虚拟装配过程中不确定性因素分析

杨云斌，欧阳勇，孙素梅，陈 刚，何良莉

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，绵阳 621900 ）

虚拟装配过程中不确定性因素分析

杨云斌，欧阳勇，孙素梅，陈 刚，何良莉

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，绵阳 621900 ）

虚拟装配研究中必须考虑实际装配过程中的不确定性因素，真实再现产品的装配过程，才能对产品装配性进行全面、有效的评估。本文简要分析了目前虚拟装配存在的问题，从实际装配中暴露的问题出发，对影响产品装配质量因素进行分析。重点分析了产品、资源、人员中不确定性因素，分析了这些不确定性因素对装配性评价的影响，探讨了针对这些不确定因素的解决思路。基此给出了虚拟装配技术的发展趋势及下一步研究工作。该研究工作为确定虚拟装配技术的研究方向以及增强其工业级别应用奠定基础。

虚拟装配; 不确定性; 装配质量; 装配评估

0 引言

为了在产品设计阶段就对产品装配性能进行评估与验证，近年来提出了基于数字样机的虚拟装配技术来解决装配性评估、优化和验证问题[1]，即使用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，在虚拟现实环境中建立与实物样机相似的数字样机，设计人员可以进入到虚拟环境中，对虚拟产品进行装配，这样部件的可装配性、部件的可达性、部件分配空间的合理性、装配工具和装配工艺等信息均能进行评估，并能给出装配模拟过程中的相关数据，据此指导或改进产品设计、工装设计和装配工艺，同时辅助人员培训、产品沉浸展示等，达到评估实物样机的装配性目的。但是，目前以基于数字样机的虚拟装配技术研究中主要还存在下几个方面问题：

1） 目前虚拟装配模型中的零件信息、装配关系仍以几何信息为主，在虚拟装配过程中是通过实时碰撞检测与响应来检查产品的可装配性，其实质是基于几何模型的虚拟装配。而产品装配/维修不仅与产品构形（即几何信息）有关，而且与产品质量、质心、转动惯量、摩擦系数和外力等物理属性密切相关[2]；

2） 基于几何模型的装配模拟方法得到的是一种理论可行的结果，没有考虑实际操作过程中动作和路径的不稳定性等因素，而这些因素会导致组件被刮擦、质心偏移和干涉等问题；

3） 目前虚拟装配研究中对产品考虑较多，而实际装配时，除产品本身外，还与装配人员、装配工艺和装配环境密切相关；只有综合考虑这些因素的虚拟装配，才能反映实际操作过程中产品可装配性、装配工艺合理性、装配工具可达性和人机功效等问题；

4） 目前虚拟现实环境没有提供友好、真实人机接口，如缺乏模拟真实操作作用力的力生成与反馈设备，导致操作人员难以在虚拟现实环境下进行装配和维修作业，从而影响其对产品装配和维修模拟的逼真程度和评估的有效性[3]。

1 影响产品装配质量因素

产品的装配质量是指按装配工艺所得到的产品的功能性和可用性，即对设计要求的符合程度，它由装配过程决定，而设计过程和制造过程通过影响装配过程而显著影响产品的装配质量。实际产品装配中暴露的问题如下：

1） 工装问题：由于产品尺寸公差设计不当，导致工装不能正常使用；

2） 装配配合问题：弹簧与装配体配合过紧，螺纹孔深度不够问题，导致连接不紧；

3） 装配干涉问题：螺纹与螺柱干涉；刚性件与电缆干涉，导致电缆保护层破损，电缆插头卡子根部断裂；

4） 电缆装配：自由电缆长度确定不合适、预留空间不合理；

5） 视觉不可达性问题：由于不能看见装配体或装配工具，很难完成规定操作；

6） 力的要求：对装配力大小有严格要求的装配操作，没有选用测力装置，造成装配力大小控制不当，严重影响装配体质量。

在实际装配过程中暴露的装配问题，反映了在装配设计时没充分考虑产品、装配资源、装配工艺和装配人员因素的影响。产品装配质量不仅与产品密切相关，而且与装配资源、装配工艺、人的因素密切相关，考虑装配四要素影响产品装配质量的因素组成见图1。

图1 影响产品质量因素组成

2 不确定性因素分析

基于几何模型的虚拟装配由于不考虑产品、装配工具物理属性，其仿真结果仅是理论可行的结果。为了实现对产品装配可行性验证，必须考虑产品实际装配过程中的不确定性因素。

2.1 产品

2.1.1 几何特性

在复杂产品设计中，由于复杂产品结构和功能要求，会存在盲装类问题。虽然可设计辅助定位，由于实际装配过程中视觉不可达，会出现装配定位不确定性及装配路径不确定性。如何通过交互式装配仿真来评价其装配性，考虑视觉不可达、在进行装配性仿真验证时，如果通过对模型半剖方式，进行装配仿真，这与实际装配不相符，需建立表面接触力模型[4]，通过力反馈方式引导操作人员完成装配仿真。对于虚拟装配培训、就可以把模型半剖，让培训者可看见实际不能看见的装配情况，通过多次虚拟装配培训，达到培训目的。

2.1.2 物理属性

产品的物理属性包含的因素较多，这里分析重力、刚度对产品装配过程不确定性的影响。装配过程中由于重力的影响，会带来产品拾取、移动、定位过程中不稳定性（位置和姿态）[5]。通过刚体动力学/运动学分析方法，建立产品从不稳定态到稳定态的变化模拟方法，模拟产品实际装配路径。刚度是指零件在外力作用下的变形情况。对于薄壁刚性件或非金属材料，在实际装配过程中由于外力的作用会存在变形。为了真实反映装配过程中实时受力和变形情况，可与结合有限元分析或理论分析技术，实时显示装配体的受力和变形情况，从而指导操作者进行装配。如某产品的在进行镜面组件的装配过程中，通过对装配力的模拟，生成和反馈装配力，从而控制夹持应力，达到低应力夹持。通过结合力学计算分析的结果，可视化显示随着装配力的变化，显示镜面应力和应变的变化情况，保证装配/维修过程中满足镜面最小变形要求，如图2所示。通过多次虚拟装配仿真，探寻最合适的装配工艺，保证产品质量。

2.2 装配资源

在实际装配过程中，除了产品本身的因素外，部分装配问题是由于装配工具与装配环境的影响产生的[6]。在某产品设计中，由于装配环境复杂，刚性管道较多，而装配工具是一个多转轴的设备，不是一个固定的外形，其外形由其机构运动模型来确定。如何验证装配工具移动、安装不与装配环境干涉。由于装配工具有多个自由转轴，必须建立装配工具的机构运动模型，而不是一个确定的构形，在每一个可能发生干涉的位置，基于装配工具的机构运动模型改变装配工具的不同姿态来探测其是否能够正常通过，根据求解结果判断装配工具是否与装配环境发生干涉，如果干涉，再通过交互式装配仿真来验证，确认发生干涉后可考虑修改装配工具或更改安装工艺来解决。

图2 镜面组件装配过程中镜面应力分析

2.3 装配人员

随着产品的复杂性越来越高，且许多装配工作仍然由人来完成，装配人员使用的设备和程序也越来越复杂，在虚拟装配中装配人员的因素是必须考虑的环节。由于目前虚拟现实硬件技术的制约，如数据手套的灵敏度不高，位置传感器反馈的数据跳变性较大，会导致在虚拟装配和维修模拟过程中VR外设操作虚拟对象的不稳定，会影响虚拟对象的运动路径，从而影响仿真结果的有效性和仿真可视化的真实性。并且虚拟装配系统中没有令人满意的触觉反馈，装配路径难免会产生抖动现象。在进行装配路径规划方面，虚拟对象在用户的控制下在装配环境中自由运动，用户在装配过程中操作不确定性，导致虚拟对象的运动轨迹无法通过方程表示，其是由离散的时间采样点表示，可通过曲线拟合的方法来平滑规划的装配路径。在交互式仿真验证方面，再现装配人员操作的不确定性，通过交互式仿真，验证装配可行性。

3 发展趋势

3.1 真实的装配模拟

虚拟装配在工业领域应用的成熟程度主要取决于它对实际装配模拟的逼真程度。为了更加真实模拟实际装配过程，必须考虑装配过程的不确定因素，因此需在虚拟产品建模和虚拟装配仿真方面开展深入的研究。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能取代物理模型的装配过程，这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展，虚拟装配拟实化程度必将逐步提高，虚拟装配技术将在工业界得到大量的应用，从而提高产品质量、缩短产品开发周期并节约开发成本。

3.2 完善的装配评估/验证

目前虚拟装配研究重点提供产品本身的装配评估与验证功能，而对装配过程中涉及的装配资源、装配工艺和装配人员考虑不足。而实际产品设计与制造过程中，影响装配性能因素有很多，然而目前的虚拟装配研究并未提供对这些影响因素进行完善评估与验证的功能。因此，虚拟装配系统需要提供更完善的装配评估与验证功能。

3.3 高度的集成化

目前国内外研究的虚拟装配系统大都通过接口从商用CAD系统中获取产品的数字化模型以及设计者的设计意图，这一数据转换过程比较繁琐，同时虚拟装配仿真结果、改进设计意见和建议不能很好地反馈到CAD系统中。为了更加真实模拟产品的装配过程，虚拟装配系统还需反映针对物理属性所进行的有限元分析的结果，在虚拟装配环境中，让用户能够更直观的查看有限元分析结果。要充分发挥虚拟装配系统的功能并促进其发展，要求虚拟装配系统与目前已有的设计与分析工具能够实现集成。考虑目前许多CAD系统已集成力学分析功能，今后在现有的CAD系统中集成装配性分析和力学分析功能将是一个比较可行的解决途径。

4 结论

通过分析实际装配过程中暴露的问题，基于装配四要素，给出了影响产品装配质量的因素。针对产品、装配资源和装配人员，给出了影响虚拟装配仿真过程的不确定性因素，提出了解决思路。为了考虑装配仿真过程中的不确定因素，更加真实的模拟实际装配过程，实现对产品装配性完善、有效地评估与验证，还需在以下方面开展深入的研究工作：

1） 基于物理属性的虚拟装配建模研究；

2） 研究基于多刚体运动学/动力学原理的虚拟对象行为特性，模拟装配过程中重力、摩擦力、预紧力等力的作用；

3） 研究装配模拟中的操作作用力的模拟方法，建立操作作用力的生成模型及反馈方法；

4） 考虑“产品、资源、工艺、人员”四要素的装配仿真方法研究；

5） 虚拟装配系统与CAD、CAE等设计、分析系统的集成方法研究。

[1] 宁汝新, 郑轶. 虚拟装配技术的研究进展及发展趋势分析[J]. 中国机械工程, 2005, 16(15).

[2] 刘振宇, 谭建荣. 基于物理模型的虚拟装配技术研究[J].中国图象图形学报, 2003, 8(7).

[3] Brad M. Howard, Judy M. Vance. Desktop haptic virtual assembly using physically based modeling [J]. Virtual Reality, No.11, 2007.

[4] Samir Garbaya, U.Zaldivar-Colado. The affect of contact force sensations on user performance in virtual assembly tasks [J]. Virtual Reality, No.11, 2007.

[5] 费燕琼, 庞川, 赵锡芳. 装配操作过程中装配对象的几何特性分析[J]. 上海交通大学学报, 2003, 37(11).

[6] 焦少辉. 考虑装配工具的虚拟装配支持系统的研究与实现[D]. 郑州大学, 2004.

Analysis of uncertainty factors in virtual assembly process

YANG Yun-bin, OU Yang-yong, SUN Su-mei, CHEN Gang, He Liang-li

TP391

B

1009-0134(2011)5(下)-0063-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).19

2010-11-13

中国工程物理研究院科学技术发展基金资助（2009A0203011）

杨云斌（1970－），男，四川德阳人，高级工程师，硕士，主要从事产品设计与评估方法、数字样机技术应用研究工作。