虛擬裝配在車輛專業(yè)訓練中的應用研究

李 淵，崔 祚

(1.中國人民解放軍32161部隊，新疆 庫爾勒市 841000；2.貴州理工學院航空航天工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

隨著裝備現(xiàn)代化和裝備升級改造的不斷推進，車輛的零部件數(shù)量和種類越來越多，構造復雜，各零件裝配關系復雜且裝配工藝方法較多。而在車輛專業(yè)訓練中，人員必須要經(jīng)過零部件設計、裝配、調(diào)試、制造、工裝設計和工藝協(xié)調(diào)等復雜訓練，并將每一步程序落實到培訓的每個過程，這就使得車輛專業(yè)訓練費時費力。以車輛裝配為例，裝配過程是將各種零部件組裝成產(chǎn)品的過程，起始于產(chǎn)品設計，終結于產(chǎn)品報廢，貫穿在產(chǎn)品生命周期的全過程。整體工藝設計流程繁瑣，且裝配工藝設計完成后很難得到直接驗證，這導致復雜的工藝流程經(jīng)常出現(xiàn)設計不合理情況，因此研究裝配仿真技術對提高車輛專業(yè)訓練效果具有重要意義。

虛擬裝配是一種根據(jù)汽車三維幾何信息和裝配順序、裝配工藝等信息，采用計算機仿真、虛擬現(xiàn)實技術以及人機互動等多項技術進行裝配的模擬。這是車輛專業(yè)訓練數(shù)字化的重要環(huán)節(jié)，利用計算機在產(chǎn)品裝配信息模型基礎上進行三維虛擬裝配過程仿真和分析，同時應用人體工程學理論驗證人在裝配環(huán)境下的舒適度、可達性，優(yōu)化裝配工藝，指導現(xiàn)場裝配。虛擬裝配是車輛專業(yè)訓練的重要環(huán)節(jié)，可用于驗證裝配設計和操作正確與否，對分析車輛復雜系統(tǒng)設計與制造起著重要作用。因此，研究虛擬裝配過程仿真可以在樣車裝配之前將存在的各種不協(xié)調(diào)問題暴露并解決，有效地縮短裝配周期，從而提升車輛專業(yè)訓練的效率。

目前，數(shù)字化已經(jīng)成為裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢，國內(nèi)外較先進的汽車公司的設計部門在產(chǎn)品設計階段已經(jīng)普遍應用CATIA、UG、Pro/E等三維設計軟件，已經(jīng)在產(chǎn)品工藝階段和樣機試制過程中實現(xiàn)了數(shù)字化虛擬裝配。經(jīng)統(tǒng)計，在車輛行業(yè)應用虛擬裝配技術，樣車研發(fā)的時間階段由3輪減少為1～2輪，樣本數(shù)由3～5輛縮少至1～2輛。部分車輛部件的裝配周期可縮短30%～60%，整車裝配效率提高30%～40%，裝配成本減少30%以上，同時大大提高了車輛裝配效率[1]。隨著車輛裝配難度不斷提高，車輛專業(yè)訓練虛擬裝配技術的研究勢在必行。因此，在車輛專業(yè)訓練過程中，如何提前設計出合理的裝配方案，如何優(yōu)化裝配工藝，如何有效減小裝配精度和提高裝配效率，這些內(nèi)容對車輛專業(yè)訓練有著重要實踐意義。

1 虛擬裝配的行業(yè)背景

20世紀90年代中期，以信息集成為核心的先進制造技術得到了新進展，出現(xiàn)了虛擬制造和虛擬裝配等新概念，是CAD/CAM/CAE集成化發(fā)展的最高層次。

虛擬裝配技術的研究在國外的研究較早，應用面也較廣。Jayaram等人最早研發(fā)了“虛擬裝配設計環(huán)境” VADE系統(tǒng)，開啟了虛擬制造領域的大門[2]。隨后，德國、美國、英國、日本等多個國外的研討機構及高校都相繼展開了虛擬裝配的研究[3，4]。例如，德國Fraunhofer研究所進行了基于虛擬現(xiàn)實的裝配規(guī)劃系統(tǒng)的研究與開發(fā)；BMW公司利用虛擬技術對汽車裝配流程的合理性加以測試；美國Sandia實驗室分析了用于生成優(yōu)化和檢查裝配工藝的交互式裝配規(guī)劃系統(tǒng)；英國Heriot-Watt大學研發(fā)了能對裝配知識提取與評價等功能的UVAVU系統(tǒng)；日本Nabe等開發(fā)了機械零件的可裝配性驗證系統(tǒng)，可在虛擬環(huán)境下進行裝配分析。與此同時，虛擬裝配軟件也發(fā)展迅速，如達索公司的CATIA和DELMIA軟件，西門子公司的Tecnomatix和Vis-Mockup軟件等，這些軟件能夠生成可視化裝配過程，并用于指導裝配和進行專業(yè)訓練。

國內(nèi)虛擬裝配技術研究起步較晚，但近年虛擬裝配理論和應用研究較多，建立了多個虛擬裝配試驗室[5-8]。例如，西工大CAD/CAM重點實驗室基于CATIA軟件平臺開發(fā)了VASS系統(tǒng)；北理工基于WTK9.0開發(fā)了虛擬裝配原型系統(tǒng)及半沉浸式裝配仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的碰撞檢測、裝配定位和導航功能；浙江大學等研發(fā)了VDVAS虛擬裝配設計系統(tǒng)，可通過交互式操作在虛擬環(huán)境下對零件的模型信息進行修改，具有很高的可靠性；哈工大研發(fā)了沉浸式裝配仿真系統(tǒng)I-VADS，能夠應用任意三維模型構建虛擬環(huán)境進行裝配仿真。

在應用方面，我國各大航空公司首先引用虛擬裝配技術，建立了裝配工藝設計和仿真系統(tǒng)，進行了虛擬裝配工藝設計和可視化裝配過程仿真。在成飛的ARJ21項目研制中，基于DELMIA軟件平臺進行工藝規(guī)劃和虛擬裝配仿真，最終輸出二維工藝報表。雖然當前國內(nèi)已經(jīng)開始應用虛擬裝配技術，但是仍然局限于部分項目和特定型號的裝配工作中，在車輛裝配領域尚未得到廣泛應用。因此，開展虛擬裝配技術對車輛專業(yè)訓練的研究是非常必要的。

2 虛擬裝配關鍵技術

2.1 虛擬裝配的技術目標

虛擬裝配是一種基于數(shù)字化建模、計算機仿真和虛擬現(xiàn)實等技術，在虛擬開發(fā)平臺上完成產(chǎn)品裝配過程。

在車輛專業(yè)訓練過程中，以CATIA、Solid Works、Pro/E代表三維建模軟件為基礎，重點分析車輛裝配的關鍵步驟，應用虛擬技術實現(xiàn)車輛裝配過程，并對裝配場景進行檢測和演示，進而讓訓練人員通過虛擬操作把握要點，提高提高車輛專業(yè)訓練零部件裝配水平。

2.2 虛擬裝配對車輛專業(yè)訓練的意義

通過虛擬裝配工藝設計、裝配過程仿真，能夠很好地提升車輛設計、工藝、制造的數(shù)字化能力，使其在車輛專業(yè)訓練方面有如下優(yōu)勢：

(1)在樣車實際裝配之前，通過裝配過程仿真，及時發(fā)現(xiàn)樣車設計、工藝設計、工裝設計存在的問題，有效地減少裝配缺陷，減少因裝配干涉等問題而進行的工程更改，通過虛擬裝配切實保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量。

(2)裝配仿真過程產(chǎn)生的圖片、視頻錄像直觀地演示裝配仿真，可用于對維修人員的培訓，使訓練人員更容易理解裝配工藝，減少了裝配過程的反復和人為差錯。

(3)在車輛裝配方面，可降低技術協(xié)調(diào)成本，及時規(guī)劃和評估培訓工時、三維工藝布局、車間資源等信息，提高車輛訓練的效率，也有利于快速開發(fā)改進樣車。

2.3 虛擬裝配的關鍵技術

車輛裝配具有結構件數(shù)量多、裝配工藝和裝配關系復雜、裝配尺寸鏈多以及準確度高等難點。

在裝配過程仿真中，車輛零部件、工藝過程和現(xiàn)場資源數(shù)據(jù)交互，主要由輸入輸出管理模塊、場景管理模塊、裝配管理模塊、碰撞檢測模塊、約束管理模塊和路徑生成與管理模塊等組成[9]。其中，場景管理模塊用于處理車輛裝配場景；裝配管理模塊用于處理裝配選取、移動和釋放等操作；碰撞檢測模塊用于實時計算場景中是否存在碰撞；約束管理模塊為零部件運動提供導航。在車輛裝配仿真技術中，其關鍵技術包括以下幾個內(nèi)容。

(1)構建汽車裝配仿真環(huán)境，建立抓取、釋放以及安裝等裝配動作與裝配信息的相互關系。

(2)在虛擬裝配環(huán)境中，對車輛關鍵零部件進行參數(shù)化，分析裝配過程作用力，自動識別裝配約束關系，使瞬態(tài)分析過程展現(xiàn)為可視的動作過程。

(3)尋求最優(yōu)的零件裝配順序序列，重點解決裝配規(guī)劃技術中信息的動態(tài)流動及其可視化；分析訓練人員的裝配動作，通過人機交互正確生成裝配規(guī)劃。

(4)根據(jù)虛擬裝配動作，判斷虛擬裝配過程的有效性和準確度，收集裝配信息，然后優(yōu)化裝配規(guī)劃，完成虛擬裝配模擬過程。

3 虛擬裝配在專業(yè)訓練中的實施

虛擬裝配由虛擬現(xiàn)實軟件和虛擬現(xiàn)實外設設備兩部分協(xié)同工作，制造出交互性和沉浸性于一體的虛擬裝配環(huán)境。

在車輛專業(yè)訓練中，通過裝配過程仿真，可以提前暴露并解決實際裝配過程中的設計、工藝、制造等問題，有效地提高裝配質(zhì)量，縮短裝配周期。將虛擬裝配技術應用到車輛專業(yè)訓練中，需要通過數(shù)據(jù)手套操作虛擬手抓取車輛零部件，移動并完成各零件的配合，遵循工藝流程完成整個裝配過程，系統(tǒng)自動記錄零部件的裝配序列，裝配完成后生成裝配文件[10]。

在車輛專業(yè)訓練中，應用虛擬裝配仿真可實現(xiàn)：

(1)有效減少裝配更改次數(shù)，降低訓練成本。在虛擬環(huán)境下，利用虛擬現(xiàn)實工藝、人機交互仿真等技術，設計可行的裝配工藝，優(yōu)化并驗證現(xiàn)有的裝配工藝規(guī)劃。

(2)在虛擬環(huán)境中模擬裝配流程，以避免裝配現(xiàn)場各種裝配不協(xié)調(diào)問題；通過合理安排裝配順序、路徑、工藝方法、所用的夾具等，有利于順利完成裝配任務，提升車輛專業(yè)訓練水平。

(3)基于車輛產(chǎn)品零組件、工藝過程等數(shù)字化模型，通過三維可視交互的裝配過程仿真，輸出三維裝配流程的技術文檔。

(4)虛擬裝配技術在車輛設計制造過程、工藝指令的編制過程和人員的培訓過程中，能夠真正實現(xiàn)無紙化，并能很好地延伸到維護修理過程中。

4 虛擬裝配在車輛專業(yè)訓練中存在的困難

目前，CATIA、UG、SolidWorks、Pro/E等商業(yè)軟件在汽車行業(yè)得到了較好的應用，但與之相匹配的虛擬裝配技術還缺乏足夠的應用。在車輛專業(yè)訓練中，裝配依然采用傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃辦法，三維產(chǎn)品設計和傳統(tǒng)裝配工藝設計相脫節(jié)，這妨礙了車輛專業(yè)訓練的高效開展。對于虛擬裝配在車輛專業(yè)訓練中的應用，還存在著以下困難：

(1)汽車裝配工藝設計仍然以二維圖紙為主、三維模型為輔。在傳統(tǒng)裝配過程中，工藝員按照二維圖紙，根據(jù)經(jīng)驗構想出三維裝配順序，以書面報告的形式描述裝配工藝，裝配人員按照工藝文檔構建出三維裝配空間和裝配順序。該過程容易導致雙方理解有差異，增加裝配環(huán)節(jié)的出錯率。

(2)缺少典型部件裝配工藝知識庫。由于車輛裝備不斷的升級改型，缺少工藝設計知識數(shù)據(jù)庫。但在升級改型過程中，往往面對許多相似性的工藝問題，工藝人員會進行一些重復性工作。故后續(xù)應該總結車輛設計和制造過程中的各種專家裝配工藝設計經(jīng)驗，建立典型部件裝配工藝知識庫。

(3)缺少三維可視化的裝配工藝驗證。在裝配生產(chǎn)現(xiàn)場，用于指導實際裝配的仍是二維工藝文件，不夠形象、直觀，不便于操作者使用和理解。

5 結語

隨著車輛專業(yè)訓練要求逐步提高，虛擬裝配為車輛專業(yè)訓練提供了一種有效途徑。在車輛專業(yè)裝配訓練中，應用虛擬裝配工藝仿真技術，構建車輛關鍵零件及工裝的三維模型，進行裝配序列規(guī)劃、裝配過程仿真，驗證車輛裝配工藝，輸出三維可視化的裝配示教動態(tài)視頻，這有助于車輛專業(yè)訓練。虛擬化程度越高，專業(yè)訓練周期越短，車輛專業(yè)訓練效果越好。

本文結合虛擬裝配在車輛專業(yè)訓練中的應用，對虛擬裝配的關鍵技術進行探討，并對其實施過程以及存在的困難進行了論述?？傮w上，虛擬裝配讓人們在車輛專業(yè)訓練中構建零部件裝配序列，優(yōu)化裝配路徑，對比分析不同工藝的優(yōu)缺點，對復雜的裝配工作進行訓練，讓訓練人員掌握有效的方法，從而達到提升車輛專業(yè)訓練效果的目的。