虚拟装配的几种中心技术研究

摘要:该文讨论了虚拟装配的基本理论基础,给出了针对实际开发中具有一定实际应用价值和潜力的以设计为中心的虚拟装配、自顶向下的并行产品设计和可制造可装配性设计,详细阐述了其特点。

关键词:虚拟装配;虚拟制造;三维数字化

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2506-02

Research on the Key Technology of Virtual Assembly

LI Dong-xu, FU Xiao, LIU Jin

(Computer Office, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)

Abstract: The paper discussed the basic theory of virtual assembly, presented application and technology of virtual assembly for designing and production, and detailed the characteristics of it.

Key words: virtual assembly; virtual produce; 3D digital

1 概述

虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本质体现,它利用计算机仿真技术,结合虚拟现实技术,在虚拟环境中通过建模仿真等交互操作,在计算机上实现装配的全过程。广义的讲应该包括产品的设计、工艺规划、加工制造、装配和调试。从本质上说,虚拟装配就是要利用计算机生产出“虚拟产品”。它结合辅助设计软件,通过计算机、多媒体传感交互设备构造一个模拟现实的虚拟环境,可以使操作人员在其中进行虚拟漫游,通过三维鼠标和数据手套等特殊设备进行虚拟拆装等操作。在这种交互的环境中,可以对设计与装配对象在设计和研制过程中的复杂动态性能进行模拟。它可有效支持自顶向下的并行产品设计,以及可制造性设计和可装配性设计,有效地缩短产品开发周期。

2 几种中心技术

虚拟装配是虚拟制造技术的一个重要部分,是在计算机上的产品仿真过程,也是产品数字化设计的过程,在虚拟的装配环境中,用户根据需要能进行下述工作:装配工艺的规划与设计;在屏幕上实现零件到产品的预装配;装配过程的碰撞、干涉检查;可装配性评估;装配过程的优化分析;装配经济指标评价;装配可靠性评估。在虚拟装配过程中,用户可通过有关接口方便地对装配过程进行干预,从而可以从装配的角度来考察设计,为设计的更改和优化提供了装配方面的依据,也为优化装配过程、优化装配线设计提供了分析工具和手段。

2.1以设计为中心的虚拟装配

以设计为中心的虚拟装配,是将产品三维数字化定义应用于产品研制过程中,结合产品研制的具体情况,突出以设计为中心的思想,这表现在以下三个层面。

2.1.1 面向装配设计

产品研制过程是一项复杂的跨学科、跨部门的系统工程,需要在产品研制初期即设计阶段进行总体的协调,主要是对产品协同工作进程的可行性与合理性进行分析,并且进行产品主体结构物理装配方案评价。传统的设计过程与装配过程严重脱节,需要采用面向装配设计方法,即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合,从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想,使设计的产品具有良好的结构,能高效地进行物理装配,能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。

2.1.2 自顶向下的并行产品设计

基于并行产品设计的装配技术支持自顶向下的设计方法,通过自顶向下的并行产品设计,可以分层次地建立统一的产品动态虚拟样机。一个真正的产品设计过程应该是这样的:先有产品的整体外形和功能设想,然后在这个整体外形里逐级地划分出产品的部件,再划分出组件,一直到最底层的零件。再对零部件的外形在其功能控制下进行详细的设计,然后进行零部件装配,形成初步产品,进行必要的分析,再反馈到装配设计和零件设计,如此反复。这说明产品设计过程是一种自顶向下为主、自底向上为辅的设计过程,整个过程就是基于装配的并行工程。

并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计,强调开发人员从一开始就考虑产品从概念设计直至报废的整个生命周期里的所有相关因素的影响,尽可能及早地发现一切可能产生的错误和矛盾,以缩短产品开发周期,降低产品成本,提高产品质量。并行产品设计的重点是多个产品开发小组协同地工作,它要求分布在不同地点、不同部门的产品设计工程师,以产品为核心从不同角度、不同需求出发进行并行设计。

2.1.3 可制造性设计和可装配性设计

产品研制不同阶段生成的产品模型,提供了一个面向设计群体的装配设计环境,使得设计群体中每个成员的设计从产品设计的开始就被有效地控制在最终产品可装配的范围之内,并且实现以产品为核心的设计思想,保证产品设计工程师的工作与整个产品的进展过程相关联,部件模型的变化将只反映到相应的装配部件上,从而保证了模型数据的集成性,避免了设计工作的重复。同时,产品研制是多部门的协同工作过程,部门之间的合作往往受到各个单位的生产。

2.2 以过程控制为中心的虚拟装配

2.2.1 实现对产品总体设计进程的控制

在数字化产品开发过程中,结合产品研制特点,我们人为地将虚拟装配技术应用于产品设计的过程划分为三个阶段:总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制,实现对产品总体设计进程的控制。

2.2.2 过程控制管理

过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作等方面内容。通过对过程产品模型的有效管理,实现对工程研制过程中各种产品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管理,从而实现优化产品开发过程的目的。

2.3 以仿真为中心的虚拟装配

以仿真为中心的虚拟装配,是在产品装配设计模型中溶入仿真技术,并以此来评估和优化装配过程。其主要目标是评价产品的可装配性。

1) 优化装配过程目的是使产品能适应当地具体情况,合理划分成装配单元,使装配单元能并行地进行装配。

2) 可装配性评价主要是评价产品装配的相对难易程度,计算装配费用,并以此决定产品设计是否需要修改。