虚拟装配技术及应用

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1、虚拟装配技术及应用

2、第1...第10引言日益激烈的市场竞争要求制造业以最短的产品开发周期(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)即“TQCSP”来赢得市场与用户，同时要求制造业对环境的负面影响减垒最小。制造全球化以及消费观念的变革，给传统的制造技术带来严峻挑战，21世纪的制造业正在以机械为特征的传统技术时代向着以信息为特征的系统技术时代迈进。随着计算机软、硬件技术的发展，先进制造技术断涌现，2O世纪9O年代以来产生了一种新的制造概念和理论——虚拟制造(V

3、irtualManufacturing，VM)，其全新的制造体系和模式已成为现代制造技术与系统发展的必然趋势。虚拟制造技术是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的[1]。虚拟装配是虚拟制造研究领域的重要研究分支。1虚拟装配的国内外研究现状自从20世纪80年代虚拟现实(VirtualReality简称V

4、R)概念的提出以来，虚拟现实作为一门新兴学科正在蓬勃发展，近年来在工程、航空航天、军事、建筑等领域得到越来越广泛的应用。虚拟现实采用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境中的人可以通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用，产生身临其境的感觉，具有自主性、沉浸感和交互性的特征。我国从90年代开始进行虚拟现实技术方面的探索和研究工作。利用虚拟现实技术创造虚拟环境，在虚拟环境中进行设计、制造称为虚拟设计、虚拟制造，虚拟装配是虚拟设计制造研究领域的重要研究分支，虚拟装配也是并行工程

5、的支持技术之一。虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划、仿真等改进产品的设计和装配的结构，实现产品可装配性和经济性。据统计，产品的装配费用占整个生产成本30％～50％乃至更高，因此对产品装配工艺进行以提高质量和效率、降低成本为目标的改进和再规划，是增强制造业竞争力的重要环节。虚拟装配技术可缩短产品的设计开发周期、降低成本、提高质量。近年来，世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视，投人了大量的人力物力进行研究[2-6]。波音公司在数字化

6、代表产品波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与综合设计队伍(238个Team)的有效实施，保证飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成，研制周期从过去的8年时问缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。德国Fraunhofer工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发，他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作，交互地装

7、配和拆卸零件，并在用户交互的基础上生成装配图，进行装配工时和装配成本的分析。我国从90年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作[7]，我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究[8-9]，由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内，或者在非虚拟现实环境下进行研究。2虚拟装配的特征和关键目前，以Pro／E为代表的商用CAD系统中的产品装配建模过程典型表现为：设计者交互指定零件问的配合约束关系，确定零件在装

8、配体中的位置，通过坐标变换将零件定位到装配定位点。这种基于坐标变换的装配建模，实质上是一种面向结果的装配设计方式。设计者关注的只是零件问的装配约束关系及装配体的最终状态，缺乏对装配约束施加过程、装配顺序与装配路径等装配中问过程的考虑，不符合设计者思维特性，与实际的装配过程并不直接相关。因此，设计者在面向结果的装配建模过程中难以确保产品的可装配性，仍需通过制作实物样机来验证产品装配建模的结果。同时这种典型的虚拟装配方法研究的重点是虚拟环境中产品装配过程仿真与装配规划，存在以下不足之处：虚拟装配系统零件模型导入虚拟环境之前，需要在商用C

9、AD系统中建立产品装配模型；虚拟装配系统依赖于CAD装配建模预定义的装配约束关系，难以支持设计者在虚拟环境中指定或改变零件的装配约束关系，缺乏必要的灵活性。由于设计者更习惯于通过工程术语表达零部件问的装配关系，而不是仅局限于几何体素间