虚拟装配技术在工业设计中的应用

任慧娟 肖福礼 金守峰

摘要：

随着虚拟装配技术的不断完善，计算机辅助工业设计技术的不断进步。作为工业生产制造前端设计的工业设计，不断向虚拟装配、虚拟制造方向发展。为了更好的将虚拟装配技术运用到工业设计领域，提出了融合虚拟装配的产品设计工艺规划，解决产品开发阶段设计与制造的瓶颈问题，有利于工业设计方法的融合创新。

关键词：

虚拟装配; 工业设计; 产品设计; 计算机辅助工业设计

中图分类号： TP 393

文献标志码： A

Application of Virtual Assembly Technology in Industrial Design

REN Huijuan1， XIAO Fuli 2， JIN Shoufeng2

（1. School of Computer Science;

2. School of Mechanical & Electrical Engineering， Xian Polytechnic University， Xian， Shanxi  710048， China）

Abstract：

With the continuous improvement of the virtual assembly technology， the computeraided industrial design technology continues to advance. As an industrial design for industrial production manufacturing frontend design， it continues to develop in the direction of virtual assembly and virtual manufacturing. In order to better apply virtual assembly technology to the field of industrial design， a product design process incorporating virtual assembly is proposed to solve the bottleneck of design and manufacturing at the product development stage， which is conducive to the integration and innovation of industrial design methods.

Key words：

virtual assembly; industrial design; product design; computeraided industrial design

0引言

随着计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）技术的日趋完善，工业产品的设计流程逐渐向虚拟环境的展现方式发展，工业设计的产品设计周期变得更短[13]。虚拟装配作为工业设计产品模型的结构展现的新方式，能够基于计算机图像学，在计算机中展现工业产品的外观、造型、结构、空间及装配等信息。通过虚拟方式的展现，能够减少产品在概念设计阶段的生产周期，方便概念设计的修改，检验产品结构的空间布局及干涉。

目前，虚拟装配在工业产品的应用中主要应用在机械产品、汽车等领域，应用的广度与深度领域具有较大的发展空间[46]。赵燕提出了基于云平台与三维仿真技术的农机虚拟智能装配系统，阐述了农机领域的虚拟装配应用技术[7]。孙汉琴提出了汽车领域虚拟装配的关键技术，并验证了生产的高效性[8]。吴光辉将虚拟装配技术运用在汽车钣金冲压模中，辅助冲压模的设计制造[9]。张爽华将虚拟装配技术运用在滚筒洗衣机装配设计领域[10]。熊巍提出了基于人机交互的虚拟装配平台研究[11]。翟上等人提出了虚拟装配在《CAD/CAE课程设计》中的应用[12]。

由于工业设计的产品领域诸多，为了找到融合虚拟装配工业产品设计的通用方法，需要进行合理的装配工艺规划，建立新型设计创新流程，提高工业产品的生产效率、降低生产成本。

1虚拟装配与工業设计

虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，也是虚拟制造过程中最为薄弱的一个环节。利用计算机虚拟环境借助硬件交互设备，将虚拟零件模型进行装配操作，模拟真实的装配环境，并提供实时的碰撞检测、装配工艺路径、装配约束及装配序列等功能。通过虚拟装配技术，可以提供产品的可装配性、装配序列、装配过程等信息，并生成装配报告，能够很好地记录工业产品的装配属性，辅助工业产品的概念设计。

虚拟与现实技术能够提供虚拟环境下的人机交互，计算机辅助工业设计能够利用VR技术，建立语音、体感、意识等形式交互方式，进行工业产品的人机交互，设计具有满足使用者精神需求的产品。同时，虚拟仿真技术的运用，可以更加精确地模拟现实环境中的产品设计，在虚拟装配领域的应用能够计算模型间的配合精度，生成装配方案，以期实现在虚拟环境中的产品装配，减少传统设计方法的不足。

2典型工业设计的一般流程

在某项产品被设计的过程中，典型工业设计的设计流程首先进行顾客的需求分析，调研市场及竞争对手，将搜集的资料分析找出产品的差异性或消费者的痛点，然后确定产品的定位，通过查阅生产设计标准、规范、经验确定设计要求。整理以上所需的资料后开始产品的概念设计、初步设计与详细设计，最后进行设计实施。典型的产品开发设计流程，如图1所示。

虚拟装配作为设计实施的前端设计，需要通过计算机辅助的方式展现使用者的需求、产品的技术指标、外观结构设计、装配工艺规划，能够直观的表现产品的形状、结构与生产流程。通过虚拟装配仿真后的模型及工艺能够检验产品生产的复杂程度，便于后期的设计实施。

3虚拟装配技术在工业设计中的工艺规划

工业产品的生命从可行性分析到产品的生命结束都是以市场顾客的需求驱动的，这种需求在产品的消费前的生命阶段尤为重要，产品设计能够满足消费者的需求、符合消费者消费观念，才能满足生产需要。而产品的设计是多种目标综合体现的过程，为了在虚拟装配领域标准化表述产品的开发流程，需要对开发目标进行优化加权，利用模糊目标与模糊约束，构造多目标的优化算法，规划虚拟装配技术在产品设计阶段的工艺规划，设计出能够满足市场需求的产品。融合虚拟装配的产品设计工艺规划，如图2所示。

融合虚拟装配的产品设计在典型工业设计的开发流程基础上，增加了虚拟装配技术，从概念设计阶段的产品功能定位到选材、质量价格评估到虚拟装配最后生产加工。减少了设计与制造之间的瓶颈问题，虚拟装配提供了设计师与工程师的标准的语言，便于产品设计进行，减少设计周期，提高生产效率。

4虚拟装配技术在工业设计中的设计验证

为了更好的检验虚拟装配在工业设计过程中的重要作用，利用统计学方法将验证典型工业设计与融合虚拟装配技术的工业设计各环节的重要程度。工业设计过程是产品不断优化的过程，同时也是与客户沟通后再设计与设计修改的过程。在一项课题开始后，决定项目生命周期的过程主要由各环节的时间决定，为了更好定量验证工业设计环节的时间，避免其他因素对时间的影响，建立一般工业设计项目的流程框图，便于统计计算各环节所用时间。一般工业设计项目的流程框图，如图3所示。

利用图3过程，统计从项目洽谈到概念设计再到详细设计最后生产制造的时间，利用各环节的时间变量，确定影响工业设计环节的主要成分。利用问卷调查法统计了10位教师同一项目在各环节中运用的时间，

N1-N3为各环节的累加器个数，记录该环节修改次数。记T（T1，T2，…，Tn）为项目总时间，t（t1，t2，t3，t4）分别为概念设计、详细设计、生产制造与项目洽谈环节的用时，则有单个环节时间如式（1）。

按照式（1）统计10位教师在各环节的用时，单位（天），并利用SPSS软件对数据进行标准化，结果如表1所示。

利用SPSS软件计算出该样本数据的解释的总方差图与成分矩阵图，如图4、图5所示。

由图4可以看出，被提取出的两个主成分特征根分别为1.982、1.010，通过成分矩阵与主成分特征根可以算出主成分线性组合系数，进而可以算出综合得分模型的系数，得出主成分载荷，如式（2）、式（3）。

其中y1表示第一主成分，y2表示第二主成分。

通过主成分分析，在工业设计过程中，详细设计与生产制造过程占据了主要的比重，因此优化该阶段的设计环节能够更为有效的降低工业设计产品的研发周期，提高生产效率。结合表1的修改次数统计能够直观看出，融合虚拟装配技术的工业设计能够减少在详细设计与生产制造环节的修改次数，大大节约时间成本。

5总结

本文围绕虚拟装配技术在工业设计中的应用，对新型计算机辅助工业设计方法进行研究并运用在产品开发设计中，提高了传统工业设计方法存在的市场需求滞后性。利用虚拟装配技术，工业设计能够短时间内建立用户的需求模型及装配方案，能够通过模型功能定位、形式与材料、生产加工方式、成本与生产周期预估，并通过统计学方法验证，虚拟装配技术在工业设计领域的应用，能够大大减少工业产品的开发周期，降低产品的开发成本。通过对虚拟装配技术的深入研究、结合工业设计产品设计的方法提出了融合虚拟装配的产品设计工艺规划，以期使工业设计的方法更加简便有效。

参考文献

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[11]熊巍. 虚拟装配环境中面向用户体验的自然人机交互技术研究[D].广州：华南理工大学，2017.

[12]翟上，张杰. 虚拟装配技术在《CAD/CAE课程设计》实践中的应用[A]. 中共沈阳市委、沈阳市人民政府、国际生产工程院、中国机械工程学会.第十六届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）[C].中共沈阳市委、沈阳市人民政府、国际生产工程院、中国机械工程学会：沈阳市科学技术协会， 辽宁 沈阳， 2019：5.

（收稿日期： 2020.01.20）

基金项目：

中国纺织工业联合会科技项目（2016091、2019064）;西安市科技计划项目（201805030YD8CG1416）

作者简介：

任慧娟（1975），女，硕士，工程师，研究方向：工业设计、工业工程技术。

尚福礼（1990），男，硕士，研究方向：工业设计。

金守峰（1979），男，博士，副教授，研究方向：机器视觉测量技术。

文章编号：1007757X（2020）08000903