□ 鄭現(xiàn)坤

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

裝配是指將零件結(jié)合成為完整產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，是產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中最具影響力的一個(gè)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)是性能、質(zhì)量、價(jià)格、上市時(shí)間、外觀形狀、售后服務(wù)等多種因素的綜合競(jìng)爭(zhēng)，所有這些因素?zé)o不與裝配存在密切聯(lián)系。產(chǎn)品的性能、質(zhì)量是由設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)擬定的，由制造階段提供保證，并由裝配階段具體落實(shí)的。裝配質(zhì)量的好壞，直接反映在產(chǎn)品的性能、質(zhì)量上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，有三分之一以上的人直接或間接從事與裝配有關(guān)的活動(dòng)，而裝配費(fèi)用則占整個(gè)生產(chǎn)成本的30%～50%（對(duì)于某些復(fù)雜產(chǎn)品，這個(gè)比例會(huì)更高）。

1 擬實(shí)裝配技術(shù)的提出

隨著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) （Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）的發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)裝配模式提供了一種新的工作模式。它利用計(jì)算機(jī)裝配模型和仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配，在設(shè)計(jì)階段解決裝配中可能存在的問題，提高裝配效率，減少裝配時(shí)間，降低裝配成本，從而保證產(chǎn)品的可裝配性。

但目前進(jìn)行虛擬裝配所使用的CAD模型是理想的模型，由于實(shí)際生產(chǎn)過程中的制造誤差等因素，使虛擬裝配公差分析并不能準(zhǔn)確分析實(shí)際產(chǎn)品的裝配公差。例如在航空航天與汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鈑金件具有高度的柔性，其在制造和裝配過程中，很多因素會(huì)導(dǎo)致這些零件發(fā)生變形，所以，在生產(chǎn)過程中檢驗(yàn)合格的零部件并不一定能裝配出質(zhì)量合格的成品。如圖1所示，通過關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量汽車橫梁右翼子板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD數(shù)模對(duì)比，可以看到實(shí)際裝配使用的零件與理想數(shù)模相比有一定的偏差。很多裝配問題往往在生產(chǎn)過程中才暴露出來，因此筆者提出了在裝配階段，將基于產(chǎn)品的真實(shí)模型采用逆向工程技術(shù)來獲得實(shí)際裝配零件的模型，導(dǎo)入相關(guān)軟件中進(jìn)行虛擬裝配，使擬實(shí)程度提高，并且裝配效果更加接近實(shí)際生產(chǎn)中的裝配效果，從而大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

2 擬實(shí)裝配的主要功能和關(guān)鍵技術(shù)

擬實(shí)裝配的主要目的是以最少的人力物力投入，在最短的時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。擬實(shí)裝配系統(tǒng)是實(shí)際生產(chǎn)中的裝配系統(tǒng)向計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中的一種映射。根據(jù)擬實(shí)裝配的定義及其特點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)主要包括：實(shí)際產(chǎn)品模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、實(shí)際產(chǎn)品的模型重建、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、擬實(shí)裝配公差分析、裝配質(zhì)量的驗(yàn)證及評(píng)價(jià)。

（1）實(shí)際產(chǎn)品模型的點(diǎn)云獲取。數(shù)據(jù)采集就是運(yùn)用一定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法對(duì)實(shí)物樣件進(jìn)行測(cè)量，獲取樣件表面信息，得到三維坐標(biāo)。數(shù)據(jù)采集是逆向工程技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，也是擬實(shí)匹配技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要有接觸式和非接觸式兩大類測(cè)量方法，如圖2所示。

▲圖1 測(cè)量點(diǎn)云與理論CAD數(shù)模對(duì)比云圖

（2）實(shí)際產(chǎn)品的模型重建。模型重構(gòu)就是運(yùn)用一定的逆向工程軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終生成實(shí)物樣件的三維數(shù)字化模型。模型重構(gòu)是逆向工程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是擬實(shí)裝配中的關(guān)鍵技術(shù)，模型重構(gòu)的質(zhì)量好壞直接影響擬實(shí)裝配的質(zhì)量和裝配公差分析及驗(yàn)證。

（3）裝配序列規(guī)劃。在機(jī)械產(chǎn)品的裝配中，一組零件或組件的裝配順序起著關(guān)鍵的作用。裝配序列規(guī)劃是描述產(chǎn)品裝配過程的重要信息。采用合理的裝配序列，能夠使產(chǎn)品達(dá)到指定的裝配目標(biāo)。

（4）裝配路徑規(guī)劃。裝配路徑是零部件在擬實(shí)裝配過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，目的是實(shí)現(xiàn)無碰撞、無干涉裝配，不僅保護(hù)了零件，而且提高了裝配效率，因此無論是人工裝配，還是機(jī)械的自動(dòng)化裝配、柔性裝配或機(jī)器人裝配，都需要進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃。

（5）擬實(shí)裝配公差分析。擬實(shí)裝配所使用的數(shù)字模型是基于真實(shí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)得到的模型，模型信息中包含了實(shí)際模型的尺寸、尺寸公差、形位公差、基準(zhǔn)、表面結(jié)構(gòu)以及規(guī)格材料等信息。通過計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)（Computer Aided Tolerancing，CAT），能夠快速、準(zhǔn)確地在擬實(shí)狀態(tài)下分析和驗(yàn)證裝配出的產(chǎn)品是否符合精度要求，分析零件誤差對(duì)產(chǎn)品精度的影響，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和裝配提供良好的校驗(yàn)和反饋功能。

（6）裝配質(zhì)量的驗(yàn)證及評(píng)價(jià)。通過擬實(shí)裝配公差分析得到數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

▲圖2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

3 實(shí)施擬實(shí)裝配的意義

虛擬裝配是虛擬制造的一個(gè)重要組成部分。目前，人們從虛擬裝配仿真、虛擬裝配序列規(guī)劃、虛擬裝配建模等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。擬實(shí)裝配是基于虛擬裝配技術(shù)提出的，實(shí)施產(chǎn)品的擬實(shí)裝配，有如下意義。

（1）提高虛擬裝配的擬實(shí)化程度，使裝配過程更加接近實(shí)際生產(chǎn)中的物力模型裝配過程。擬實(shí)裝配使用的CAD模型是基于實(shí)際產(chǎn)品模型通過逆向工程技術(shù)得到的，模型信息中包含了實(shí)際模型的尺寸、尺寸公差、形位公差、基準(zhǔn)、表面結(jié)構(gòu)以及規(guī)格材料等信息。

（2）提供更完善的裝配評(píng)估和驗(yàn)證功能。大多數(shù)虛擬裝配系統(tǒng)只提供了初步的裝配評(píng)估和驗(yàn)證功能，利用虛擬模型得到的裝配評(píng)估的結(jié)果與真實(shí)物理模型的評(píng)估結(jié)果仍有較大的差距。擬實(shí)裝配使用的模型更加接近真實(shí)物理模型，裝配結(jié)果的評(píng)估更加接近真實(shí)裝配結(jié)果評(píng)估。

（3）擬實(shí)裝配使用的計(jì)算機(jī)輔助公差分析技術(shù)，由傳統(tǒng)的二維傳統(tǒng)尺寸鏈公差分析改進(jìn)為三維空間尺寸鏈公差分析，分析得到各個(gè)尺寸對(duì)最終裝配質(zhì)量的影響因子，根據(jù)影響因子大小改進(jìn)公差分配，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和裝配有一定的指導(dǎo)作用。

4 總結(jié)

綜上所述，所謂擬實(shí)裝配，就是采用一定的測(cè)量手段得到幾何產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過逆向工程技術(shù)處理，得到幾何產(chǎn)品的真實(shí)模型數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配，并進(jìn)行產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃、裝配公差分析、驗(yàn)證及評(píng)價(jià)等。利用擬實(shí)裝配技術(shù)，可進(jìn)一步縮小虛擬裝配評(píng)估結(jié)果與真實(shí)裝配評(píng)估結(jié)果之間的差距，將評(píng)估結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)中，最終可達(dá)到降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的效果。

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