虛擬裝配技術(shù)綜述

李元源

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城）

虛擬裝配技術(shù)綜述

李元源

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城）

虛擬裝配技術(shù)是虛擬制造的重要組成部分，它是利用計算機(jī)技術(shù)，無需制造出物理模型，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來輔助進(jìn)行裝配的相關(guān)決策。本文研究了國內(nèi)外虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了虛擬裝配技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)：裝配建模技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)和裝配序列規(guī)劃技術(shù)，并分析了虛擬裝配技術(shù)存在的問題和將來發(fā)展趨勢。

虛擬裝配；虛擬現(xiàn)實；綜述

0 引言

隨著20世紀(jì)80年代信息技術(shù)的高速發(fā)展，計算機(jī)集成制造技術(shù)開始在制造業(yè)中得到廣泛的研究與應(yīng)用，其中以計算機(jī)輔助技術(shù)發(fā)展尤為突出。如今，全球制造業(yè)提出了多種先進(jìn)制造的模式和理念，而虛擬制造技術(shù)也位列其中。虛擬制造是指利用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR ）技術(shù)，將實際產(chǎn)品制造過程中的各個環(huán)節(jié)集成在三維數(shù)字模型之上，并且在這些模型之下實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、制造和裝配等過程。

裝配是產(chǎn)品形成的最后一道程序，其耗時占整個制造總工時的40%-60%，占制造總費用的20%-30%。傳統(tǒng)的人工裝配工藝規(guī)劃不僅依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗和技術(shù)，而且規(guī)劃過程繁瑣、缺乏規(guī)范性，所以設(shè)計人員結(jié)合計算機(jī)輔助技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和面向裝配設(shè)計（DFA，Design For Assembly）等技術(shù)，逐漸發(fā)展出了虛擬裝配技術(shù)（VA, Virtual Assembly）。虛擬裝配一般流程如下圖1所示，設(shè)計人員在CAD系統(tǒng)中完成產(chǎn)品模型設(shè)計，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入到虛擬裝配環(huán)境中進(jìn)行碰撞干涉檢測、裝配路徑分析和規(guī)劃以及裝配運(yùn)動仿真，將在此過程中出現(xiàn)的問題反饋到設(shè)計部分，對產(chǎn)品的設(shè)計不合理的地方進(jìn)行修正，最終輸出結(jié)果。

1 虛擬裝配系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1995年,美國的華盛頓州立大學(xué)首次進(jìn)行了虛擬裝配系統(tǒng)化的開發(fā)和研究，并且與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局共同開發(fā)了虛擬裝配環(huán)境（Virtual Assembly Design Environment，VADE），系統(tǒng)實現(xiàn)了CAD系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)換，基于約束的裝配過程仿真，零部件關(guān)鍵參數(shù)的修改，裝配序列和路徑的生成和編譯等功能。

1996年，德國的Fraunhofer工業(yè)工程研究所開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)可以交互式生成裝配順序，同時進(jìn)行裝配過程穩(wěn)定性分析。

2003年，新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)V-REALISM利用交互式操作和智能算法相結(jié)合推理優(yōu)化拆卸序列，從而得到合理的裝配序列。

我國對虛擬裝配系統(tǒng)的研究起步較晚，浙江大學(xué)CAD&CG 國家重點實驗室設(shè)計的虛擬裝配設(shè)計系統(tǒng)VDVAS（Virtual Design and Virtual Assembly System）實現(xiàn)了直接在虛擬環(huán)境中修改零件尺寸，基于語義的產(chǎn)品虛擬裝配操作。

2002年，清華大學(xué)的CMIS中心開發(fā)了虛擬裝配支持系統(tǒng)（VASS），該系統(tǒng)是在 Pro/ENGINEER 軟件基礎(chǔ)上經(jīng)過二次開發(fā)，實現(xiàn)的主要功能有：產(chǎn)品的數(shù)字化預(yù)裝配，裝配工藝規(guī)劃，并生成裝配工藝規(guī)程和卡片。

2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計了沉浸式的I-VADS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括虛擬裝配過程仿真，同時結(jié)合螞蟻算法生成裝配序列，工具可達(dá)性驗證和裝配工藝演示方法等關(guān)鍵技術(shù)。

2 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)

2.1 裝配建模技術(shù)

虛擬裝配系統(tǒng)中的模型信息不僅包含零件自身的屬性信息，而且可以表達(dá)零件間的位置關(guān)系、配合關(guān)系等零部件的內(nèi)外關(guān)聯(lián)關(guān)系。目前，國內(nèi)外的科研人員構(gòu)建的裝配模型主要有三類：圖結(jié)構(gòu)模型，樹狀層次模型和基于虛鏈的混合模型。

圖結(jié)構(gòu)模型是指以圖的形式來描述產(chǎn)品中零部件之間的關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)的特點是能直觀的表達(dá)零部件間的裝配關(guān)系，缺點是無法表達(dá)產(chǎn)品層次關(guān)系。

樹狀層次模型是指利用樹形的層次結(jié)構(gòu)，表達(dá)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件的裝配關(guān)系。今年國內(nèi)的虛擬裝配系統(tǒng)模型的構(gòu)建多是采用的層次結(jié)構(gòu)，如劉振宇的產(chǎn)品層次模型等。

基于虛鏈的混合模型是指以層次模型為基礎(chǔ)，利用虛擬鏈來表達(dá)子裝配體的裝配關(guān)系，這種模型的缺點是維護(hù)比較困難。

2.2 碰撞檢測技術(shù)

目前，國內(nèi)外碰撞檢測算法主要有兩種：空間分解法、層次包圍盒法?？臻g分解法是指將虛擬空間分解為有限個小單元立方體，當(dāng)小單元立方體發(fā)生重疊時，對虛擬模型進(jìn)行碰撞檢測。層次包圍法是利用簡單幾何體作為包圍盒來近似代替檢測對象，通過分析包圍盒的相交情況來判斷幾何體的碰撞位置。

除了上述兩種主流的碰撞檢測算法之外，國內(nèi)外也提出了針對不同條件的其他碰撞檢測算法。劉檢華將檢測算法分為面片層和精確層，建立了面向虛擬裝配的分層精確碰撞檢測算法。

2.3 裝配序列規(guī)劃技術(shù)

裝配序列規(guī)劃就是利用裝配經(jīng)驗結(jié)合幾何體的約束優(yōu)先條件，尋找一條合理的、可行的裝配序列和裝配路徑。

起初，科研人員是利用產(chǎn)品裝配規(guī)則和裝配約束，推理出簡單裝配體的裝配序列。當(dāng)虛擬裝配技術(shù)出現(xiàn)時，科研人員利用虛擬裝配技術(shù)來實現(xiàn)人機(jī)的裝配互動，彌補(bǔ)與現(xiàn)實裝配存在的差距。華中科技大學(xué)的Yin等人開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)VPASPE首先根據(jù)拆卸過程生產(chǎn)初始序列和優(yōu)先約束，然后通過幾何推理和人機(jī)裝配交互，驗證裝配序列的可行性。

目前，科研人員也研究將人工智能技術(shù)引入裝配序列規(guī)劃中，通過智能優(yōu)化算法來對可行裝配序列進(jìn)行評價，獲得最優(yōu)的裝配序列。

圖1 虛擬裝配流程圖

3 虛擬裝配技術(shù)發(fā)展趨勢

虛擬裝配是現(xiàn)實裝配過程在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的實現(xiàn)，目前虛擬裝配技術(shù)的研究取得了一定的成效，并且在汽車、航空領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用，但距離大規(guī)模的工業(yè)推廣還有一定的距離，將來重點的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）虛擬裝配系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)集成化。目前，國內(nèi)外的虛擬裝配系統(tǒng)都是從商用CAD系統(tǒng)中得到產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)字模型，同時，虛擬裝配系統(tǒng)也可以將裝配仿真結(jié)果、產(chǎn)品改造信息反饋給CAD系統(tǒng)，這兩個轉(zhuǎn)換過程都比較繁瑣，直接影響了虛擬裝配系統(tǒng)的工作效率。所以，為了能實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，CAD系統(tǒng)與虛擬裝配系統(tǒng)必須實現(xiàn)集成，保障系統(tǒng)間的信息暢通。

（2）向基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同化發(fā)展。目前，制造業(yè)全球化在不斷推進(jìn)中，如何讓分布世界各地的設(shè)計人員、工藝編制人員和裝配制造工人都參與到裝配的相關(guān)設(shè)計中來，是虛擬裝配需要解決的問題。所以，建立基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同虛擬裝配系統(tǒng)是將來發(fā)展方向之一。

（3）提高裝配過程建模的合理性和全面性。在實際的加工和裝配環(huán)境中，零件的形位誤差都會導(dǎo)致產(chǎn)品在裝配時裝配不上，或者裝配以后產(chǎn)品性能達(dá)不到設(shè)計要求。例如，實際加工過程中由于刀具、殘余應(yīng)力等因素的影響，零件會產(chǎn)生尺寸和形狀誤差，在裝配過程中不同的環(huán)境溫度和裝配受力，都會影響最后產(chǎn)品的裝配精度。所以，在裝配建模過程中考慮加工和裝配環(huán)境是有必要的。

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李元源，出生日期：1986.2.9，籍貫：江蘇省鹽城市，單位：鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教學(xué)歷及研究方向：碩士，機(jī)電一體化方向

Virtual assembly technology were reviewed

Li Yuanyuan
(yancheng industrial vocational and technical college,jiangsu yancheng)

Virtual assembly technology is an important part of virtual manufacturing,it is the use of computer technology,without having to create physical model,using virtual reality technology to assist in the assembly of related decisions.This paper studies the development of the virtual assembly technology at home and abroad, summarizes the key technology of virtual assembly technology,assembly modeling,collision detection and assembly sequence planning,and analyzes the problems existing in the virtual assembly technology and development trend in the future.

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