装配过程仿真技术小结

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1、2 1.2 装配过程仿真技术装配过程仿真技术 当今世界，基于信息和知识的产品正在高速发展，这要求制造企业以最短的产 品开发时间(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低的成本(Cost)和价格及最佳 的 务(Service)“TQCS“来赢得用户和市场5。而实现这一目标的方法，就是将系 统科学、计算机科学、虚拟现实、人工智能等技术与制造技术相结合，形成全 新概念的现代先进制造技术即虚拟制造。 近年来，许多国家进行了虚拟制造领域的研究与应用，特别是关于虚拟装 配的研究与应用引起了人们的广泛关注。国外统计，目前制造业应用虚拟装配 技术节约了 25%的研制经费，并缩短了研制周期。英国 Te

2、cnomatix 技术有限公 司开发的计算机辅助生产工程(CAPE)产品涉及到了设计、优化、制造可行性评 价等技术；华盛顿州立大学开发的虚拟装配设计环境(VADE)允许对系统进行计 划、评估和改变，并将 CAD 系统与沉浸式的虚拟环境紧密结合在一起6。这 些充分证明了以获取知识为核心的现代设计方法，特别是并行设计和虚拟设计 与制造技术己得到了长足的发展。 虚拟现实技术在并行工程中的应用即虚拟装配(Virtual Assembly,VA)等作为 一种强有力的计算机辅助工具，适应了并行工程及其发展的需要，必将对传统 制造业进行一次新的变革。 虚拟装配是虚拟制造的关键组成部分，它利用计算机工具，通过

3、分析、预 测产品模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有关的工程决策，而 不需要实物产品模型作支持。它从根本上改变了传统的产品设计、制造模式， 在实际产品生产之前，首先在虚拟制造环境中完成虚拟产品原型代替实际产品 进行试验，对其性能和可装配性等进行评价，从而达到全局最优，缩短产品设 计与制造周期，降低产品开发成本，提高产品快速响应市场变化的能力。 虚拟装配是许多技术的综合利用，例如可视化技术、仿真技术、决策理论、装 配和制造过程的研究等等。仿真是实现虚拟装配的主要手段。 近年来，由于信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化 技术、分布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展，

4、使得建立人机 环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，仿真因此 形成一些新的发展方向，如可视化仿真(visual simulation,VS)、多媒体仿真 (multimedia simulation,MS)和虚拟现实仿真(virtual reality simulation,VRS)等。这 3 种仿真呈递进关系：可视化仿真强调可视的、灵活的仿真分析环境；多媒体 仿真除可视化以外还强调多样化的多媒体集成，如音像的合成效果等；虚拟现 实仿真则强调投入感、沉浸感和多维信息的人机交互性。 虚拟制造的最终实现就是要利用各种不同层次的仿真手段来模拟优化产品 设计制造的过程，以达到一次

5、设计成功的目的。仿真的基本步骤为：研究系统 收集数据建立系统模型确定仿真算法建 立仿真模型运行仿真模型输出结果并分析。 1.2.1 装配过程仿真的概念和特征 产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中 的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交 互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避 免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展 起来的，尚不能集成，而虚拟制造中应建立面向制造全过程的统一仿真。据统 计，在工业化国家中产品的

6、生产过程中大约 1/3 左右的人力在从事有关产品装 配活动，超过 40%以上的生产费用用于产品装配，产品装配所需工时占产品生 产制造总工时的 40%60%。因此，装配是产品生命周期的重要环节，是产品 功能实现的主要过程79。随着计算机集成制造 CIMS 和并行工程 CE 技术的 发展和应用，对装配 设计提出了更高的要求，并行工程认为产品设计对制造、装配等各环节具有决 定性的影响作用。 可装配性设计(DFA，Design ForAssembly)是实施并行工程(CE，Concurrent Engineering)的支撑技术，对缩短产品的开发周期、提高设计质量、降低装配成 本具有显著作用。从根本上

7、讲，这些作用是通过验证和改进产品的可装配性体 现出来的对处于设计阶段的产品来说，可装配性的好坏最直观的效果，莫过于 在计算机上仿真产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一 虚拟的装配过程，就是产品的装配仿真。它能以可视化方式展示并改进产品的 可装配性，从装配这一重要侧面反映产品的并行哲理。 零部件的装配作业是现代化生产过程的一个重要环节。零部件装配成功与否 是与零件装配时的几何约束及相应的力学状态来决定的。几何约束可以通过运 动轨迹分析和动画来描述。装配过程仿真以仿真技术、可视化技术为支持.在产 品设计之后，而在加工制造之前，就能使人体会到未来产品的性能或制造运行 的状态，以此来

8、检验原设计的合理性，从而得到令人满意的机械设计，并规划 出科学的、合理的、高效的工艺流程。 为了缩短产品开发周期，降低成本，在设计阶段利用计算机模拟产品的实 际装配过程，直观展示可装配性。装配过程仿真就是在计算机上模拟产品的实 际装配过程，直观展示可装配性和装配方法。装配仿真可以展示装配仿真结果、 运动干涉检查、分析运动合理性、生成文本方式的装配工艺文件、干涉检查报 告和图形方式的装配路径等等。装配过程仿真具有多种操作选择方式，如全过 程装配或拆卸、单个装配或拆卸操作、单个装配或拆卸操作中的某次运动等。1.2.2 装配过程仿真技术的发展和应用 仿真技术、虚拟现实技术的发展给虚拟装配提供了一个强

9、有力的技术支持。实 际上，虚拟装配系统是虚拟制造系统的部分内容。它的产生和发展也完全是在 虚拟制造系统的产生和发展中得以实现的。 虚拟制造最初在 20 世纪 70 年代初由美国学者 Kimura10等人提出。一经问世， 立刻受到了制造业的普遍关注和重视，投入了大量人力、物力开展这方面的研 究，很多科学家和学者都在这方面作了大量卓有成效的工作。这些工作都极有 力的推动了虚拟制造技术的发展，但是由于虚拟制造还是一项尚不大成熟的、 很具前沿性的技术，加之资金、人员方面的限制，目前只有美国波音的无图纸 飞机11、福特公司的虚拟产品开发方式12等技术较全面的引用了虚拟制造技 术，其它一些机构和企业仅能“

10、虚拟”产品实施中的某一项或几项功能，如虚 拟装配、虚拟设计。他们希望通过开发一些这样的单元技术进而逐步完善，成 为一个虚拟制造系统12。就这样，虚拟装配作为一项相对独立的技术发展起来了。国外的发展相对较快。 美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企 业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。 例如，美国华盛顿大学的虚拟制造技术实验室发展的用于设计和制造的虚拟环 境 VEDAM、用于设计和装配的虚拟环境等，已经初具规模，美国 NASA 用于 哈勃望远镜虚拟修理装配的原型系统等12。欧洲以大学为中心也纷纷开展了 虚 拟制造技术研究，如虚拟车间

11、、建模与仿真工程等的研究。日本在 20 世纪 6070 年代的经济崛起受益于先进制造与管理技术的采用。日本对虚拟制造技 术的研究也秉承其传统的特点重视应用，主要进行虚拟制造系统的建模和仿 真技术以及虚拟工厂的构造环境研究13。例如，葡萄牙 J.R.Galvao 等所进行 的虚拟环境下的生产训练研究；日本今村等人开发的虚拟辅助设计与制造系统 VSDSS，日本.Abe 等人开发的机械零件装配性验证和装配机器可视化系统以 及发现初学者在装配虚拟机器时错误操作的训练系统等14。6 目前，我国在虚拟装配方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的 CAD CAECAM 和仿真技术等基础上进行的，目前主

12、要集中理论研究和实施技术 准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。 由于我国受到 CADCAECAM 基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻 碍了虚拟装配技术的发展。但这几年，我国虚拟装配技术受到普遍的重视，发 展很快，发展势头强劲，我国的许多高等院校和研究院所，进行了这方面的研 究，已经取得了一些可喜的进展，但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段， 与国际的研究水平尚有很大的差距。例如：清华大学国家 CIMS 工程技术研究 中心研究的虚拟装配支持系统（VASS）初步取得成果.虚拟装配支持系统 （VASS）是该中心在商品化 CAD 软件 Pro/ENGINEER

13、基础上二次开发而成的 一个工具软件系统，VASS 系统能够基于三维实体模型在计算机上实施产品及 其部件的数字化预装配，实现装配工艺规划，验证产品可装配性，并生成能够 指导实际装配作业的装配工艺规程和卡片15。现已向国家 版权保护中心申请软件注册，系统的修改完善及产品化研发工作正在进行之中 15。 对于尚处在设计阶段的产品来说，可装配性好坏最直观的效果，莫过于在计算 机上仿真产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一虚拟的 装配 过程，就是产品的装配仿真，它能以可视化方式展示并改进产品的可装配性。 装配仿真的研究进程，大体可分为两个层次： (1)装配仿真的可视化手段和干涉检验工具 直

14、观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并提供运动过程 中的干涉检验和报警； (2)基于 VR 技术构造虚拟的产品装配环境 操作人员有身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配过 程和效果； 两个层次的发展对产品开发 CE 实施均有深远意义，他们都处于研究和探索阶 段。 VR 技术尚不成熟，且设备价格昂贵，所以第二层次的研究不便深入与推广，在国内 尤其如此。相比而言，第一层次的研究更具有现实意义，发展也更为迅速。 1.2.3 装配过程仿真技术的进一步展望 三维 CAD 和虚拟现实(VR)技术的发展，为实现设计过程的可视性和虚拟检验 奠 定了重要的基础。事实上，三维 C

15、AD 设计、分析、仿真系统目前在发达国家 已得到 普遍应用。为了进一步实现产品设计与制造的数字化、集成化、智能化、网络 化、7 虚拟化和标准化，世界各国都投入巨资加速进行该领域的相关技术及其软件的 研究 开发工作。近年来，以获取知识为核心的现代设计方法，特别是并行设计和虚 拟设 计与制造技术已得到了很大的发展，其研究成果的应用，大大加快了产品的设 计进 度、缩短了开发周期。与国外工业发达国家相比，我国大量机械产品缺乏竞争 力的 一个重要原因就是设计手段落后，产品更新周期太长。要想迎头赶上国际发展 潮流， 就必须加快研究在推广应用先进设计和制造技术中的关键与核心技术。装配过 程仿 真是虚拟化智能

16、设计方法中的一项重要的核心技术，具有极大的开发价值和很 强的 实用性。 然而目前，装配过程仿真的具体应用依然很少，从事此方面研究的科技人员大 多是对某些具体造型及装配环节的算法进行研究，基本处于初期的理论探索和 试验 中，而没有能够实现一个完整的装配集成系统的建模和实际产品的开发。 从建立实用系统的角度来说，装配过程仿真系统主要面临如下问题： 1.装配模型的重构与转换 基于零部件三维实体模型，从装配工艺可实现性的角度对装配体的层次结构关 系进行调整，形成面向工艺的装配结构树，为下一步的装配工艺规划奠定基础。 但 是，目前 CAD 设计系统的种类繁多，各种 CAD 系统的数据模型千差万别，在 将 CAD 模型向装配过程仿真模型转换的过程中，经常会导致实体之间拓扑关系和约束 数据 的信息以及其它参数信息的丢失。 2.装配规划的生成技术装配规划的生成技术 装配规划就是寻求一条最优的零件装配顺序序列，由于创成式自动生成装配规装配规划就是寻求一条最优的零件装配顺序序列，由于创成式自动生成装配规 划需要高度的智能化