拟实装配技术研究

□ 郑现坤

上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072

装配是指将零件结合成为完整产品的生产过程，是产品开发活动中最具影响力的一个环节。现代产品的竞争是性能、质量、价格、上市时间、外观形状、售后服务等多种因素的综合竞争，所有这些因素无不与装配存在密切联系。产品的性能、质量是由设计师设计拟定的，由制造阶段提供保证，并由装配阶段具体落实的。装配质量的好坏，直接反映在产品的性能、质量上。据统计，在产品生产阶段，有三分之一以上的人直接或间接从事与装配有关的活动，而装配费用则占整个生产成本的30%～50%（对于某些复杂产品，这个比例会更高）。

1 拟实装配技术的提出

随着计算机集成制造系统 （Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）的发展，虚拟装配技术的出现为传统装配模式提供了一种新的工作模式。它利用计算机装配模型和仿真技术来实现产品的设计和装配，在设计阶段解决装配中可能存在的问题，提高装配效率，减少装配时间，降低装配成本，从而保证产品的可装配性。

但目前进行虚拟装配所使用的CAD模型是理想的模型，由于实际生产过程中的制造误差等因素，使虚拟装配公差分析并不能准确分析实际产品的装配公差。例如在航空航天与汽车领域广泛应用的钣金件具有高度的柔性，其在制造和装配过程中，很多因素会导致这些零件发生变形，所以，在生产过程中检验合格的零部件并不一定能装配出质量合格的成品。如图1所示，通过关节臂坐标测量机测量汽车横梁右翼子板的点云数据与CAD数模对比，可以看到实际装配使用的零件与理想数模相比有一定的偏差。很多装配问题往往在生产过程中才暴露出来，因此笔者提出了在装配阶段，将基于产品的真实模型采用逆向工程技术来获得实际装配零件的模型，导入相关软件中进行虚拟装配，使拟实程度提高，并且装配效果更加接近实际生产中的装配效果，从而大大缩短产品的生产周期。

2 拟实装配的主要功能和关键技术

拟实装配的主要目的是以最少的人力物力投入，在最短的时间内完成产品装配设计和验证。拟实装配系统是实际生产中的装配系统向计算机虚拟环境中的一种映射。根据拟实装配的定义及其特点，关键技术主要包括：实际产品模型的点云数据获取、实际产品的模型重建、装配序列规划、装配路径规划、拟实装配公差分析、装配质量的验证及评价。

（1）实际产品模型的点云获取。数据采集就是运用一定的测量设备和测量方法对实物样件进行测量，获取样件表面信息，得到三维坐标。数据采集是逆向工程技术的首要环节，也是拟实匹配技术的首要环节，数据采集技术主要有接触式和非接触式两大类测量方法，如图2所示。

▲图1 测量点云与理论CAD数模对比云图

（2）实际产品的模型重建。模型重构就是运用一定的逆向工程软件对点云数据进行处理，最终生成实物样件的三维数字化模型。模型重构是逆向工程中最为关键的环节，也是拟实装配中的关键技术，模型重构的质量好坏直接影响拟实装配的质量和装配公差分析及验证。

（3）装配序列规划。在机械产品的装配中，一组零件或组件的装配顺序起着关键的作用。装配序列规划是描述产品装配过程的重要信息。采用合理的装配序列，能够使产品达到指定的装配目标。

（4）装配路径规划。装配路径是零部件在拟实装配过程中的运动轨迹，进行装配路径规划，目的是实现无碰撞、无干涉装配，不仅保护了零件，而且提高了装配效率，因此无论是人工装配，还是机械的自动化装配、柔性装配或机器人装配，都需要进行装配路径规划。

（5）拟实装配公差分析。拟实装配所使用的数字模型是基于真实产品数据得到的模型，模型信息中包含了实际模型的尺寸、尺寸公差、形位公差、基准、表面结构以及规格材料等信息。通过计算机辅助公差设计（Computer Aided Tolerancing，CAT），能够快速、准确地在拟实状态下分析和验证装配出的产品是否符合精度要求，分析零件误差对产品精度的影响，为产品的设计、制造和装配提供良好的校验和反馈功能。

（6）装配质量的验证及评价。通过拟实装配公差分析得到数据，对产品的装配质量进行验证和评价。

▲图2 数据采集技术

3 实施拟实装配的意义

虚拟装配是虚拟制造的一个重要组成部分。目前，人们从虚拟装配仿真、虚拟装配序列规划、虚拟装配建模等方面进行了广泛而深入的研究。拟实装配是基于虚拟装配技术提出的，实施产品的拟实装配，有如下意义。

（1）提高虚拟装配的拟实化程度，使装配过程更加接近实际生产中的物力模型装配过程。拟实装配使用的CAD模型是基于实际产品模型通过逆向工程技术得到的，模型信息中包含了实际模型的尺寸、尺寸公差、形位公差、基准、表面结构以及规格材料等信息。

（2）提供更完善的装配评估和验证功能。大多数虚拟装配系统只提供了初步的装配评估和验证功能，利用虚拟模型得到的装配评估的结果与真实物理模型的评估结果仍有较大的差距。拟实装配使用的模型更加接近真实物理模型，装配结果的评估更加接近真实装配结果评估。

（3）拟实装配使用的计算机辅助公差分析技术，由传统的二维传统尺寸链公差分析改进为三维空间尺寸链公差分析，分析得到各个尺寸对最终装配质量的影响因子，根据影响因子大小改进公差分配，对产品的设计、制造和装配有一定的指导作用。

4 总结

综上所述，所谓拟实装配，就是采用一定的测量手段得到几何产品的点云数据，经过逆向工程技术处理，得到几何产品的真实模型数据，导入到虚拟环境中进行装配，并进行产品装配序列规划、装配公差分析、验证及评价等。利用拟实装配技术，可进一步缩小虚拟装配评估结果与真实装配评估结果之间的差距，将评估结果反馈到设计和制造环节中，最终可达到降低成本、提高产品质量、缩短产品生产周期的效果。

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