虚拟装配技术

霍春明

【摘 要】虚拟装配技术是虚拟现实技术、计算机仿真技术等多种先进技术在制造装配领域的综合应用，与一般的装配仿真、基于虚拟现实技术的装配仿真相比较，具有更大的智能性和优越性，可完成或者支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，极大提高机械设计和制造的效率。

【关键词】虚拟装配技术机械设计机械制造计算机辅助设计

传统的计算机辅助装配系统输入输出设备是二维的，而机械虚拟装配技术的输入输出设备是三维的。在虚拟的产品装配环境中，设计人员如身临现实的装配环境，全方位的感受到装配过程，眼可看到、手可摸到虚拟的零件，通过手势、声音等智能设计完成产品的虚拟装配，同时对产品的可装配性做出直接的判断、评定或者修改。

1 虚拟装配技术

1.1常见的虚拟装配系统结构

常见的虚拟装配系统结构一般分为4个模块：模型模块、用户交互模块、环境虚拟模块和输出模块。

(1)模型模块：功能是通过将零件的相关数据信息，包括几何模型、物理特征、零件的公差等，以及产品的装配模型，输入到虚拟装配系统里，生成需要的虚拟零件模型。

(2)用户交互模块：即各种虚拟外部设备和其支持系统，通常有麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等。装配技术人员利用这些虚拟外部设备与虚拟装配系统进行人机交互，进行虚拟装配的各种操作。

(3)环境虚拟模块：是虚拟装配系统的核心，包括各种虚拟现实算法、虚拟装配环境配置、虚拟装配环境生成、虚拟零件模型、虚拟装配工具包以及虚拟外部设备驱动系统。其中，虚拟现实算法主要包括干涉检验算法、多细节层次模型自动生成算法；虚拟装配环境配置即对装配环境进行配置，包括坐标系的设定、定位、光照设置等；虚拟环境生成即生成虚拟环境所需的视觉、听觉和触觉信息等，利用各种优化算法对虚拟环境进行优化，以保证系统的实时性，为装配技术人员创造犹如现实的虚拟装配环境；虚拟装配工具包是由CAD系统创建的各种装配工具的几何模型转换得到的虚拟工具模型；虚拟外部设备驱动即各种虚拟外部设备的驱动程序。

(4)输出模块：输出零件装配轨迹、干涉检查报告、零件装配顺序文件、装配过程动画以及产品的虚拟模型。其中，零件装配轨迹可用来指导装配机器人的操作运动轨迹；干涉检查报告为产品设计更改提供参考，如：更改零件尺寸、形状或者更改产品的结构；装配顺序文件用于指导制定装配工艺；装配过程动画用于培训装配人员。

1.2虚拟装配系统中的装配环节

在虚拟装配系统中，装配人员置身虚拟装配环境中，通过人机交互，利用虚拟外部设备对零件进行虚拟操作，完成产品的虚拟装配。此过程分为三个环节：准备环节、虚拟装配环节和输出环节。

(1)准备环节，主要是构建零件的虚拟模型。零件的虚拟模型即包括零件的工程设计信息、零件物理属性信息以及零件虚拟几何模型。零件的工程设计信息即是那些体现设计者装配意图的几何元素，物理属性信息即是对虚拟对象物理特性的描述，零件的虚拟几何模型则描述了虚拟零件的外观、几何形状，通过CAD系统生成的零件几何模型转换而来。工程设计信息体现的几何元素附加到零件的虚拟模型，可以保证虚拟零件在虚拟的环境下按照设计者的意图完成零件间的定位和约束，零件物理属性信息与虚拟几何模型相结合则可以在虚拟环境中再现现实中的零件模型。

(2)虚拟装配环节。首先，主要是对虚拟装配系统进行一些配置和环境设置，即构造虚拟装配环境，设置坐标系统以及灯光光照，构造工作台和调入所需装配工具，检查虚拟外部设备工作状况；其次，装配技术人员进行产品的虚拟装配。装配技术人员运用各种虚拟外部设备，直接与虚拟零件和虚拟环境进行人机交互，按照设计人员的设计意图进行装配。在这过程，系统记录装配的各种信息，如零件的装配顺序、装配轨迹、干涉情况以及装配技术人员发现产品设计存在的问题等，并生成各种报告供有关工程技术人员备用。

(3)输出环节。获得的虚拟装配的结果主要是零件扫掠轨迹、零件装配顺序文件、零件装配轨迹文件、装配过程动画文件，还有零件干涉情况报告、产品的虚拟装配模型，这些结果都以一定的格式进行记录，并可以与其他机械工程系统进行数据交换。总之，机械工程人员在虚拟环境中对设计的产品进行虚拟装配，可以现实地感受他们自己或者他人设计的产品的科学性和可行性，及时发现设计中的种种问题。而且虚拟装配系统输出各种技术文档，能够给工程技术人员在设计和装配中有更多的参考，从而使决策准确率更高。

2 虚拟装配技术的特点

虚拟装配系统突出人的因素在虚拟装配中的重要性，尽量将装配技术人员的经验、专业知识融入装配系统。在虚拟装配过程，不仅要验证产品设计和装配的可行性，即可装配，还要寻找、验证设计和装配的科学性，即定出最优的设计方案和装配顺序。因此，虚拟装配技术可称为人机一体的装配智能系统。主要表现为以下几个不同的方面：

(1)人机交互手段不同。传统系统下的产品装配，是鼠标和键盘等二维输入设备，技术人员只能通过计算机的二维屏幕感受产品模型。虚拟装配技术系统中交互手段是麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等三维设备，装配技术人员可以直接操作虚拟零件进行虚拟装配，通过视觉、触觉和听觉等立体地感受装配过程，犹如现实中的装配。

(2)装配过程不同。在传统系统下，装配技术人员是通过鼠标拾取零件模型上的几何元素，根据菜单指定两个零件的约束关系，让系统自动计算两个零件间的位置关系，然后进行几何变换将待装配零件移动到目标位置，完成装配。在这过程中，装配技术人员无法感受到装配过程，系统也不能按照一条没有碰撞的路径将待装配的零件移动到目标位置。传统系统中不考虑零件间的干涉，如按照传统环境下的装配顺序来制定现实的装配顺序，往往是不可行的。在虚拟装配技术系统中，装配技术人员直接抓取虚拟零件，沿着一条没有碰撞的、优化的路径将待装配零件移动到目标位置，检测零件之间的干涉情况，并且融入了装配技术人员的经验、专业知识，由此获得的装配顺序一般是可行的和优化的。

(3)对设计和装配技术人员的反馈支持力度不同。在传统的系统中，设计和装配技术人员对产品进行装配建模得到的只是产品的数字模型，信息量很少，获得的反馈支持力度较小。在虚拟装配系统中，设计和装配技术人员可以得到零件扫掠轨迹、零件装配顺序文件、零件装配轨迹文件、装配过程动画文件，还有零件干涉情况报告、产品的虚拟装配模型等大量信息，获得的反馈支持力度比较大。

3 结束语

机械虚拟装配技术是虚拟现实技术、计算机仿真技术、三维网络技术等多种先进技术在制造装配领域的综合应用，与一般的装配仿真、传统CAD系统下的装配相比较，具有更大的智能性和优越性，可完成或者支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，极大提高机械设计和制造质量，而且大大降低了机械设计和制造的周期和成本。

参考文献：

[1]马竞.虚拟制造技术研究概况综述[J].机械制造技术，2005，(10).

[2]张继伟.影响零件可装配性的几何特征及其识别[J].机械科学与技术，2006，(2).

[3]刘刚.面向虚拟装配的装配建模技术[J].制造业自动化，2006，(06).

[4]刘振宇.虚拟现实环境下产品装配定位导航技术研究[J].中国机械工程，2007，（1）.

（作者单位：内蒙古民族大学）