霍春明

【摘 要】虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)等多種先進技術(shù)在制造裝配領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，與一般的裝配仿真、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的裝配仿真相比較，具有更大的智能性和優(yōu)越性，可完成或者支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規(guī)劃，極大提高機械設(shè)計和制造的效率。

【關(guān)鍵詞】虛擬裝配技術(shù)機械設(shè)計機械制造計算機輔助設(shè)計

傳統(tǒng)的計算機輔助裝配系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備是二維的，而機械虛擬裝配技術(shù)的輸入輸出設(shè)備是三維的。在虛擬的產(chǎn)品裝配環(huán)境中，設(shè)計人員如身臨現(xiàn)實的裝配環(huán)境，全方位的感受到裝配過程，眼可看到、手可摸到虛擬的零件，通過手勢、聲音等智能設(shè)計完成產(chǎn)品的虛擬裝配，同時對產(chǎn)品的可裝配性做出直接的判斷、評定或者修改。

1 虛擬裝配技術(shù)

1.1常見的虛擬裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常見的虛擬裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分為4個模塊：模型模塊、用戶交互模塊、環(huán)境虛擬模塊和輸出模塊。

(1)模型模塊：功能是通過將零件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括幾何模型、物理特征、零件的公差等，以及產(chǎn)品的裝配模型，輸入到虛擬裝配系統(tǒng)里，生成需要的虛擬零件模型。

(2)用戶交互模塊：即各種虛擬外部設(shè)備和其支持系統(tǒng)，通常有麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)手套、光柵眼鏡、數(shù)據(jù)衣、頭盔式顯示器等。裝配技術(shù)人員利用這些虛擬外部設(shè)備與虛擬裝配系統(tǒng)進行人機交互，進行虛擬裝配的各種操作。

(3)環(huán)境虛擬模塊：是虛擬裝配系統(tǒng)的核心，包括各種虛擬現(xiàn)實算法、虛擬裝配環(huán)境配置、虛擬裝配環(huán)境生成、虛擬零件模型、虛擬裝配工具包以及虛擬外部設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)。其中，虛擬現(xiàn)實算法主要包括干涉檢驗算法、多細節(jié)層次模型自動生成算法；虛擬裝配環(huán)境配置即對裝配環(huán)境進行配置，包括坐標系的設(shè)定、定位、光照設(shè)置等；虛擬環(huán)境生成即生成虛擬環(huán)境所需的視覺、聽覺和觸覺信息等，利用各種優(yōu)化算法對虛擬環(huán)境進行優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的實時性，為裝配技術(shù)人員創(chuàng)造猶如現(xiàn)實的虛擬裝配環(huán)境；虛擬裝配工具包是由CAD系統(tǒng)創(chuàng)建的各種裝配工具的幾何模型轉(zhuǎn)換得到的虛擬工具模型；虛擬外部設(shè)備驅(qū)動即各種虛擬外部設(shè)備的驅(qū)動程序。

(4)輸出模塊：輸出零件裝配軌跡、干涉檢查報告、零件裝配順序文件、裝配過程動畫以及產(chǎn)品的虛擬模型。其中，零件裝配軌跡可用來指導(dǎo)裝配機器人的操作運動軌跡；干涉檢查報告為產(chǎn)品設(shè)計更改提供參考，如：更改零件尺寸、形狀或者更改產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)；裝配順序文件用于指導(dǎo)制定裝配工藝；裝配過程動畫用于培訓(xùn)裝配人員。

1.2虛擬裝配系統(tǒng)中的裝配環(huán)節(jié)

在虛擬裝配系統(tǒng)中，裝配人員置身虛擬裝配環(huán)境中，通過人機交互，利用虛擬外部設(shè)備對零件進行虛擬操作，完成產(chǎn)品的虛擬裝配。此過程分為三個環(huán)節(jié)：準備環(huán)節(jié)、虛擬裝配環(huán)節(jié)和輸出環(huán)節(jié)。

(1)準備環(huán)節(jié)，主要是構(gòu)建零件的虛擬模型。零件的虛擬模型即包括零件的工程設(shè)計信息、零件物理屬性信息以及零件虛擬幾何模型。零件的工程設(shè)計信息即是那些體現(xiàn)設(shè)計者裝配意圖的幾何元素，物理屬性信息即是對虛擬對象物理特性的描述，零件的虛擬幾何模型則描述了虛擬零件的外觀、幾何形狀，通過CAD系統(tǒng)生成的零件幾何模型轉(zhuǎn)換而來。工程設(shè)計信息體現(xiàn)的幾何元素附加到零件的虛擬模型，可以保證虛擬零件在虛擬的環(huán)境下按照設(shè)計者的意圖完成零件間的定位和約束，零件物理屬性信息與虛擬幾何模型相結(jié)合則可以在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)現(xiàn)實中的零件模型。

(2)虛擬裝配環(huán)節(jié)。首先，主要是對虛擬裝配系統(tǒng)進行一些配置和環(huán)境設(shè)置，即構(gòu)造虛擬裝配環(huán)境，設(shè)置坐標系統(tǒng)以及燈光光照，構(gòu)造工作臺和調(diào)入所需裝配工具，檢查虛擬外部設(shè)備工作狀況；其次，裝配技術(shù)人員進行產(chǎn)品的虛擬裝配。裝配技術(shù)人員運用各種虛擬外部設(shè)備，直接與虛擬零件和虛擬環(huán)境進行人機交互，按照設(shè)計人員的設(shè)計意圖進行裝配。在這過程，系統(tǒng)記錄裝配的各種信息，如零件的裝配順序、裝配軌跡、干涉情況以及裝配技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計存在的問題等，并生成各種報告供有關(guān)工程技術(shù)人員備用。

(3)輸出環(huán)節(jié)。獲得的虛擬裝配的結(jié)果主要是零件掃掠軌跡、零件裝配順序文件、零件裝配軌跡文件、裝配過程動畫文件，還有零件干涉情況報告、產(chǎn)品的虛擬裝配模型，這些結(jié)果都以一定的格式進行記錄，并可以與其他機械工程系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換?？傊?，機械工程人員在虛擬環(huán)境中對設(shè)計的產(chǎn)品進行虛擬裝配，可以現(xiàn)實地感受他們自己或者他人設(shè)計的產(chǎn)品的科學(xué)性和可行性，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的種種問題。而且虛擬裝配系統(tǒng)輸出各種技術(shù)文檔，能夠給工程技術(shù)人員在設(shè)計和裝配中有更多的參考，從而使決策準確率更高。

2 虛擬裝配技術(shù)的特點

虛擬裝配系統(tǒng)突出人的因素在虛擬裝配中的重要性，盡量將裝配技術(shù)人員的經(jīng)驗、專業(yè)知識融入裝配系統(tǒng)。在虛擬裝配過程，不僅要驗證產(chǎn)品設(shè)計和裝配的可行性，即可裝配，還要尋找、驗證設(shè)計和裝配的科學(xué)性，即定出最優(yōu)的設(shè)計方案和裝配順序。因此，虛擬裝配技術(shù)可稱為人機一體的裝配智能系統(tǒng)。主要表現(xiàn)為以下幾個不同的方面：

(1)人機交互手段不同。傳統(tǒng)系統(tǒng)下的產(chǎn)品裝配，是鼠標和鍵盤等二維輸入設(shè)備，技術(shù)人員只能通過計算機的二維屏幕感受產(chǎn)品模型。虛擬裝配技術(shù)系統(tǒng)中交互手段是麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)手套、光柵眼鏡、數(shù)據(jù)衣、頭盔式顯示器等三維設(shè)備，裝配技術(shù)人員可以直接操作虛擬零件進行虛擬裝配，通過視覺、觸覺和聽覺等立體地感受裝配過程，猶如現(xiàn)實中的裝配。

(2)裝配過程不同。在傳統(tǒng)系統(tǒng)下，裝配技術(shù)人員是通過鼠標拾取零件模型上的幾何元素，根據(jù)菜單指定兩個零件的約束關(guān)系，讓系統(tǒng)自動計算兩個零件間的位置關(guān)系，然后進行幾何變換將待裝配零件移動到目標位置，完成裝配。在這過程中，裝配技術(shù)人員無法感受到裝配過程，系統(tǒng)也不能按照一條沒有碰撞的路徑將待裝配的零件移動到目標位置。傳統(tǒng)系統(tǒng)中不考慮零件間的干涉，如按照傳統(tǒng)環(huán)境下的裝配順序來制定現(xiàn)實的裝配順序，往往是不可行的。在虛擬裝配技術(shù)系統(tǒng)中，裝配技術(shù)人員直接抓取虛擬零件，沿著一條沒有碰撞的、優(yōu)化的路徑將待裝配零件移動到目標位置，檢測零件之間的干涉情況，并且融入了裝配技術(shù)人員的經(jīng)驗、專業(yè)知識，由此獲得的裝配順序一般是可行的和優(yōu)化的。

(3)對設(shè)計和裝配技術(shù)人員的反饋支持力度不同。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，設(shè)計和裝配技術(shù)人員對產(chǎn)品進行裝配建模得到的只是產(chǎn)品的數(shù)字模型，信息量很少，獲得的反饋支持力度較小。在虛擬裝配系統(tǒng)中，設(shè)計和裝配技術(shù)人員可以得到零件掃掠軌跡、零件裝配順序文件、零件裝配軌跡文件、裝配過程動畫文件，還有零件干涉情況報告、產(chǎn)品的虛擬裝配模型等大量信息，獲得的反饋支持力度比較大。

3 結(jié)束語

機械虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、三維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種先進技術(shù)在制造裝配領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，與一般的裝配仿真、傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)下的裝配相比較，具有更大的智能性和優(yōu)越性，可完成或者支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規(guī)劃，極大提高機械設(shè)計和制造質(zhì)量，而且大大降低了機械設(shè)計和制造的周期和成本。

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（作者單位：內(nèi)蒙古民族大學(xué)）