装配过程仿真技术小结 (3500字)

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1.2装配过程仿真技术

当今世界，基于信息和知识的产品正在高速发展，这要求制造企业以最短的产品开发时间(time)、最优的产品质量(quality)、最低的成本(cost)和价格及最佳的务(service)－tqcs来赢得用户和市场[5]。而实现这一目标的方法，就是将系统科学、计算机科学、虚拟现实、人工智能等技术与制造技术相结合，形成全新概念的现代先进制造技术即虚拟制造。

近年来，许多国家进行了虚拟制造领域的研究与应用，特别是关于虚拟装配的研究与应用引起了人们的广泛关注。国外统计，目前制造业应用虚拟装配技术节约了25%的研制经费，并缩短了研制周期。英国tecnomatix技术有限公司开发的计算机辅助生产工程(cape)产品涉及到了设计、优化、制造可行性评价等技术；华盛顿州立大学开发的虚拟装配设计环境(vade)允许对系统进行计划、评估和改变，并将cad系统与沉浸式的虚拟环境紧密结合在一起[6]。这些充分证明了以获取知识为核心的现代设计方法，特别是并行设计和虚拟设计与制造技术己得到了长足的发展。

虚拟现实技术在并行工程中的应用即虚拟装配(virtual assembly,va)等作为一种强有力的计算机辅助工具，适应了并行工程及其发展的需要，必将对传统制造业进行一次新的变革。

虚拟装配是虚拟制造的关键组成部分，它利用计算机工具，通过分析、预测产品模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有关的工程决策，而不需要实物产品模型作支持。它从根本上改变了传统的产品设计、制造模式，在实际产品生产之前，首先在虚拟制造环境中完成虚拟产品原型代替实际产品进行试验，对其性能和可装配性等进行评价，从而达到全局最优，缩短产品设计与制造周期，降低产品开发成本，提高产品快速响应市场变化的能力。

虚拟装配是许多技术的综合利用，例如可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造过程的研究等等。仿真是实现虚拟装配的主要手段。

近年来，由于信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化技术、分布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展，使得建立人－机－环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，仿真因此形成一些新的发展方向，如可视化仿真(visual simulation,vs)、多媒体仿真(multimedia simulation,ms)和虚拟现实仿真(virtual reality simulation,vrs)等。这3种仿真呈递进关系：可视化仿真强调可视的、灵活的仿真分析环境；多媒体仿真除可视化以外还强调多样化的多媒体集成，如音像的合成效果等；虚拟现实仿真则强调投入感、沉浸感和多维信息的人机交互性。

虚拟制造的最终实现就是要利用各种不同层次的仿真手段来模拟优化产品设计制造的过程，以达到一次设计成功的目的。仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建

立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。

1.2.1装配过程仿真的概念和特征

产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的，尚不能集成，而虚拟制造中应建立面向制造全过程的统一仿真。据统计，在工业化国家中产品的生产过程中大约1/3左右的人力在从事有关产品装配活动，超过40%以上的生产费用用于产品装配，产品装配所需工时占产品生产制造总工时的40%－60%。因此，装配是产品生命周期的重要环节，是产品功能实现的主要过程[7~9]。随着计算机集成制造cims和并行工程ce技术的发展和应用，对装配设计提出了更高的要求，并行工程认为产品设计对制造、装配等各环节具有决定性的影响作用。

可装配性设计(dfa，design forassembly)是实施并行工程(ce，concurrent engineering)的支撑技术，对缩短产品的开发周期、提高设计质量、降低装配成本具有显著作用。从根本上讲，这些作用是通过验证和改进产品的可装配性体现出来的对处于设计阶段的产品来说，可装配性的好坏最直观的效果，莫过于在计算机上仿真产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一虚拟的装配过程，就是产品的装配仿真。它能以可视化方式展示并改进产品的可装配性，从装配这一重要侧面反映产品的并行哲理。

零部件的装配作业是现代化生产过程的一个重要环节。零部件装配成功与否是与零件装配时的几何约束及相应的力学状态来决定的。几何约束可以通过运动轨迹分析和动画来描述。装配过程仿真以仿真技术、可视化技术为支持.在产品设计之后，而在加工制造之前，就能使人体会到未来产品的性能或制造运行的状态，以此来检验原设计的合理性，从而得到令人满意的机械设计，并规划出科学的、合理的、高效的工艺流程。

为了缩短产品开发周期，降低成本，在设计阶段利用计算机模拟产品的实际装配过程，直观展示可装配性。装配过程仿真就是在计算机上模拟产品的实际装配过程，直观展示可装配性和装配方法。装配仿真可以展示装配仿真结果、运动干涉检查、分析运动合理性、生成文本方式的装配工艺文件、干涉检查报告和图形方式的装配路径等等。装配过程仿真具有多种操作选择方式，如全过程装配或拆卸、单个装配或拆卸操作、单个装配或拆卸操作中的某次运动等。

1.2.2装配过程仿真技术的发展和应用

仿真技术、虚拟现实技术的发展给虚拟装配提供了一个强有力的技术支持。实际上，虚拟装配系统是虚拟制造系统的部分内容。它的产生和发展也完全是在虚拟制造系统的产生和发展中得以实现的。

虚拟制造最初在20世纪70年代初由美国学者kimura[10]等人提出。一经问世，立刻受到了制造业的普遍关注和重视，投入了大量人力、物力开展这方面的研究，很多科学家和学者都在这方面作了大量卓有成效的工作。这些工作都极有力的推动了虚拟制造技术的发展，但是由于虚拟制造还是一项尚不大成熟的、很具前沿性的技术，加之资金、人员方面的限制，目前只有美国波音的无图纸飞机[11]、福特公司的虚拟产品开发方式[12]等技术较全面的引用了虚拟制造技术，其它一些机构和企业仅能“虚拟”产品实施中的某一项或几项功能，如虚拟装配、虚拟设计。他们希望通过开发一些这样的单元技术进而逐步完善，成为一个虚拟制造系统[12]。

就这样，虚拟装配作为一项相对独立的技术发展起来了。国外的发展相对较快。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。例如，美国华盛顿大学的虚拟制造技术实验室发展的用于设计和制造的虚拟环境vedam、用于设计和装配的虚拟环境等，已经初具规模，美国nasa用于哈勃望远镜虚拟修理装配的原型系统等[12]。欧洲以大学为中心也纷纷开展了虚

拟制造技术研究，如虚拟车间、建模与仿真工程等的研究。日本在20世纪60－70年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用。日本对虚拟制造技术的研究也秉承其传统的特点－重视应用，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术以及虚拟工厂的构造环境研究[13]。例如，葡萄牙j.r.galvao等所进行的虚拟环境下的生产训练研究；日本今村等人开发的虚拟辅助设计与制造系统vsdss，日本ｎ.abe等人开发的机械零件装配性验证和装配机器可视化系统以及发现初学者在装配虚拟机器时错误操作的训练系统等[14]。6

目前，我国在虚拟装配方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的cad ／cae／cam和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。由于我国受到cad／cae／cam基础

软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了虚拟装配技术的发展。但这几年，我国虚拟装配技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲，我国的许多高等院校和研究院所，进行了这方面的研究，已经取得了一些可喜的进展，但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距。例如：清华大学国家cims工程技术研究中心研究的虚拟装配支持系统（vass）初步取得成果.虚拟装配支持系统（vass）是该中心在商品化cad软件pro/engineer基础上二次开发而成的一个工具软件系统，vass系统能够基于三维实体模型在计算机上实施产品及其部件的数字化预装配，实现装配工艺规划，验证产品可装配性，并生成能够指导实际装配作业的装配工艺规程和卡片[15]。现已向国家

版权保护中心申请软件注册，系统的修改完善及产品化研发工作正在进行之中

[15]。

对于尚处在设计阶段的产品来说，可装配性好坏最直观的效果，莫过于在计算机上仿真产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一虚拟的装配过程，就是产品的装配仿真，它能以可视化方式展示并改进产品的可装配性。装配仿真的研究进程，大体可分为两个层次：

(1)装配仿真的可视化手段和干涉检验工具

直观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并提供运动过程中的干涉检验和报警；

(2)基于vr技术构造虚拟的产品装配环境

操作人员有身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配过程和效果；

两个层次的发展对产品开发ce实施均有深远意义，他们都处于研究和探索阶段。 vr技术尚不成熟，且设备价格昂贵，所以第二层次的研究不便深入与推广，在国内尤其如此。相比而言，第一层次的研究更具有现实意义，发展也更为迅速。

1.2.3装配过程仿真技术的进一步展望

三维cad和虚拟现实(vr)技术的发展，为实现设计过程的可视性和虚拟检验奠定了重要的基础。事实上，三维cad设计、分析、仿真系统目前在发达国家已得到普遍应用。为了进一步实现产品设计与制造的数字化、集成化、智能化、网络化、7 虚拟化和标准化，世界各国都投入巨资加速进行该领域的相关技术及其软件的研究

开发工作。近年来，以获取知识为核心的现代设计方法，特别是并行设计和虚拟设

计与制造技术已得到了很大的发展，其研究成果的应用，大大加快了产品的设计进

度、缩短了开发周期。与国外工业发达国家相比，我国大量机械产品缺乏竞争力的

一个重要原因就是设计手段落后，产品更新周期太长。要想迎头赶上国际发展潮流，就必须加快研究在推广应用先进设计和制造技术中的关键与核心技术。装配过程仿

真是虚拟化智能设计方法中的一项重要的核心技术，具有极大的开发价值和很强的

实用性。

然而目前，装配过程仿真的具体应用依然很少，从事此方面研究的科技人员大多是对某些具体造型及装配环节的算法进行研究，基本处于初期的理论探索和试验中，而没有能够实现一个完整的装配集成系统的建模和实际产品的开发。从建立实用系统的角度来说，装配过程仿真系统主要面临如下问题：

1.装配模型的重构与转换

基于零部件三维实体模型，从装配工艺可实现性的角度对装配体的层次结构关系进行调整，形成面向工艺的装配结构树，为下一步的装配工艺规划奠定基础。但是，目前cad设计系统的种类繁多，各种cad系统的数据模型千差万别，在将cad 模型向装配过程仿真模型转换的过程中，经常会导致实体之间拓扑关系和约束数据

的信息以及其它参数信息的丢失。

2.装配规划的生成技术

装配规划就是寻求一条最优的零件装配顺序序列，由于创成式自动生成装配规划需要高度的智能化，难度较高，因此重点解决：如何更形象地表现装配规划过程中信息的动态流动及其可视化；如何在生成装配规划过程中通过人机交互加入启发

性知识和融入人的智能。

3.其它应用系统的集成问题

工艺是设计和制造的桥梁，工艺的数据是产品全生命周期中最重要的数据之一，工艺数据同时是企业编排生产计划、制定采购计划、生产调度的重要基础数据，在企业的整个产品开发及生产中起着重要的作用。由于不少企业cad、capp、erp

的应用是分阶段、不同时期应用的，目前还存在着信息的孤岛，装配工艺数据的价

值还没有得到有效的发挥和利用。

基于以上分析，可以预测在以后一段时间内，基于三维cad的装配过程仿真系统将会向以下方向发展：

（1）配合的约束关系自动生成和识别装配模型中的配合约束关系从总体上体现了产品的功能，虽然通过三维几何建模可以直接地、方便地在图形上生成组装体，但是其零件间并未建立配合的约束关系，因而不能支持设计后的约束驱动修改。因此如何能根据约束特征来自动生成配合的约束关系是发展装配仿真技术的一个重要

内容。

（2）发展适用的人机型装配规划技术构建装配规划过程的可视化和人的智能融入化，实现在虚拟环境下进行装配规划的生成。

（3）装配干涉检查和配合力分析的智能化如应用多媒体技术使干涉部位变色、闪烁、声响，示出干涉区范围和干涉量。对配合时受力状态和配合公差的分析结果提供可视化的直观形象，以利于优化装配工艺。

（4）装配术与产品数据库pdm结合当对机器进行故障诊断或修理更换某一零件时，利用pdm中数据在虚拟环境中形象地示出它的相关特征和配合情况，有利于提供更准确的维护信息。

虚拟装配技术是将dfa 技术与vr 技术相结合,

建立一个与实际装配生产环境相一致的虚拟装配环境

(virtual assembly environment, vae) , 使装配人员通过

虚拟现实的交互手段进入vae, 利用人的智慧直觉地

进行产品的装配/ 拆卸操作, 用计算机来记录人的操作

过程, 以确定产品的装、拆顺序和路径。

一、虚拟装配技术的研究现状

面向虚拟装配技术的研究大体上可以分作两个层

次: 一是采用装配过程可视化手段和干涉检查工具, 直

观地展示产品装配过程中零、部件的运动形态和空间

位置关系, 并提供装配序列的性能及其优化结果。二

是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境, 操作

人员有身临其境的感觉, 并能通过视觉、听觉和触觉来

感知产品的装配顺序和效果。

在美国由政府支持的研究项目主要有team

(technologies enabling agile manufacturing ) 、namt ( na

tional advanced manufacturing testbed) 、ftp( fast trackprogram, us air force) , 具有代表性的有华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所nist 合作开发的虚拟装配设

计环境vade。开发vade 的目的是通过生成

一个用于装配规划和评价的虚拟环境, 探索产品设计制造中运用虚拟现实技术的可能性。vade 由虚拟现实的软、硬件组成, 它将cad 系统与沉浸式的虚拟环境结合在一起, 以保证设计人员沉浸于虚拟环境之中开展工作。头盔式显示器提供高质量的三维图形, 电磁跟踪装置跟踪探测用户的头部运动, 头盔的显示可根据用户的头部自动刷新。配有手位和手势跟踪装置, 数据手套随时监视手指和手腕的动作。vade 的突出特点包括用户与虚拟环境的逼真交互、逼真的装配环境、在虚拟环境中利用工程师的装配设计意图实现产品的装配顺序规划等。

vade 的主要功能特征为: 1) 从cad 到vr 的自

动数据转换。2) 从cad 系统捕捉装配意图并应用于

虚拟环境。3) 零件的交互式动力学模拟。4) 扫掠体积生成与轨迹编辑。5) 虚拟装配环境中对零件结构参数的修改。6) 装配环境与零、部件初始位置的生成( 整个装配环境可以在cad 系统中定义) 。7) 双手装配与灵活操作。8) 支持虚拟装配工具: vade 提供! 手工具?与! 工具零件?两种交互方法, 并通过这两种方法的协同, 进行虚拟环境中零件运动的控制。

美国亚利桑那州立大学ye 等, 对传统交互方式与

虚拟现实交互方式中的装配规划进行了对比试验。实验对象分别在传统环境( te) 、非沉浸式桌面虚拟环境 (dvr) 、沉浸式cave 环境( cvr) 中进行装配序列规划。实验表明, 虚拟现实交互方式能显著地提高装配规划的质量与效率。美国wichita 州立大学rajan 等开发了基于虚拟现实的产品装配与夹具设计分析系统 jigpro, 将cad 系统中的产品装配模型、装配顺序约束、夹具模型、手模型导入到虚拟环境中, 进行虚拟过程仿真, 检查零件与夹具之间的干涉, 并进行人机工程分析, 以确保产品装配工夹具设计具有良好的装配性能和人机性能。美国georgia 技术研究所siddique 等利用自动和交互相结合的方法, 进行虚拟环境中产品的可拆性分析, 首先通过自动推理的方法确定产品的部分拆卸序列, 然后在用户的参与下生成产品的完全拆卸序列。allen 等采用虚拟现实技术, 定量评估人工装配中操作者的装配力与装配姿态, 并分析装配所需的最大装配力以及每个装配循环过程中的平均装配力, 以避免装配工人肌体的重复性劳损。德国fraunhofer 工业工程研究所( iao) , 较早地进行了基于虚拟现实的装配规划系统的研究与开发, 系