虚拟装配技术的发展现状分析

陈瑶瑶，刘永霞，符纯明

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

随着经济的发展，企业之间的竞争愈演愈烈，如何提高生产效率和产品质量、减少费用支出等成为当务之急。装配作为产品生产的关键环节，极大地影响着产品的质量，然而传统的人工加工主要还是依靠生产人员的经验，在产品的实际装配过程中才能发现设计中的问题，然后再进行修改，这样将会消耗大量的时间，生产成本高，生产效率低。为提高装配效率，将传统手工装配工位进行人—机器人协作改造已成为一种发展趋势[1]。随着产品生产逐渐朝着自动化方向发展，生产车间的生产工序正逐步被机器人所取代，然而由于产品的多样化，该趋势在短时间内难以得到快速发展。而虚拟装配则可以极大地提高装配效率、缩短生产周期、降低生产成本和提高产品质量。

1 虚拟装配技术

在传统机械设计中，零件的模型由SolidWorks等三维软件来设计，装配过程则由工程师执行。如果产品在装配时出现设计错误或者装配顺序不当，这时就需要修改设计方案和调整装配顺序，浪费大量的人力和物力。而虚拟装配可以代替实际生产中工人和物件操作，在虚拟的环境下通过人机交互的方式对产品的各个零件进行装配，可以将工艺过程、产品的所有物料等结合在一起进行仿真，并且在装配设计阶段对实际生产过程中的零件安装是否准确、装配流程和工艺顺序是否合理、工作人员的工作姿态是否最优等诸多问题进行有效的验证，生成最符合实际生产的装配工艺，从而减少生产费用的支出及生产资源的浪费，有效提高装配效率。

虚拟装配技术可分为以下三类：①以产品设计为中心：在产品的设计阶段就对其装配结构进行最优化设计，确保产品的可装配性；②以工艺规划为中心：利用计算机和虚拟装配技术对产品的装配工艺过程进行设计，从而得到一种可行的、更好的装配过程方案；③以虚拟原型为中心：对产品外观、功能和性能进行系统仿真，并与实物原型、产品测试和评价进行比较。

2 国内外虚拟装配系统的开发

虚拟装配技术出现以后，大量的虚拟装配系统被开发和应用。早期的虚拟装配系统，如华盛顿州立大学VRCIM实验室与美国国家标准技术研究所于1995年开发出的虚拟装配技术环境VADE[2]，能够将产品的参数信息导入到虚拟装配环境中，在虚拟环境中对产品进行装配；英国Heriot-Watt大学于1997年开发了虚拟装配规划系统UVAVU[3],该系统能够记住技术人员的装配活动，从而获取装配意图并提取装配知识。

近年来又出现了一些新的虚拟装配系统。21世纪初，法国达索公司推出了数字化装配仿真平台DELMIA系统，它将设计数据和实际生产数据相结合进行仿真和分析，得到最优数据。浙江大学的CAD&CG国家重点实验室建立了虚拟设计与虚拟装配系统VDVAS[4]，工作人员可以直接通过三维操作选择零部件并进行拆卸规划，此外还对零件进行了静、动态干涉分析，从而评估产品的可装配性。Enrique Gallegos-Nieto[5]提出了一种新的基于触觉的虚拟装配系统，该系统在产品开发中作为装配规划工具，用于自动生成和客观评估装配计划。Jayasekera[6]提出了一个独立于CAD软件包的装配验证系统，通过一个追踪手的虚拟手模型来直观地徒手操作零件模型。

虚拟装配系统是一个复杂的系统，工程师在虚拟的环境进行装配，这些虚拟装配系统继续向数字化和智能化的方向发展，能够提供实时的、三维的交互环境，可以对装配过程中产生的信息进行有效的管理。利用这些系统能够对产品进行建模，并能够对其设计进行合理的评价。

3 虚拟装配关键技术的研究

虚拟装配技术最早开始应用于航空航天领域，国外关于虚拟装配技术的研究开始较早。近年来，许多学者对虚拟装配仿真、虚拟装配序列规划及人机因素等方面进行了大量的研究，本文对这几个关键技术进行了阐述。

3.1 虚拟装配仿真研究

波音公司在研发B787客机时，整机采用基于模型的数字化定义的方式,实现了数字化装配过程仿真[7]。贺江华[8]提出了“综合性制造系统”的理念，基于排队论建立了“综合型制造系统”模型，对油泵泵体的加工进行了仿真分析,并提出了解决加工过程中拥塞的方案。西北工业大学当代设计与集成制造技术教育部重点实验室和华南理工大学机械与汽车工程学院[9]提出了一种基于交互特征对的装配仿真方法，用于解决基于约束的建模方法无法为装配仿真提供足够的交互信息的问题。

通过计算机仿真技术模拟在物理环境下符合实际装配要求的产品，可以帮助技术人员寻找最优的装配策略，以验证产品的可装配性。虚拟装配仿真研究可以在装配前解决一些装配过程中碰到的问题，可以预先验证设计的装配过程是否合理，优化设计方案，极大地节省时间和空间成本，加速虚拟装配的进程。

3.2 虚拟装配序列规划

Enomoto Atsuko等[10]提出一种控制面板完全自动化的装配序列规划方法，根据装配过程和总装配顺序生成制造物料清单，进而生成最优装配序列。Aliev Khurshid等[11]通过预先编程的基本工作步骤生成装配序列，提出了一种基于任务的编程方法来支持人机协同工作单元中的装配过程。

赵卫等[12]将约束蚁群算法用于装配序列的优化以获得较优的装配序列，通过控制信息素残留系数及转移概率参数等避免了出现局部最优解的现象，得到了全局最优解。马志明[13]采用增强烟花算法求解装配序列规划,根据装配序列的特点来改变算法的参数,提高搜索速度与精度,增大了装配序列求解的优异性,从而确保了系统装配演示的准确性。

虚拟装配序列规划是装配工艺的基础，近年来大量研究人员采用智能优化算法求解虚拟装配序列，利用智能优化算法解决了零件数量过多而产生的组合爆炸问题，从而求得最优装配序列。另外，一些学者将装配序列规划问题与其他问题相结合，比如产品设计、零件拆卸等，这样将减少二次规划，提高了装配序列规划的效率。

3.3 虚拟目标拆卸

王昊等[14]引进了跳跃拆卸路径的概念，建立以关联关系模型为基础的目标拆卸算法，用于解决之前模型中未考虑目标拆卸的问题，使目标的拆卸过程更具灵活性。刘东等[15]将“装拆可逆”思路应用于运载器安装件的装配顺序和路径规划,对运载器的装配过程进行虚拟仿真,优化装配工艺,用于指导运载器总装操作。

Mitrouchev Peter等[16]提出了一种生成选择性拆卸序列的方法，通过考虑组件之间的几何接触和碰撞关系，从而生成拆卸几何接触图，用于产生拆卸序列。Wang等[17]开发了基于Python编程语言的混合虚拟现实拆卸环境，为产品开发过程中拆卸序列的评估提供了重要的帮助。

技术人员通过交互工具对装配体进行拆卸，可以记录拆卸顺序和拆卸路径，对不可行的拆卸进行修改，同时还可以进行干涉检查，缩短了装配时间，提高了装配效率；还可以根据自身的装拆要求，开发不同算法和程序构建的装配环境，在满足自身需要的同时，也增强了虚拟装配系统的灵活性和可靠性。

3.4 人机因素分析

人是虚拟装配环节的重要因素，在虚拟装配的过程中应充分考虑作业环境对工人的影响。虚拟人体可以模仿各种百分比的人体模型，对产品装配的可视性、可达性等进行分析，从而得到客观的分析，以验证人机设计的合理性。

Binoosh等[18]在潜水泵轴的上端插入重约1.5公斤级套管的实验时发现，工人工作时手臂弯曲约152°，这是种较差的工作姿态，结合人体工程学的干预，在虚拟姿势分析的帮助下进行快速上肢评估(rapid upper limb assessment)，结果表明该工作姿势存在较高的风险，需要改变工作姿势来消除或减少与工人健康相关的风险。Vosniakos等[19]通过真人手持真实的工具，在机翼、固定装置和工厂等都为虚拟的环境下铆接组装飞机机翼来评估大型机械零件的人工装配，使参与的人员能够对装配系统进行主观评估。

Xiong W等[20]提出了一种新的交互式装配任务仿真框架，用于解决虚拟装配环境下的人机交互效率和用户体验问题。吴珍发等[21]基于人机任务的自然语义分解，建立了快速规划仿真任务和仿真自动生成的方法，解决了人机工程中人机动画仿真交互工作量大、不能自动生成仿真过程且仿真结果不具有可编辑性等问题。

人机工程学主要是为了提升工人对装配系统的掌控和理解，减少和消除装配过程中的人身安全问题，减轻工人的工作量，同时使得工人以最优的工作姿势保持高效的装配，最终达到质变和量变的统一。

4 虚拟装配技术的发展趋势

(1)CAD系统与虚拟装配系统的集成化。目前所用的虚拟装配系统都需要通过CAD系统来对零件进行设计，装配过程仿真和修改信息则需要通过虚拟装配系统反馈给CAD系统，两者信息交流繁琐。这时就需要将CAD系统与虚拟装配系统集成化，确保信息的交换通畅。

(2)虚拟装配系统的智能化。随着人工智能和网络通信的发展，产品的智能制造可以进一步得到实现。例如：虚拟装配序列近年来多采用智能优化算法来求解，人工智能将成为其发展的关键方向，所以虚拟装配系统的智能化将成为今后发展的重要方向之一。

(3)网络的协同化。由于产品设计日趋复杂，需要各个部门的协同参与，设计人员及生产工人等都需要参与到装配过程中来，因此基于网络的协同化发展将是虚拟装配系统的发展方向之一。

(4)提高建模过程的合理性。由于是在理想环境下进行建模，没有考虑刀具、温度等因素对零件形位误差和装配精度的影响，会导致加工出来的零件在装配过程中出现问题，满足不了设计要求。

5 结语

虚拟装配作为虚拟制造的重要组成部分受到了大量的关注，国内许多学者对其进行了研究并取得了一定的成果，部分虚拟装配系统已应用于生产。在虚拟环境中对产品进行设计和制造，可以在虚拟装配中及时发现问题，从而改进设计方案，使设计与制造周期缩短，提高产品质量。