(huán)境裝配設計的研究與分析

郭宏偉 薛乃鳳

摘要 本文首先分析了目前使用的VADE系統(tǒng)，并且分析了當前應用的多模式虛擬環(huán)境，并且對虛擬技術在機械設計領域中的應用、配置以及特點進行論述，最后，本文對虛擬系統(tǒng)在裝配設計中應用的優(yōu)點以及與自動裝配技術的對于和今后發(fā)展進行了總結。

關鍵詞 虛擬裝配；機械設計；自動裝配

中圖分類號TH122 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）67-0199-02

在進行工業(yè)產品或機械設計時，在裝配工業(yè)產品前對產品的安裝方法和操作過程進行仿真模擬，可以有效的提高實際的裝配工作的效率。設計人員需要在機械設計時，需要考慮產品是否方便維護、以及產品各個部件的配合性以及產品的裝配性。而這些方面的問題通常根據具體情況和條件的不同，在產品設計和生產的前期階段不容易發(fā)現， 而等到產品設計的后期階段或者進行生產或者使用時，往往才會逐漸的暴露出來，這樣不但影響了生產效率，還提高了生產周期和廢品率，導致了生產成本增加。如果在生產設計時使用虛擬技術，可以在產品的設計的同時對裝配工作進行虛擬仿真，因此在產品生產的前期就可以發(fā)現產品設計時的缺陷，并且對實際安裝時的方法和具體情況進行了解，對安裝時可能碰到的問題提前做出準備。虛擬裝配設計系統(tǒng)是CAD/CAM技術在實際生產中進行中的重要應用，同時也是虛擬仿真領域中的重要發(fā)展項目。

1 虛擬裝配設計系統(tǒng)的應用特點和分類

目前市面上使用的虛擬裝配系統(tǒng)主要分為兩類：第一類虛擬裝配設計系統(tǒng)是由JayaramS的團隊研究開發(fā)，另一類這種虛擬裝配系統(tǒng)是由GuptaR的團隊以多模式虛擬環(huán)境技術為基礎開發(fā)的。

虛擬裝配設計系統(tǒng)在工作時，需要根據CAD系統(tǒng)的相關軟件對產品進行分析，并且進行產品建模；接著，虛擬裝配設計系統(tǒng)通過使用預處理子系統(tǒng)對模型進行處理，例如模型的漫反射、材質紋理等，以及模型相關部件的幾何數據、物理信息和裝配信息等；最后虛擬裝配設計系統(tǒng)會計算出產品種所有零件和部件的安裝位置、安裝方向，以及各個零件的公差、零件集以及各個組件的裝配約束等。因此，設計人員在進行設計時就可以對虛擬仿真的情況進行參考。當使用沉浸式的裝配工作后，設計人員可以進行產品的裝配設計。在模擬裝配時，設計人員可以根據需求和具體條件對裝配軌跡進行選擇、修改和生成等操作，或者重新進行裝配模擬。設計人員還可以使用系統(tǒng)提供的碰撞檢測警告功能對產品進行公差以及干涉方面的操作，虛擬裝配設計系統(tǒng)生產的裝配軌跡信息、干涉信息以及產品安裝步驟信息等會被CAD系統(tǒng)直接讀取和應用。在使用以多模式虛擬環(huán)境技術為基礎的裝配設計分析方法時，主要特點為：該方法與傳統(tǒng)的裝配方法不同，而是分析和評價產品的裝配方法，并根據分析和評價的結果選擇適合的方法。首先在虛擬裝配設計系統(tǒng)中進行統(tǒng)一的產品建模，使環(huán)境中“真實”物體與該產品模型進行動態(tài)交互。在虛擬環(huán)境中可以使用所建立的產品模型進行面向產品裝配設計的聽覺事件擴大。在虛擬裝配設計系統(tǒng)中，設計者不但可以預覽產品，還可以讓設計者聽到設備中零件產生的聲音，系統(tǒng)提供的觸覺交互系統(tǒng)以及力學反饋系統(tǒng)，設計者還可以感覺到物體的操作。該系統(tǒng)該可以提供動力學仿真模擬，可以模擬出物體的重量等力學特征，系統(tǒng)還可以對實際中的幾何元素以及公差進行模擬，以及對設備或零件的物理特性進行模仿仿真，在下文中會對虛擬裝配設計系統(tǒng)的配置和特點進行分析。

2 虛擬裝配設計系統(tǒng)系統(tǒng)配置和特點

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

1）可以將CAD系統(tǒng)處理的數據轉換成VR系統(tǒng)中支持的數據；

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

3）設計人員可以在虛擬環(huán)境中與零件進行信息交互與模擬控制；

4）設計人員可以在系統(tǒng)中對產品的裝配軌跡進行編輯操作；

5）設計人員可以通過VADE系統(tǒng)對產品的裝配工作進行模擬，并且記錄工作時所占用的空間以及工作軌跡，并且將這些信息數據輸入系統(tǒng)中進行分析；

6）產品的動力學特性模擬；

7）可以根據需要在虛擬環(huán)境隨時更改產品的設計參數；

8）可以實現產品的虛擬信息與CAD數據信息的對接。

3 自動裝配設計的特點和缺陷以及虛擬裝配設計的意義

3.1自動裝配設計的特點和缺陷

自動裝配設計采用的傳統(tǒng)方法是通過學習拆卸的技術方法實現的，就是指通過記錄產品設備的拆卸過程中的軌跡和順序，制定出產品設備的安裝軌跡和順序。使用這種方法雖然可以確定出產品的裝配軌跡以及安裝流程和順序，但是卻有以下的缺點：

1）產品的最佳拆卸方案并一定是該產品的最佳裝配方案；

2）如果產品的部件比較多，或者結構比較復雜時，產品的裝配軌跡、幾何信息等也會隨之增加，可能會造成規(guī)劃困難。

3.2虛擬裝配技術與自動裝配技術的區(qū)別

1）自動裝配技術采用對產品拆卸的工作流程和軌跡進行記錄，并且生成逆序列的方法。而虛擬裝配設計系統(tǒng)所使用的方法是虛擬出相應的環(huán)境和產品，使設計人員通過仿真模擬決定最佳的裝配方案；

2）在虛擬裝配設計系統(tǒng)中，設計人員將相關信息輸入系統(tǒng)，并且導入到CAD系統(tǒng)中進行建模。而自動裝配系統(tǒng)不具備上述功能；

3）虛擬裝配設計系統(tǒng)具有學習功能、分析功能和評價功能；自動裝配系統(tǒng)不具備上述功能；

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

3.3虛擬裝配設計系統(tǒng)的研究意義

1）通過對實際情況進行虛擬仿真，技術人員就可以對裝配過程中的情況進行分析，在虛擬環(huán)境技術人員可以模擬出所有零件的運動軌跡，從而提高工作效率；

2）通過對產品建模，可以方便設計人員對產品的特性和約束進行分析，得到最理想的方案；

3）設計人員可以使用虛擬裝配設計系統(tǒng)對機械設備進行分析，使產品的結構更加合理，有利于對設備進行維護，提高設備的性能；

4）使用虛擬技術可以有效提高設備的設計階段和生產階段的效率和工作質量。

4 結論

1）在機械設計領域使用虛擬裝配設計系統(tǒng)對于提高生產設計的科學性和工作效率意義重大；

2）本文對虛擬裝配設計系統(tǒng)進行了詳細的論述，并且介紹了虛擬裝配設計系統(tǒng)的工作方式以及應用特點；

3）本文對虛擬裝配設計系統(tǒng)和自動裝配技術進行了比較，說明了各自適合應用的條件，并且分析了虛擬裝配設計系統(tǒng)在實際生產中所起到的重要作用。

參考文獻

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