虚拟装配在车辆专业训练中的应用研究

李 渊，崔 祚

(1.中国人民解放军32161部队，新疆 库尔勒市 841000；2.贵州理工学院航空航天工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

随着装备现代化和装备升级改造的不断推进，车辆的零部件数量和种类越来越多，构造复杂，各零件装配关系复杂且装配工艺方法较多。而在车辆专业训练中，人员必须要经过零部件设计、装配、调试、制造、工装设计和工艺协调等复杂训练，并将每一步程序落实到培训的每个过程，这就使得车辆专业训练费时费力。以车辆装配为例，装配过程是将各种零部件组装成产品的过程，起始于产品设计，终结于产品报废，贯穿在产品生命周期的全过程。整体工艺设计流程繁琐，且装配工艺设计完成后很难得到直接验证，这导致复杂的工艺流程经常出现设计不合理情况，因此研究装配仿真技术对提高车辆专业训练效果具有重要意义。

虚拟装配是一种根据汽车三维几何信息和装配顺序、装配工艺等信息，采用计算机仿真、虚拟现实技术以及人机互动等多项技术进行装配的模拟。这是车辆专业训练数字化的重要环节，利用计算机在产品装配信息模型基础上进行三维虚拟装配过程仿真和分析，同时应用人体工程学理论验证人在装配环境下的舒适度、可达性，优化装配工艺，指导现场装配。虚拟装配是车辆专业训练的重要环节，可用于验证装配设计和操作正确与否，对分析车辆复杂系统设计与制造起着重要作用。因此，研究虚拟装配过程仿真可以在样车装配之前将存在的各种不协调问题暴露并解决，有效地缩短装配周期，从而提升车辆专业训练的效率。

目前，数字化已经成为装备制造业的发展趋势，国内外较先进的汽车公司的设计部门在产品设计阶段已经普遍应用CATIA、UG、Pro/E等三维设计软件，已经在产品工艺阶段和样机试制过程中实现了数字化虚拟装配。经统计，在车辆行业应用虚拟装配技术，样车研发的时间阶段由3轮减少为1～2轮，样本数由3～5辆缩少至1～2辆。部分车辆部件的装配周期可缩短30%～60%，整车装配效率提高30%～40%，装配成本减少30%以上，同时大大提高了车辆装配效率[1]。随着车辆装配难度不断提高，车辆专业训练虚拟装配技术的研究势在必行。因此，在车辆专业训练过程中，如何提前设计出合理的装配方案，如何优化装配工艺，如何有效减小装配精度和提高装配效率，这些内容对车辆专业训练有着重要实践意义。

1 虚拟装配的行业背景

20世纪90年代中期，以信息集成为核心的先进制造技术得到了新进展，出现了虚拟制造和虚拟装配等新概念，是CAD/CAM/CAE集成化发展的最高层次。

虚拟装配技术的研究在国外的研究较早，应用面也较广。Jayaram等人最早研发了“虚拟装配设计环境” VADE系统，开启了虚拟制造领域的大门[2]。随后，德国、美国、英国、日本等多个国外的研讨机构及高校都相继展开了虚拟装配的研究[3，4]。例如，德国Fraunhofer研究所进行了基于虚拟现实的装配规划系统的研究与开发；BMW公司利用虚拟技术对汽车装配流程的合理性加以测试；美国Sandia实验室分析了用于生成优化和检查装配工艺的交互式装配规划系统；英国Heriot-Watt大学研发了能对装配知识提取与评价等功能的UVAVU系统；日本Nabe等开发了机械零件的可装配性验证系统，可在虚拟环境下进行装配分析。与此同时，虚拟装配软件也发展迅速，如达索公司的CATIA和DELMIA软件，西门子公司的Tecnomatix和Vis-Mockup软件等，这些软件能够生成可视化装配过程，并用于指导装配和进行专业训练。

国内虚拟装配技术研究起步较晚，但近年虚拟装配理论和应用研究较多，建立了多个虚拟装配试验室[5-8]。例如，西工大CAD/CAM重点实验室基于CATIA软件平台开发了VASS系统；北理工基于WTK9.0开发了虚拟装配原型系统及半沉浸式装配仿真系统，能够实现零部件的碰撞检测、装配定位和导航功能；浙江大学等研发了VDVAS虚拟装配设计系统，可通过交互式操作在虚拟环境下对零件的模型信息进行修改，具有很高的可靠性；哈工大研发了沉浸式装配仿真系统I-VADS，能够应用任意三维模型构建虚拟环境进行装配仿真。

在应用方面，我国各大航空公司首先引用虚拟装配技术，建立了装配工艺设计和仿真系统，进行了虚拟装配工艺设计和可视化装配过程仿真。在成飞的ARJ21项目研制中，基于DELMIA软件平台进行工艺规划和虚拟装配仿真，最终输出二维工艺报表。虽然当前国内已经开始应用虚拟装配技术，但是仍然局限于部分项目和特定型号的装配工作中，在车辆装配领域尚未得到广泛应用。因此，开展虚拟装配技术对车辆专业训练的研究是非常必要的。

2 虚拟装配关键技术

2.1 虚拟装配的技术目标

虚拟装配是一种基于数字化建模、计算机仿真和虚拟现实等技术，在虚拟开发平台上完成产品装配过程。

在车辆专业训练过程中，以CATIA、Solid Works、Pro/E代表三维建模软件为基础，重点分析车辆装配的关键步骤，应用虚拟技术实现车辆装配过程，并对装配场景进行检测和演示，进而让训练人员通过虚拟操作把握要点，提高提高车辆专业训练零部件装配水平。

2.2 虚拟装配对车辆专业训练的意义

通过虚拟装配工艺设计、装配过程仿真，能够很好地提升车辆设计、工艺、制造的数字化能力，使其在车辆专业训练方面有如下优势：

(1)在样车实际装配之前，通过装配过程仿真，及时发现样车设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地减少装配缺陷，减少因装配干涉等问题而进行的工程更改，通过虚拟装配切实保证产品装配质量。

(2)装配仿真过程产生的图片、视频录像直观地演示装配仿真，可用于对维修人员的培训，使训练人员更容易理解装配工艺，减少了装配过程的反复和人为差错。

(3)在车辆装配方面，可降低技术协调成本，及时规划和评估培训工时、三维工艺布局、车间资源等信息，提高车辆训练的效率，也有利于快速开发改进样车。

2.3 虚拟装配的关键技术

车辆装配具有结构件数量多、装配工艺和装配关系复杂、装配尺寸链多以及准确度高等难点。

在装配过程仿真中，车辆零部件、工艺过程和现场资源数据交互，主要由输入输出管理模块、场景管理模块、装配管理模块、碰撞检测模块、约束管理模块和路径生成与管理模块等组成[9]。其中，场景管理模块用于处理车辆装配场景；装配管理模块用于处理装配选取、移动和释放等操作；碰撞检测模块用于实时计算场景中是否存在碰撞；约束管理模块为零部件运动提供导航。在车辆装配仿真技术中，其关键技术包括以下几个内容。

(1)构建汽车装配仿真环境，建立抓取、释放以及安装等装配动作与装配信息的相互关系。

(2)在虚拟装配环境中，对车辆关键零部件进行参数化，分析装配过程作用力，自动识别装配约束关系，使瞬态分析过程展现为可视的动作过程。

(3)寻求最优的零件装配顺序序列，重点解决装配规划技术中信息的动态流动及其可视化；分析训练人员的装配动作，通过人机交互正确生成装配规划。

(4)根据虚拟装配动作，判断虚拟装配过程的有效性和准确度，收集装配信息，然后优化装配规划，完成虚拟装配模拟过程。

3 虚拟装配在专业训练中的实施

虚拟装配由虚拟现实软件和虚拟现实外设设备两部分协同工作，制造出交互性和沉浸性于一体的虚拟装配环境。

在车辆专业训练中，通过装配过程仿真，可以提前暴露并解决实际装配过程中的设计、工艺、制造等问题，有效地提高装配质量，缩短装配周期。将虚拟装配技术应用到车辆专业训练中，需要通过数据手套操作虚拟手抓取车辆零部件，移动并完成各零件的配合，遵循工艺流程完成整个装配过程，系统自动记录零部件的装配序列，装配完成后生成装配文件[10]。

在车辆专业训练中，应用虚拟装配仿真可实现：

(1)有效减少装配更改次数，降低训练成本。在虚拟环境下，利用虚拟现实工艺、人机交互仿真等技术，设计可行的装配工艺，优化并验证现有的装配工艺规划。

(2)在虚拟环境中模拟装配流程，以避免装配现场各种装配不协调问题；通过合理安排装配顺序、路径、工艺方法、所用的夹具等，有利于顺利完成装配任务，提升车辆专业训练水平。

(3)基于车辆产品零组件、工艺过程等数字化模型，通过三维可视交互的装配过程仿真，输出三维装配流程的技术文档。

(4)虚拟装配技术在车辆设计制造过程、工艺指令的编制过程和人员的培训过程中，能够真正实现无纸化，并能很好地延伸到维护修理过程中。

4 虚拟装配在车辆专业训练中存在的困难

目前，CATIA、UG、SolidWorks、Pro/E等商业软件在汽车行业得到了较好的应用，但与之相匹配的虚拟装配技术还缺乏足够的应用。在车辆专业训练中，装配依然采用传统的装配工艺规划办法，三维产品设计和传统装配工艺设计相脱节，这妨碍了车辆专业训练的高效开展。对于虚拟装配在车辆专业训练中的应用，还存在着以下困难：

(1)汽车装配工艺设计仍然以二维图纸为主、三维模型为辅。在传统装配过程中，工艺员按照二维图纸，根据经验构想出三维装配顺序，以书面报告的形式描述装配工艺，装配人员按照工艺文档构建出三维装配空间和装配顺序。该过程容易导致双方理解有差异，增加装配环节的出错率。

(2)缺少典型部件装配工艺知识库。由于车辆装备不断的升级改型，缺少工艺设计知识数据库。但在升级改型过程中，往往面对许多相似性的工艺问题，工艺人员会进行一些重复性工作。故后续应该总结车辆设计和制造过程中的各种专家装配工艺设计经验，建立典型部件装配工艺知识库。

(3)缺少三维可视化的装配工艺验证。在装配生产现场，用于指导实际装配的仍是二维工艺文件，不够形象、直观，不便于操作者使用和理解。

5 结语

随着车辆专业训练要求逐步提高，虚拟装配为车辆专业训练提供了一种有效途径。在车辆专业装配训练中，应用虚拟装配工艺仿真技术，构建车辆关键零件及工装的三维模型，进行装配序列规划、装配过程仿真，验证车辆装配工艺，输出三维可视化的装配示教动态视频，这有助于车辆专业训练。虚拟化程度越高，专业训练周期越短，车辆专业训练效果越好。

本文结合虚拟装配在车辆专业训练中的应用，对虚拟装配的关键技术进行探讨，并对其实施过程以及存在的困难进行了论述。总体上，虚拟装配让人们在车辆专业训练中构建零部件装配序列，优化装配路径，对比分析不同工艺的优缺点，对复杂的装配工作进行训练，让训练人员掌握有效的方法，从而达到提升车辆专业训练效果的目的。