虛擬裝配技術的發(fā)展現狀分析

陳瑤瑤，劉永霞，符純明

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，企業(yè)之間的競爭愈演愈烈，如何提高生產效率和產品質量、減少費用支出等成為當務之急。裝配作為產品生產的關鍵環(huán)節(jié)，極大地影響著產品的質量，然而傳統的人工加工主要還是依靠生產人員的經驗，在產品的實際裝配過程中才能發(fā)現設計中的問題，然后再進行修改，這樣將會消耗大量的時間，生產成本高，生產效率低。為提高裝配效率，將傳統手工裝配工位進行人—機器人協作改造已成為一種發(fā)展趨勢[1]。隨著產品生產逐漸朝著自動化方向發(fā)展，生產車間的生產工序正逐步被機器人所取代，然而由于產品的多樣化，該趨勢在短時間內難以得到快速發(fā)展。而虛擬裝配則可以極大地提高裝配效率、縮短生產周期、降低生產成本和提高產品質量。

1 虛擬裝配技術

在傳統機械設計中，零件的模型由SolidWorks等三維軟件來設計，裝配過程則由工程師執(zhí)行。如果產品在裝配時出現設計錯誤或者裝配順序不當，這時就需要修改設計方案和調整裝配順序，浪費大量的人力和物力。而虛擬裝配可以代替實際生產中工人和物件操作，在虛擬的環(huán)境下通過人機交互的方式對產品的各個零件進行裝配，可以將工藝過程、產品的所有物料等結合在一起進行仿真，并且在裝配設計階段對實際生產過程中的零件安裝是否準確、裝配流程和工藝順序是否合理、工作人員的工作姿態(tài)是否最優(yōu)等諸多問題進行有效的驗證，生成最符合實際生產的裝配工藝，從而減少生產費用的支出及生產資源的浪費，有效提高裝配效率。

虛擬裝配技術可分為以下三類：①以產品設計為中心：在產品的設計階段就對其裝配結構進行最優(yōu)化設計，確保產品的可裝配性；②以工藝規(guī)劃為中心：利用計算機和虛擬裝配技術對產品的裝配工藝過程進行設計，從而得到一種可行的、更好的裝配過程方案；③以虛擬原型為中心：對產品外觀、功能和性能進行系統仿真，并與實物原型、產品測試和評價進行比較。

2 國內外虛擬裝配系統的開發(fā)

虛擬裝配技術出現以后，大量的虛擬裝配系統被開發(fā)和應用。早期的虛擬裝配系統，如華盛頓州立大學VRCIM實驗室與美國國家標準技術研究所于1995年開發(fā)出的虛擬裝配技術環(huán)境VADE[2]，能夠將產品的參數信息導入到虛擬裝配環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中對產品進行裝配；英國Heriot-Watt大學于1997年開發(fā)了虛擬裝配規(guī)劃系統UVAVU[3],該系統能夠記住技術人員的裝配活動，從而獲取裝配意圖并提取裝配知識。

近年來又出現了一些新的虛擬裝配系統。21世紀初，法國達索公司推出了數字化裝配仿真平臺DELMIA系統，它將設計數據和實際生產數據相結合進行仿真和分析，得到最優(yōu)數據。浙江大學的CAD&CG國家重點實驗室建立了虛擬設計與虛擬裝配系統VDVAS[4]，工作人員可以直接通過三維操作選擇零部件并進行拆卸規(guī)劃，此外還對零件進行了靜、動態(tài)干涉分析，從而評估產品的可裝配性。Enrique Gallegos-Nieto[5]提出了一種新的基于觸覺的虛擬裝配系統，該系統在產品開發(fā)中作為裝配規(guī)劃工具，用于自動生成和客觀評估裝配計劃。Jayasekera[6]提出了一個獨立于CAD軟件包的裝配驗證系統，通過一個追蹤手的虛擬手模型來直觀地徒手操作零件模型。

虛擬裝配系統是一個復雜的系統，工程師在虛擬的環(huán)境進行裝配，這些虛擬裝配系統繼續(xù)向數字化和智能化的方向發(fā)展，能夠提供實時的、三維的交互環(huán)境，可以對裝配過程中產生的信息進行有效的管理。利用這些系統能夠對產品進行建模，并能夠對其設計進行合理的評價。

3 虛擬裝配關鍵技術的研究

虛擬裝配技術最早開始應用于航空航天領域，國外關于虛擬裝配技術的研究開始較早。近年來，許多學者對虛擬裝配仿真、虛擬裝配序列規(guī)劃及人機因素等方面進行了大量的研究，本文對這幾個關鍵技術進行了闡述。

3.1 虛擬裝配仿真研究

波音公司在研發(fā)B787客機時，整機采用基于模型的數字化定義的方式,實現了數字化裝配過程仿真[7]。賀江華[8]提出了“綜合性制造系統”的理念，基于排隊論建立了“綜合型制造系統”模型，對油泵泵體的加工進行了仿真分析,并提出了解決加工過程中擁塞的方案。西北工業(yè)大學當代設計與集成制造技術教育部重點實驗室和華南理工大學機械與汽車工程學院[9]提出了一種基于交互特征對的裝配仿真方法，用于解決基于約束的建模方法無法為裝配仿真提供足夠的交互信息的問題。

通過計算機仿真技術模擬在物理環(huán)境下符合實際裝配要求的產品，可以幫助技術人員尋找最優(yōu)的裝配策略，以驗證產品的可裝配性。虛擬裝配仿真研究可以在裝配前解決一些裝配過程中碰到的問題，可以預先驗證設計的裝配過程是否合理，優(yōu)化設計方案，極大地節(jié)省時間和空間成本，加速虛擬裝配的進程。

3.2 虛擬裝配序列規(guī)劃

Enomoto Atsuko等[10]提出一種控制面板完全自動化的裝配序列規(guī)劃方法，根據裝配過程和總裝配順序生成制造物料清單，進而生成最優(yōu)裝配序列。Aliev Khurshid等[11]通過預先編程的基本工作步驟生成裝配序列，提出了一種基于任務的編程方法來支持人機協同工作單元中的裝配過程。

趙衛(wèi)等[12]將約束蟻群算法用于裝配序列的優(yōu)化以獲得較優(yōu)的裝配序列，通過控制信息素殘留系數及轉移概率參數等避免了出現局部最優(yōu)解的現象，得到了全局最優(yōu)解。馬志明[13]采用增強煙花算法求解裝配序列規(guī)劃,根據裝配序列的特點來改變算法的參數,提高搜索速度與精度,增大了裝配序列求解的優(yōu)異性,從而確保了系統裝配演示的準確性。

虛擬裝配序列規(guī)劃是裝配工藝的基礎，近年來大量研究人員采用智能優(yōu)化算法求解虛擬裝配序列，利用智能優(yōu)化算法解決了零件數量過多而產生的組合爆炸問題，從而求得最優(yōu)裝配序列。另外，一些學者將裝配序列規(guī)劃問題與其他問題相結合，比如產品設計、零件拆卸等，這樣將減少二次規(guī)劃，提高了裝配序列規(guī)劃的效率。

3.3 虛擬目標拆卸

王昊等[14]引進了跳躍拆卸路徑的概念，建立以關聯關系模型為基礎的目標拆卸算法，用于解決之前模型中未考慮目標拆卸的問題，使目標的拆卸過程更具靈活性。劉東等[15]將“裝拆可逆”思路應用于運載器安裝件的裝配順序和路徑規(guī)劃,對運載器的裝配過程進行虛擬仿真,優(yōu)化裝配工藝,用于指導運載器總裝操作。

Mitrouchev Peter等[16]提出了一種生成選擇性拆卸序列的方法，通過考慮組件之間的幾何接觸和碰撞關系，從而生成拆卸幾何接觸圖，用于產生拆卸序列。Wang等[17]開發(fā)了基于Python編程語言的混合虛擬現實拆卸環(huán)境，為產品開發(fā)過程中拆卸序列的評估提供了重要的幫助。

技術人員通過交互工具對裝配體進行拆卸，可以記錄拆卸順序和拆卸路徑，對不可行的拆卸進行修改，同時還可以進行干涉檢查，縮短了裝配時間，提高了裝配效率；還可以根據自身的裝拆要求，開發(fā)不同算法和程序構建的裝配環(huán)境，在滿足自身需要的同時，也增強了虛擬裝配系統的靈活性和可靠性。

3.4 人機因素分析

人是虛擬裝配環(huán)節(jié)的重要因素，在虛擬裝配的過程中應充分考慮作業(yè)環(huán)境對工人的影響。虛擬人體可以模仿各種百分比的人體模型，對產品裝配的可視性、可達性等進行分析，從而得到客觀的分析，以驗證人機設計的合理性。

Binoosh等[18]在潛水泵軸的上端插入重約1.5公斤級套管的實驗時發(fā)現，工人工作時手臂彎曲約152°，這是種較差的工作姿態(tài)，結合人體工程學的干預，在虛擬姿勢分析的幫助下進行快速上肢評估(rapid upper limb assessment)，結果表明該工作姿勢存在較高的風險，需要改變工作姿勢來消除或減少與工人健康相關的風險。Vosniakos等[19]通過真人手持真實的工具，在機翼、固定裝置和工廠等都為虛擬的環(huán)境下鉚接組裝飛機機翼來評估大型機械零件的人工裝配，使參與的人員能夠對裝配系統進行主觀評估。

Xiong W等[20]提出了一種新的交互式裝配任務仿真框架，用于解決虛擬裝配環(huán)境下的人機交互效率和用戶體驗問題。吳珍發(fā)等[21]基于人機任務的自然語義分解，建立了快速規(guī)劃仿真任務和仿真自動生成的方法，解決了人機工程中人機動畫仿真交互工作量大、不能自動生成仿真過程且仿真結果不具有可編輯性等問題。

人機工程學主要是為了提升工人對裝配系統的掌控和理解，減少和消除裝配過程中的人身安全問題，減輕工人的工作量，同時使得工人以最優(yōu)的工作姿勢保持高效的裝配，最終達到質變和量變的統一。

4 虛擬裝配技術的發(fā)展趨勢

(1)CAD系統與虛擬裝配系統的集成化。目前所用的虛擬裝配系統都需要通過CAD系統來對零件進行設計，裝配過程仿真和修改信息則需要通過虛擬裝配系統反饋給CAD系統，兩者信息交流繁瑣。這時就需要將CAD系統與虛擬裝配系統集成化，確保信息的交換通暢。

(2)虛擬裝配系統的智能化。隨著人工智能和網絡通信的發(fā)展，產品的智能制造可以進一步得到實現。例如：虛擬裝配序列近年來多采用智能優(yōu)化算法來求解，人工智能將成為其發(fā)展的關鍵方向，所以虛擬裝配系統的智能化將成為今后發(fā)展的重要方向之一。

(3)網絡的協同化。由于產品設計日趨復雜，需要各個部門的協同參與，設計人員及生產工人等都需要參與到裝配過程中來，因此基于網絡的協同化發(fā)展將是虛擬裝配系統的發(fā)展方向之一。

(4)提高建模過程的合理性。由于是在理想環(huán)境下進行建模，沒有考慮刀具、溫度等因素對零件形位誤差和裝配精度的影響，會導致加工出來的零件在裝配過程中出現問題，滿足不了設計要求。

5 結語

虛擬裝配作為虛擬制造的重要組成部分受到了大量的關注，國內許多學者對其進行了研究并取得了一定的成果，部分虛擬裝配系統已應用于生產。在虛擬環(huán)境中對產品進行設計和制造，可以在虛擬裝配中及時發(fā)現問題，從而改進設計方案，使設計與制造周期縮短，提高產品質量。