基于虚拟装配技术的工业产品设计研究探讨

[摘 要]综述了工业产品设计和装配的研究现状，介绍了计算机辅助设计技术在生产制造过程中存在的利弊要素，详细描述了虚拟装配技术的原理，以及在实际使用过程中的诸多优点。

[关键词]虚拟装配；计算机辅助设计；交互仿真

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0380-01

引言

随着经济的发展和市场的日趋饱和，制造业已经逐渐从卖方市场向买方市场转变，全球化统一的市场也已经逐渐形成，这也使得市场竞争日趋激烈。产品更新换代的节奏明显加快，新产品从投放市场到退出市场的时间由过去的十几年甚至几十年缩短至2～3年，甚至更短[1]。如何低成本、高效率的开发出新产品，已经成为赢得市场竞争，争夺生存权的首要因素。

1. 研究现状

在产品的设计生产阶段，装配是产品设计过程中至关重要的一环。据相关统计[2]，三分之一甚至以上的人参与和装配有关的活动，而装配费用则会占整个生产成本的30%～50%（对于某些复杂的产品，这个比例甚至会更高）。产品的性能由设计师设计拟定，由制造阶段提供保证，并由装配阶段具体落实。装配生产环节是阻碍生产能否实现自动化的重要因素，装配生产的可靠与否也是决定产品性能能否实现预期设计目标的关键。

传统的生产装配常常是在所有的零件模型制作完成之后才能进行，并且装配的过程中也可能会出现两种问题，一种是产品的设计存在缺陷而无法进行装配，导致重新设计制作，失去在激烈市场竞争中的先机；另一种是装配过程存在不合理的因素，需要设计人员重新设计规划装配过程。反复的调试物理样机模型不仅增加了产品设计成本而且延长了整个研发周期，让企业在激烈的市场竞争中处于不利地位。

2. 计算机辅助设计技术

20世纪70年代的计算机辅助设计诞生以来，有许多先进的计算机辅助设计技术（如CAD、CAM、CAE等）和并行工程CE（Concurrent Engineering）的设计理念相继出现，极大的缩短了研发周期，降低了设计成本。这些技术工具可以在产品的构思设计、功能实现、结构分析和加工制造等方面进行全方位的辅助分析，以及对产品的所有零件信息进行管理。但是在机械零件装配的过程中，由于需要考虑人员、工作空间、装配工具等限制因素的影响，计算机辅助设计在装配过程中分析评价的可信度就表现得不够准确。

3. 虚拟装配技术

虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）是虚拟装配的基础。VR是以计算机图形学的相关理论为基础，并结合计算机网络、信息处理、人工智能等技术综合发展的仿真技术。虚拟现实以计算机图像技术为核心，通过现代科学技术生成逼真的视觉、听觉、触觉等全方位一体化的虚拟沉浸环境，用户再借助必要的硬件设备（如头盔显示器，数据手套，力反馈器，位置跟踪器等）就能与虚拟环境世界中的物体进行自然的交互，从而让用户能够产生如同身临其境的感受体验。虚拟现实中的虚拟环境通过计算机生成的具有一定鲜明色彩的立体图像，它可以是一些特定现实世界画面中的仿真场景，也可以是某种纯粹虚构的虚拟世界。正是因为有了虚拟现实技术的支持，人们才有条件考虑机械零件装配过程中的工作空间、装配工具、人员空间等限制因素的影响，而不是把虚拟装配简单地做成堆积木式的组装。

虚拟装配技术是以虚拟现实为基础的计算机辅助技术，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并且还对诸如虚拟制造等先进制造技术模式的具体实施产生了巨大影响。虚拟装配技术在计算机上创建近乎真实的虚拟环境，通过创建数字化的产品装配模型，替代传统装配中的物理样机，在虚拟环境中通过一些三维输入设备（3D控制器、数据手套、头盔式显示器等）就能够方便的进行产品装配过程的模拟分析，验证产品的装配性能好坏，对存在的装配冲突与设计缺陷作出及早的发现，同时可以根据发现的问题作出准确及时的修改，并且可以将这些装配的信息及时反馈给研发设计人员[3]。

通过虚拟装配技术，对经过严格设计得到的产品零件模型进行装配仿真，可以免去物理原型样机的制造使用，节省设计研发的时间费用。同时，对设计得到的零部件模型可以利用虚拟装配技术提前进行干涉检查，减少样品的制造使用率。最重要的是可以利用各种技术方法如分析、评价、规划、仿真等，在产品的设计阶段就能对产品的装配环节和其它相关因素的各种影响进行充分的考虑。通过改进产品的装配工艺流程，使设计出的产品在满足功能实现的前提下，具有最优的制造和装配工艺，并尽可能降低生产制造成本，缩短设计研发周期，减少产品研发总成本。同时在完成产品的设计研发后，利用装配仿真过程的记录进行结果分析，便于设计团队研究最优的装配工艺，以及优化产品的设计精度，制造精度和成本之间的性价比。

4. 结束语

近年来，中国工业的发展为中国经济的高速发展提供了强劲的动力，做出了不可磨灭的贡献，中国已成为公认的世界级工厂。而工业在发展的同时，则使各行各业对劳动力需求的增加与日具显。在生产企业，劳动密集型人工成本是一笔很大的开支，而且当前的用人成本也在日益增加。因此，在当下经济环境不景气的条件下，既想保证出口产品的产品质量，又想做到减少日益增长的成本，可行的路是引进虚拟装配技术。

参考文献

[1] 朱名铨，张树生等.虚拟制造系统与实现[M].西安：西北工业大学出版社， 2001：1-2.

[2] 肖田元等. 虚拟制造[M].北京：清华大学出版社， 2004：440-444.

[3] 肖田元，韩向利等.虚拟制造内涵及其应用研究[J].系统仿真学报.2001.13（l）：118-123.