機械制造中虛擬裝配技術的結構體系與技術要點

摘 要 虛擬裝配技術是虛擬現實技術、計算機仿真技術等多種先進技術在制造裝配領域的綜合應用，它可完成或者支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規劃，極大提高機械設計和制造的效率。

關鍵詞 虛擬裝配技術；機械制造；計算機仿真技術

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2012)03-0081-02

In Machine Manufacturing of Conjecture Assemble Technique of Structure System and Technique Important Point//Zhang Guoyou， Wang Guoming

Abstract Conjecture assemble technique is the virtual reality technique， computer simulation and a variety of advanced technology are comprehensive application on the manufacturing assemble realm， it can complete perhaps support assemble process of can see to turn or assemble craft of programming， biggest exaltation efficiency of machine design and manufacturing.

Key words conjecture assemble technique; machine manufacture; computer simulation

Author’s address Light Industry College in Shandong， Jinan， China 250353; Shouguang Technician School of Shandong， Shouguang， Shandong， China 262700

1 前言

傳統的計算機輔助裝配系統的輸入輸出設備是二維的，而機械虛擬裝配技術的輸入輸出設備是三維的，這對于機械制造專業特別是機械制造的實踐模擬實驗與動態的技術學習，具有重要的現實意義和深遠的技術教育意義，也是目前虛擬技術在教育中的具體應用，具有廣闊的發展前景。

2 機械制造中常見的虛擬裝配系統結構

在機械制造專業中，虛擬技術已經十分普遍，但就從技術的系統性原理出發，常見的虛擬裝配系統結構一般分為4個模塊。

1）模型模塊，功能是通過將零件的相關數據信息，包括幾何模型、物理特征、零件的公差等，以及產品的裝配模型，輸入虛擬裝配系統里，生成需要的虛擬零件模型，它是虛擬裝配系統中最為基本的過程，具有基礎性。

2）用戶交互模塊，即各種虛擬外部設備和其支持系統，通常有麥克風、數據手套、光柵眼鏡、數據衣、頭盔式顯示器等。裝配技術人員利用這些虛擬外部設備與虛擬裝配系統進行人機交互，進行虛擬裝配的各種操作，它是實現虛擬過程的交互體現，是感知與操作、認識與對比、接受與學習、技術與能力的具體體現。比如，要實現數據的模擬，是需要人的動手與動腦思考的，是需要顯示與對比的，此模塊就是最好的體現。

3）環境虛擬模塊，是虛擬裝配系統的核心，包括各種虛擬現實算法、虛擬裝配環境配置、虛擬裝配環境生成、虛擬零件模型、虛擬裝配工具包以及虛擬外部設備驅動系統。其中，虛擬現實算法主要包括干涉檢驗算法、多細節層次模型自動生成算法；虛擬裝配環境配置即對裝配環境進行配置，包括坐標系的設定、定位、光照設置等；虛擬環境生成即生成虛擬環境所需的視覺、聽覺和觸覺信息等，利用各種優化算法對虛擬環境進行優化，以保證系統的實時性，為裝配技術人員創造猶如現實的虛擬裝配環境；虛擬裝配工具包是由CAD系統創建的各種裝配工具的幾何模型轉換得到的虛擬工具模型；虛擬外部設備驅動即各種虛擬外部設備的驅動程序。

4）輸出模塊，由輸出零件裝配軌跡、干涉檢查報告、零件裝配順序文件、裝配過程動畫以及產品的虛擬模型組成。其中，零件裝配軌跡可用來指導裝配機器人的操作運動軌跡；干涉檢查報告為產品設計更改提供參考，如更改零件尺寸、形狀或者更改產品的結構；裝配順序文件用于指導制定裝配工藝；裝配過程動畫用于培訓裝配人員。

3 機械制造中虛擬裝配系統中的裝配要點

在虛擬裝配系統中，裝配人員置身虛擬裝配環境中，通過人機交互，利用虛擬外部設備對零件進行虛擬操作，完成產品的虛擬裝配與數據報告。此過程可由3個重要環節組成，決定虛擬裝配系統運行的優劣，也是機械制造中虛擬裝配的動作要領之重點。因此，虛擬操作者不僅應掌握好，關鍵是能夠實現真正的虛擬裝配，達到虛擬的真正內涵，體現虛擬教育的本意。

3.1 準備環節

它主要是構建零件的虛擬模型，包括零件的工程設計信息、零件物理屬性信息以及零件虛擬幾何模型。零件的工程設計信息即那些體現設計者裝配意圖的幾何元素，物理屬性信息即對虛擬對象物理特性的描述，零件的虛擬幾何模型則描述了虛擬零件的外觀、幾何形狀，通過CAD系統生成的零件幾何模型轉換而來。工程設計信息體現的幾何元素附加到零件的虛擬模型，可以保證虛擬零件在虛擬的環境下按照設計者的意圖完成零件間的定位和約束，零件物理屬性信息與虛擬幾何模型相結合則可以在虛擬環境中再現現實中的零件模型。

在這個過程中，前期的設計與CAD系統的生成所需要的幾何圖形與元素是關鍵，在進行系統生成與設計中，基礎性的零部件結構體系、數據需要有嚴格的界限和堅實的功底，否則難以實現資金積累環節的整體要求。

3.2 虛擬裝配環節

這個環節是虛擬裝配的主體，也是虛擬裝配中最為直接的要素之一。首先，主要是對虛擬裝配系統進行一些配置和環境設置，即構造虛擬裝配環境，設置坐標系統以及燈光光照，構造工作臺和調入所需裝配工具，檢查虛擬外部設備工作狀況。其次，裝配技術人員進行產品的虛擬裝配。裝配技術人員運用各種虛擬外部設備，直接與虛擬零件和虛擬環境進行人機交互，按照設計人員的設計意圖進行裝配。在這個過程，系統記錄裝配的各種信息，如零件的裝配順序、裝配軌跡、干涉情況以及裝配技術人員發現產品設計存在的問題等，并生成各種報告供有關工程技術人員備用。

3.3 輸出環節

它是獲得的虛擬裝配的結果，主要是零件掃掠軌跡、零件裝配順序文件、零件裝配軌跡文件、裝配過程動畫文件，還有零件干涉情況報告、產品的虛擬裝配模型，這些結果都以一定的格式進行記錄，并可以與其他機械工程系統進行數據交換。這樣，機械工程人員在虛擬環境中對設計的產品進行虛擬裝配，可以現實地感受他們自己或者他人設計的產品的科學性和可行性，及時發現設計中的種種問題。而且虛擬裝配系統輸出各種技術文檔，能夠給工程技術人員在設計和裝配中有更多的參考，從而使決策準確率更高。

總之，機械虛擬裝配技術是虛擬現實技術、計算機仿真技術、三維網絡技術等多種先進技術在制造裝配領域的綜合應用，可完成或者支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規劃，極大地提高機械設計和制造質量，而且大大降低機械設計和制造的周期與成本。