虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

陳瑤瑤，劉永霞，符純明

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，如何提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少費(fèi)用支出等成為當(dāng)務(wù)之急。裝配作為產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，極大地影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，然而傳統(tǒng)的人工加工主要還是依靠生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)，在產(chǎn)品的實(shí)際裝配過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，然后再進(jìn)行修改，這樣將會(huì)消耗大量的時(shí)間，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低。為提高裝配效率，將傳統(tǒng)手工裝配工位進(jìn)行人—機(jī)器人協(xié)作改造已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[1]。隨著產(chǎn)品生產(chǎn)逐漸朝著自動(dòng)化方向發(fā)展，生產(chǎn)車(chē)間的生產(chǎn)工序正逐步被機(jī)器人所取代，然而由于產(chǎn)品的多樣化，該趨勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)難以得到快速發(fā)展。而虛擬裝配則可以極大地提高裝配效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 虛擬裝配技術(shù)

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中，零件的模型由SolidWorks等三維軟件來(lái)設(shè)計(jì)，裝配過(guò)程則由工程師執(zhí)行。如果產(chǎn)品在裝配時(shí)出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或者裝配順序不當(dāng)，這時(shí)就需要修改設(shè)計(jì)方案和調(diào)整裝配順序，浪費(fèi)大量的人力和物力。而虛擬裝配可以代替實(shí)際生產(chǎn)中工人和物件操作，在虛擬的環(huán)境下通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)零件進(jìn)行裝配，可以將工藝過(guò)程、產(chǎn)品的所有物料等結(jié)合在一起進(jìn)行仿真，并且在裝配設(shè)計(jì)階段對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的零件安裝是否準(zhǔn)確、裝配流程和工藝順序是否合理、工作人員的工作姿態(tài)是否最優(yōu)等諸多問(wèn)題進(jìn)行有效的驗(yàn)證，生成最符合實(shí)際生產(chǎn)的裝配工藝，從而減少生產(chǎn)費(fèi)用的支出及生產(chǎn)資源的浪費(fèi)，有效提高裝配效率。

虛擬裝配技術(shù)可分為以下三類(lèi)：①以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心：在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就對(duì)其裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品的可裝配性；②以工藝規(guī)劃為中心：利用計(jì)算機(jī)和虛擬裝配技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的裝配工藝過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得到一種可行的、更好的裝配過(guò)程方案；③以虛擬原型為中心：對(duì)產(chǎn)品外觀、功能和性能進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并與實(shí)物原型、產(chǎn)品測(cè)試和評(píng)價(jià)進(jìn)行比較。

2 國(guó)內(nèi)外虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

虛擬裝配技術(shù)出現(xiàn)以后，大量的虛擬裝配系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。早期的虛擬裝配系統(tǒng)，如華盛頓州立大學(xué)VRCIM實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所于1995年開(kāi)發(fā)出的虛擬裝配技術(shù)環(huán)境VADE[2]，能夠?qū)a(chǎn)品的參數(shù)信息導(dǎo)入到虛擬裝配環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配；英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)于1997年開(kāi)發(fā)了虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)UVAVU[3],該系統(tǒng)能夠記住技術(shù)人員的裝配活動(dòng)，從而獲取裝配意圖并提取裝配知識(shí)。

近年來(lái)又出現(xiàn)了一些新的虛擬裝配系統(tǒng)。21世紀(jì)初，法國(guó)達(dá)索公司推出了數(shù)字化裝配仿真平臺(tái)DELMIA系統(tǒng)，它將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行仿真和分析，得到最優(yōu)數(shù)據(jù)。浙江大學(xué)的CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立了虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)VDVAS[4]，工作人員可以直接通過(guò)三維操作選擇零部件并進(jìn)行拆卸規(guī)劃，此外還對(duì)零件進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)干涉分析，從而評(píng)估產(chǎn)品的可裝配性。Enrique Gallegos-Nieto[5]提出了一種新的基于觸覺(jué)的虛擬裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中作為裝配規(guī)劃工具，用于自動(dòng)生成和客觀評(píng)估裝配計(jì)劃。Jayasekera[6]提出了一個(gè)獨(dú)立于CAD軟件包的裝配驗(yàn)證系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)追蹤手的虛擬手模型來(lái)直觀地徒手操作零件模型。

虛擬裝配系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，工程師在虛擬的環(huán)境進(jìn)行裝配，這些虛擬裝配系統(tǒng)繼續(xù)向數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，能夠提供實(shí)時(shí)的、三維的交互環(huán)境，可以對(duì)裝配過(guò)程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行有效的管理。利用這些系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行建模，并能夠?qū)ζ湓O(shè)計(jì)進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。

3 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究

虛擬裝配技術(shù)最早開(kāi)始應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，國(guó)外關(guān)于虛擬裝配技術(shù)的研究開(kāi)始較早。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)虛擬裝配仿真、虛擬裝配序列規(guī)劃及人機(jī)因素等方面進(jìn)行了大量的研究，本文對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

3.1 虛擬裝配仿真研究

波音公司在研發(fā)B787客機(jī)時(shí)，整機(jī)采用基于模型的數(shù)字化定義的方式,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化裝配過(guò)程仿真[7]。賀江華[8]提出了“綜合性制造系統(tǒng)”的理念，基于排隊(duì)論建立了“綜合型制造系統(tǒng)”模型，對(duì)油泵泵體的加工進(jìn)行了仿真分析,并提出了解決加工過(guò)程中擁塞的方案。西北工業(yè)大學(xué)當(dāng)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院[9]提出了一種基于交互特征對(duì)的裝配仿真方法，用于解決基于約束的建模方法無(wú)法為裝配仿真提供足夠的交互信息的問(wèn)題。

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬在物理環(huán)境下符合實(shí)際裝配要求的產(chǎn)品，可以幫助技術(shù)人員尋找最優(yōu)的裝配策略，以驗(yàn)證產(chǎn)品的可裝配性。虛擬裝配仿真研究可以在裝配前解決一些裝配過(guò)程中碰到的問(wèn)題，可以預(yù)先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的裝配過(guò)程是否合理，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，極大地節(jié)省時(shí)間和空間成本，加速虛擬裝配的進(jìn)程。

3.2 虛擬裝配序列規(guī)劃

Enomoto Atsuko等[10]提出一種控制面板完全自動(dòng)化的裝配序列規(guī)劃方法，根據(jù)裝配過(guò)程和總裝配順序生成制造物料清單，進(jìn)而生成最優(yōu)裝配序列。Aliev Khurshid等[11]通過(guò)預(yù)先編程的基本工作步驟生成裝配序列，提出了一種基于任務(wù)的編程方法來(lái)支持人機(jī)協(xié)同工作單元中的裝配過(guò)程。

趙衛(wèi)等[12]將約束蟻群算法用于裝配序列的優(yōu)化以獲得較優(yōu)的裝配序列，通過(guò)控制信息素殘留系數(shù)及轉(zhuǎn)移概率參數(shù)等避免了出現(xiàn)局部最優(yōu)解的現(xiàn)象，得到了全局最優(yōu)解。馬志明[13]采用增強(qiáng)煙花算法求解裝配序列規(guī)劃,根據(jù)裝配序列的特點(diǎn)來(lái)改變算法的參數(shù),提高搜索速度與精度,增大了裝配序列求解的優(yōu)異性,從而確保了系統(tǒng)裝配演示的準(zhǔn)確性。

虛擬裝配序列規(guī)劃是裝配工藝的基礎(chǔ)，近年來(lái)大量研究人員采用智能優(yōu)化算法求解虛擬裝配序列，利用智能優(yōu)化算法解決了零件數(shù)量過(guò)多而產(chǎn)生的組合爆炸問(wèn)題，從而求得最優(yōu)裝配序列。另外，一些學(xué)者將裝配序列規(guī)劃問(wèn)題與其他問(wèn)題相結(jié)合，比如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件拆卸等，這樣將減少二次規(guī)劃，提高了裝配序列規(guī)劃的效率。

3.3 虛擬目標(biāo)拆卸

王昊等[14]引進(jìn)了跳躍拆卸路徑的概念，建立以關(guān)聯(lián)關(guān)系模型為基礎(chǔ)的目標(biāo)拆卸算法，用于解決之前模型中未考慮目標(biāo)拆卸的問(wèn)題，使目標(biāo)的拆卸過(guò)程更具靈活性。劉東等[15]將“裝拆可逆”思路應(yīng)用于運(yùn)載器安裝件的裝配順序和路徑規(guī)劃,對(duì)運(yùn)載器的裝配過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真,優(yōu)化裝配工藝,用于指導(dǎo)運(yùn)載器總裝操作。

Mitrouchev Peter等[16]提出了一種生成選擇性拆卸序列的方法，通過(guò)考慮組件之間的幾何接觸和碰撞關(guān)系，從而生成拆卸幾何接觸圖，用于產(chǎn)生拆卸序列。Wang等[17]開(kāi)發(fā)了基于Python編程語(yǔ)言的混合虛擬現(xiàn)實(shí)拆卸環(huán)境，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中拆卸序列的評(píng)估提供了重要的幫助。

技術(shù)人員通過(guò)交互工具對(duì)裝配體進(jìn)行拆卸，可以記錄拆卸順序和拆卸路徑，對(duì)不可行的拆卸進(jìn)行修改，同時(shí)還可以進(jìn)行干涉檢查，縮短了裝配時(shí)間，提高了裝配效率；還可以根據(jù)自身的裝拆要求，開(kāi)發(fā)不同算法和程序構(gòu)建的裝配環(huán)境，在滿(mǎn)足自身需要的同時(shí)，也增強(qiáng)了虛擬裝配系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3.4 人機(jī)因素分析

人是虛擬裝配環(huán)節(jié)的重要因素，在虛擬裝配的過(guò)程中應(yīng)充分考慮作業(yè)環(huán)境對(duì)工人的影響。虛擬人體可以模仿各種百分比的人體模型，對(duì)產(chǎn)品裝配的可視性、可達(dá)性等進(jìn)行分析，從而得到客觀的分析，以驗(yàn)證人機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

Binoosh等[18]在潛水泵軸的上端插入重約1.5公斤級(jí)套管的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，工人工作時(shí)手臂彎曲約152°，這是種較差的工作姿態(tài)，結(jié)合人體工程學(xué)的干預(yù)，在虛擬姿勢(shì)分析的幫助下進(jìn)行快速上肢評(píng)估(rapid upper limb assessment)，結(jié)果表明該工作姿勢(shì)存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，需要改變工作姿勢(shì)來(lái)消除或減少與工人健康相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。Vosniakos等[19]通過(guò)真人手持真實(shí)的工具，在機(jī)翼、固定裝置和工廠等都為虛擬的環(huán)境下鉚接組裝飛機(jī)機(jī)翼來(lái)評(píng)估大型機(jī)械零件的人工裝配，使參與的人員能夠?qū)ρb配系統(tǒng)進(jìn)行主觀評(píng)估。

Xiong W等[20]提出了一種新的交互式裝配任務(wù)仿真框架，用于解決虛擬裝配環(huán)境下的人機(jī)交互效率和用戶(hù)體驗(yàn)問(wèn)題。吳珍發(fā)等[21]基于人機(jī)任務(wù)的自然語(yǔ)義分解，建立了快速規(guī)劃仿真任務(wù)和仿真自動(dòng)生成的方法，解決了人機(jī)工程中人機(jī)動(dòng)畫(huà)仿真交互工作量大、不能自動(dòng)生成仿真過(guò)程且仿真結(jié)果不具有可編輯性等問(wèn)題。

人機(jī)工程學(xué)主要是為了提升工人對(duì)裝配系統(tǒng)的掌控和理解，減少和消除裝配過(guò)程中的人身安全問(wèn)題，減輕工人的工作量，同時(shí)使得工人以最優(yōu)的工作姿勢(shì)保持高效的裝配，最終達(dá)到質(zhì)變和量變的統(tǒng)一。

4 虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

(1)CAD系統(tǒng)與虛擬裝配系統(tǒng)的集成化。目前所用的虛擬裝配系統(tǒng)都需要通過(guò)CAD系統(tǒng)來(lái)對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝配過(guò)程仿真和修改信息則需要通過(guò)虛擬裝配系統(tǒng)反饋給CAD系統(tǒng)，兩者信息交流繁瑣。這時(shí)就需要將CAD系統(tǒng)與虛擬裝配系統(tǒng)集成化，確保信息的交換通暢。

(2)虛擬裝配系統(tǒng)的智能化。隨著人工智能和網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，產(chǎn)品的智能制造可以進(jìn)一步得到實(shí)現(xiàn)。例如：虛擬裝配序列近年來(lái)多采用智能優(yōu)化算法來(lái)求解，人工智能將成為其發(fā)展的關(guān)鍵方向，所以虛擬裝配系統(tǒng)的智能化將成為今后發(fā)展的重要方向之一。

(3)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同化。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，需要各個(gè)部門(mén)的協(xié)同參與，設(shè)計(jì)人員及生產(chǎn)工人等都需要參與到裝配過(guò)程中來(lái)，因此基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同化發(fā)展將是虛擬裝配系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

(4)提高建模過(guò)程的合理性。由于是在理想環(huán)境下進(jìn)行建模，沒(méi)有考慮刀具、溫度等因素對(duì)零件形位誤差和裝配精度的影響，會(huì)導(dǎo)致加工出來(lái)的零件在裝配過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，滿(mǎn)足不了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬裝配作為虛擬制造的重要組成部分受到了大量的關(guān)注，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，部分虛擬裝配系統(tǒng)已應(yīng)用于生產(chǎn)。在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，可以在虛擬裝配中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)與制造周期縮短，提高產(chǎn)品質(zhì)量。