基于虛擬現實技術的柴油機虛擬裝配工藝探索

陳斌

摘 要：裝配工藝可視化和可視化教學都是可視化技術研究方向之一。裝配工藝可視化以裝配過程動畫的形式直觀地表達了裝配規程的內容，便于工藝人員和操作工人對于裝配工藝的理解?？梢暬虒W以非語言形態提供了較為具體、直觀的信息，利于學生的學習和回憶，可以使教育得到更好地普及，使教學質量得到大大的提高。

關鍵詞：裝配工藝；三維；可視化

1.裝配技術的現狀

從生產上講，裝配技術的發展過程是由手工裝配到圓臺式自動裝配機、自動裝配線裝配，再到柔性自動化裝配。這是社會化大工業發展的必然趨勢。隨著產品淘汰頻率的加快和人們對產品質量和性能要求的提高，單件小批量手工裝配已經不能滿足人們日常生活的需要，手工加工與裝配的產品或是已經成為一種生活的奢侈品，或是成為一種初級劣質產品的代名詞。

裝配技術在應用了計算機、可視化、傳感器等技術之后，裝配效率和可靠性方面都有了很大進步，自動化程度更高。計算機控制的自動裝配系統可以準確地實現零部件的定位夾緊—減少了人工的誤操作且減輕了勞動強度，在自動裝配線上的裝配可以節省大量的搬運時間——實現了最優裝配路線，等等。然而，在許多情況下，從技術經濟的觀點來看，混合式裝配系統才是最佳選擇。在這種裝配系統中既包含自動裝配，又包含手工裝配，因為自動化裝配像加工一樣要求人的智慧和經驗[1]。不過，自動裝配與手工裝配的配比關系一定還會有很大變化，在裝配過程中自動裝配的應用領域將會越來越廣，人的作用將主要集中在監管上。從設計上說，CAD/CAM/CAE技術迅速發展，帶動整個生產制造業向著“計算機輔助”方向前進。計算機輔助工藝設計（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）已成為工藝規程設計的發展趨勢，裝配類CAPP的研究正成為當下熱門研究項目之一，隨著工藝庫、知識庫的逐步完善，可以快速生成標準化程度高的工藝規程卡成為CAPP系統的發展目標，未來CAPP系統將向通用化、實用化、智能化、集成化、網絡化和開放性的方向發展，從而更好地提高工藝設計效率，促進工藝標準化建設，實現與其他應用系統的集成。

基于參數化特征和動態建模技術的三維CAD軟件的普及和虛擬現實技術的廣泛應用，給虛擬裝配的發展奠定了堅實的理論和現實基礎，虛擬裝配環境注重從Immersion-Interaction-Imagination即“沉浸感—交互式—想象性”三方面建立，其中，沉浸感（Immersion）指用戶難以分辨虛擬環境的真假；交互式（Interaction）指用戶可以操作模擬環境內的物體；想象性（Imagination）指模擬環境不僅可以是一定現實世界的真實體現，也可以是純粹想像出來的世界。虛擬裝配使用計算機工具，不必進行產品物理模型實現，通過分析、預測模型、可視化數據表示進行與裝配有關的工程決策。虛擬裝配是多項技術的結合，包括可視化技術、仿真技術、決策論、裝配與制造規程、裝配制造設備開發技術等。利用虛擬裝配技術，能夠減少開發研制周期，迅速響應市場變化；高級的設計方法和工具使設計人員應用方便；改進裝配質量；降低成本等。

2.裝配工藝可視化應用

以車用柴油機為例，將裝配工藝規劃與實際的裝配操作結合，研究裝配工藝三維可視化的表達內容及表現方式。

2.1總體設計

首先分析可視化系統的目標要求及面向的對象，設計系統的功能模塊。系統的功能確定為熟悉柴油機的理及構造并掌握柴油機的裝配工藝，既要兼顧知識的系統性又要滿足交互性，其中以柴油機的裝配工藝為重點，以能三維動態地表達裝配工藝為最終目的。這些功能幾乎涵蓋了柴油機裝配工藝的全部內容，用戶不但能全面了解柴油機的原理結構，而且通過裝配動畫能詳細熟悉柴油機的裝配過程，以及相應的裝配工藝，包括裝配方法、裝配組織形式、裝配序列（包括裝配順序和裝配路徑）、裝配工具和裝配技術等。

2.2關鍵技術

2.2.1 CAD系統之間的數據轉換

CAD系統間的數據轉換目前主要有三種方法：（1）利用國際圖形數據交換標準進行轉換：IGES（初始圖形交互規范）和STEP（產品模型數據交換標準）。（2）開發中間的數據格式進行轉換。（3）對CAD系統進行二次開發，二者共享底層數據庫。裝配可視化系統考慮采用第一種方法，因為AutodeskInventor和Pro/Engineer都自帶有STEP轉換器，使二者之間可以相互轉換數據，雖然裝配約束條件部分丟失，但裝配位置信息和裝配文件名稱仍存在，可滿足制作裝配動畫的需要。

2.2.2裝配動畫的生成

研究產品裝配的層次性是創建裝配模型的第一步。在產品的裝配中，裝配體可以分解成若干個子裝配體或零件，子裝配體又可以進一步分解成若干個子裝配體或零件，由此表現出層次性，這樣能夠對柴油機的構造和原理有更清晰的認識，從而更好地完成子裝配與總裝。在AutodeskInventor中根據“可拆即可裝”的原則通過尋找可行拆卸路徑來進行“反演”，確定裝配序列，規劃裝配路徑，生成裝配動畫，并演示裝配條件與裝配要求，真正實現裝配工藝的三維仿真。其中需要對輸出的*.avi動畫進行后期的編輯與合成才能生成滿足要求的有裝配工藝說明的動畫。

3.裝配工藝可視化系統的應用展望

裝配工藝三維可視化最為直接的應用是作為工人培訓與學生生產實習的教學課件，它能提供完整系統的裝配工藝知識，可以直觀生動地表達裝配工藝涉及的方方面面，易于全面理解、學習與掌握裝配工藝知識。若全面應用開來，面向不同的人員可以起到不同的作用[3]：（1）面向設計人員：顯示協調路線、裝配圖表和干涉檢查結果等，用于評價裝配方案，更改裝配設計；（2）面向工藝人員：顯示協調路線、裝配圖表、指令性工藝方案、零件技術狀態和裝配件等，用于檢查裝配工藝文件；（3）面向裝配人員：顯示工作地、裝配過程動畫、所涉及的零件和零件技術狀態等，用于了解工作內容，指導裝配操作；（4）面向檢驗人員：顯示協調路線和裝配公差等，作為檢驗的依據。

4.結語

基于虛擬現實技術的虛擬裝配技術的發展，為解決產品的裝配問題提供了一個新的低成本的快速手段。裝配工藝可視化是虛擬裝配的研究方向之一，而且目前裝配工藝可視化的研究方向也很多，包括裝配工藝規程的可視化和裝配過程的可視化，本文是將二者結合起來進行研究，在裝配過程中表現裝配工藝規程的內容。

參考文獻：

[1]肖田元.虛擬制造[M].北京：清華大學出版社，2004：440-444.

[2]劉愛華，侯曉林，李秀勇.產品裝配結構技術的實現及應用[J].機械設計，2006，23（1）：16-19.

[3]孫中雷，陶華.飛機裝配工藝仿真與可視化技術研究[J].現代制造工程，2006（2）：55-58.