虚拟装配技术研究现状及发展趋势
时间：2020-12-13 08:04:57 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(1.内蒙古科技大学 机械工程学院;2.内蒙古科技大学 资源与安全工程学院 ，内蒙古 包头 014010)
摘 要：文章就虚拟装配的概念、虚拟装配的具体过程和 分类作了简要的介绍。
关键词：虚拟装配；
虚拟环境；
建模
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)20—0079—02
21世纪，信息和知识的高速发展要求制造企业以最短的产品开发时间（Time），最优的产品 质量（Quality），最低的成本和价位（Cost），最优的服务（Service），最清洁的环境（ Environment）和快速的市场适应性（Flexibility）——TQCSEF来赢得用户和市场，实现可 持续快速发展。实现这一目标要求人们将制造技术与飞速发展着的系统科学、计算机科学、 虚拟现实、人工智能等有机融合，形成全新概念的具有信息化、自动化、智能化、敏捷化等 特点的现代虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）技术。虚拟装配作为虚拟制造的关键 技术之一，具有广阔的应用前景，世界各国的政府、企业、大学等机构对其进行了全方位、 多层次的研究。
1 虚拟装配的概念
虚拟装配(Virtual Assembly，VA)是虚拟制造的关键组成部分。它利用计算机工具，通过分 析、预测产品模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有关的工程决策，而不需要 实物产品模型作支持。虚拟装配技术是将装配技术与虚拟现实技术相结合，建立一个与实际 装配生产环境相一致的虚拟装配环境(Virtual Assembly Environment，VAE)，使装配人员 通过虚拟现实的交互手段进入VAE，利用人的智慧直觉地进行产品的装配、拆卸操作，用计 算机来记录人的操作过程，以确定产品的装、拆顺序和路径。虽然被定义为一种技术，实际 上是许多技术的综合利用，例如：可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造过程的研 究等。
2 虚拟装配的过程及分类
虚拟装配过程是在完成零部件三维建模与造型的基础上，根据零部件之间装配关系和约束条 件，在虚拟环境中进行设计组装，并进行相应的检验，从而对设计进行分析评价，不合理的 设计进行修改，达到优化设计的目的。主要包括产品结构分析，装配关系确定和产品组装， 设计分析评价及设计修改和装配效果检验等。
零部件的装配是三维设计系统的一个重要功能，但是目前三维设计系统大多只能将零部件装 配成为设备，而不能模拟零部件的装配过程，将装配技术与虚拟现实技术相结合可以形成零 部件的虚拟装配技术。虚拟装配技术以可视化展示设计产品的可装配性，同时还可以通过 对零部件进行改进以降低装配的复杂性。
虚拟装配过程与设计中的设计过程密不可分，依据设计方式的不同，装配过程可分为自顶向 下(top—down)的装配自底向上(down—top)装配两种形式。
2.1 自顶向下的装配
自顶向下(top—down)的设计过程，是从产品功能要求出发，先设计出初步方案及其结构草 图，建立约束驱动的产品模型；
通过设计计算，确定每个设计参数，然后进行零件的详细设 计，通过几何约束求解将零件配成产品；
对设计进行不断的修改，直到得到满足功能要求的 产品。这种设计过程能充分利用计算机的优良性能，最大限度地发挥设计人员的设计潜力。
自顶而下的装配设计符合新产品的开发设计过程，它从概念设计开始，使产品在设计过程中 不断完善。
2.2 自底向上的装配
这种设计方法是传统的方法，它的思路是将各个零件先设计好，然后将这些零件拿到一起进 行装配，如果在装配过程中发现某些零件不符合要求，比如：零件之间产生干涉，零件无法 安装和拆卸等，这就要对零件重新设计、装配，这样重复直至符合要求。它的优点是简单， 易理解和接受。而且它是从零件开始进行设计，在零件的础上进行装配体的设计，因此可以 充分利用先前已有的设计资料，有效避免重复设计的工作。
两种装配形式各有优缺点，在实际的装配过程中，可以进行有机的结合。从两侧向中间的装 配形式，可以很好地弥补以上装配形式的不足。它是从产品功能要求出发，建立产品模型；
在进行零件的详细设计前，横向地寻找类似的零件进行总结；
确定最后的参数，完成零件的 建立。这样再进行装配就可以避免重复设计，简化了修改的过程、节省了宝贵的时间，同时 也充分的发挥了设计人员的创造力。
3 虚拟装配技术功能分析
机械产品的配合性和可装配性设计人员不易掌握，以往要到产品最后装配时才能发现错误， 导致零件的报废和产品上市时间的延迟，造成巨大经济损失或信誉损失。采用虚拟装配技术 可以在设计阶段进行验证，确保设计的正确性，避免损失。虚拟装配强调在实际投入原材 料于产品实现过程之前，完成产品设计与装配过程的全面仿真、分析，以保证产品的可装配 性。
具体来说，虚拟装配技术功能如下：①实物产品的数字化再现，即生成产品数字模型。产品数字模型描述的信息有：产品 结构明细表(BOM)；
产品外形几何与拓扑信息，产品形状特征信息；
形位公差模型；
功能模型；
运动和动力学仿真。②冲突检测，是指组成产品、各个级别的装配体的零部件进 行集合上的干涉检查，这里 的检查包含有零部件在装配体中的静态空间位置的相交性，也包含零部件在构成产品的装配 过程中在空间上的集合干涉性。③生成装配序列和路径，在产品建模和排除“冲突” 的过程中，生成优化的装配序列和 路径，减少实际生产中的装配时间。
4 虚拟装配技术发展趋势
4.1 拟实化程度将越来越高
从其自身来讲，虚拟装配有着不可逾越的优越性，然而，它在工业领域应用的成功程度却要 取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的两个方面，也就是虚拟 产品模型和虚拟装配仿真过程。目前，数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取代物理模型 的 装配过程，这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术 、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展，虚拟装配拟实化程度必将越来越高，在可预 见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程，从而大大缩短产品开发周期并节约开发成 本。
4.2 实现标准化
纵观工业领域各种技术的发展与应用，大都有一个从非标准化到标准化的发展过程，这一过 程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统一的标准，这是 其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开，如果没有统一的标准 ，必将影响虚拟装配技术的应用范围，从而阻碍其发展，因此，实现标准化是虚拟装配技术 发展的必然趋势。
4.3 实现集成化
目前，国内外研究的虚拟装配系统大都是通过接口从商用CAD系统中获取产品的数字化模型 以及设计者的设计意图，这一数据转换过程比较繁琐；
而且在当前，虚拟装配仿真结果、再 设计意见和建议也不能很好地反馈到CAD系统中。这方面的问题大大阻碍了虚拟装配技术的 发展。要充分发挥虚拟装配系统的功能并促进其发展，必须保证CAD与虚拟装配系统之间的 信息通道畅通无阻，因此二者必须实现集成。在现有的CAD系统中集成虚拟装配功能将是一 个可行的实现方法。
4.4 工具化与智能化并重
虚拟装配要实现的目标之一是设计验证，即为工程师进行设计验证提供工具化的环境。完全 利用计算机自动实现装配规划则不可避免出现组合爆炸问题，随着人工智能技术的发展，工 具化与智能化相并重的装配设计环境既能够充分利用人的创造性，又能够充分利用形式化的 专家知识以及计算机能力，实现人机协同工作。因此，工具化与智能化并重在相当长的一个 时期内将是虚拟装配的发展方向。
4.5 向网络协同化方向发展
并行工程与协同设计思想已经渗透到制造业的各个层面，制造业全球化的进程也正在加速。
如何使地理上分布于世界各地的设计、工艺以及制造人员参与到产品装配设计及验证过程中 来，是虚拟装配需要解决的问题。因此，建立基于Internet的协同虚拟装配环境是虚拟装配 的发展方向之一。
4.6 提供更完善的评估、验证功能
目前，大多数虚拟装配系统只提供了初步的装配评估与验证功能，实际产品设计与制造过程 中，影响装配质量的因素有很多，如装配精度以及装配变形等，然而目前的虚拟装配系统并 未提供对这些影响因素进行评估与验证的功能。因此，如何提供更多与装配相关的评估、验 证功能，从而促进最终产品质量的提高，是虚拟装配今后要解决的问题之一。
4.7 由手工装配过程仿真向生产线装配过程仿真发展
当前，大多数虚拟装配系统的研究仅停留在仿真实际生产中的手工装配过程，而对于生产线 的 装配过程研究不够。生产线装配过程与手工装配过程之间往往存在着很大差异，因此，由手 工装配过程仿真过渡到生产线装配过程仿真也是虚拟装配的发展方向之一。
5 结束语
近年来，虚拟制造技术的研究受到学术界的重视，虚拟装配技术是虚拟制造的关键技术，其 目的是研究虚拟产品模型的建立和虚拟装配环境的建立，并将其用于实际的产品开发与生产 中，以缩短产品开发周期，降低成本，获得最大的经济效益。
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