虛擬裝配過程中不確定性因素分析

楊云斌，歐陽勇，孫素梅，陳 剛，何良莉

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621900 ）

虛擬裝配過程中不確定性因素分析

楊云斌，歐陽勇，孫素梅，陳 剛，何良莉

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621900 ）

虛擬裝配研究中必須考慮實際裝配過程中的不確定性因素，真實再現產品的裝配過程，才能對產品裝配性進行全面、有效的評估。本文簡要分析了目前虛擬裝配存在的問題，從實際裝配中暴露的問題出發，對影響產品裝配質量因素進行分析。重點分析了產品、資源、人員中不確定性因素，分析了這些不確定性因素對裝配性評價的影響，探討了針對這些不確定因素的解決思路。基此給出了虛擬裝配技術的發展趨勢及下一步研究工作。該研究工作為確定虛擬裝配技術的研究方向以及增強其工業級別應用奠定基礎。

虛擬裝配; 不確定性; 裝配質量; 裝配評估

0 引言

為了在產品設計階段就對產品裝配性能進行評估與驗證，近年來提出了基于數字樣機的虛擬裝配技術來解決裝配性評估、優化和驗證問題[1]，即使用虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，在虛擬現實環境中建立與實物樣機相似的數字樣機，設計人員可以進入到虛擬環境中，對虛擬產品進行裝配，這樣部件的可裝配性、部件的可達性、部件分配空間的合理性、裝配工具和裝配工藝等信息均能進行評估，并能給出裝配模擬過程中的相關數據，據此指導或改進產品設計、工裝設計和裝配工藝，同時輔助人員培訓、產品沉浸展示等，達到評估實物樣機的裝配性目的。但是，目前以基于數字樣機的虛擬裝配技術研究中主要還存在下幾個方面問題：

1） 目前虛擬裝配模型中的零件信息、裝配關系仍以幾何信息為主，在虛擬裝配過程中是通過實時碰撞檢測與響應來檢查產品的可裝配性，其實質是基于幾何模型的虛擬裝配。而產品裝配/維修不僅與產品構形（即幾何信息）有關，而且與產品質量、質心、轉動慣量、摩擦系數和外力等物理屬性密切相關[2]；

2） 基于幾何模型的裝配模擬方法得到的是一種理論可行的結果，沒有考慮實際操作過程中動作和路徑的不穩定性等因素，而這些因素會導致組件被刮擦、質心偏移和干涉等問題；

3） 目前虛擬裝配研究中對產品考慮較多，而實際裝配時，除產品本身外，還與裝配人員、裝配工藝和裝配環境密切相關；只有綜合考慮這些因素的虛擬裝配，才能反映實際操作過程中產品可裝配性、裝配工藝合理性、裝配工具可達性和人機功效等問題；

4） 目前虛擬現實環境沒有提供友好、真實人機接口，如缺乏模擬真實操作作用力的力生成與反饋設備，導致操作人員難以在虛擬現實環境下進行裝配和維修作業，從而影響其對產品裝配和維修模擬的逼真程度和評估的有效性[3]。

1 影響產品裝配質量因素

產品的裝配質量是指按裝配工藝所得到的產品的功能性和可用性，即對設計要求的符合程度，它由裝配過程決定，而設計過程和制造過程通過影響裝配過程而顯著影響產品的裝配質量。實際產品裝配中暴露的問題如下：

1） 工裝問題：由于產品尺寸公差設計不當，導致工裝不能正常使用；

2） 裝配配合問題：彈簧與裝配體配合過緊，螺紋孔深度不夠問題，導致連接不緊；

3） 裝配干涉問題：螺紋與螺柱干涉；剛性件與電纜干涉，導致電纜保護層破損，電纜插頭卡子根部斷裂；

4） 電纜裝配：自由電纜長度確定不合適、預留空間不合理；

5） 視覺不可達性問題：由于不能看見裝配體或裝配工具，很難完成規定操作；

6） 力的要求：對裝配力大小有嚴格要求的裝配操作，沒有選用測力裝置，造成裝配力大小控制不當，嚴重影響裝配體質量。

在實際裝配過程中暴露的裝配問題，反映了在裝配設計時沒充分考慮產品、裝配資源、裝配工藝和裝配人員因素的影響。產品裝配質量不僅與產品密切相關，而且與裝配資源、裝配工藝、人的因素密切相關，考慮裝配四要素影響產品裝配質量的因素組成見圖1。

圖1 影響產品質量因素組成

2 不確定性因素分析

基于幾何模型的虛擬裝配由于不考慮產品、裝配工具物理屬性，其仿真結果僅是理論可行的結果。為了實現對產品裝配可行性驗證，必須考慮產品實際裝配過程中的不確定性因素。

2.1 產品

2.1.1 幾何特性

在復雜產品設計中，由于復雜產品結構和功能要求，會存在盲裝類問題。雖然可設計輔助定位，由于實際裝配過程中視覺不可達，會出現裝配定位不確定性及裝配路徑不確定性。如何通過交互式裝配仿真來評價其裝配性，考慮視覺不可達、在進行裝配性仿真驗證時，如果通過對模型半剖方式，進行裝配仿真，這與實際裝配不相符，需建立表面接觸力模型[4]，通過力反饋方式引導操作人員完成裝配仿真。對于虛擬裝配培訓、就可以把模型半剖，讓培訓者可看見實際不能看見的裝配情況，通過多次虛擬裝配培訓，達到培訓目的。

2.1.2 物理屬性

產品的物理屬性包含的因素較多，這里分析重力、剛度對產品裝配過程不確定性的影響。裝配過程中由于重力的影響，會帶來產品拾取、移動、定位過程中不穩定性（位置和姿態）[5]。通過剛體動力學/運動學分析方法，建立產品從不穩定態到穩定態的變化模擬方法，模擬產品實際裝配路徑。剛度是指零件在外力作用下的變形情況。對于薄壁剛性件或非金屬材料，在實際裝配過程中由于外力的作用會存在變形。為了真實反映裝配過程中實時受力和變形情況，可與結合有限元分析或理論分析技術，實時顯示裝配體的受力和變形情況，從而指導操作者進行裝配。如某產品的在進行鏡面組件的裝配過程中，通過對裝配力的模擬，生成和反饋裝配力，從而控制夾持應力，達到低應力夾持。通過結合力學計算分析的結果，可視化顯示隨著裝配力的變化，顯示鏡面應力和應變的變化情況，保證裝配/維修過程中滿足鏡面最小變形要求，如圖2所示。通過多次虛擬裝配仿真，探尋最合適的裝配工藝，保證產品質量。

2.2 裝配資源

在實際裝配過程中，除了產品本身的因素外，部分裝配問題是由于裝配工具與裝配環境的影響產生的[6]。在某產品設計中，由于裝配環境復雜，剛性管道較多，而裝配工具是一個多轉軸的設備，不是一個固定的外形，其外形由其機構運動模型來確定。如何驗證裝配工具移動、安裝不與裝配環境干涉。由于裝配工具有多個自由轉軸，必須建立裝配工具的機構運動模型，而不是一個確定的構形，在每一個可能發生干涉的位置，基于裝配工具的機構運動模型改變裝配工具的不同姿態來探測其是否能夠正常通過，根據求解結果判斷裝配工具是否與裝配環境發生干涉，如果干涉，再通過交互式裝配仿真來驗證，確認發生干涉后可考慮修改裝配工具或更改安裝工藝來解決。

圖2 鏡面組件裝配過程中鏡面應力分析

2.3 裝配人員

隨著產品的復雜性越來越高，且許多裝配工作仍然由人來完成，裝配人員使用的設備和程序也越來越復雜，在虛擬裝配中裝配人員的因素是必須考慮的環節。由于目前虛擬現實硬件技術的制約，如數據手套的靈敏度不高，位置傳感器反饋的數據跳變性較大，會導致在虛擬裝配和維修模擬過程中VR外設操作虛擬對象的不穩定，會影響虛擬對象的運動路徑，從而影響仿真結果的有效性和仿真可視化的真實性。并且虛擬裝配系統中沒有令人滿意的觸覺反饋，裝配路徑難免會產生抖動現象。在進行裝配路徑規劃方面，虛擬對象在用戶的控制下在裝配環境中自由運動，用戶在裝配過程中操作不確定性，導致虛擬對象的運動軌跡無法通過方程表示，其是由離散的時間采樣點表示，可通過曲線擬合的方法來平滑規劃的裝配路徑。在交互式仿真驗證方面，再現裝配人員操作的不確定性，通過交互式仿真，驗證裝配可行性。

3 發展趨勢

3.1 真實的裝配模擬

虛擬裝配在工業領域應用的成熟程度主要取決于它對實際裝配模擬的逼真程度。為了更加真實模擬實際裝配過程，必須考慮裝配過程的不確定因素，因此需在虛擬產品建模和虛擬裝配仿真方面開展深入的研究。目前數字化模型的虛擬裝配過程尚不能取代物理模型的裝配過程，這就限制了其應用范圍。隨著工業界應用要求的提高以及基于物理屬性建模技術、虛擬現實技術和多模式人機交互技術的發展，虛擬裝配擬實化程度必將逐步提高，虛擬裝配技術將在工業界得到大量的應用，從而提高產品質量、縮短產品開發周期并節約開發成本。

3.2 完善的裝配評估/驗證

目前虛擬裝配研究重點提供產品本身的裝配評估與驗證功能，而對裝配過程中涉及的裝配資源、裝配工藝和裝配人員考慮不足。而實際產品設計與制造過程中，影響裝配性能因素有很多，然而目前的虛擬裝配研究并未提供對這些影響因素進行完善評估與驗證的功能。因此，虛擬裝配系統需要提供更完善的裝配評估與驗證功能。

3.3 高度的集成化

目前國內外研究的虛擬裝配系統大都通過接口從商用CAD系統中獲取產品的數字化模型以及設計者的設計意圖，這一數據轉換過程比較繁瑣，同時虛擬裝配仿真結果、改進設計意見和建議不能很好地反饋到CAD系統中。為了更加真實模擬產品的裝配過程，虛擬裝配系統還需反映針對物理屬性所進行的有限元分析的結果，在虛擬裝配環境中，讓用戶能夠更直觀的查看有限元分析結果。要充分發揮虛擬裝配系統的功能并促進其發展，要求虛擬裝配系統與目前已有的設計與分析工具能夠實現集成。考慮目前許多CAD系統已集成力學分析功能，今后在現有的CAD系統中集成裝配性分析和力學分析功能將是一個比較可行的解決途徑。

4 結論

通過分析實際裝配過程中暴露的問題，基于裝配四要素，給出了影響產品裝配質量的因素。針對產品、裝配資源和裝配人員，給出了影響虛擬裝配仿真過程的不確定性因素，提出了解決思路。為了考慮裝配仿真過程中的不確定因素，更加真實的模擬實際裝配過程，實現對產品裝配性完善、有效地評估與驗證，還需在以下方面開展深入的研究工作：

1） 基于物理屬性的虛擬裝配建模研究；

2） 研究基于多剛體運動學/動力學原理的虛擬對象行為特性，模擬裝配過程中重力、摩擦力、預緊力等力的作用；

3） 研究裝配模擬中的操作作用力的模擬方法，建立操作作用力的生成模型及反饋方法；

4） 考慮“產品、資源、工藝、人員”四要素的裝配仿真方法研究；

5） 虛擬裝配系統與CAD、CAE等設計、分析系統的集成方法研究。

[1] 寧汝新, 鄭軼. 虛擬裝配技術的研究進展及發展趨勢分析[J]. 中國機械工程, 2005, 16(15).

[2] 劉振宇, 譚建榮. 基于物理模型的虛擬裝配技術研究[J].中國圖象圖形學報, 2003, 8(7).

[3] Brad M. Howard, Judy M. Vance. Desktop haptic virtual assembly using physically based modeling [J]. Virtual Reality, No.11, 2007.

[4] Samir Garbaya, U.Zaldivar-Colado. The affect of contact force sensations on user performance in virtual assembly tasks [J]. Virtual Reality, No.11, 2007.

[5] 費燕瓊, 龐川, 趙錫芳. 裝配操作過程中裝配對象的幾何特性分析[J]. 上海交通大學學報, 2003, 37(11).

[6] 焦少輝. 考慮裝配工具的虛擬裝配支持系統的研究與實現[D]. 鄭州大學, 2004.

Analysis of uncertainty factors in virtual assembly process

YANG Yun-bin, OU Yang-yong, SUN Su-mei, CHEN Gang, He Liang-li

TP391

B

1009-0134(2011)5(下)-0063-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).19

2010-11-13

中國工程物理研究院科學技術發展基金資助（2009A0203011）

楊云斌（1970－），男，四川德陽人，高級工程師，碩士，主要從事產品設計與評估方法、數字樣機技術應用研究工作。