虛擬裝配過(guò)程中不確定性因素分析

楊云斌，歐陽(yáng)勇，孫素梅，陳 剛，何良莉

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900 ）

虛擬裝配過(guò)程中不確定性因素分析

楊云斌，歐陽(yáng)勇，孫素梅，陳 剛，何良莉

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900 ）

虛擬裝配研究中必須考慮實(shí)際裝配過(guò)程中的不確定性因素，真實(shí)再現(xiàn)產(chǎn)品的裝配過(guò)程，才能對(duì)產(chǎn)品裝配性進(jìn)行全面、有效的評(píng)估。本文簡(jiǎn)要分析了目前虛擬裝配存在的問(wèn)題，從實(shí)際裝配中暴露的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量因素進(jìn)行分析。重點(diǎn)分析了產(chǎn)品、資源、人員中不確定性因素，分析了這些不確定性因素對(duì)裝配性評(píng)價(jià)的影響，探討了針對(duì)這些不確定因素的解決思路。基此給出了虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及下一步研究工作。該研究工作為確定虛擬裝配技術(shù)的研究方向以及增強(qiáng)其工業(yè)級(jí)別應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

虛擬裝配; 不確定性; 裝配質(zhì)量; 裝配評(píng)估

0 引言

為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對(duì)產(chǎn)品裝配性能進(jìn)行評(píng)估與驗(yàn)證，近年來(lái)提出了基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬裝配技術(shù)來(lái)解決裝配性評(píng)估、優(yōu)化和驗(yàn)證問(wèn)題[1]，即使用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立與實(shí)物樣機(jī)相似的數(shù)字樣機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行裝配，這樣部件的可裝配性、部件的可達(dá)性、部件分配空間的合理性、裝配工具和裝配工藝等信息均能進(jìn)行評(píng)估，并能給出裝配模擬過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，據(jù)此指導(dǎo)或改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和裝配工藝，同時(shí)輔助人員培訓(xùn)、產(chǎn)品沉浸展示等，達(dá)到評(píng)估實(shí)物樣機(jī)的裝配性目的。但是，目前以基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬裝配技術(shù)研究中主要還存在下幾個(gè)方面問(wèn)題：

1） 目前虛擬裝配模型中的零件信息、裝配關(guān)系仍以幾何信息為主，在虛擬裝配過(guò)程中是通過(guò)實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)與響應(yīng)來(lái)檢查產(chǎn)品的可裝配性，其實(shí)質(zhì)是基于幾何模型的虛擬裝配。而產(chǎn)品裝配/維修不僅與產(chǎn)品構(gòu)形（即幾何信息）有關(guān)，而且與產(chǎn)品質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦系數(shù)和外力等物理屬性密切相關(guān)[2]；

2） 基于幾何模型的裝配模擬方法得到的是一種理論可行的結(jié)果，沒(méi)有考慮實(shí)際操作過(guò)程中動(dòng)作和路徑的不穩(wěn)定性等因素，而這些因素會(huì)導(dǎo)致組件被刮擦、質(zhì)心偏移和干涉等問(wèn)題；

3） 目前虛擬裝配研究中對(duì)產(chǎn)品考慮較多，而實(shí)際裝配時(shí)，除產(chǎn)品本身外，還與裝配人員、裝配工藝和裝配環(huán)境密切相關(guān)；只有綜合考慮這些因素的虛擬裝配，才能反映實(shí)際操作過(guò)程中產(chǎn)品可裝配性、裝配工藝合理性、裝配工具可達(dá)性和人機(jī)功效等問(wèn)題；

4） 目前虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境沒(méi)有提供友好、真實(shí)人機(jī)接口，如缺乏模擬真實(shí)操作作用力的力生成與反饋設(shè)備，導(dǎo)致操作人員難以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行裝配和維修作業(yè)，從而影響其對(duì)產(chǎn)品裝配和維修模擬的逼真程度和評(píng)估的有效性[3]。

1 影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量因素

產(chǎn)品的裝配質(zhì)量是指按裝配工藝所得到的產(chǎn)品的功能性和可用性，即對(duì)設(shè)計(jì)要求的符合程度，它由裝配過(guò)程決定，而設(shè)計(jì)過(guò)程和制造過(guò)程通過(guò)影響裝配過(guò)程而顯著影響產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。實(shí)際產(chǎn)品裝配中暴露的問(wèn)題如下：

1） 工裝問(wèn)題：由于產(chǎn)品尺寸公差設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致工裝不能正常使用；

2） 裝配配合問(wèn)題：彈簧與裝配體配合過(guò)緊，螺紋孔深度不夠問(wèn)題，導(dǎo)致連接不緊；

3） 裝配干涉問(wèn)題：螺紋與螺柱干涉；剛性件與電纜干涉，導(dǎo)致電纜保護(hù)層破損，電纜插頭卡子根部斷裂；

4） 電纜裝配：自由電纜長(zhǎng)度確定不合適、預(yù)留空間不合理；

5） 視覺(jué)不可達(dá)性問(wèn)題：由于不能看見(jiàn)裝配體或裝配工具，很難完成規(guī)定操作；

6） 力的要求：對(duì)裝配力大小有嚴(yán)格要求的裝配操作，沒(méi)有選用測(cè)力裝置，造成裝配力大小控制不當(dāng)，嚴(yán)重影響裝配體質(zhì)量。

在實(shí)際裝配過(guò)程中暴露的裝配問(wèn)題，反映了在裝配設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)充分考慮產(chǎn)品、裝配資源、裝配工藝和裝配人員因素的影響。產(chǎn)品裝配質(zhì)量不僅與產(chǎn)品密切相關(guān)，而且與裝配資源、裝配工藝、人的因素密切相關(guān)，考慮裝配四要素影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量的因素組成見(jiàn)圖1。

圖1 影響產(chǎn)品質(zhì)量因素組成

2 不確定性因素分析

基于幾何模型的虛擬裝配由于不考慮產(chǎn)品、裝配工具物理屬性，其仿真結(jié)果僅是理論可行的結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品裝配可行性驗(yàn)證，必須考慮產(chǎn)品實(shí)際裝配過(guò)程中的不確定性因素。

2.1 產(chǎn)品

2.1.1 幾何特性

在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能要求，會(huì)存在盲裝類問(wèn)題。雖然可設(shè)計(jì)輔助定位，由于實(shí)際裝配過(guò)程中視覺(jué)不可達(dá)，會(huì)出現(xiàn)裝配定位不確定性及裝配路徑不確定性。如何通過(guò)交互式裝配仿真來(lái)評(píng)價(jià)其裝配性，考慮視覺(jué)不可達(dá)、在進(jìn)行裝配性仿真驗(yàn)證時(shí)，如果通過(guò)對(duì)模型半剖方式，進(jìn)行裝配仿真，這與實(shí)際裝配不相符，需建立表面接觸力模型[4]，通過(guò)力反饋方式引導(dǎo)操作人員完成裝配仿真。對(duì)于虛擬裝配培訓(xùn)、就可以把模型半剖，讓培訓(xùn)者可看見(jiàn)實(shí)際不能看見(jiàn)的裝配情況，通過(guò)多次虛擬裝配培訓(xùn)，達(dá)到培訓(xùn)目的。

2.1.2 物理屬性

產(chǎn)品的物理屬性包含的因素較多，這里分析重力、剛度對(duì)產(chǎn)品裝配過(guò)程不確定性的影響。裝配過(guò)程中由于重力的影響，會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品拾取、移動(dòng)、定位過(guò)程中不穩(wěn)定性（位置和姿態(tài)）[5]。通過(guò)剛體動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，建立產(chǎn)品從不穩(wěn)定態(tài)到穩(wěn)定態(tài)的變化模擬方法，模擬產(chǎn)品實(shí)際裝配路徑。剛度是指零件在外力作用下的變形情況。對(duì)于薄壁剛性件或非金屬材料，在實(shí)際裝配過(guò)程中由于外力的作用會(huì)存在變形。為了真實(shí)反映裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)受力和變形情況，可與結(jié)合有限元分析或理論分析技術(shù)，實(shí)時(shí)顯示裝配體的受力和變形情況，從而指導(dǎo)操作者進(jìn)行裝配。如某產(chǎn)品的在進(jìn)行鏡面組件的裝配過(guò)程中，通過(guò)對(duì)裝配力的模擬，生成和反饋裝配力，從而控制夾持應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力夾持。通過(guò)結(jié)合力學(xué)計(jì)算分析的結(jié)果，可視化顯示隨著裝配力的變化，顯示鏡面應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，保證裝配/維修過(guò)程中滿足鏡面最小變形要求，如圖2所示。通過(guò)多次虛擬裝配仿真，探尋最合適的裝配工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 裝配資源

在實(shí)際裝配過(guò)程中，除了產(chǎn)品本身的因素外，部分裝配問(wèn)題是由于裝配工具與裝配環(huán)境的影響產(chǎn)生的[6]。在某產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于裝配環(huán)境復(fù)雜，剛性管道較多，而裝配工具是一個(gè)多轉(zhuǎn)軸的設(shè)備，不是一個(gè)固定的外形，其外形由其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型來(lái)確定。如何驗(yàn)證裝配工具移動(dòng)、安裝不與裝配環(huán)境干涉。由于裝配工具有多個(gè)自由轉(zhuǎn)軸，必須建立裝配工具的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，而不是一個(gè)確定的構(gòu)形，在每一個(gè)可能發(fā)生干涉的位置，基于裝配工具的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型改變裝配工具的不同姿態(tài)來(lái)探測(cè)其是否能夠正常通過(guò)，根據(jù)求解結(jié)果判斷裝配工具是否與裝配環(huán)境發(fā)生干涉，如果干涉，再通過(guò)交互式裝配仿真來(lái)驗(yàn)證，確認(rèn)發(fā)生干涉后可考慮修改裝配工具或更改安裝工藝來(lái)解決。

圖2 鏡面組件裝配過(guò)程中鏡面應(yīng)力分析

2.3 裝配人員

隨著產(chǎn)品的復(fù)雜性越來(lái)越高，且許多裝配工作仍然由人來(lái)完成，裝配人員使用的設(shè)備和程序也越來(lái)越復(fù)雜，在虛擬裝配中裝配人員的因素是必須考慮的環(huán)節(jié)。由于目前虛擬現(xiàn)實(shí)硬件技術(shù)的制約，如數(shù)據(jù)手套的靈敏度不高，位置傳感器反饋的數(shù)據(jù)跳變性較大，會(huì)導(dǎo)致在虛擬裝配和維修模擬過(guò)程中VR外設(shè)操作虛擬對(duì)象的不穩(wěn)定，會(huì)影響虛擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)路徑，從而影響仿真結(jié)果的有效性和仿真可視化的真實(shí)性。并且虛擬裝配系統(tǒng)中沒(méi)有令人滿意的觸覺(jué)反饋，裝配路徑難免會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。在進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃方面，虛擬對(duì)象在用戶的控制下在裝配環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)，用戶在裝配過(guò)程中操作不確定性，導(dǎo)致虛擬對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法通過(guò)方程表示，其是由離散的時(shí)間采樣點(diǎn)表示，可通過(guò)曲線擬合的方法來(lái)平滑規(guī)劃的裝配路徑。在交互式仿真驗(yàn)證方面，再現(xiàn)裝配人員操作的不確定性，通過(guò)交互式仿真，驗(yàn)證裝配可行性。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 真實(shí)的裝配模擬

虛擬裝配在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成熟程度主要取決于它對(duì)實(shí)際裝配模擬的逼真程度。為了更加真實(shí)模擬實(shí)際裝配過(guò)程，必須考慮裝配過(guò)程的不確定因素，因此需在虛擬產(chǎn)品建模和虛擬裝配仿真方面開(kāi)展深入的研究。目前數(shù)字化模型的虛擬裝配過(guò)程尚不能取代物理模型的裝配過(guò)程，這就限制了其應(yīng)用范圍。隨著工業(yè)界應(yīng)用要求的提高以及基于物理屬性建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多模式人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，虛擬裝配擬實(shí)化程度必將逐步提高，虛擬裝配技術(shù)將在工業(yè)界得到大量的應(yīng)用，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期并節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

3.2 完善的裝配評(píng)估/驗(yàn)證

目前虛擬裝配研究重點(diǎn)提供產(chǎn)品本身的裝配評(píng)估與驗(yàn)證功能，而對(duì)裝配過(guò)程中涉及的裝配資源、裝配工藝和裝配人員考慮不足。而實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，影響裝配性能因素有很多，然而目前的虛擬裝配研究并未提供對(duì)這些影響因素進(jìn)行完善評(píng)估與驗(yàn)證的功能。因此，虛擬裝配系統(tǒng)需要提供更完善的裝配評(píng)估與驗(yàn)證功能。

3.3 高度的集成化

目前國(guó)內(nèi)外研究的虛擬裝配系統(tǒng)大都通過(guò)接口從商用CAD系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品的數(shù)字化模型以及設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，這一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程比較繁瑣，同時(shí)虛擬裝配仿真結(jié)果、改進(jìn)設(shè)計(jì)意見(jiàn)和建議不能很好地反饋到CAD系統(tǒng)中。為了更加真實(shí)模擬產(chǎn)品的裝配過(guò)程，虛擬裝配系統(tǒng)還需反映針對(duì)物理屬性所進(jìn)行的有限元分析的結(jié)果，在虛擬裝配環(huán)境中，讓用戶能夠更直觀的查看有限元分析結(jié)果。要充分發(fā)揮虛擬裝配系統(tǒng)的功能并促進(jìn)其發(fā)展，要求虛擬裝配系統(tǒng)與目前已有的設(shè)計(jì)與分析工具能夠?qū)崿F(xiàn)集成?？紤]目前許多CAD系統(tǒng)已集成力學(xué)分析功能，今后在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中集成裝配性分析和力學(xué)分析功能將是一個(gè)比較可行的解決途徑。

4 結(jié)論

通過(guò)分析實(shí)際裝配過(guò)程中暴露的問(wèn)題，基于裝配四要素，給出了影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量的因素。針對(duì)產(chǎn)品、裝配資源和裝配人員，給出了影響虛擬裝配仿真過(guò)程的不確定性因素，提出了解決思路。為了考慮裝配仿真過(guò)程中的不確定因素，更加真實(shí)的模擬實(shí)際裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品裝配性完善、有效地評(píng)估與驗(yàn)證，還需在以下方面開(kāi)展深入的研究工作：

1） 基于物理屬性的虛擬裝配建模研究；

2） 研究基于多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)原理的虛擬對(duì)象行為特性，模擬裝配過(guò)程中重力、摩擦力、預(yù)緊力等力的作用；

3） 研究裝配模擬中的操作作用力的模擬方法，建立操作作用力的生成模型及反饋方法；

4） 考慮“產(chǎn)品、資源、工藝、人員”四要素的裝配仿真方法研究；

5） 虛擬裝配系統(tǒng)與CAD、CAE等設(shè)計(jì)、分析系統(tǒng)的集成方法研究。

[1] 寧汝新, 鄭軼. 虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2005, 16(15).

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Analysis of uncertainty factors in virtual assembly process

YANG Yun-bin, OU Yang-yong, SUN Su-mei, CHEN Gang, He Liang-li

TP391

B

1009-0134(2011)5(下)-0063-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).19

2010-11-13

中國(guó)工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金資助（2009A0203011）

楊云斌（1970－），男，四川德陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與評(píng)估方法、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究工作。