1. 引言

 

近年来，随着科学技术的发展，特别是计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展，虚拟现实技术应运而生。基于虚拟现实的虚拟制造技术是近几年来国内外科技界关注的热点，其发展是日新月异。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术，前沿学科和研究领域。

 

虚拟装配技术是虚拟现实技术在制造业的典型应用，也是虚拟制造技术研究的重要方向之一。这种技术可以降低复杂产品的开发难度，缩短开发周期，降低成本，对实现产品的并行开发。提高装配质量和效率具有重要的意义。虚拟装配可以应用于航空航天、汽车、船舶、工程机械、教育等领域。

 

2. 虚拟装配技术介绍

 

2.1 三维建模与造型

 

 

零部件的虚拟三维建模与实体造型是虚拟产品设计与装配技术的基础，它克服了传统二维设计中仅能以视图描述零件特征，而不能建立实体模型的缺点．使设计在虚拟环境中能够精确地建立三维实体模型，完整、准确地描述零部件特征，进而设计者能够以不同的角度，不同的方式对设计进行分析、评价与修改，并与其他零部件进行虚拟装配，从而进一步对整个设计进行分析、评价与优化．

 

三维实体建模与造型可以完成以下功能：

 

●精确、清楚地描述复杂形体并形象逼真地表示，更好地对设计进行评价；

 

●在三维模型的基础上自由地、随意地生成各种二维视图和面；

 

●进行空间布局和装配研究，以及干涉碰撞检验；

●可以直接与各种快速原型制造技术进行集成，快速精确地制造设计原型，作为产品设计样件进行性能测试；

 

●为NC编程提供精确数据，用于产品的生产．

 

2.2 虚拟装配过程

 

虚拟装配过程使在完成零部件三维建模与造型的基础上，根据零部件之间装配关系和约束条件，在虚拟环境中进行设计组装，并进行相应的检验，从而对设计进行分析评价，对不合理的设计进行修改，达到优化设计的目的．

 

虚拟装配过程主要包括产品结构分析，装配关系确定和产品组装，各类检验进行设计分析评价及设计修改和装配效果检验等．

2.3 虚拟装配的实施方案和步骤

 

1 在商用 CAD 系统中建立产品的装配模型，通过 CAD 系统提供的二次开发接口进行数据转换 将 CAD 系统中的零件信息以中性文件的形式进行存储

 

2 建立装配信息和规则库，如装配顺序规划基本准则、标准件联接和装配的原则、尺寸链的查找和装配评价准则等，建立基于装配语义的装配关系表达

 

3 虚拟环境中装配语义识别：根据设计者的交互操作，当装配零件运动到己装配零部件附近时，通过两者装配特征属性匹配，自动识别出装配零部件间的装配关系。

 

4 以装配精度模型为基础，利用属性拓扑图进行装配公差传播方向和公差累积的分析计算，解决产品的可装配性分析。

 

5 交互式装配顺序规划：对虚拟环境中的装配模型进行交互拆卸，基于 “可拆即可装” 的假定，通过拆卸得到可行序列； 对于几种可能的装配序列，根据装配操作的稳定性、装配操作中零部件的定位和定向次数及装配序列的并行度等进行优化及选择。

 

6 装配仿真：以装配顺序为基础 对初始路径及其关键点位姿进行实时交互修改与调整同时对装夹工具的可达性、装配空间的可操作性进行仿真，检查各条装配路径上零件在装配过程中是否存在干涉情况。

 

7 虚拟环境接受速度或者位置输入，并根据有关的物理模型计算出相应的力，通过适当的耦合匹配，由力再现装置反馈给操作者。

 

2.3虚拟装配过程中仿真的实现

 

 

装配过程仿真可视化的实质是抽象数据具体化的过程。该仿真系统将数据与模型自动连接，根据“更新一时间”数据结构重绘场景，通过V语言和V函数实现物体位姿、运动及变换，用三维真实感的动画形式表现虚拟装备装配过程的动态情况。

供了相应的操作来访问“更新一时间”数据结构。其中最主要的操作是Assembling(装备装配)，参数包括装配起始时间、装配顺序(按正向还是逆向遍历“更新一时间”数据结构)。

 

3. 虚拟装配的研究概况

 

1995年．美国华盛顿州立大学和美国国家标准与技术研究院联合，最早开始了对虚拟装配技术的研究。并开发了虚拟装配设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VADE在装配领域的成功应用，引发了各个国家的高校和研究机构对虚拟装配的研究。20世纪90年代末，国内也开始对虚拟装配技术进行研究，已经取得许多研究成果。虚拟装配技术的研究大致可分为三个阶段：虚拟装配理论的提出和完善阶段，虚拟装配原型系统的研发阶段，虚拟装配技术在工业上的应用研究阶段。目前，国外已经开始了第三阶段的研究应用，国内也开始由第二阶段向第三阶段过渡。

 

根据实现功能和目的不同．可以将虚拟装配分为四种类型。

 

1)以产品设计为中心的虚拟装配。

 

2)以装配工艺规划为中心的虚拟装配。

 

3)以制造系统规划为中心的虚拟装配。

 

4)以虚拟原型为中心的虚拟装配。

 

4. 虚拟手仿真技术

 

要实现虚拟装配中的自然交互，虚拟手是不可或缺的一部分，虚拟手的基本操作是进行虚拟装配的前提条件。在虚拟环境中，被抓取的零件在捕捉到约束后，零部件只能沿约束作用的方向运动。这样，可以确保在装配的过程中能达到精确定位的目的。而且不会偏离已经起作用的约束。

 

4.1 面向对象的虚拟手建模

 

基于对人手的解剖分析，虚拟手模型可以简化为由—个手掌、—个拇指以及其它四个相邻的手指组成。我们采用面向对象的方法来建立虚拟手模型，虚拟手各个部分的属性(如几何模型、纹理等)与对应的操作(查询、读取、更改等)被封装形成了—个对象，各个对象体之间的运动继承关系通过结构树来实现。

 

4.2虚拟手抓取零件/部件过程

 

虚拟装配的交互操作支持对零件和子装配体的装配操作。

(1)首先检测虚拟手碰撞模型与VE中零件碰撞模型的接触，若未检测到有接触，则抓取失败；否则获得一组零件碰撞模型ID。

 

(2)结合零件模型库，获得该组碰撞模型对应的精确模型ID。对于其中每一精确零件模型，根据装配体对象的IsAsIllFinish标志，逐层向上层查找，直至找到已装配好的一个最高层子装配。比较这些最高层子装配，若为同一子装配，则它即为拾取到的对象(记为picked_Ass)，否则抓取失败。

 

零件随虚拟手靠近装配目标，逐步调整零件的位姿，系统自动捕捉达到阚值内的约束，零件进入约束导航运动状态。操作者继续操作零件向未满足的约束靠近，当所有的约束均满足后，零件便实现了精确的定位，一次装配操作完成。操作者可以进入下—个零件的装配操作。

 

5. 虚拟装配干涉检验

 

为了提高系统的执行速度，采用两级碰撞检测检测机制：一般的碰撞检测和详细的干涉检测。碰撞检测，采用节点的矩形包围盒进行实施，包围盒计算以紧密包围模型为准，仅仅检测物体是否与节点的包围盒发生了碰撞，即返回碰撞节点，而不进行深层次的判断；干涉检测，则逐步遍历两个节点的所有面片，精确检测出面片碰撞的位置，同时结合两个物体的装配关系，返回详细的装配判断信息。在虚拟装配环境中，由于用户与场景的交互和物体的运动，物体间经常可能发生碰撞，此时为了保持环境的真实感，需要及时检查这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新显示结果，否则物体间会发生穿透现象。

 

在虚拟装配环境中通常包含大量的物体，加上物体的形状复杂，检测这些物体之间的干涉情况是一项非常耗时的工作。虚拟环境中干涉检验的目标是如何在很高的适时交互要求下完成对大量复杂物体的干涉检验。其具体工作包括两部分：一是检查到有干涉；一是计算出干涉检验发生的位置。

 

6. 虚拟装配的发展趋势

 

 

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见，这一数据转换过程比较繁琐，同时虚拟装配仿真结果、改进堤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。

 

7. 结论

 

当前大多数虚拟装配系统只能仿真实际生产中的手工装配过程 而对于生产线装配过程则显得有些无能为力 生产线装配过程与手工装配过程之间往往存在着很大差异 手工装配过程仿真的相关结果通常不能用于分析生产线装配过程 因此 由手工装配过程仿真过渡到生产线装配过程仿真也是虚拟装配的发展方向之一

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