虚拟装配技术及建模工具

引言

基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备(数据手套，位置跟踪器、鼠标，键盘、力反馈操作设备等)象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配(或拆卸)结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。

在机械零件及机械系统的设计过程中，实现零件的快速造型和装配是关键的环节。使用CAD、Pro／E、Solidworks等建模工具可以很容易的对产品进行建模。尤其对形状复杂、造型精确的三维实体的参数化设计的零件及其装配更是提供了极大的方便，设计人员利用设计的三维模型进行模拟装配、干涉检查并获取质量、质心、转动惯量等重要的设计参数，同时还为结构计算分析提供了几何模型，大大提高了设计效率，减少了设计成本。

一、虚拟装配技术

常见的虚拟装配系统结构一般分为4个模块：模型模块、用户交互模块、环境虚拟模块和输出模块。

1　模型模块。功能是通过将零件的相关数据信息，包括几何模型、物理特征、零件的公差等，以及产品的装配模型，输入到虚拟装配系统里，生成需要的虚拟零件模型。

2　用户交互模块。即各种虚拟外部设备和其支持系统，通常有麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等。装配技术人员利用这些虚拟外部设备与虚拟装配系统进行人机交互，进行虚拟装配的各种操作。

3　环境虚拟模块。是虚拟装配系统的核心，包括各种虚拟现实算法、虚拟装配环境配置、虚拟装配环境生成、虚拟零件模型、虚拟装配工具包以及虚拟外部设备驱动系统。其中，虚拟现实算法主要包括干涉检验算法、多细节层次模型自动生成算法：虚拟装配环境配置即对装配环境进行配置，包括坐标系的设定、定位、光照设置等；虚拟环境生成即生成虚拟环境所需的视觉、听觉和触觉信息等。利用各种优化算法对虚拟环境进行优化，以保证系统的实时性，为装配技术人员创造犹如现实的虚拟装配环境；虚拟装配工具包是由CAD系统创建的各种装配工具的几何模型转换得到的虚拟工具模型；虚拟外部设备驱动即各种虚拟外部设备的驱动程序。

4　输出模块。输出零件装配轨迹、干涉检查报告、零件装配顺序文件、装配过程动画以及产品的虚拟模型。其中，零件装配轨迹可用来指导装配机器人的操作运动轨迹；干涉检查报告为产品设计更改提供参考。如：更改零件尺寸、形状或者更改产品的结构；装配顺序文件用于指导制定装配工艺；装配过程动画用于培训装配人员。

二、虚拟装配特点

1　人机交互手段不同。传统系统下的产品装配，是鼠标和键盘等二维输入设备，技术人员只能通过计算机的二维屏幕感受产品模型。虚拟装配技术系统中交互手段是麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等三维设备，装配技术人员可以直接操作虚拟零件进行虚拟装配，通过视觉、触觉和听觉等立体地感受装配过程，犹如现实中的装配。

2　装配过程不同。在传统系统下，装配技术人员是通过鼠标拾取零件模型上的几何元素，根据菜单指定两个零件的约束关系，让系统自动计算两个零件问的位置关系，然后进行几何变换将待装配零件移动到目标位置，完成装配。

3　对设计和装配技术人员的反馈支持力度不同。在传统的系统中，设计和装配技术人员对产品进行装配建模得到的只是产品的数字模型，信息量很少，获得的反馈支持力度较小。在虚拟装配系统中。设计和装配技术人员可以得到零件扫掠轨迹、零件装配顺序文件、零件装配轨迹文件、装配过程动画文件，还有零件干涉情况报告、产品的虚拟装配模型等大量信息，获得的反馈支持力度比较大。

三、结束语

虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。