虛擬裝配技術在工業設計中的應用

任慧娟 肖福禮 金守峰

摘要：

隨著虛擬裝配技術的不斷完善，計算機輔助工業設計技術的不斷進步。作為工業生產制造前端設計的工業設計，不斷向虛擬裝配、虛擬制造方向發展。為了更好的將虛擬裝配技術運用到工業設計領域，提出了融合虛擬裝配的產品設計工藝規劃，解決產品開發階段設計與制造的瓶頸問題，有利于工業設計方法的融合創新。

關鍵詞：

虛擬裝配; 工業設計; 產品設計; 計算機輔助工業設計

中圖分類號： TP 393

文獻標志碼： A

Application of Virtual Assembly Technology in Industrial Design

REN Huijuan1， XIAO Fuli 2， JIN Shoufeng2

（1. School of Computer Science;

2. School of Mechanical & Electrical Engineering， Xian Polytechnic University， Xian， Shanxi ?710048， China）

Abstract：

With the continuous improvement of the virtual assembly technology， the computeraided industrial design technology continues to advance. As an industrial design for industrial production manufacturing frontend design， it continues to develop in the direction of virtual assembly and virtual manufacturing. In order to better apply virtual assembly technology to the field of industrial design， a product design process incorporating virtual assembly is proposed to solve the bottleneck of design and manufacturing at the product development stage， which is conducive to the integration and innovation of industrial design methods.

Key words：

virtual assembly; industrial design; product design; computeraided industrial design

0引言

隨著計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）技術的日趨完善，工業產品的設計流程逐漸向虛擬環境的展現方式發展，工業設計的產品設計周期變得更短[13]。虛擬裝配作為工業設計產品模型的結構展現的新方式，能夠基于計算機圖像學，在計算機中展現工業產品的外觀、造型、結構、空間及裝配等信息。通過虛擬方式的展現，能夠減少產品在概念設計階段的生產周期，方便概念設計的修改，檢驗產品結構的空間布局及干涉。

目前，虛擬裝配在工業產品的應用中主要應用在機械產品、汽車等領域，應用的廣度與深度領域具有較大的發展空間[46]。趙燕提出了基于云平臺與三維仿真技術的農機虛擬智能裝配系統，闡述了農機領域的虛擬裝配應用技術[7]。孫漢琴提出了汽車領域虛擬裝配的關鍵技術，并驗證了生產的高效性[8]。吳光輝將虛擬裝配技術運用在汽車鈑金沖壓模中，輔助沖壓模的設計制造[9]。張爽華將虛擬裝配技術運用在滾筒洗衣機裝配設計領域[10]。熊巍提出了基于人機交互的虛擬裝配平臺研究[11]。翟上等人提出了虛擬裝配在《CAD/CAE課程設計》中的應用[12]。

由于工業設計的產品領域諸多，為了找到融合虛擬裝配工業產品設計的通用方法，需要進行合理的裝配工藝規劃，建立新型設計創新流程，提高工業產品的生產效率、降低生產成本。

1虛擬裝配與工業設計

虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，也是虛擬制造過程中最為薄弱的一個環節。利用計算機虛擬環境借助硬件交互設備，將虛擬零件模型進行裝配操作，模擬真實的裝配環境，并提供實時的碰撞檢測、裝配工藝路徑、裝配約束及裝配序列等功能。通過虛擬裝配技術，可以提供產品的可裝配性、裝配序列、裝配過程等信息，并生成裝配報告，能夠很好地記錄工業產品的裝配屬性，輔助工業產品的概念設計。

虛擬與現實技術能夠提供虛擬環境下的人機交互，計算機輔助工業設計能夠利用VR技術，建立語音、體感、意識等形式交互方式，進行工業產品的人機交互，設計具有滿足使用者精神需求的產品。同時，虛擬仿真技術的運用，可以更加精確地模擬現實環境中的產品設計，在虛擬裝配領域的應用能夠計算模型間的配合精度，生成裝配方案，以期實現在虛擬環境中的產品裝配，減少傳統設計方法的不足。

2典型工業設計的一般流程

在某項產品被設計的過程中，典型工業設計的設計流程首先進行顧客的需求分析，調研市場及競爭對手，將搜集的資料分析找出產品的差異性或消費者的痛點，然后確定產品的定位，通過查閱生產設計標準、規范、經驗確定設計要求。整理以上所需的資料后開始產品的概念設計、初步設計與詳細設計，最后進行設計實施。典型的產品開發設計流程，如圖1所示。

虛擬裝配作為設計實施的前端設計，需要通過計算機輔助的方式展現使用者的需求、產品的技術指標、外觀結構設計、裝配工藝規劃，能夠直觀的表現產品的形狀、結構與生產流程。通過虛擬裝配仿真后的模型及工藝能夠檢驗產品生產的復雜程度，便于后期的設計實施。

3虛擬裝配技術在工業設計中的工藝規劃

工業產品的生命從可行性分析到產品的生命結束都是以市場顧客的需求驅動的，這種需求在產品的消費前的生命階段尤為重要，產品設計能夠滿足消費者的需求、符合消費者消費觀念，才能滿足生產需要。而產品的設計是多種目標綜合體現的過程，為了在虛擬裝配領域標準化表述產品的開發流程，需要對開發目標進行優化加權，利用模糊目標與模糊約束，構造多目標的優化算法，規劃虛擬裝配技術在產品設計階段的工藝規劃，設計出能夠滿足市場需求的產品。融合虛擬裝配的產品設計工藝規劃，如圖2所示。

融合虛擬裝配的產品設計在典型工業設計的開發流程基礎上，增加了虛擬裝配技術，從概念設計階段的產品功能定位到選材、質量價格評估到虛擬裝配最后生產加工。減少了設計與制造之間的瓶頸問題，虛擬裝配提供了設計師與工程師的標準的語言，便于產品設計進行，減少設計周期，提高生產效率。

4虛擬裝配技術在工業設計中的設計驗證

為了更好的檢驗虛擬裝配在工業設計過程中的重要作用，利用統計學方法將驗證典型工業設計與融合虛擬裝配技術的工業設計各環節的重要程度。工業設計過程是產品不斷優化的過程，同時也是與客戶溝通后再設計與設計修改的過程。在一項課題開始后，決定項目生命周期的過程主要由各環節的時間決定，為了更好定量驗證工業設計環節的時間，避免其他因素對時間的影響，建立一般工業設計項目的流程框圖，便于統計計算各環節所用時間。一般工業設計項目的流程框圖，如圖3所示。

利用圖3過程，統計從項目洽談到概念設計再到詳細設計最后生產制造的時間，利用各環節的時間變量，確定影響工業設計環節的主要成分。利用問卷調查法統計了10位教師同一項目在各環節中運用的時間，

N1-N3為各環節的累加器個數，記錄該環節修改次數。記T（T1，T2，…，Tn）為項目總時間，t（t1，t2，t3，t4）分別為概念設計、詳細設計、生產制造與項目洽談環節的用時，則有單個環節時間如式（1）。

按照式（1）統計10位教師在各環節的用時，單位（天），并利用SPSS軟件對數據進行標準化，結果如表1所示。

利用SPSS軟件計算出該樣本數據的解釋的總方差圖與成分矩陣圖，如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，被提取出的兩個主成分特征根分別為1.982、1.010，通過成分矩陣與主成分特征根可以算出主成分線性組合系數，進而可以算出綜合得分模型的系數，得出主成分載荷，如式（2）、式（3）。

其中y1表示第一主成分，y2表示第二主成分。

通過主成分分析，在工業設計過程中，詳細設計與生產制造過程占據了主要的比重，因此優化該階段的設計環節能夠更為有效的降低工業設計產品的研發周期，提高生產效率。結合表1的修改次數統計能夠直觀看出，融合虛擬裝配技術的工業設計能夠減少在詳細設計與生產制造環節的修改次數，大大節約時間成本。

5總結

本文圍繞虛擬裝配技術在工業設計中的應用，對新型計算機輔助工業設計方法進行研究并運用在產品開發設計中，提高了傳統工業設計方法存在的市場需求滯后性。利用虛擬裝配技術，工業設計能夠短時間內建立用戶的需求模型及裝配方案，能夠通過模型功能定位、形式與材料、生產加工方式、成本與生產周期預估，并通過統計學方法驗證，虛擬裝配技術在工業設計領域的應用，能夠大大減少工業產品的開發周期，降低產品的開發成本。通過對虛擬裝配技術的深入研究、結合工業設計產品設計的方法提出了融合虛擬裝配的產品設計工藝規劃，以期使工業設計的方法更加簡便有效。

參考文獻

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（收稿日期： 2020.01.20）

基金項目：

中國紡織工業聯合會科技項目（2016091、2019064）;西安市科技計劃項目（201805030YD8CG1416）

作者簡介：

任慧娟（1975），女，碩士，工程師，研究方向：工業設計、工業工程技術。

尚福禮（1990），男，碩士，研究方向：工業設計。

金守峰（1979），男，博士，副教授，研究方向：機器視覺測量技術。

文章編號：1007757X（2020）08000903