王 佩 ，馮 波

（1. 西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710071；2. 西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

復雜機械產(chǎn)品研制過程的三維建模及虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)企業(yè)與科研院所得到廣泛應用。高校機械專業(yè)在人才培養(yǎng)與學科建設(shè)方面也積極開設(shè)了產(chǎn)品三維設(shè)計、三維工藝設(shè)計與仿真等產(chǎn)品研發(fā)類的虛擬仿真技術(shù)課程[1]。工藝具有復雜、抽象等特征，盡管實驗是培養(yǎng)、提高學生工藝能力的重要手段，然而由于工藝的抽象性導致難以通過傳統(tǒng)的課堂教學及實驗對其進行深入描述，造成學生在工藝技能方面培訓困難。同時，由于復雜機械產(chǎn)品種類多、更新?lián)Q代快、結(jié)構(gòu)復雜、工藝復雜，以及個性化、定制化等特點，決定了通過真實實驗完成三維工藝設(shè)計實驗和實踐教學的難度很大，實驗資源也難以快速更新，導致反復性實驗難度大、損耗大，因此迫切需要通過虛擬仿真實驗手段補充和豐富傳統(tǒng)實驗和理論教學。

借助先進的虛擬仿真實驗教學手段提升產(chǎn)品工藝設(shè)計相關(guān)課程教學的質(zhì)量，除了可以在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝實現(xiàn)方法等方面補充教學資源之外，還可以通過可視化、形象化的內(nèi)容使學生對復雜產(chǎn)品的工藝設(shè)計過程進行反復實驗與驗證，從而更形象直觀地理解工藝知識。虛擬仿真教學手段具有靈活性、擬實性。近幾年虛擬仿真教學模式和實驗教學技術(shù)已經(jīng)成為高校教學改革的重要方向[2-9]。很多學者從設(shè)計虛擬仿真實驗內(nèi)容、探索虛擬仿真實驗教學方法[10-11]、設(shè)計虛擬仿真實驗平臺、實現(xiàn)虛擬仿真實驗技術(shù)[12-13]等方面對虛擬仿真教學手段進行了研究，積累了大量的虛擬仿真實驗教學成果與經(jīng)驗。

本實驗根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的直觀性強、實操方便等特點，設(shè)計了三維裝配工藝虛擬仿真實驗，以幫助學生可視化地理解復雜產(chǎn)品的裝配工藝及仿真方法。學生可在虛擬環(huán)境中找出裝配工藝的瓶頸、問題并驗證工藝的可裝配性，在虛擬裝配工藝設(shè)計環(huán)境中進行分析與評估，從而提升工藝技能。

1 實驗內(nèi)容與要點

1.1 三維虛擬裝配工藝設(shè)計與仿真內(nèi)容

三維虛擬裝配工藝仿真主要包括三維裝配環(huán)境建模、裝配順序規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、裝配干涉仿真以及基于虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）的虛擬裝配等內(nèi)容，其主要實現(xiàn)方式是在Delmia/DPM三維虛擬裝配環(huán)境來驗證和評價裝配工藝的可裝配性。

在此環(huán)境下，學生可進行裝配工藝分析和仿真實驗，規(guī)劃裝配順序，選擇制造資源，分析工藝順序、資源影響下的裝配工藝和裝配方法。在虛擬環(huán)境中，系統(tǒng)把產(chǎn)品的所有物料、實際裝配需要的制造資源和具體的裝配工藝關(guān)聯(lián)起來，學生通過虛擬仿真分析產(chǎn)品裝配順序和工序過程，驗證產(chǎn)品裝配工藝性，觀察和學習整個裝配工藝設(shè)計的過程、順序，了解容易發(fā)生問題的地方，結(jié)合虛擬模型和過程分析裝配順序及干涉問題，從而掌握裝配工藝設(shè)計和仿真方法。同時，虛擬裝配工藝仿真支持虛擬現(xiàn)實，學生可借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，與虛擬仿真環(huán)境中的裝配對象進行交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實裝配過程中相同的感受，更加深入地了解典型產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計過程。具體實驗原理如圖1所示。

1.2 三維虛擬裝配工藝設(shè)計與仿真要點

（1）三維裝配環(huán)境建模。首先將虛擬仿真設(shè)計實驗的典型產(chǎn)品實體裝配模型輕量化處理成裝配工藝模型，導入到裝配仿真環(huán)境中。針對典型產(chǎn)品裝配工序的生產(chǎn)環(huán)境，構(gòu)建工裝、設(shè)備等裝配資源的仿真模型，完成裝配工藝仿真環(huán)境的建模。

（2）三維裝配工藝規(guī)劃與仿真。在虛擬實驗系統(tǒng)中以離散化數(shù)據(jù)節(jié)點的方式描述工藝過程、工序、工步、工藝資源、工藝物料、工藝模型等對象，按照工藝層級劃分數(shù)據(jù)節(jié)點之間的層次關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)集。學生可以依據(jù)裝配工序中包含的各種物料裝配操作順序，進行裝配順序規(guī)劃、設(shè)定，完成裝配路線設(shè)定、資源關(guān)聯(lián)、零組件分配等內(nèi)容。由于復雜機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系較為復雜，物料多，安裝順序規(guī)劃方式多，需要有效的制造資源配合，裝配工藝設(shè)計難度大。裝配工藝作為指導實際裝配的技術(shù)文件，必須經(jīng)過科學驗證與評估，才能不誤導實際裝配操作及引發(fā)實際裝配的混亂，保證高質(zhì)量高效率地完成產(chǎn)品裝配。通過三維虛擬仿真進行驗證是保證產(chǎn)品實際物料裝配質(zhì)量的最佳方法。在實施裝配前，可針對復雜產(chǎn)品裝配工藝進行裝配干涉仿真、裝配順序仿真，來驗證產(chǎn)品裝配及物料設(shè)計的合理性、對應工裝設(shè)計的合理性、對應裝配路徑規(guī)劃的合理性等，具體包括是否存在物料安裝先后順序的位置沖突、碰撞干涉等情況；如有問題可調(diào)整裝配順序并重新仿真驗證，直到獲得正確的結(jié)果。

圖1 典型產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計與虛擬仿真過程實驗原理

（3）基于VR的三維虛擬裝配。學生可以通過虛擬現(xiàn)實手柄、鼠標、鍵盤等外設(shè)與系統(tǒng)進行實時交互，以場景漫游的方式從不同角度觀察產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)。例如，復雜天線產(chǎn)品包括桁架、索網(wǎng)、支撐臂、電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等，可以使用穿戴設(shè)備利用虛擬工具拆卸和安裝天線。具體過程為：使用穿戴設(shè)備控制虛擬模型在虛擬裝配實驗環(huán)境中移動，在虛擬裝配場景中實現(xiàn)對典型天線的虛擬裝配，根據(jù)裝配要求，選擇相應的裝配零件和裝配工具進行裝配訓練，在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用拆卸、安裝工具。同時，系統(tǒng)會出現(xiàn)正確或錯誤安裝提示信息來指導裝配實驗操作，有錯誤提示時需要學生進行調(diào)整消除才能繼續(xù)進行實驗。

2 實驗過程

2.1 三維裝配工藝順序及BOM設(shè)計

在Delmia/DPM模塊中可以進行復雜產(chǎn)品裝配工藝順序規(guī)劃，包括工藝節(jié)點內(nèi)容與先后順序關(guān)系規(guī)劃。首先進行工藝設(shè)計，然后選中工藝節(jié)點，選擇工藝節(jié)點需要裝配的物料，按照這樣的方式依次對每個工藝節(jié)點需要安裝的物料進行選擇分配，最終實現(xiàn)所有物料的工藝節(jié)點分配，從而完成工藝設(shè)計，具體如圖 2所示。同時，配置工藝節(jié)點生產(chǎn)裝備、工裝夾具等資源。

通過將典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計模型導入到 Delmia/DPM虛擬裝配工藝設(shè)計與仿真實驗環(huán)境，可以獲得三維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，并獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的工程物料清單（engineering bill of material，EBOM）信息。

裝配工藝系統(tǒng)首先基于 EBOM 以裝配工位為單位進行工位制工藝物料清單（process BOM，PBOM）的構(gòu)建，基于三維可視化界面進行工位零組件的分配，然后基于裝配工位進一步進行工序劃分、工序配套（劃分每一道工序的工具、量具、標準件、零部件的配套）設(shè)定，形成完整的頂層PBOM結(jié)構(gòu)樹，最終形成完整的三維操作指導書、裝配記錄卡、工序卡，可將其保存到對應的工序節(jié)點下，而裝配流程卡則保存到PBOM根節(jié)點下。學生通過由頂至下的PBOM劃分方式，進行三維可視化環(huán)境下消耗式PBOM劃分，有利于學生可視化、直觀理解PBOM的概念與構(gòu)成。

圖2 可視化零組件劃分界面

Delmia/DPM 裝配工藝系統(tǒng)實現(xiàn)了按照工位進行自頂向下的 PBOM 劃分，直接利用制造物料清單（manufacture BOM，MBOM）明確產(chǎn)品的裝配關(guān)系，同時通過增加工藝組件節(jié)點，對生產(chǎn)過程中的虛擬物料進行處理，理順生產(chǎn)組織關(guān)系。

在Delmia/DPM裝配工藝系統(tǒng)環(huán)境中，通過在三維環(huán)境下載入EBOM結(jié)構(gòu)及輕量化三維模型，創(chuàng)建工藝組件，在三維環(huán)境中框選劃分零部件，實現(xiàn)PBOM結(jié)構(gòu)劃分。同時，通過隱藏已劃分的PBOM結(jié)構(gòu)，只顯示未劃分的零部件，再對未劃分的零部件進行PBOM劃分，實現(xiàn)了消耗式的PBOM劃分。

將EBOM轉(zhuǎn)換為PBOM。按照裝配工藝順序、工藝合件等方式將EBOM拖拽到PBOM中，形成裝配工藝 BOM樹，并與相應的工藝節(jié)點進行關(guān)聯(lián)，工藝節(jié)點結(jié)合 BOM信息與制造資源進行關(guān)聯(lián)，可以幫助學生可視化地理解工藝設(shè)計的BOM、工藝節(jié)點、節(jié)點資源等抽象概念，從而提高教學質(zhì)量。

2.2 三維裝配工藝虛擬仿真

在虛擬環(huán)境通過零件的安裝和拆卸路徑來設(shè)置零件的裝配路徑，零件可沿著這一路徑移動并在系統(tǒng)中記錄下其位置。在移動過程中，如果零件和其他裝配模型發(fā)生干涉，系統(tǒng)會以可視化方式加亮顯示。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)依據(jù)典型產(chǎn)品的工藝知識進行不同工序、工步所需工藝數(shù)據(jù)的提取、傳遞、輸出，并通過系統(tǒng)中支持的卡片、表單、文檔、電子作業(yè)指導書等多種形式進行展現(xiàn)。

圖3 干涉檢查操作

依據(jù)所構(gòu)建的裝配BOM、裝配順序、裝配路徑和裝配資源在虛擬環(huán)境中對整個裝配過程（包括所有裝配序列和步驟）進行仿真。在仿真過程中，沿著仿真系統(tǒng)中規(guī)劃的裝配路徑和裝配順序，檢查物料的數(shù)字模型是否與周邊環(huán)境模型有碰撞。移動系統(tǒng)提供了多種干涉檢查算法驗證所設(shè)計的工藝及操作是否干涉及其干涉要素和干涉量，并通過調(diào)整順序、拖拽移動零件位置等方法實現(xiàn)干涉調(diào)整，從而幫助學生最終實現(xiàn)其工藝設(shè)計方案的無干涉裝配仿真。

2.2.1 裝配干涉仿真

在Delmia/DPM虛擬裝配工藝設(shè)計環(huán)境中，依據(jù)裝配工藝規(guī)劃的裝配工藝流程，通過對復雜產(chǎn)品的每個零件物料、部件物料以及成品物料的移動、定位、夾緊和裝配等進行物料與物料、物料與制造資源的干涉檢查，學生可以在進行裝配操作的過程中觀察是否存在干涉情況以及是否有報警顯示。通過這些信息，學生可以查找和分析干涉原因。

通過定義干涉類型操作，虛擬裝配系統(tǒng)可以進行所有產(chǎn)品物料模型對象或者兩者之間的干涉檢查，如圖3所示。

2.2.2 裝配順序仿真

盡管機械產(chǎn)品的一般裝配順序設(shè)計是按先里后外的原則設(shè)計的，但當產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常復雜時，有些零件難以按照既定順序裝配到位，因此需要對裝配順序進行改變。在虛擬工藝設(shè)計環(huán)境中，依據(jù)規(guī)劃的裝配工藝流程，學生可以通過虛擬操作，采用 Delmia/DPM對產(chǎn)品安裝過程和拆卸過程進行三維動態(tài)仿真，驗證每個零件按設(shè)計的工藝順序是否能無障礙地裝配上去，以發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計過程中裝配順序設(shè)計的缺陷與不足。

結(jié)合三維模型，學生可以在產(chǎn)品樹上設(shè)計裝配順序，生成裝配序列，規(guī)劃裝配仿真順序，最終生成仿真動畫，如圖4所示。

2.2.3 VR虛擬裝配操作

如圖5所示，在實驗過程中學生可利用虛擬現(xiàn)實手柄、鼠標、鍵盤等外設(shè)與虛擬仿真裝配過程進行實時交互，在虛擬環(huán)境中選擇工具進入裝配主界面對典型產(chǎn)品的某個零件進行安裝拆卸。學生利用系統(tǒng)對每個關(guān)鍵部件的單獨說明和360°全方位查看，根據(jù)近似真實的裝配環(huán)境，真實地感受零件的安裝和拆卸的過程以及它們的關(guān)系，加深對裝配工藝和裝配過程的理解。同時，學生在進行虛擬操作時，通過設(shè)置裝配異常錯誤報警顯示，根據(jù)虛擬仿真操作分析，解決異常狀況并進行驗證，從而加深學生對裝配過程中關(guān)鍵問題和細節(jié)問題的理解，培養(yǎng)學生的動手實踐技能和分析問題解決問題的能力。

圖4 裝配路徑規(guī)劃與順序規(guī)劃功能

圖5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)虛擬裝配展示

3 三維裝配工藝設(shè)計與虛擬仿真實驗結(jié)果

通過仿真實驗可以得到虛擬裝配順序、干涉情況、物流運輸工具利用率、物料緩沖區(qū)堵塞、工位瓶頸、裝配過程可視化等結(jié)果，并對實驗結(jié)果進行記錄與分析。

3.1 PBOM劃分結(jié)果

通過三維可視化的方式，學生可以按照產(chǎn)品設(shè)計模型，依據(jù)工藝設(shè)計的原則消耗式劃分工藝 BOM，具體如圖6所示。

3.2 裝配順序仿真結(jié)果

按照一定順序規(guī)劃好的產(chǎn)品序列模型如圖 7所示。

圖6 PBOM劃分結(jié)果

圖7 裝配順序仿真結(jié)果

3.3 干涉檢查結(jié)果

通過制定干涉的類型、對象，可以得到干涉分析結(jié)果，具體如圖8所示。

3.4 路徑和工藝順序調(diào)整結(jié)果

根據(jù)干涉結(jié)果，調(diào)整裝配路徑和工藝順序，具體如圖9所示。

3.5 經(jīng)過仿真驗證的工藝設(shè)計結(jié)果

經(jīng)過仿真驗證后就可以得到裝配操作指令用以指導生產(chǎn)，如圖10所示。

圖8 干涉檢查結(jié)果

圖9 工藝路徑和順序調(diào)整結(jié)果

圖10 經(jīng)過仿真驗證的工藝設(shè)計結(jié)果

4 提高三維裝配工藝設(shè)計與虛擬仿真教學效果的措施

為保證復雜機械產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計與虛擬仿真課程教學效果，采取了以下一些措施：

（1）依據(jù)工藝設(shè)計進行裝配序列設(shè)計，生成關(guān)鍵件的裝配順序，進行裝配 BOM的編制，依據(jù)關(guān)鍵件的裝配順序，以及屬性包括圖號、名稱、數(shù)量、材質(zhì)以及計量單位等信息，根據(jù)裝配 BOM模板快速生成BOM，為裝配備料、領(lǐng)料提供基礎(chǔ)。

（2）針對實驗過程中設(shè)計的制造BOM分配不均衡問題，可以發(fā)現(xiàn)瓶頸工位，通過分析瓶頸產(chǎn)生的原因制定解決方案，并自主修改實驗參數(shù)，解決瓶頸問題，最終實現(xiàn)順暢的產(chǎn)品裝配。

（3）在復雜產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計規(guī)劃過程中，裝配順序規(guī)劃不合適會導致裝配過程發(fā)生干涉，引起部件無法安裝、工裝與裝配的部件發(fā)生碰撞，為此需要在可視化裝配環(huán)境對裝配過程進行干涉檢查，對裝配序列進行設(shè)計優(yōu)化，防止實際操作過程干涉的發(fā)生和不能安裝情況的出現(xiàn)。

（4）本實驗通過虛擬仿真環(huán)境指導學生進行裝配工藝規(guī)劃、仿真分析，幫助學生分析了制造 BOM劃分不均、可裝配工藝差等問題。在虛擬仿真實驗環(huán)境中設(shè)計更加有效的裝配規(guī)劃、物料分配、裝配順序等，有效節(jié)省了人力、物力。通過演示視頻使學生在虛擬仿真環(huán)境中了解整個裝配工藝設(shè)計與虛擬仿真過程，減少了物理裝備的使用。通過虛擬資源建模實現(xiàn)實驗資源的更新，能夠適應實驗教學技術(shù)與模式的發(fā)展。

5 結(jié)語

本實驗在復雜機械產(chǎn)品工藝教學中的意義在于：

（1）在典型產(chǎn)品機械制造相關(guān)專業(yè)課程的教學中，虛擬仿真實驗能夠把產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計過程及裝配過程生動形象地呈現(xiàn)出來，加深學生對復雜機械產(chǎn)品裝配工藝的理解，提高學生動手能力和解決問題的能力，與實驗教學和理論教學形成互補式發(fā)展模式。

（2）三維裝配工藝設(shè)計與仿真實驗，可以補充和豐富理論教學，并可擴展到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)制造及測試等領(lǐng)域，具有覆蓋學科、專業(yè)多、實踐性強等特點，可以幫助學生熟悉復雜產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)過程，并指導學生通過仿真手段分析設(shè)計和生產(chǎn)管理問題，開拓學生的學習思路，全面提升學生認識問題和解決問題的能力。

（3）解決了物理實驗教學過程中存在的實驗周期長、成本高、實際操作復雜度高、對實驗環(huán)境要求苛刻、存在安全隱患、能源和實驗材料消耗大以及更新困難等問題。