擬實裝配技術研究

□ 鄭現坤

上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072

裝配是指將零件結合成為完整產品的生產過程，是產品開發活動中最具影響力的一個環節。現代產品的競爭是性能、質量、價格、上市時間、外觀形狀、售后服務等多種因素的綜合競爭，所有這些因素無不與裝配存在密切聯系。產品的性能、質量是由設計師設計擬定的，由制造階段提供保證，并由裝配階段具體落實的。裝配質量的好壞，直接反映在產品的性能、質量上。據統計，在產品生產階段，有三分之一以上的人直接或間接從事與裝配有關的活動，而裝配費用則占整個生產成本的30%～50%（對于某些復雜產品，這個比例會更高）。

1 擬實裝配技術的提出

隨著計算機集成制造系統 （Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）的發展，虛擬裝配技術的出現為傳統裝配模式提供了一種新的工作模式。它利用計算機裝配模型和仿真技術來實現產品的設計和裝配，在設計階段解決裝配中可能存在的問題，提高裝配效率，減少裝配時間，降低裝配成本，從而保證產品的可裝配性。

但目前進行虛擬裝配所使用的CAD模型是理想的模型，由于實際生產過程中的制造誤差等因素，使虛擬裝配公差分析并不能準確分析實際產品的裝配公差。例如在航空航天與汽車領域廣泛應用的鈑金件具有高度的柔性，其在制造和裝配過程中，很多因素會導致這些零件發生變形，所以，在生產過程中檢驗合格的零部件并不一定能裝配出質量合格的成品。如圖1所示，通過關節臂坐標測量機測量汽車橫梁右翼子板的點云數據與CAD數模對比，可以看到實際裝配使用的零件與理想數模相比有一定的偏差。很多裝配問題往往在生產過程中才暴露出來，因此筆者提出了在裝配階段，將基于產品的真實模型采用逆向工程技術來獲得實際裝配零件的模型，導入相關軟件中進行虛擬裝配，使擬實程度提高，并且裝配效果更加接近實際生產中的裝配效果，從而大大縮短產品的生產周期。

2 擬實裝配的主要功能和關鍵技術

擬實裝配的主要目的是以最少的人力物力投入，在最短的時間內完成產品裝配設計和驗證。擬實裝配系統是實際生產中的裝配系統向計算機虛擬環境中的一種映射。根據擬實裝配的定義及其特點，關鍵技術主要包括：實際產品模型的點云數據獲取、實際產品的模型重建、裝配序列規劃、裝配路徑規劃、擬實裝配公差分析、裝配質量的驗證及評價。

（1）實際產品模型的點云獲取。數據采集就是運用一定的測量設備和測量方法對實物樣件進行測量，獲取樣件表面信息，得到三維坐標。數據采集是逆向工程技術的首要環節，也是擬實匹配技術的首要環節，數據采集技術主要有接觸式和非接觸式兩大類測量方法，如圖2所示。

▲圖1 測量點云與理論CAD數模對比云圖

（2）實際產品的模型重建。模型重構就是運用一定的逆向工程軟件對點云數據進行處理，最終生成實物樣件的三維數字化模型。模型重構是逆向工程中最為關鍵的環節，也是擬實裝配中的關鍵技術，模型重構的質量好壞直接影響擬實裝配的質量和裝配公差分析及驗證。

（3）裝配序列規劃。在機械產品的裝配中，一組零件或組件的裝配順序起著關鍵的作用。裝配序列規劃是描述產品裝配過程的重要信息。采用合理的裝配序列，能夠使產品達到指定的裝配目標。

（4）裝配路徑規劃。裝配路徑是零部件在擬實裝配過程中的運動軌跡，進行裝配路徑規劃，目的是實現無碰撞、無干涉裝配，不僅保護了零件，而且提高了裝配效率，因此無論是人工裝配，還是機械的自動化裝配、柔性裝配或機器人裝配，都需要進行裝配路徑規劃。

（5）擬實裝配公差分析。擬實裝配所使用的數字模型是基于真實產品數據得到的模型，模型信息中包含了實際模型的尺寸、尺寸公差、形位公差、基準、表面結構以及規格材料等信息。通過計算機輔助公差設計（Computer Aided Tolerancing，CAT），能夠快速、準確地在擬實狀態下分析和驗證裝配出的產品是否符合精度要求，分析零件誤差對產品精度的影響，為產品的設計、制造和裝配提供良好的校驗和反饋功能。

（6）裝配質量的驗證及評價。通過擬實裝配公差分析得到數據，對產品的裝配質量進行驗證和評價。

▲圖2 數據采集技術

3 實施擬實裝配的意義

虛擬裝配是虛擬制造的一個重要組成部分。目前，人們從虛擬裝配仿真、虛擬裝配序列規劃、虛擬裝配建模等方面進行了廣泛而深入的研究。擬實裝配是基于虛擬裝配技術提出的，實施產品的擬實裝配，有如下意義。

（1）提高虛擬裝配的擬實化程度，使裝配過程更加接近實際生產中的物力模型裝配過程。擬實裝配使用的CAD模型是基于實際產品模型通過逆向工程技術得到的，模型信息中包含了實際模型的尺寸、尺寸公差、形位公差、基準、表面結構以及規格材料等信息。

（2）提供更完善的裝配評估和驗證功能。大多數虛擬裝配系統只提供了初步的裝配評估和驗證功能，利用虛擬模型得到的裝配評估的結果與真實物理模型的評估結果仍有較大的差距。擬實裝配使用的模型更加接近真實物理模型，裝配結果的評估更加接近真實裝配結果評估。

（3）擬實裝配使用的計算機輔助公差分析技術，由傳統的二維傳統尺寸鏈公差分析改進為三維空間尺寸鏈公差分析，分析得到各個尺寸對最終裝配質量的影響因子，根據影響因子大小改進公差分配，對產品的設計、制造和裝配有一定的指導作用。

4 總結

綜上所述，所謂擬實裝配，就是采用一定的測量手段得到幾何產品的點云數據，經過逆向工程技術處理，得到幾何產品的真實模型數據，導入到虛擬環境中進行裝配，并進行產品裝配序列規劃、裝配公差分析、驗證及評價等。利用擬實裝配技術，可進一步縮小虛擬裝配評估結果與真實裝配評估結果之間的差距，將評估結果反饋到設計和制造環節中，最終可達到降低成本、提高產品質量、縮短產品生產周期的效果。

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