现代虚拟装配技术阐述

虚拟装配的研究内容

虚拟现实环境虚拟环境是虚拟装配的前提，良好的虚拟环境能使虚拟装配与实际装配过程更接近，更可靠地指导生产实际。虚拟环境按产生沉浸感程度的不同和使用的显示设备，可分为四类［7］：桌面式系统、头盔式系统、CAVE系统和CyberSphere式虚拟装配系统。Cybersphere系统采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，可以自由行走。但由于球体完全封闭，操作者与外界联系的各种交互设备必须采用无线连接方式，需要单独开发；操作者要背负如电源之类的设备。针对CyberSphere系统存在的问题，哈尔滨工业大学的学者们设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统［8］，操作者通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互从而生成沉浸感较强的虚拟环境，为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供较高逼真度的仿真平台。虚拟装配的关键技术虚拟装配的关键技术包括零部件建模、装配序列规划及优化、决策支持、可行装配路径规划、装配合理性评价、装配误差分析等内容，是开发虚拟装配应用系统时必须解决的重要共性技术。这里对部分虚拟装配涉及的关键技术进行介绍。（1）零部件建模。零部件建模技术从虚拟装配技术发展以来一直是研究的重点。现一般采用常规三维CAD软件进行产品的建模。刘振宇等人提出了将虚拟装配中的产品属性和行为信息分为产品层、显示层、特征层和几何拓扑层四个层次，通过产品层次信息模型中的数据和约束映射，实现产品信息层次间的关联［9］。（2）装配建模技术。对产品装配模型的研究，国外学者提出了图结构模型、树表达的层次结构模型和基于虚链结构的混合模型，这些模型对装配体静态结构进行了描述。图结构模型是用图描述装配体中各种不同实体间的相互关系，其特点是关系表达比较直观，但与产品的实际结构不一致，不能表达零件间的层次关系。层次模型是根据零部件的层次关系以树的形式表达装配并组织产品，能体现设计意图和产品结构，但各零件之间的装配关系的描述不够直观［10］。近年来，许多研究者提出了一些新的层次模型。如刘振宇等提出的面向虚拟装配的产品层次信息模型［11］，姚珺提出的基于架构的动态装配模型［12］等。虚拟链模型是以层次模型为基础，用虚拟链表达各子装配级别零件间的装配关系，但缺点是一致性维护比较困难［13］。（3）约束定位技术。虚拟装配环境与现实装配环境相比，最主要的就是缺少各种物理约束和感知能力，而只能依靠几何约束对零件进行定位。华盛顿州立大学的S.Jayaram等首先提出约束定位的思想，通过零部件受约束运动以及约束求解，从而实现虚拟装配过程中待装配零件的精确定位［1］。英国Heriot-Watt大学Richard等提出“近似捕捉”和“碰撞捕捉”的方法来解决虚拟环境中零部件的精确定位［14］。英国Salford大学虚拟环境中心的Fernando等研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作［15］。浙江大学刘振宇、谭建荣等在语义识别的基础上，提出了基于语义引导的几何约束识别方法［16］。（4）工艺规划技术。设计人员根据经验在虚拟环境中对产品的三维模型进行试装，规划零部件装配顺序，记录并分析装配路径，选择工装夹具并确定装配操作方法，从而得到经济适用的装配方案。加拿大Yuan等提出了虚拟环境中交互式装配序列规划的方法［17］。浙江大学的万华根等人在基于虚拟现实的CAD系统中提出用户引导的拆卸方法［18］。虚拟装配的应用系统随着虚拟装配技术的研究发展，针对不同工业领域的应用要求，国内外学者开发了多种虚拟装配应用系统。本文针对几个典型的系统进行详细介绍。（1）虚拟装配设计环境（virtualassemblydesignenvironment）。该系统于1995年开始研究，是第一个具有代表性的虚拟装配系统，通过建立一个用于装配规划和评价的虚拟环境来验证产品装配过程中应用虚拟现实技术的可能性［1］。（2）神奇的车辆虚拟装配单元（UnbelievableVehicleforAssemblingVirtualUnits）。1997年，英国的Heriot-Watt大学开发了虚拟装配规划系统UVAVU。基于当时力反馈设备以及跟踪设备的局限性，采用了“接近捕捉”和“碰撞捕捉”的精确定位方法［19］。（3）CHDP（CableHarnessDesignandPlanning）系统。CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的［20］。它是在UVAVU系统的基础上提出的，主要解决现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。（4）V-REALISM系统。V-REALISM系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统，可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点；系统能提供优化的装配/拆卸序列；提供三维虚拟环境进行操作和导航；将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起［21］。（5）虚拟装配支持系统（virtualassemblysupportsystem）。清华大学开发的VASS为装配工程师和设计师提供了对产品可装配性/可拆卸性仿真和评价系统。该系统可实现装配顺序规划、工具规划、装配路径规划、装配过程仿真，最终生成装配文档。（6）个人活动助手（PersonalActiveAssistant）。该系统是2005年意大利Bologna大学开发了基于CAD的装配规划与验证系统。PAA系统利用CAD工具来有效提高对象识别能力，生成优化装配序列和产生装配操作指令［22］。

虚拟装配存在的不足

目前在CAD领域已有一些标准，但在虚拟装配的世界中还没有数据的实时性方面的标准。建模能力弱。目前，虚拟装配系统的模型需要CAD系统准备，模型修改能力弱，在产品的并行设计中应用困难。大多采用桌面式虚拟环境。这种虚拟环境的成本较低，使用方便，但沉浸感差，难以考虑实际装配过程中人体的大范围活动和人体对装配操作的影响。缺乏与产品设计系统（CAD）、工装夹具设计系统（CAFD）以及车间现场生产管理系统的集成，缺乏与产品开发其它阶段的有机结合。偏重于装配过程的三维图形仿真，而对装配过程中的各种工艺因素考虑不足，如装配力引起的零部件变形、装配质量测试的方便性、工装夹具的设计、装配人员的安全性和舒适性等，从而难以生成满足实际需要的方案。

结束语

虚拟装配作为一种新的装配方式,引起了国内外研究学者的关注。国外学者研究比较深入，形成了较丰富的理论体系，并联系实际领域的特点，研究出了不同虚拟装配系统，且在生产实际中得到验证。在国内，虽然我们的研究起步比较晚，但也涌现出了一批带头研究的学者，并取得了一定的成就，也在多个领域开展了实际应用的探索。随着对虚拟装配的逐步认识及研究的推进，虚拟装配用于机械制造生产实际也只是时间问题，届时将为制造业注入新的活力。

作者：杨建 谢志强 王坚 夏善卫 单位：中国工程物理研究院