陳瑤瑤，劉永霞，符純明

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)之間的競爭愈演愈烈，如何提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少費用支出等成為當(dāng)務(wù)之急。裝配作為產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，極大地影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，然而傳統(tǒng)的人工加工主要還是依靠生產(chǎn)人員的經(jīng)驗，在產(chǎn)品的實際裝配過程中才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，然后再進(jìn)行修改，這樣將會消耗大量的時間，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低。為提高裝配效率，將傳統(tǒng)手工裝配工位進(jìn)行人—機(jī)器人協(xié)作改造已成為一種發(fā)展趨勢[1]。隨著產(chǎn)品生產(chǎn)逐漸朝著自動化方向發(fā)展，生產(chǎn)車間的生產(chǎn)工序正逐步被機(jī)器人所取代，然而由于產(chǎn)品的多樣化，該趨勢在短時間內(nèi)難以得到快速發(fā)展。而虛擬裝配則可以極大地提高裝配效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 虛擬裝配技術(shù)

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計中，零件的模型由SolidWorks等三維軟件來設(shè)計，裝配過程則由工程師執(zhí)行。如果產(chǎn)品在裝配時出現(xiàn)設(shè)計錯誤或者裝配順序不當(dāng)，這時就需要修改設(shè)計方案和調(diào)整裝配順序，浪費大量的人力和物力。而虛擬裝配可以代替實際生產(chǎn)中工人和物件操作，在虛擬的環(huán)境下通過人機(jī)交互的方式對產(chǎn)品的各個零件進(jìn)行裝配，可以將工藝過程、產(chǎn)品的所有物料等結(jié)合在一起進(jìn)行仿真，并且在裝配設(shè)計階段對實際生產(chǎn)過程中的零件安裝是否準(zhǔn)確、裝配流程和工藝順序是否合理、工作人員的工作姿態(tài)是否最優(yōu)等諸多問題進(jìn)行有效的驗證，生成最符合實際生產(chǎn)的裝配工藝，從而減少生產(chǎn)費用的支出及生產(chǎn)資源的浪費，有效提高裝配效率。

虛擬裝配技術(shù)可分為以下三類：①以產(chǎn)品設(shè)計為中心：在產(chǎn)品的設(shè)計階段就對其裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，確保產(chǎn)品的可裝配性；②以工藝規(guī)劃為中心：利用計算機(jī)和虛擬裝配技術(shù)對產(chǎn)品的裝配工藝過程進(jìn)行設(shè)計，從而得到一種可行的、更好的裝配過程方案；③以虛擬原型為中心：對產(chǎn)品外觀、功能和性能進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并與實物原型、產(chǎn)品測試和評價進(jìn)行比較。

2 國內(nèi)外虛擬裝配系統(tǒng)的開發(fā)

虛擬裝配技術(shù)出現(xiàn)以后，大量的虛擬裝配系統(tǒng)被開發(fā)和應(yīng)用。早期的虛擬裝配系統(tǒng)，如華盛頓州立大學(xué)VRCIM實驗室與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所于1995年開發(fā)出的虛擬裝配技術(shù)環(huán)境VADE[2]，能夠?qū)a(chǎn)品的參數(shù)信息導(dǎo)入到虛擬裝配環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品進(jìn)行裝配；英國Heriot-Watt大學(xué)于1997年開發(fā)了虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)UVAVU[3],該系統(tǒng)能夠記住技術(shù)人員的裝配活動，從而獲取裝配意圖并提取裝配知識。

近年來又出現(xiàn)了一些新的虛擬裝配系統(tǒng)。21世紀(jì)初，法國達(dá)索公司推出了數(shù)字化裝配仿真平臺DELMIA系統(tǒng)，它將設(shè)計數(shù)據(jù)和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行仿真和分析，得到最優(yōu)數(shù)據(jù)。浙江大學(xué)的CAD&CG國家重點實驗室建立了虛擬設(shè)計與虛擬裝配系統(tǒng)VDVAS[4]，工作人員可以直接通過三維操作選擇零部件并進(jìn)行拆卸規(guī)劃，此外還對零件進(jìn)行了靜、動態(tài)干涉分析，從而評估產(chǎn)品的可裝配性。Enrique Gallegos-Nieto[5]提出了一種新的基于觸覺的虛擬裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)中作為裝配規(guī)劃工具，用于自動生成和客觀評估裝配計劃。Jayasekera[6]提出了一個獨立于CAD軟件包的裝配驗證系統(tǒng)，通過一個追蹤手的虛擬手模型來直觀地徒手操作零件模型。

虛擬裝配系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，工程師在虛擬的環(huán)境進(jìn)行裝配，這些虛擬裝配系統(tǒng)繼續(xù)向數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，能夠提供實時的、三維的交互環(huán)境，可以對裝配過程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行有效的管理。利用這些系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行建模，并能夠?qū)ζ湓O(shè)計進(jìn)行合理的評價。

3 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究

虛擬裝配技術(shù)最早開始應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，國外關(guān)于虛擬裝配技術(shù)的研究開始較早。近年來，許多學(xué)者對虛擬裝配仿真、虛擬裝配序列規(guī)劃及人機(jī)因素等方面進(jìn)行了大量的研究，本文對這幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

3.1 虛擬裝配仿真研究

波音公司在研發(fā)B787客機(jī)時，整機(jī)采用基于模型的數(shù)字化定義的方式,實現(xiàn)了數(shù)字化裝配過程仿真[7]。賀江華[8]提出了“綜合性制造系統(tǒng)”的理念，基于排隊論建立了“綜合型制造系統(tǒng)”模型，對油泵泵體的加工進(jìn)行了仿真分析,并提出了解決加工過程中擁塞的方案。西北工業(yè)大學(xué)當(dāng)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室和華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院[9]提出了一種基于交互特征對的裝配仿真方法，用于解決基于約束的建模方法無法為裝配仿真提供足夠的交互信息的問題。

通過計算機(jī)仿真技術(shù)模擬在物理環(huán)境下符合實際裝配要求的產(chǎn)品，可以幫助技術(shù)人員尋找最優(yōu)的裝配策略，以驗證產(chǎn)品的可裝配性。虛擬裝配仿真研究可以在裝配前解決一些裝配過程中碰到的問題，可以預(yù)先驗證設(shè)計的裝配過程是否合理，優(yōu)化設(shè)計方案，極大地節(jié)省時間和空間成本，加速虛擬裝配的進(jìn)程。

3.2 虛擬裝配序列規(guī)劃

Enomoto Atsuko等[10]提出一種控制面板完全自動化的裝配序列規(guī)劃方法，根據(jù)裝配過程和總裝配順序生成制造物料清單，進(jìn)而生成最優(yōu)裝配序列。Aliev Khurshid等[11]通過預(yù)先編程的基本工作步驟生成裝配序列，提出了一種基于任務(wù)的編程方法來支持人機(jī)協(xié)同工作單元中的裝配過程。

趙衛(wèi)等[12]將約束蟻群算法用于裝配序列的優(yōu)化以獲得較優(yōu)的裝配序列，通過控制信息素殘留系數(shù)及轉(zhuǎn)移概率參數(shù)等避免了出現(xiàn)局部最優(yōu)解的現(xiàn)象，得到了全局最優(yōu)解。馬志明[13]采用增強(qiáng)煙花算法求解裝配序列規(guī)劃,根據(jù)裝配序列的特點來改變算法的參數(shù),提高搜索速度與精度,增大了裝配序列求解的優(yōu)異性,從而確保了系統(tǒng)裝配演示的準(zhǔn)確性。

虛擬裝配序列規(guī)劃是裝配工藝的基礎(chǔ)，近年來大量研究人員采用智能優(yōu)化算法求解虛擬裝配序列，利用智能優(yōu)化算法解決了零件數(shù)量過多而產(chǎn)生的組合爆炸問題，從而求得最優(yōu)裝配序列。另外，一些學(xué)者將裝配序列規(guī)劃問題與其他問題相結(jié)合，比如產(chǎn)品設(shè)計、零件拆卸等，這樣將減少二次規(guī)劃，提高了裝配序列規(guī)劃的效率。

3.3 虛擬目標(biāo)拆卸

王昊等[14]引進(jìn)了跳躍拆卸路徑的概念，建立以關(guān)聯(lián)關(guān)系模型為基礎(chǔ)的目標(biāo)拆卸算法，用于解決之前模型中未考慮目標(biāo)拆卸的問題，使目標(biāo)的拆卸過程更具靈活性。劉東等[15]將“裝拆可逆”思路應(yīng)用于運載器安裝件的裝配順序和路徑規(guī)劃,對運載器的裝配過程進(jìn)行虛擬仿真,優(yōu)化裝配工藝,用于指導(dǎo)運載器總裝操作。

Mitrouchev Peter等[16]提出了一種生成選擇性拆卸序列的方法，通過考慮組件之間的幾何接觸和碰撞關(guān)系，從而生成拆卸幾何接觸圖，用于產(chǎn)生拆卸序列。Wang等[17]開發(fā)了基于Python編程語言的混合虛擬現(xiàn)實拆卸環(huán)境，為產(chǎn)品開發(fā)過程中拆卸序列的評估提供了重要的幫助。

技術(shù)人員通過交互工具對裝配體進(jìn)行拆卸，可以記錄拆卸順序和拆卸路徑，對不可行的拆卸進(jìn)行修改，同時還可以進(jìn)行干涉檢查，縮短了裝配時間，提高了裝配效率；還可以根據(jù)自身的裝拆要求，開發(fā)不同算法和程序構(gòu)建的裝配環(huán)境，在滿足自身需要的同時，也增強(qiáng)了虛擬裝配系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3.4 人機(jī)因素分析

人是虛擬裝配環(huán)節(jié)的重要因素，在虛擬裝配的過程中應(yīng)充分考慮作業(yè)環(huán)境對工人的影響。虛擬人體可以模仿各種百分比的人體模型，對產(chǎn)品裝配的可視性、可達(dá)性等進(jìn)行分析，從而得到客觀的分析，以驗證人機(jī)設(shè)計的合理性。

Binoosh等[18]在潛水泵軸的上端插入重約1.5公斤級套管的實驗時發(fā)現(xiàn)，工人工作時手臂彎曲約152°，這是種較差的工作姿態(tài)，結(jié)合人體工程學(xué)的干預(yù)，在虛擬姿勢分析的幫助下進(jìn)行快速上肢評估(rapid upper limb assessment)，結(jié)果表明該工作姿勢存在較高的風(fēng)險，需要改變工作姿勢來消除或減少與工人健康相關(guān)的風(fēng)險。Vosniakos等[19]通過真人手持真實的工具，在機(jī)翼、固定裝置和工廠等都為虛擬的環(huán)境下鉚接組裝飛機(jī)機(jī)翼來評估大型機(jī)械零件的人工裝配，使參與的人員能夠?qū)ρb配系統(tǒng)進(jìn)行主觀評估。

Xiong W等[20]提出了一種新的交互式裝配任務(wù)仿真框架，用于解決虛擬裝配環(huán)境下的人機(jī)交互效率和用戶體驗問題。吳珍發(fā)等[21]基于人機(jī)任務(wù)的自然語義分解，建立了快速規(guī)劃仿真任務(wù)和仿真自動生成的方法，解決了人機(jī)工程中人機(jī)動畫仿真交互工作量大、不能自動生成仿真過程且仿真結(jié)果不具有可編輯性等問題。

人機(jī)工程學(xué)主要是為了提升工人對裝配系統(tǒng)的掌控和理解，減少和消除裝配過程中的人身安全問題，減輕工人的工作量，同時使得工人以最優(yōu)的工作姿勢保持高效的裝配，最終達(dá)到質(zhì)變和量變的統(tǒng)一。

4 虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展趨勢

(1)CAD系統(tǒng)與虛擬裝配系統(tǒng)的集成化。目前所用的虛擬裝配系統(tǒng)都需要通過CAD系統(tǒng)來對零件進(jìn)行設(shè)計，裝配過程仿真和修改信息則需要通過虛擬裝配系統(tǒng)反饋給CAD系統(tǒng)，兩者信息交流繁瑣。這時就需要將CAD系統(tǒng)與虛擬裝配系統(tǒng)集成化，確保信息的交換通暢。

(2)虛擬裝配系統(tǒng)的智能化。隨著人工智能和網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，產(chǎn)品的智能制造可以進(jìn)一步得到實現(xiàn)。例如：虛擬裝配序列近年來多采用智能優(yōu)化算法來求解，人工智能將成為其發(fā)展的關(guān)鍵方向，所以虛擬裝配系統(tǒng)的智能化將成為今后發(fā)展的重要方向之一。

(3)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同化。由于產(chǎn)品設(shè)計日趨復(fù)雜，需要各個部門的協(xié)同參與，設(shè)計人員及生產(chǎn)工人等都需要參與到裝配過程中來，因此基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同化發(fā)展將是虛擬裝配系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

(4)提高建模過程的合理性。由于是在理想環(huán)境下進(jìn)行建模，沒有考慮刀具、溫度等因素對零件形位誤差和裝配精度的影響，會導(dǎo)致加工出來的零件在裝配過程中出現(xiàn)問題，滿足不了設(shè)計要求。

5 結(jié)語

虛擬裝配作為虛擬制造的重要組成部分受到了大量的關(guān)注，國內(nèi)許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，部分虛擬裝配系統(tǒng)已應(yīng)用于生產(chǎn)。在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和制造，可以在虛擬裝配中及時發(fā)現(xiàn)問題，從而改進(jìn)設(shè)計方案，使設(shè)計與制造周期縮短，提高產(chǎn)品質(zhì)量。