虚拟装配关键技术及其应用

1）虚拟装配的概念

采用计算机、多媒体、网络技术等多种手段构造虚拟境界，使参与者获得与现实世界相类似的感觉称为虚拟现实（VR，Virtual Reality）。

以虚拟现实、计算机仿真技术等为基础，利用制造系统模型，完成制造系统各环节计算与仿真称为虚拟制造（VM，Virtual Manufacturing）。虚拟制造实现了制造的本质过程，可以模拟和预估机器功能、性能、可加工性等，提高预测与决策水平。

无须产品或支撑的装配过程的物理实现称为虚拟装配（VA，Virtual Assembly）。虚拟装配主要研究内容有虚拟环境下装配顺序和路径、虚拟装配建模、装配中人机因素分析、装配任务培训等。

2）机器的虚拟装配技术作用

机械制造行业的竞争日趋激烈，能否以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本、最优的服务来赢得市场和用户，成为现代制造企业在激烈的市场竞争中取胜的关键。为了适应变化迅速的市场需求，企业必须考虑先进的产品研制方法、手段以及实施途径，以此来保证产品的研制质量、降低开发成本、缩短设计周期，提高企业的竞争力。随着计算机软硬件技术的发展和网络技术的进步，全球化、网络化和虚拟化已经成为制造业发展的重要特征，越来越多的企业在新产品开发的过程中采用数字化技术，用数字模型代替众多昂贵的实体进行设计验证。

数字模型是根据产品开发过程中所有的技术数据完成的，工程技术人员用其代替实体原型来进行空气动力学分析、人机工程学的研究、碰撞测试等，但在这些研究分析过程中，技术人员不能与虚拟对象进行真实的互动，没法得到精确的力量反馈，缺乏现场的真实感觉，一些研发数据缺乏可信度，尤其是在进行机械产品设计、装配、拆卸与维护的研究时。虚拟现实技术的出现为解决以上问题创造了良好的条件，并带来生产领域中方法和观念上的变革。

3）虚拟装配关键技术

虚拟装配关键技术如下：

（1）虚拟装配环境构建：包括虚拟环境描述与管理，装配动作与感觉信息相互关系处理，感觉信息综合方法，输入、输出驱动规则等。

（2）装配过程中作用力分析：把零件微观接触状态拓展为宏观世界，瞬时接触延续为虚拟空间“慢动作”，分析数据可视化处理。

（3）自动生成装配规划：寻找最优装配顺序序列。(https://www.xing528.com)

（4）虚拟环境中人的知识和技巧的映射：研究人手模型虚拟环境中的映射，检测和处理人的装配动作信号，装配过程实时交互。

（5）零件物理学属性的虚拟：包括零件物理属性（材质、密度、色彩、韧性等）和运动属性（速度、加速度、作用力等）。

虚拟装配关键技术也可用图9-48来概括。

图9-48　虚拟装配关键技术

4）虚拟装配的类型

（1）以产品设计为中心的虚拟装配。以产品可装配性全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计、修改，最终保证设计的产品具有良好的可装配性。

虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策，在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术。它结合面向装配设计（DFA，Design For Assembly）理论和方法，基本任务就是从设计原理方案出发，在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图。它以产品可装配性的全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计修改。最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的，从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人因工程和环保等社会因素。

（2）以装配工艺规划为中心的虚拟装配。针对产品的装配工艺设计问题，基于产品信息模型和装配资源模型，采用计算机仿真和虚拟现实技术进行产品的装配工艺设计，以获得可行且较优的装配工艺方案，指导实际装配生产。根据涉及范围和层次的不同，又分为系统级装配规划和作业级装配规划。前者是装配生产的总体规划，主要包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、资源分配、装配车间布置、装配生产线平衡等内容，是装配生产的纲领性文件。后者主要指装配作业与过程规划，主要包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定、操作空间的干涉验证、工艺卡片和文档的生成等内容。

工艺规划为中心的虚拟装配，以操作仿真的高逼真度为特色，主要体现在虚拟装配实施对象、操作过程以及所用的工装工具，均与生产实际情况高度吻合，因而可以生动直观地反映产品装配的真实过程，使仿真结果具有高可信度。

（3）以虚拟原型为中心的虚拟装配。虚拟原型是利用计算机仿真系统在一定程度上实现产品的外形、功能和性能模拟，以产生与物理样机具有可比性的效果来检验和评价产品特性。传统的虚拟装配系统都是以理想的刚性零件为基础，虚拟装配和虚拟原型技术的结合，可以有效分析零件制造和装配过程中的受力变形对产品装配性能的影响，为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段。以虚拟原型为中心的虚拟装配主要研究内容包括考虑切削力、变形和残余应力的零件制造过程建模、有限元分析与仿真、配合公差与零件变形，以及计算结果可视化等方面。

虚拟装配和虚拟原型技术结合，可分析装配过程中受力变形对产品装配性能影响，为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段。