虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

任慧娟 肖福禮 金守峰

摘要：

隨著虛擬裝配技術(shù)的不斷完善，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步。作為工業(yè)生產(chǎn)制造前端設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)，不斷向虛擬裝配、虛擬制造方向發(fā)展。為了更好的將虛擬裝配技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提出了融合虛擬裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃，解決產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段設(shè)計(jì)與制造的瓶頸問(wèn)題，有利于工業(yè)設(shè)計(jì)方法的融合創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：

虛擬裝配; 工業(yè)設(shè)計(jì); 產(chǎn)品設(shè)計(jì); 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）技術(shù)的日趨完善，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程逐漸向虛擬環(huán)境的展現(xiàn)方式發(fā)展，工業(yè)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期變得更短[13]。虛擬裝配作為工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)的新方式，能夠基于計(jì)算機(jī)圖像學(xué)，在計(jì)算機(jī)中展現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品的外觀、造型、結(jié)構(gòu)、空間及裝配等信息。通過(guò)虛擬方式的展現(xiàn)，能夠減少產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段的生產(chǎn)周期，方便概念設(shè)計(jì)的修改，檢驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的空間布局及干涉。

目前，虛擬裝配在工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用中主要應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品、汽車(chē)等領(lǐng)域，應(yīng)用的廣度與深度領(lǐng)域具有較大的發(fā)展空間[46]。趙燕提出了基于云平臺(tái)與三維仿真技術(shù)的農(nóng)機(jī)虛擬智能裝配系統(tǒng)，闡述了農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的虛擬裝配應(yīng)用技術(shù)[7]。孫漢琴提出了汽車(chē)領(lǐng)域虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)，并驗(yàn)證了生產(chǎn)的高效性[8]。吳光輝將虛擬裝配技術(shù)運(yùn)用在汽車(chē)鈑金沖壓模中，輔助沖壓模的設(shè)計(jì)制造[9]。張爽華將虛擬裝配技術(shù)運(yùn)用在滾筒洗衣機(jī)裝配設(shè)計(jì)領(lǐng)域[10]。熊巍提出了基于人機(jī)交互的虛擬裝配平臺(tái)研究[11]。翟上等人提出了虛擬裝配在《CAD/CAE課程設(shè)計(jì)》中的應(yīng)用[12]。

由于工業(yè)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品領(lǐng)域諸多，為了找到融合虛擬裝配工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用方法，需要進(jìn)行合理的裝配工藝規(guī)劃，建立新型設(shè)計(jì)創(chuàng)新流程，提高工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

1虛擬裝配與工業(yè)設(shè)計(jì)

虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，也是虛擬制造過(guò)程中最為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。利用計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境借助硬件交互設(shè)備，將虛擬零件模型進(jìn)行裝配操作，模擬真實(shí)的裝配環(huán)境，并提供實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)、裝配工藝路徑、裝配約束及裝配序列等功能。通過(guò)虛擬裝配技術(shù)，可以提供產(chǎn)品的可裝配性、裝配序列、裝配過(guò)程等信息，并生成裝配報(bào)告，能夠很好地記錄工業(yè)產(chǎn)品的裝配屬性，輔助工業(yè)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)。

虛擬與現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供虛擬環(huán)境下的人機(jī)交互，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)能夠利用VR技術(shù)，建立語(yǔ)音、體感、意識(shí)等形式交互方式，進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的人機(jī)交互，設(shè)計(jì)具有滿(mǎn)足使用者精神需求的產(chǎn)品。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，可以更加精確地模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在虛擬裝配領(lǐng)域的應(yīng)用能夠計(jì)算模型間的配合精度，生成裝配方案，以期實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品裝配，減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。

2典型工業(yè)設(shè)計(jì)的一般流程

在某項(xiàng)產(chǎn)品被設(shè)計(jì)的過(guò)程中，典型工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程首先進(jìn)行顧客的需求分析，調(diào)研市場(chǎng)及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，將搜集的資料分析找出產(chǎn)品的差異性或消費(fèi)者的痛點(diǎn)，然后確定產(chǎn)品的定位，通過(guò)查閱生產(chǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)要求。整理以上所需的資料后開(kāi)始產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施。典型的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

虛擬裝配作為設(shè)計(jì)實(shí)施的前端設(shè)計(jì)，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助的方式展現(xiàn)使用者的需求、產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)、外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配工藝規(guī)劃，能夠直觀的表現(xiàn)產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)流程。通過(guò)虛擬裝配仿真后的模型及工藝能夠檢驗(yàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜程度，便于后期的設(shè)計(jì)實(shí)施。

3虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的工藝規(guī)劃

工業(yè)產(chǎn)品的生命從可行性分析到產(chǎn)品的生命結(jié)束都是以市場(chǎng)顧客的需求驅(qū)動(dòng)的，這種需求在產(chǎn)品的消費(fèi)前的生命階段尤為重要，產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者的需求、符合消費(fèi)者消費(fèi)觀念，才能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。而產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是多種目標(biāo)綜合體現(xiàn)的過(guò)程，為了在虛擬裝配領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化表述產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程，需要對(duì)開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化加權(quán)，利用模糊目標(biāo)與模糊約束，構(gòu)造多目標(biāo)的優(yōu)化算法，規(guī)劃虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工藝規(guī)劃，設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。融合虛擬裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃，如圖2所示。

融合虛擬裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在典型工業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程基礎(chǔ)上，增加了虛擬裝配技術(shù)，從概念設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品功能定位到選材、質(zhì)量?jī)r(jià)格評(píng)估到虛擬裝配最后生產(chǎn)加工。減少了設(shè)計(jì)與制造之間的瓶頸問(wèn)題，虛擬裝配提供了設(shè)計(jì)師與工程師的標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言，便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行，減少設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效率。

4虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了更好的檢驗(yàn)虛擬裝配在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要作用，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將驗(yàn)證典型工業(yè)設(shè)計(jì)與融合虛擬裝配技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的重要程度。工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程是產(chǎn)品不斷優(yōu)化的過(guò)程，同時(shí)也是與客戶(hù)溝通后再設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)修改的過(guò)程。在一項(xiàng)課題開(kāi)始后，決定項(xiàng)目生命周期的過(guò)程主要由各環(huán)節(jié)的時(shí)間決定，為了更好定量驗(yàn)證工業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的時(shí)間，避免其他因素對(duì)時(shí)間的影響，建立一般工業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的流程框圖，便于統(tǒng)計(jì)計(jì)算各環(huán)節(jié)所用時(shí)間。一般工業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的流程框圖，如圖3所示。

利用圖3過(guò)程，統(tǒng)計(jì)從項(xiàng)目洽談到概念設(shè)計(jì)再到詳細(xì)設(shè)計(jì)最后生產(chǎn)制造的時(shí)間，利用各環(huán)節(jié)的時(shí)間變量，確定影響工業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要成分。利用問(wèn)卷調(diào)查法統(tǒng)計(jì)了10位教師同一項(xiàng)目在各環(huán)節(jié)中運(yùn)用的時(shí)間，

N1-N3為各環(huán)節(jié)的累加器個(gè)數(shù)，記錄該環(huán)節(jié)修改次數(shù)。記T（T1，T2，…，Tn）為項(xiàng)目總時(shí)間，t（t1，t2，t3，t4）分別為概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造與項(xiàng)目洽談環(huán)節(jié)的用時(shí)，則有單個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間如式（1）。

按照式（1）統(tǒng)計(jì)10位教師在各環(huán)節(jié)的用時(shí)，單位（天），并利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果如表1所示。

利用SPSS軟件計(jì)算出該樣本數(shù)據(jù)的解釋的總方差圖與成分矩陣圖，如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，被提取出的兩個(gè)主成分特征根分別為1.982、1.010，通過(guò)成分矩陣與主成分特征根可以算出主成分線性組合系數(shù)，進(jìn)而可以算出綜合得分模型的系數(shù)，得出主成分載荷，如式（2）、式（3）。

其中y1表示第一主成分，y2表示第二主成分。

通過(guò)主成分分析，在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造過(guò)程占據(jù)了主要的比重，因此優(yōu)化該階段的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)能夠更為有效的降低工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合表1的修改次數(shù)統(tǒng)計(jì)能夠直觀看出，融合虛擬裝配技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)能夠減少在詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的修改次數(shù)，大大節(jié)約時(shí)間成本。

5總結(jié)

本文圍繞虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)新型計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究并運(yùn)用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，提高了傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)方法存在的市場(chǎng)需求滯后性。利用虛擬裝配技術(shù)，工業(yè)設(shè)計(jì)能夠短時(shí)間內(nèi)建立用戶(hù)的需求模型及裝配方案，能夠通過(guò)模型功能定位、形式與材料、生產(chǎn)加工方式、成本與生產(chǎn)周期預(yù)估，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法驗(yàn)證，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠大大減少工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。通過(guò)對(duì)虛擬裝配技術(shù)的深入研究、結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法提出了融合虛擬裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃，以期使工業(yè)設(shè)計(jì)的方法更加簡(jiǎn)便有效。

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（收稿日期： 2020.01.20）

基金項(xiàng)目：

中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技項(xiàng)目（2016091、2019064）;西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201805030YD8CG1416）

作者簡(jiǎn)介：

任慧娟（1975），女，碩士，工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)、工業(yè)工程技術(shù)。

尚福禮（1990），男，碩士，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。

金守峰（1979），男，博士，副教授，研究方向：機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。

文章編號(hào)：1007757X（2020）08000903