李 淵，崔 祚

(1.中國(guó)人民解放軍32161部隊(duì)，新疆 庫(kù)爾勒市 841000；2.貴州理工學(xué)院航空航天工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

隨著裝備現(xiàn)代化和裝備升級(jí)改造的不斷推進(jìn)，車輛的零部件數(shù)量和種類越來(lái)越多，構(gòu)造復(fù)雜，各零件裝配關(guān)系復(fù)雜且裝配工藝方法較多。而在車輛專業(yè)訓(xùn)練中，人員必須要經(jīng)過(guò)零部件設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、制造、工裝設(shè)計(jì)和工藝協(xié)調(diào)等復(fù)雜訓(xùn)練，并將每一步程序落實(shí)到培訓(xùn)的每個(gè)過(guò)程，這就使得車輛專業(yè)訓(xùn)練費(fèi)時(shí)費(fèi)力。以車輛裝配為例，裝配過(guò)程是將各種零部件組裝成產(chǎn)品的過(guò)程，起始于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，終結(jié)于產(chǎn)品報(bào)廢，貫穿在產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程。整體工藝設(shè)計(jì)流程繁瑣，且裝配工藝設(shè)計(jì)完成后很難得到直接驗(yàn)證，這導(dǎo)致復(fù)雜的工藝流程經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理情況，因此研究裝配仿真技術(shù)對(duì)提高車輛專業(yè)訓(xùn)練效果具有重要意義。

虛擬裝配是一種根據(jù)汽車三維幾何信息和裝配順序、裝配工藝等信息，采用計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及人機(jī)互動(dòng)等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行裝配的模擬。這是車輛專業(yè)訓(xùn)練數(shù)字化的重要環(huán)節(jié)，利用計(jì)算機(jī)在產(chǎn)品裝配信息模型基礎(chǔ)上進(jìn)行三維虛擬裝配過(guò)程仿真和分析，同時(shí)應(yīng)用人體工程學(xué)理論驗(yàn)證人在裝配環(huán)境下的舒適度、可達(dá)性，優(yōu)化裝配工藝，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配。虛擬裝配是車輛專業(yè)訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，可用于驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作正確與否，對(duì)分析車輛復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造起著重要作用。因此，研究虛擬裝配過(guò)程仿真可以在樣車裝配之前將存在的各種不協(xié)調(diào)問(wèn)題暴露并解決，有效地縮短裝配周期，從而提升車輛專業(yè)訓(xùn)練的效率。

目前，數(shù)字化已經(jīng)成為裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的汽車公司的設(shè)計(jì)部門在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段已經(jīng)普遍應(yīng)用CATIA、UG、Pro/E等三維設(shè)計(jì)軟件，已經(jīng)在產(chǎn)品工藝階段和樣機(jī)試制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化虛擬裝配。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在車輛行業(yè)應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，樣車研發(fā)的時(shí)間階段由3輪減少為1～2輪，樣本數(shù)由3～5輛縮少至1～2輛。部分車輛部件的裝配周期可縮短30%～60%，整車裝配效率提高30%～40%，裝配成本減少30%以上，同時(shí)大大提高了車輛裝配效率[1]。隨著車輛裝配難度不斷提高，車輛專業(yè)訓(xùn)練虛擬裝配技術(shù)的研究勢(shì)在必行。因此，在車輛專業(yè)訓(xùn)練過(guò)程中，如何提前設(shè)計(jì)出合理的裝配方案，如何優(yōu)化裝配工藝，如何有效減小裝配精度和提高裝配效率，這些內(nèi)容對(duì)車輛專業(yè)訓(xùn)練有著重要實(shí)踐意義。

1 虛擬裝配的行業(yè)背景

20世紀(jì)90年代中期，以信息集成為核心的先進(jìn)制造技術(shù)得到了新進(jìn)展，出現(xiàn)了虛擬制造和虛擬裝配等新概念，是CAD/CAM/CAE集成化發(fā)展的最高層次。

虛擬裝配技術(shù)的研究在國(guó)外的研究較早，應(yīng)用面也較廣。Jayaram等人最早研發(fā)了“虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境” VADE系統(tǒng)，開(kāi)啟了虛擬制造領(lǐng)域的大門[2]。隨后，德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)外的研討機(jī)構(gòu)及高校都相繼展開(kāi)了虛擬裝配的研究[3，4]。例如，德國(guó)Fraunhofer研究所進(jìn)行了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配規(guī)劃系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)；BMW公司利用虛擬技術(shù)對(duì)汽車裝配流程的合理性加以測(cè)試；美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室分析了用于生成優(yōu)化和檢查裝配工藝的交互式裝配規(guī)劃系統(tǒng)；英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)研發(fā)了能對(duì)裝配知識(shí)提取與評(píng)價(jià)等功能的UVAVU系統(tǒng)；日本Nabe等開(kāi)發(fā)了機(jī)械零件的可裝配性驗(yàn)證系統(tǒng)，可在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配分析。與此同時(shí)，虛擬裝配軟件也發(fā)展迅速，如達(dá)索公司的CATIA和DELMIA軟件，西門子公司的Tecnomatix和Vis-Mockup軟件等，這些軟件能夠生成可視化裝配過(guò)程，并用于指導(dǎo)裝配和進(jìn)行專業(yè)訓(xùn)練。

國(guó)內(nèi)虛擬裝配技術(shù)研究起步較晚，但近年虛擬裝配理論和應(yīng)用研究較多，建立了多個(gè)虛擬裝配試驗(yàn)室[5-8]。例如，西工大CAD/CAM重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于CATIA軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了VASS系統(tǒng)；北理工基于WTK9.0開(kāi)發(fā)了虛擬裝配原型系統(tǒng)及半沉浸式裝配仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的碰撞檢測(cè)、裝配定位和導(dǎo)航功能；浙江大學(xué)等研發(fā)了VDVAS虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可通過(guò)交互式操作在虛擬環(huán)境下對(duì)零件的模型信息進(jìn)行修改，具有很高的可靠性；哈工大研發(fā)了沉浸式裝配仿真系統(tǒng)I-VADS，能夠應(yīng)用任意三維模型構(gòu)建虛擬環(huán)境進(jìn)行裝配仿真。

在應(yīng)用方面，我國(guó)各大航空公司首先引用虛擬裝配技術(shù)，建立了裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)和可視化裝配過(guò)程仿真。在成飛的ARJ21項(xiàng)目研制中，基于DELMIA軟件平臺(tái)進(jìn)行工藝規(guī)劃和虛擬裝配仿真，最終輸出二維工藝報(bào)表。雖然當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，但是仍然局限于部分項(xiàng)目和特定型號(hào)的裝配工作中，在車輛裝配領(lǐng)域尚未得到廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)展虛擬裝配技術(shù)對(duì)車輛專業(yè)訓(xùn)練的研究是非常必要的。

2 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬裝配的技術(shù)目標(biāo)

虛擬裝配是一種基于數(shù)字化建模、計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)上完成產(chǎn)品裝配過(guò)程。

在車輛專業(yè)訓(xùn)練過(guò)程中，以CATIA、Solid Works、Pro/E代表三維建模軟件為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析車輛裝配的關(guān)鍵步驟，應(yīng)用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛裝配過(guò)程，并對(duì)裝配場(chǎng)景進(jìn)行檢測(cè)和演示，進(jìn)而讓訓(xùn)練人員通過(guò)虛擬操作把握要點(diǎn)，提高提高車輛專業(yè)訓(xùn)練零部件裝配水平。

2.2 虛擬裝配對(duì)車輛專業(yè)訓(xùn)練的意義

通過(guò)虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配過(guò)程仿真，能夠很好地提升車輛設(shè)計(jì)、工藝、制造的數(shù)字化能力，使其在車輛專業(yè)訓(xùn)練方面有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)在樣車實(shí)際裝配之前，通過(guò)裝配過(guò)程仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)樣車設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，有效地減少裝配缺陷，減少因裝配干涉等問(wèn)題而進(jìn)行的工程更改，通過(guò)虛擬裝配切實(shí)保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量。

(2)裝配仿真過(guò)程產(chǎn)生的圖片、視頻錄像直觀地演示裝配仿真，可用于對(duì)維修人員的培訓(xùn)，使訓(xùn)練人員更容易理解裝配工藝，減少了裝配過(guò)程的反復(fù)和人為差錯(cuò)。

(3)在車輛裝配方面，可降低技術(shù)協(xié)調(diào)成本，及時(shí)規(guī)劃和評(píng)估培訓(xùn)工時(shí)、三維工藝布局、車間資源等信息，提高車輛訓(xùn)練的效率，也有利于快速開(kāi)發(fā)改進(jìn)樣車。

2.3 虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)

車輛裝配具有結(jié)構(gòu)件數(shù)量多、裝配工藝和裝配關(guān)系復(fù)雜、裝配尺寸鏈多以及準(zhǔn)確度高等難點(diǎn)。

在裝配過(guò)程仿真中，車輛零部件、工藝過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)資源數(shù)據(jù)交互，主要由輸入輸出管理模塊、場(chǎng)景管理模塊、裝配管理模塊、碰撞檢測(cè)模塊、約束管理模塊和路徑生成與管理模塊等組成[9]。其中，場(chǎng)景管理模塊用于處理車輛裝配場(chǎng)景；裝配管理模塊用于處理裝配選取、移動(dòng)和釋放等操作；碰撞檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)景中是否存在碰撞；約束管理模塊為零部件運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)航。在車輛裝配仿真技術(shù)中，其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)內(nèi)容。

(1)構(gòu)建汽車裝配仿真環(huán)境，建立抓取、釋放以及安裝等裝配動(dòng)作與裝配信息的相互關(guān)系。

(2)在虛擬裝配環(huán)境中，對(duì)車輛關(guān)鍵零部件進(jìn)行參數(shù)化，分析裝配過(guò)程作用力，自動(dòng)識(shí)別裝配約束關(guān)系，使瞬態(tài)分析過(guò)程展現(xiàn)為可視的動(dòng)作過(guò)程。

(3)尋求最優(yōu)的零件裝配順序序列，重點(diǎn)解決裝配規(guī)劃技術(shù)中信息的動(dòng)態(tài)流動(dòng)及其可視化；分析訓(xùn)練人員的裝配動(dòng)作，通過(guò)人機(jī)交互正確生成裝配規(guī)劃。

(4)根據(jù)虛擬裝配動(dòng)作，判斷虛擬裝配過(guò)程的有效性和準(zhǔn)確度，收集裝配信息，然后優(yōu)化裝配規(guī)劃，完成虛擬裝配模擬過(guò)程。

3 虛擬裝配在專業(yè)訓(xùn)練中的實(shí)施

虛擬裝配由虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)設(shè)備兩部分協(xié)同工作，制造出交互性和沉浸性于一體的虛擬裝配環(huán)境。

在車輛專業(yè)訓(xùn)練中，通過(guò)裝配過(guò)程仿真，可以提前暴露并解決實(shí)際裝配過(guò)程中的設(shè)計(jì)、工藝、制造等問(wèn)題，有效地提高裝配質(zhì)量，縮短裝配周期。將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用到車輛專業(yè)訓(xùn)練中，需要通過(guò)數(shù)據(jù)手套操作虛擬手抓取車輛零部件，移動(dòng)并完成各零件的配合，遵循工藝流程完成整個(gè)裝配過(guò)程，系統(tǒng)自動(dòng)記錄零部件的裝配序列，裝配完成后生成裝配文件[10]。

在車輛專業(yè)訓(xùn)練中，應(yīng)用虛擬裝配仿真可實(shí)現(xiàn)：

(1)有效減少裝配更改次數(shù)，降低訓(xùn)練成本。在虛擬環(huán)境下，利用虛擬現(xiàn)實(shí)工藝、人機(jī)交互仿真等技術(shù)，設(shè)計(jì)可行的裝配工藝，優(yōu)化并驗(yàn)證現(xiàn)有的裝配工藝規(guī)劃。

(2)在虛擬環(huán)境中模擬裝配流程，以避免裝配現(xiàn)場(chǎng)各種裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題；通過(guò)合理安排裝配順序、路徑、工藝方法、所用的夾具等，有利于順利完成裝配任務(wù)，提升車輛專業(yè)訓(xùn)練水平。

(3)基于車輛產(chǎn)品零組件、工藝過(guò)程等數(shù)字化模型，通過(guò)三維可視交互的裝配過(guò)程仿真，輸出三維裝配流程的技術(shù)文檔。

(4)虛擬裝配技術(shù)在車輛設(shè)計(jì)制造過(guò)程、工藝指令的編制過(guò)程和人員的培訓(xùn)過(guò)程中，能夠真正實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化，并能很好地延伸到維護(hù)修理過(guò)程中。

4 虛擬裝配在車輛專業(yè)訓(xùn)練中存在的困難

目前，CATIA、UG、SolidWorks、Pro/E等商業(yè)軟件在汽車行業(yè)得到了較好的應(yīng)用，但與之相匹配的虛擬裝配技術(shù)還缺乏足夠的應(yīng)用。在車輛專業(yè)訓(xùn)練中，裝配依然采用傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃辦法，三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計(jì)相脫節(jié)，這妨礙了車輛專業(yè)訓(xùn)練的高效開(kāi)展。對(duì)于虛擬裝配在車輛專業(yè)訓(xùn)練中的應(yīng)用，還存在著以下困難：

(1)汽車裝配工藝設(shè)計(jì)仍然以二維圖紙為主、三維模型為輔。在傳統(tǒng)裝配過(guò)程中，工藝員按照二維圖紙，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)想出三維裝配順序，以書面報(bào)告的形式描述裝配工藝，裝配人員按照工藝文檔構(gòu)建出三維裝配空間和裝配順序。該過(guò)程容易導(dǎo)致雙方理解有差異，增加裝配環(huán)節(jié)的出錯(cuò)率。

(2)缺少典型部件裝配工藝知識(shí)庫(kù)。由于車輛裝備不斷的升級(jí)改型，缺少工藝設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。但在升級(jí)改型過(guò)程中，往往面對(duì)許多相似性的工藝問(wèn)題，工藝人員會(huì)進(jìn)行一些重復(fù)性工作。故后續(xù)應(yīng)該總結(jié)車輛設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的各種專家裝配工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立典型部件裝配工藝知識(shí)庫(kù)。

(3)缺少三維可視化的裝配工藝驗(yàn)證。在裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用于指導(dǎo)實(shí)際裝配的仍是二維工藝文件，不夠形象、直觀，不便于操作者使用和理解。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著車輛專業(yè)訓(xùn)練要求逐步提高，虛擬裝配為車輛專業(yè)訓(xùn)練提供了一種有效途徑。在車輛專業(yè)裝配訓(xùn)練中，應(yīng)用虛擬裝配工藝仿真技術(shù)，構(gòu)建車輛關(guān)鍵零件及工裝的三維模型，進(jìn)行裝配序列規(guī)劃、裝配過(guò)程仿真，驗(yàn)證車輛裝配工藝，輸出三維可視化的裝配示教動(dòng)態(tài)視頻，這有助于車輛專業(yè)訓(xùn)練。虛擬化程度越高，專業(yè)訓(xùn)練周期越短，車輛專業(yè)訓(xùn)練效果越好。

本文結(jié)合虛擬裝配在車輛專業(yè)訓(xùn)練中的應(yīng)用，對(duì)虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，并對(duì)其實(shí)施過(guò)程以及存在的困難進(jìn)行了論述。總體上，虛擬裝配讓人們?cè)谲囕v專業(yè)訓(xùn)練中構(gòu)建零部件裝配序列，優(yōu)化裝配路徑，對(duì)比分析不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜的裝配工作進(jìn)行訓(xùn)練，讓訓(xùn)練人員掌握有效的方法，從而達(dá)到提升車輛專業(yè)訓(xùn)練效果的目的。