任慧娟 肖福禮 金守峰

摘要：

隨著虛擬裝配技術(shù)的不斷完善，計算機輔助工業(yè)設計技術(shù)的不斷進步。作為工業(yè)生產(chǎn)制造前端設計的工業(yè)設計，不斷向虛擬裝配、虛擬制造方向發(fā)展。為了更好的將虛擬裝配技術(shù)運用到工業(yè)設計領域，提出了融合虛擬裝配的產(chǎn)品設計工藝規(guī)劃，解決產(chǎn)品開發(fā)階段設計與制造的瓶頸問題，有利于工業(yè)設計方法的融合創(chuàng)新。

關鍵詞：

虛擬裝配; 工業(yè)設計; 產(chǎn)品設計; 計算機輔助工業(yè)設計

中圖分類號： TP 393

文獻標志碼： A

Application of Virtual Assembly Technology in Industrial Design

REN Huijuan1， XIAO Fuli 2， JIN Shoufeng2

（1. School of Computer Science;

2. School of Mechanical & Electrical Engineering， Xian Polytechnic University， Xian， Shanxi ?710048， China）

Abstract：

With the continuous improvement of the virtual assembly technology， the computeraided industrial design technology continues to advance. As an industrial design for industrial production manufacturing frontend design， it continues to develop in the direction of virtual assembly and virtual manufacturing. In order to better apply virtual assembly technology to the field of industrial design， a product design process incorporating virtual assembly is proposed to solve the bottleneck of design and manufacturing at the product development stage， which is conducive to the integration and innovation of industrial design methods.

Key words：

virtual assembly; industrial design; product design; computeraided industrial design

0引言

隨著計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）技術(shù)的日趨完善，工業(yè)產(chǎn)品的設計流程逐漸向虛擬環(huán)境的展現(xiàn)方式發(fā)展，工業(yè)設計的產(chǎn)品設計周期變得更短[13]。虛擬裝配作為工業(yè)設計產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)的新方式，能夠基于計算機圖像學，在計算機中展現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品的外觀、造型、結(jié)構(gòu)、空間及裝配等信息。通過虛擬方式的展現(xiàn)，能夠減少產(chǎn)品在概念設計階段的生產(chǎn)周期，方便概念設計的修改，檢驗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的空間布局及干涉。

目前，虛擬裝配在工業(yè)產(chǎn)品的應用中主要應用在機械產(chǎn)品、汽車等領域，應用的廣度與深度領域具有較大的發(fā)展空間[46]。趙燕提出了基于云平臺與三維仿真技術(shù)的農(nóng)機虛擬智能裝配系統(tǒng)，闡述了農(nóng)機領域的虛擬裝配應用技術(shù)[7]。孫漢琴提出了汽車領域虛擬裝配的關鍵技術(shù)，并驗證了生產(chǎn)的高效性[8]。吳光輝將虛擬裝配技術(shù)運用在汽車鈑金沖壓模中，輔助沖壓模的設計制造[9]。張爽華將虛擬裝配技術(shù)運用在滾筒洗衣機裝配設計領域[10]。熊巍提出了基于人機交互的虛擬裝配平臺研究[11]。翟上等人提出了虛擬裝配在《CAD/CAE課程設計》中的應用[12]。

由于工業(yè)設計的產(chǎn)品領域諸多，為了找到融合虛擬裝配工業(yè)產(chǎn)品設計的通用方法，需要進行合理的裝配工藝規(guī)劃，建立新型設計創(chuàng)新流程，提高工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

1虛擬裝配與工業(yè)設計

虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，也是虛擬制造過程中最為薄弱的一個環(huán)節(jié)。利用計算機虛擬環(huán)境借助硬件交互設備，將虛擬零件模型進行裝配操作，模擬真實的裝配環(huán)境，并提供實時的碰撞檢測、裝配工藝路徑、裝配約束及裝配序列等功能。通過虛擬裝配技術(shù)，可以提供產(chǎn)品的可裝配性、裝配序列、裝配過程等信息，并生成裝配報告，能夠很好地記錄工業(yè)產(chǎn)品的裝配屬性，輔助工業(yè)產(chǎn)品的概念設計。

虛擬與現(xiàn)實技術(shù)能夠提供虛擬環(huán)境下的人機交互，計算機輔助工業(yè)設計能夠利用VR技術(shù)，建立語音、體感、意識等形式交互方式，進行工業(yè)產(chǎn)品的人機交互，設計具有滿足使用者精神需求的產(chǎn)品。同時，虛擬仿真技術(shù)的運用，可以更加精確地模擬現(xiàn)實環(huán)境中的產(chǎn)品設計，在虛擬裝配領域的應用能夠計算模型間的配合精度，生成裝配方案，以期實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品裝配，減少傳統(tǒng)設計方法的不足。

2典型工業(yè)設計的一般流程

在某項產(chǎn)品被設計的過程中，典型工業(yè)設計的設計流程首先進行顧客的需求分析，調(diào)研市場及競爭對手，將搜集的資料分析找出產(chǎn)品的差異性或消費者的痛點，然后確定產(chǎn)品的定位，通過查閱生產(chǎn)設計標準、規(guī)范、經(jīng)驗確定設計要求。整理以上所需的資料后開始產(chǎn)品的概念設計、初步設計與詳細設計，最后進行設計實施。典型的產(chǎn)品開發(fā)設計流程，如圖1所示。

虛擬裝配作為設計實施的前端設計，需要通過計算機輔助的方式展現(xiàn)使用者的需求、產(chǎn)品的技術(shù)指標、外觀結(jié)構(gòu)設計、裝配工藝規(guī)劃，能夠直觀的表現(xiàn)產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)流程。通過虛擬裝配仿真后的模型及工藝能夠檢驗產(chǎn)品生產(chǎn)的復雜程度，便于后期的設計實施。

3虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設計中的工藝規(guī)劃

工業(yè)產(chǎn)品的生命從可行性分析到產(chǎn)品的生命結(jié)束都是以市場顧客的需求驅(qū)動的，這種需求在產(chǎn)品的消費前的生命階段尤為重要，產(chǎn)品設計能夠滿足消費者的需求、符合消費者消費觀念，才能滿足生產(chǎn)需要。而產(chǎn)品的設計是多種目標綜合體現(xiàn)的過程，為了在虛擬裝配領域標準化表述產(chǎn)品的開發(fā)流程，需要對開發(fā)目標進行優(yōu)化加權(quán)，利用模糊目標與模糊約束，構(gòu)造多目標的優(yōu)化算法，規(guī)劃虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品設計階段的工藝規(guī)劃，設計出能夠滿足市場需求的產(chǎn)品。融合虛擬裝配的產(chǎn)品設計工藝規(guī)劃，如圖2所示。

融合虛擬裝配的產(chǎn)品設計在典型工業(yè)設計的開發(fā)流程基礎上，增加了虛擬裝配技術(shù)，從概念設計階段的產(chǎn)品功能定位到選材、質(zhì)量價格評估到虛擬裝配最后生產(chǎn)加工。減少了設計與制造之間的瓶頸問題，虛擬裝配提供了設計師與工程師的標準的語言，便于產(chǎn)品設計進行，減少設計周期，提高生產(chǎn)效率。

4虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設計中的設計驗證

為了更好的檢驗虛擬裝配在工業(yè)設計過程中的重要作用，利用統(tǒng)計學方法將驗證典型工業(yè)設計與融合虛擬裝配技術(shù)的工業(yè)設計各環(huán)節(jié)的重要程度。工業(yè)設計過程是產(chǎn)品不斷優(yōu)化的過程，同時也是與客戶溝通后再設計與設計修改的過程。在一項課題開始后，決定項目生命周期的過程主要由各環(huán)節(jié)的時間決定，為了更好定量驗證工業(yè)設計環(huán)節(jié)的時間，避免其他因素對時間的影響，建立一般工業(yè)設計項目的流程框圖，便于統(tǒng)計計算各環(huán)節(jié)所用時間。一般工業(yè)設計項目的流程框圖，如圖3所示。

利用圖3過程，統(tǒng)計從項目洽談到概念設計再到詳細設計最后生產(chǎn)制造的時間，利用各環(huán)節(jié)的時間變量，確定影響工業(yè)設計環(huán)節(jié)的主要成分。利用問卷調(diào)查法統(tǒng)計了10位教師同一項目在各環(huán)節(jié)中運用的時間，

N1-N3為各環(huán)節(jié)的累加器個數(shù)，記錄該環(huán)節(jié)修改次數(shù)。記T（T1，T2，…，Tn）為項目總時間，t（t1，t2，t3，t4）分別為概念設計、詳細設計、生產(chǎn)制造與項目洽談環(huán)節(jié)的用時，則有單個環(huán)節(jié)時間如式（1）。

按照式（1）統(tǒng)計10位教師在各環(huán)節(jié)的用時，單位（天），并利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行標準化，結(jié)果如表1所示。

利用SPSS軟件計算出該樣本數(shù)據(jù)的解釋的總方差圖與成分矩陣圖，如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，被提取出的兩個主成分特征根分別為1.982、1.010，通過成分矩陣與主成分特征根可以算出主成分線性組合系數(shù)，進而可以算出綜合得分模型的系數(shù)，得出主成分載荷，如式（2）、式（3）。

其中y1表示第一主成分，y2表示第二主成分。

通過主成分分析，在工業(yè)設計過程中，詳細設計與生產(chǎn)制造過程占據(jù)了主要的比重，因此優(yōu)化該階段的設計環(huán)節(jié)能夠更為有效的降低工業(yè)設計產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合表1的修改次數(shù)統(tǒng)計能夠直觀看出，融合虛擬裝配技術(shù)的工業(yè)設計能夠減少在詳細設計與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的修改次數(shù)，大大節(jié)約時間成本。

5總結(jié)

本文圍繞虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設計中的應用，對新型計算機輔助工業(yè)設計方法進行研究并運用在產(chǎn)品開發(fā)設計中，提高了傳統(tǒng)工業(yè)設計方法存在的市場需求滯后性。利用虛擬裝配技術(shù)，工業(yè)設計能夠短時間內(nèi)建立用戶的需求模型及裝配方案，能夠通過模型功能定位、形式與材料、生產(chǎn)加工方式、成本與生產(chǎn)周期預估，并通過統(tǒng)計學方法驗證，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設計領域的應用，能夠大大減少工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。通過對虛擬裝配技術(shù)的深入研究、結(jié)合工業(yè)設計產(chǎn)品設計的方法提出了融合虛擬裝配的產(chǎn)品設計工藝規(guī)劃，以期使工業(yè)設計的方法更加簡便有效。

參考文獻

[1]

余隋懷.設計教育要系統(tǒng)化植入定義與解決問題的框架[J].設計，2019，32（18）：6971.

[2]劉敬，劉衍聰，曹清園，等.面向綜合素質(zhì)培養(yǎng)的CAID課程考核體系構(gòu)建[J].圖學學報，2018，39（6）：12201224.

[3]何風梅，易熙瓊.計算機輔助工業(yè)設計課程的項目化教學實踐[J].設計，2018（23）：110111.

[4]李斌，耿向前，黃世緣.離心力夾緊車床專用夾具的虛擬裝配與仿真[J].河南工程學院學報（自然科學版）， 2019（4）：5962.

[5]E Maset， L Scalera， D Zonta， et al. Procrustes analysis for the virtual trial assembly of largesize elements[J]. Robotics and ComputerIntegrated Manufacturing， 2020（62）：101885.

[6]李鵬宇.試論虛擬裝配關鍵技術(shù)及其發(fā)展[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（18）：242.

[7]趙燕.基于云平臺和三維仿真技術(shù)的農(nóng)機虛擬智能裝配系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2020，42（7）：219223.

[8]孫漢琴. 汽車虛擬裝配系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].太原：中北大學，2017.

[9]吳光輝.虛擬裝配技術(shù)在汽車鈑金沖壓模中的應用[J].模具技術(shù)，2019（5）：6063.

[10]張爽華.基于UG的榮事達滾筒洗衣機的虛擬化設計與裝配[J].機電信息，2019（27）：117118.

[11]熊巍. 虛擬裝配環(huán)境中面向用戶體驗的自然人機交互技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學，2017.

[12]翟上，張杰. 虛擬裝配技術(shù)在《CAD/CAE課程設計》實踐中的應用[A]. 中共沈陽市委、沈陽市人民政府、國際生產(chǎn)工程院、中國機械工程學會.第十六屆沈陽科學學術(shù)年會論文集（理工農(nóng)醫(yī)）[C].中共沈陽市委、沈陽市人民政府、國際生產(chǎn)工程院、中國機械工程學會：沈陽市科學技術(shù)協(xié)會， 遼寧 沈陽， 2019：5.

（收稿日期： 2020.01.20）

基金項目：

中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技項目（2016091、2019064）;西安市科技計劃項目（201805030YD8CG1416）

作者簡介：

任慧娟（1975），女，碩士，工程師，研究方向：工業(yè)設計、工業(yè)工程技術(shù)。

尚福禮（1990），男，碩士，研究方向：工業(yè)設計。

金守峰（1979），男，博士，副教授，研究方向：機器視覺測量技術(shù)。

文章編號：1007757X（2020）08000903