汪志杰++高康

[摘 要]綜述了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配的研究現(xiàn)狀，介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在生產(chǎn)制造過程中存在的利弊要素，詳細(xì)描述了虛擬裝配技術(shù)的原理，以及在實(shí)際使用過程中的諸多優(yōu)點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]虛擬裝配；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；交互仿真

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0380-01

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和市場(chǎng)的日趨飽和，制造業(yè)已經(jīng)逐漸從賣方市場(chǎng)向買方市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，全球化統(tǒng)一的市場(chǎng)也已經(jīng)逐漸形成，這也使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏明顯加快，新產(chǎn)品從投放市場(chǎng)到退出市場(chǎng)的時(shí)間由過去的十幾年甚至幾十年縮短至2～3年，甚至更短[1]。如何低成本、高效率的開發(fā)出新產(chǎn)品，已經(jīng)成為贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)奪生存權(quán)的首要因素。

1. 研究現(xiàn)狀

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段，裝配是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要的一環(huán)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[2]，三分之一甚至以上的人參與和裝配有關(guān)的活動(dòng)，而裝配費(fèi)用則會(huì)占整個(gè)生產(chǎn)成本的30%～50%（對(duì)于某些復(fù)雜的產(chǎn)品，這個(gè)比例甚至?xí)撸．a(chǎn)品的性能由設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)擬定，由制造階段提供保證，并由裝配階段具體落實(shí)。裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)是阻礙生產(chǎn)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要因素，裝配生產(chǎn)的可靠與否也是決定產(chǎn)品性能能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的生產(chǎn)裝配常常是在所有的零件模型制作完成之后才能進(jìn)行，并且裝配的過程中也可能會(huì)出現(xiàn)兩種問題，一種是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在缺陷而無法進(jìn)行裝配，導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)制作，失去在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的先機(jī)；另一種是裝配過程存在不合理的因素，需要設(shè)計(jì)人員重新設(shè)計(jì)規(guī)劃裝配過程。反復(fù)的調(diào)試物理樣機(jī)模型不僅增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本而且延長(zhǎng)了整個(gè)研發(fā)周期，讓企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位。

2. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

20世紀(jì)70年代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)誕生以來，有許多先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（如CAD、CAM、CAE等）和并行工程CE（Concurrent Engineering）的設(shè)計(jì)理念相繼出現(xiàn)，極大的縮短了研發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。這些技術(shù)工具可以在產(chǎn)品的構(gòu)思設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)分析和加工制造等方面進(jìn)行全方位的輔助分析，以及對(duì)產(chǎn)品的所有零件信息進(jìn)行管理。但是在機(jī)械零件裝配的過程中，由于需要考慮人員、工作空間、裝配工具等限制因素的影響，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在裝配過程中分析評(píng)價(jià)的可信度就表現(xiàn)得不夠準(zhǔn)確。

3. 虛擬裝配技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR）是虛擬裝配的基礎(chǔ)。VR是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、人工智能等技術(shù)綜合發(fā)展的仿真技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)以計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)為核心，通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺等全方位一體化的虛擬沉浸環(huán)境，用戶再借助必要的硬件設(shè)備（如頭盔顯示器，數(shù)據(jù)手套，力反饋器，位置跟蹤器等）就能與虛擬環(huán)境世界中的物體進(jìn)行自然的交互，從而讓用戶能夠產(chǎn)生如同身臨其境的感受體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)中的虛擬環(huán)境通過計(jì)算機(jī)生成的具有一定鮮明色彩的立體圖像，它可以是一些特定現(xiàn)實(shí)世界畫面中的仿真場(chǎng)景，也可以是某種純粹虛構(gòu)的虛擬世界。正是因?yàn)橛辛颂摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持，人們才有條件考慮機(jī)械零件裝配過程中的工作空間、裝配工具、人員空間等限制因素的影響，而不是把虛擬裝配簡(jiǎn)單地做成堆積木式的組裝。

虛擬裝配技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并且還對(duì)諸如虛擬制造等先進(jìn)制造技術(shù)模式的具體實(shí)施產(chǎn)生了巨大影響。虛擬裝配技術(shù)在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建近乎真實(shí)的虛擬環(huán)境，通過創(chuàng)建數(shù)字化的產(chǎn)品裝配模型，替代傳統(tǒng)裝配中的物理樣機(jī)，在虛擬環(huán)境中通過一些三維輸入設(shè)備（3D控制器、數(shù)據(jù)手套、頭盔式顯示器等）就能夠方便的進(jìn)行產(chǎn)品裝配過程的模擬分析，驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配性能好壞，對(duì)存在的裝配沖突與設(shè)計(jì)缺陷作出及早的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題作出準(zhǔn)確及時(shí)的修改，并且可以將這些裝配的信息及時(shí)反饋給研發(fā)設(shè)計(jì)人員[3]。

通過虛擬裝配技術(shù)，對(duì)經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)得到的產(chǎn)品零件模型進(jìn)行裝配仿真，可以免去物理原型樣機(jī)的制造使用，節(jié)省設(shè)計(jì)研發(fā)的時(shí)間費(fèi)用。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)得到的零部件模型可以利用虛擬裝配技術(shù)提前進(jìn)行干涉檢查，減少樣品的制造使用率。最重要的是可以利用各種技術(shù)方法如分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就能對(duì)產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)和其它相關(guān)因素的各種影響進(jìn)行充分的考慮。通過改進(jìn)產(chǎn)品的裝配工藝流程，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品在滿足功能實(shí)現(xiàn)的前提下，具有最優(yōu)的制造和裝配工藝，并盡可能降低生產(chǎn)制造成本，縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期，減少產(chǎn)品研發(fā)總成本。同時(shí)在完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)后，利用裝配仿真過程的記錄進(jìn)行結(jié)果分析，便于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研究最優(yōu)的裝配工藝，以及優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度，制造精度和成本之間的性價(jià)比。

4. 結(jié)束語

近年來，中國工業(yè)的發(fā)展為中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力，做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，中國已成為公認(rèn)的世界級(jí)工廠。而工業(yè)在發(fā)展的同時(shí)，則使各行各業(yè)對(duì)勞動(dòng)力需求的增加與日具顯。在生產(chǎn)企業(yè)，勞動(dòng)密集型人工成本是一筆很大的開支，而且當(dāng)前的用人成本也在日益增加。因此，在當(dāng)下經(jīng)濟(jì)環(huán)境不景氣的條件下，既想保證出口產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量，又想做到減少日益增長(zhǎng)的成本，可行的路是引進(jìn)虛擬裝配技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱名銓，張樹生等.虛擬制造系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2001：1-2.

[2] 肖田元等. 虛擬制造[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2004：440-444.

[3] 肖田元，韓向利等.虛擬制造內(nèi)涵及其應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2001.13（l）：118-123.