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虚拟装配技术研究现状及其发展


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虚拟装配技术研究现 状及其发展
Survey of Virtual Assembly and Its Perspective
哈尔滨工业大学机电学院 李建广 夏平均

虚拟装配技术已成为数字化制造技术在制造业中 研究和应用的典范,针对复杂产品利用该技术可优化 产品设计,避免或

减少物理模型的制作,缩短开发周 期,降低成本,从而实现产品的并行开发,提高装配 质量和效率,改善产品的售后服务。

虚拟装配是近十几年兴起的虚 作,缩短开发周期,降低成本,从而实 拟制造技术研究的重要方向之一,它 现产品的并行开发,提高装配质量和
李建广
工学博士,教授,博士生导师。主 要从事 C A D / C A M、数字化加工与装 配技术、数控加工、加工误差建模和补偿 等方面的研究,完成了国家 “863” 、国防 科工委、总装备部等多个课题的研究工 作,承担和参与了与工艺参数优化有关的 项目 2 项,获国家级教学成果奖二等奖 1 项,黑龙江省高等学校优秀教学成果 奖一等奖 1 项、中国高校科学技术进步 二等奖 1 项。目前承担本校本科生

从产品装配的视角出发,以提高全生 效率,改善产品的售后服务。虚拟装 命周期的产品及其相关过程设计的 配在航空航天、汽车、船舶、工程机械 质量为目标,综合利用计算机辅助设 等领域的复杂产品设计及其装配工 计技术、虚拟现实技术、计算机建模 艺规划具有重要的意义,受到国内外 与仿真技术、信息技术等,建立一个 的普遍关注。 具有较强真实感的虚拟环境,设计者 可在虚拟环境中交互式地进行产品 设计、装配操作和规划、检验和评价 产品的装配性能,并制定合理的装配 方案。

虚拟装配技术的 研究概况
虚拟装配以产品及其零部件的 三维实体模型为基础,借助虚拟现实

和研究生 C A D / C A M 和数字化制 造等方面的教学工作。

虚拟装配技术已成为数字化制 技术在计算机上仿真装配操作的全 造技术在制造业中研究和应用的典 过程,进行装配操作及其相关特性的 范,针对复杂产品利用该技术可优化 分析,实现产品的装配规划和评价, 产品设计,避免或减少物理模型的制 制定合理的装配方案。一般情况下,

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虚拟装配是指在计算机上所进行的 零部件模型“装配”,虚拟现实环境无 关紧要,只是表现手段不同而已。虚

特征,进行设计修改 。 (2) 以工艺规划为中心的虚拟装 配。针对产品的装配工艺设计问题, (1) 以产品设计为中心的虚拟装 拟装配主要实现 2 个层次的映射,即 配。在产品设计过程中,虚拟装配技 基于产品信息模型和装配资源模型, 底层的产品数字化模型映射产品物 术主要用于 2 个方面:一是基于虚拟 借助计算机仿真技术进行产品的装 理模型,顶层的装配过程仿真映射真 实的装配过程。底层的映射避免了 产品模型的物理实现,同时使得工程 分析、装配仿真成为可能;顶层的映 射使得产品装配规划、仿真验证及评
[1]

划为中心的虚拟装配和以虚拟原型 为中心的虚拟装配 4 类。

[5]

装配的产品设计,二是基于虚拟装配

配工艺设计,获得可行且较优的装配
[6]

的产品结构优化。 工艺方案 。以工艺规划为中心的 在产品设计中,基于虚拟装配 虚拟装配的主要研究内容是装配作 的设计实质上是一种基于 TOP[3]

业与过程规划,包括装配或拆卸顺序

DOWN 的 CAD 技术,可以实现零件 的规划、装配路径的规划、工艺路线

价成为可能 。 和装配体的混合设计 。它首先根据 的制定、操作空间的干涉验证、工艺 虚拟装配的研究始于 1995 年, 功能要求进行概念设计,确定关键设 卡片和文档的生成等内容。以工艺 美国的华盛顿州立大学和 NIST 联合 计参数,然后进行结构设计,根据子 规划为中心的虚拟装配,具有高逼真 最早进行了虚拟装配研究,开发了虚 拟装配设计环境(Virtual Assembly Design Environment,VADE) 。 VADE 通过建立一个用于装配规划 和评价的虚拟环境来探索产品装配 过程中应用虚拟现实技术的可能性, 设计人员在产品设计初期便可并行
[2]

功能分解为子装配体并确定各子装 配体间的配合关系,形成设计约束。 根据确定的设计约束,可将子装配体 作为子任务进行分解,可实现并行协 同和相关参数的设计。 是为了更好地帮助设计人员进行与

度的操作仿真,在虚拟装配中实施对 象、操作过程以及所用的工装工具, 均与生产实际情况高度吻合,可以生 动直观地反映产品装配的真实过程, 为装配工艺的规划提供可靠的验证 心的虚拟装配系统可进一步用于装 配培训和现场示教 。 (3) 以制造系统规划为中心的虚 拟装配。针对车间柔性装配制造系 统的规划,基于产品的信息模型、装 配工艺和装配资源模型,利用计算机 设计、仿真和分析 ,主要研究内容包 括柔性装配系统建模、生产规模与生 产周期分析、资源分配、装配车间布 置、装配生产线平衡分析、自动化装 配操作误差诊断与预测 装配操作控制及其仿真
[10] [11] [9] [7-8]

基于虚拟装配的产品结构优化 和优化手段。此外,以工艺规划为中

考虑产品装 / 拆相关环节,避免相应 装配有关的设计决策,以提高产品 的可装配性,是虚拟环境下对产品 的设计缺陷。VADE 实现了与参数 化 CAD 系统(如 Pro/Engineer)的 的计算机数据模型进行装配关系分 数据共享,能进行产品结构树、零部 析的一项计算机辅助设计技术 。 件实体模型从 CAD 的自动转换,通 它结合面向装配设计 (Design For 实现零部件装配顺序和装配路径规 划,并为零部件的设计改进提供反馈 信息。 VADE 原型系统的开发标志着 虚拟现实技术在装配领域的成功应 任务就是从设计原理方案出发,在各 种因素制约下寻求装配结构的最优 解,拟定装配草图。它以产品可装配 性的全面改善为目的,通过模拟试装 和定量分析,找出零部件结构设计中
[4]

过捕捉 CAD 环境下的装配约束信息 Assembly,DFA) 的理论和方法,基本 仿真技术进行柔性装配制造系统的

、装配单元 等,为柔性

用,具有里程碑意义。紧随其后,德 不适合装配或装配性能不好的结构 国、英国、加拿大、希腊、意大利等多 所国外高校和研究机构都开展了虚 拟装配的研究。国内有关虚拟装配 的研究起步于 20 世纪 90 年代末期, 发展速度比较快,取得了不少研究成 果。 按照国内外研究目的和实现功 能的不同,虚拟装配的研究大体上围 绕产品的设计、装配工艺的规划、装 配系统规划和装配性能分析 4 个方 面进行。因此,虚拟装配可分为以产 品设计为中心的虚拟装配、以工艺规 划为中心的虚拟装配、以制造系统规

VADE 应用结构示意 图

[2]

2010 年第 3 期· 航空制造技术

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装配系统的设计与调整、协同操作与

的真实感和可靠性受到限制,主要用

拆卸产生初始装配序列,应用几何推 理方法生成可行装配序列 。浙江 大学研究了基于语义识别的虚拟装 配操作,从而实现直观自然的人机交 互装配与拆卸操作。哈尔滨工业大 学建立了基于几何约束的虚拟装配
[17]

控制提供支持。 于产品的设计阶段。 (4) 以虚拟原型为中心的虚拟装 ·转换的 CAD 模型。利用虚 配。虚拟原型是利用计算机建模和 拟现实软件开发的虚拟装配系统,需 仿真系统在一定程度上对产品的外 形、功能和性能进行模拟,以产生与 物理样机具有可比性的效果来检验 和评价产品特性。虚拟装配和虚拟 原型技术的结合,可以有效地分析零 件的设计公差及其加工与装配过程
[12]

要将 CAD 零部件模型及其相关信 息转换后导入到虚拟环境,实现交互

操作。例如,美国的 VADE 从 Pro/ 环境,在该环境中根据经验和知识进 行交互式拆卸,定义优先约束表来表 Engineer 系统中提取产品结构树信 息、装配约束信息以及零部件几何信 达零件间的优先约束关系,应用优化 息,实现 CAD 系统和虚拟装配系统 算法规划出初始优化的装配顺序,再

中的误差 对产品装配性能的影响, 的自动转换。新加坡南洋理工大学 在虚拟环境下进行仿真、评价,进一 为产品的精度分析、公差优化设计等 研究了 CAD 和 VR 之间的集成方法, 步优化。 提供可视化手段。 开发了基于 CAD 紧密连接的虚拟装 (3) 装配规划优化技术。在虚 拟装配环境中,可通过仿真对预定的 配环境。国内上海交通大学 CIMS

虚拟装配技术的 研究现状

研究所实现了 Unigraphics 与虚拟现 装配规划进行验证,借助优化算法搜 实系统之间的集成;北京理工大学实 索装配顺序,通过确量化指标进行评 价,最终实现对装配规划的优化。华

虚拟装配技术的发展和应用与 现了 Pro/Engineer 系统和虚拟现实 虚拟现实技术、计算机技术、人工智 系统之间的集成。哈尔滨工业大学也 能技术、网络技术、产品设计等多学 科领域的发展紧密相关,在总体上国 内外学者还是围绕虚拟装配核心技 术、虚拟装配环境和虚拟装配应用系 统 3 方面展开研究。 1 虚拟装配核心技术

中科技大学的 VPASPE 在虚拟原型 通过模型转换实现了从 SolidWorks、 的基础上,通过人机交互提取装配专 家知识,对自动生成的装配顺序进行 Pro/Engineer 系统到虚拟装配系统 的输入。 · VRML 模型。为了实现基于 Internet 协同虚拟装配,VRML 模型 受到了关注。清华大学的协同虚拟
[14]

评价

[17]

,并利用蚁群算法搜索和优
[18]

化装配顺序 。哈尔滨工业大学应 用优化算法规划出初始优化的装配 顺序,在虚拟环境下进行仿真、评价, 再应用优化算法进一步优化,多次循 环,最终获得优化的装配方案。 (4) 交互操作。在虚拟装配中, 零部件模型的交互操作通过碰撞检

。 虚拟装配的核心技术是开发虚 装配系统采用了 VRML 模型 拟装配应用系统时必须解决的重要 (2) 装配 / 拆卸规划技术。工 共性技术,涉及零部件建模、装配序 艺设计人员根据经验、知识在虚拟装 列规划及优化、可行装配路径规划、 装配合理性评价、决策支持、装配误 差分析等内容。 配环境中交互地对产品的三维模型

进行试装 / 拆卸,规划零部件装配 / 测和动作的类型来实现,碰撞检测也 拆卸顺序,记录并检查装配 / 拆卸路 用于装配路径的验证,其效率和可 靠性影响虚拟装配操作的效果。如

(1)零部件建模。由于虚拟现实 径,验证工装夹具的工作空间并确定

软件建模能力的限制,CAD 系统仍 装配 / 拆卸操作方法,验证装配、拆 Iowa State University 利用波音公 是虚拟装配中零部件模型建立的主 卸方案,最终得到合理的装配方案。 司的 VPS 系统进行虚拟装配中的碰 要手段。根据系统开发的手段不同, 虚拟装配中模型建立的方法也有较 VADE 在虚拟装配环境下,通过约 束下的交互运动仿真和碰撞检查,实 撞检测和交互 。德国的 Bonn 大学 研究了虚拟装配中多输入系统交互 控制技术 ,如语音和手势识别等, 可实现模型在约束下的运动和精确
[20] [19]

大的差异。 现装配工艺的验证和规划、维修验证 · CAD 模型。虚拟装配应用 等。德国的 IAO 开发的虚拟装配系
[15]

系统直接基于 CAD 系统开发,可以 统 ,在产品的设计阶段基于虚拟现 定位。 直接应用 CAD 系统的功能和零部 实交互地进行装配、拆卸操作,并实 (5) 装配过程中的人因分析。通 件的 CAD 模型。文献 [13] 在 Pro/ 现人机工效评价,预测装配时间和成
[16]

Engineer 系统中对叶片的装配过程 本。英国的 Heriot-Watt 大学通过

过虚拟现实技术,开发人员可以在产 品开发阶段就对产品装配过程中涉

,实现 及的人机因素(如装配所需时间、装 进行了仿真和分析。直接利用 CAD 装配特征识别规划拆卸顺序 模型的虚拟装配系统易于实现,零件 了装配顺序的规划。华中理工大学 配操作的舒适程度、安全性)进行分 和装配体的建模、装配仿真可在一个 系统下进行
[3]

开发了基于虚拟原型的装配序列规

析。例如,采用虚拟现实技术对人工

,操作简单,但操作仿真 划及评价系统 VPASPE,借助于虚拟 装配中操作者的装配力与装配姿态

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的 Patras 大学在 2000 年开发了虚拟 装配工作单元,以螺旋桨装配为例, 对影响装配时间的因素 ( 如装配者的 力量、工作单元布局等 ) 进行了分析 评价,通过建立的半经验式的时间模 型,可对装配过程中的人机因素进行 定性评价和定量估计。 (5) M I V S ( M u l t i - m o d a l Immersive Virtual Assembly
卫星虚拟装配系统示例

System) 。2002 年 浙 江 大 学 CAD&CG 国家重点实验室建立了

[23]

进行定量评估,并分析装配所需的最 大装配力以及每个装配循环过程中 的平均装配力
[21]

浙江大学的 CAD&CG 国家重点实 MIVS,用于装配工艺规划和装配过 验室研究了大规模虚拟现实环境(如 程评价,并可生成装配工艺文档。 CAVE)下复杂产品的装配工艺规划 (6) VASS(virtual assembly support system) 。清华大学开发的 VASS 为设计师和装配工程师提供了 一个产品的可装配性 / 可拆卸性仿 真和评价系统。该系统可实现装配 顺序规划、工具规划、装配路径规划、 装配过程仿真,最终生成装配文档。 (7) PAA(Personal Active Assistant) 。该系统是 2005 年意大 利 Bologna 大学开发了基于 CAD 的
[28] [27]

,以避免装配工人的

疲劳;利用人机工程学模型分析装 的显示优化问题,以提高交互的实时 [23] 性 。葡萄牙的 CCG 公司开发了 配工位空间布局对人操作强度的影 [22] 响 ,以设计出最优的装配工位。商 ITS(Immersive Training System) 虚 [8] 业化的软件系统(如 Tecnomatix 和 拟系统,用于装配培训 。 Delmia)均集成了人因分析功能。 3 虚拟装配应用系统 在虚拟装配技术的研究过程中, 2 虚拟装配环境 虚拟装配的环境决定了虚拟装 针对不同的应用开发了多种虚拟装 配应用系统的规模、投资、功能,针对 配原型系统,代表性的系统简介如 不同的应用,虚拟装配的环境各有不 下: 同。概括起来虚拟装配环境的研究 可分为以下几类:
[2]

(1) VADE 。该系统的研究始 装配规划与验证系统。PAA 系统利 于 1995 年,是第一个具有代表性的 用 CAD 工具来有效提高对象识别能 (1) 基于 C A D 平台的虚拟装配 虚拟装配系统,其目的是通过建立一 力,生成优化装配序列和产生装配操 作指令;而基于增强现实的装配评价 系统。通过对 C A D 系统的开发实 个用于装配规划和评价的虚拟环境 工具允许装配设计人员和装配操作 现虚拟装配的功能,如文献 [13] 基于 来验证产品装配过程中应用虚拟现 Pro/Engineer 系统叶片的装配过程 进行仿真和分析。该类系统具有强 的模型编辑能力,但仿真的真实感和 可靠性较差。 的桌面虚拟装配系统。虚拟装配系 实技术的可能性。
[24]

人员之间的直接交互,指导操作人员

(2) UVAVU 。1997 年,英国 的装配。PAA 可用来对复杂的装配 的 Heriot-Watt 大学开发了虚拟装 过程进行指导,或者对混合样机的装 配规划系统 UVAVU。基于当时力 配可行性、成本和装配规划等进行评 估。 (8) 涡轮泵三维数字化装配工艺
[29]

(2) 基于通用虚拟现实开发系统 反馈设备以及跟踪设备的局限性,采 用了“接近捕捉”和“碰撞捕捉”的精

统的开发基于通用的虚拟现实开发 确定位方法。 系统 。2005 年哈尔滨工业大学基 [25] 系统(如 WKT、Vega、PTC Division 于 SolidWorks 开发了“涡轮泵三维 (3) JIGPRO 。JIGPRO 系统是 Mockup 等),可以连接一些虚拟现实 1999 年美国 Wichita 州立大学开发 数字化装配工艺系统”。该系统采用 的输入 / 输出设备,具有一定的三维 了基于虚拟现实的产品装配及夹具 立体和交互效果。哈尔滨工业大学利 用 VC++ 和 PTC Division Mockup 开发了卫星虚拟装配系统,在虚拟环 境下进行装配过程交互规划,最后生 成装配工艺文档。 虚拟装配环境功能强大,沉侵感强。 的产品零部件和夹具模型、虚拟手模 型以及人体模型导入虚拟环境中,进 行装配过程仿真,确保产品装配工夹 具设计具有良好的装配性能与人机 (4) 虚拟装配工作单元
[26]

几何推理和人工知识相结合的方法 三维环境下产品装配的交互工艺规 划及仿真,并可指导现场装配。

设计系统,能够将 CAD 系统中设计 进行装配顺序规划,可在微机上实现

(3) 大规模的虚拟现实系统。该 性能。 。希腊

目前研究存在的 主要问题
虽然虚拟装配技术具有广阔的
2010 年第 3 期· 航空制造技术

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(5) 功能需进一步增强。虚拟装

同和交互

波音 787 的虚拟装配示意图

应用前景,国内外研究也取得了很大 配系统除了工艺规划和装配过程仿 的进展,但是虚拟装配技术的各种理 真外,还应具备如装配力变形分析、 论和方法还不成熟,大多数研究及其 工装夹具的设计、装配质量预测、装 成果处于预研或试用阶段,距实际工 配人员工效分析等功能。 程应用还有较大距离,在技术方面主 要存在以下问题: (1) 缺乏规范化的共享开发平 台。在国内外的研究方面虽然已形 成了“百家争鸣”的局面,但没有出现 “百花齐放”,由于缺乏规范化的公共 开发平台,各家应用系统或原型系统 开发时重复性的工作较多。 (2) 建模能力弱。目前,虚拟装 (6) 开放性和集成能力弱。由于 虚拟装配系统开发的方法、环境差别
较大,与其他系统集成和数据交换的

能力弱,制约了虚拟装配系统的开发
及与现有其他系统的集成。

虚拟装配技术研究的 发展趋势
虚拟装配技术是一项多学科交

配系统的模型需要 C A D 系统准备, 叉的综合技术,涉及的各项技术仍处 模型修改能力弱,在产品的并行设计 在不断的发展之中,将来的发展方向 中应用困难。 (3) 装配工艺规划复杂。装配工 主要体现在如下几方面:
(1) 开放性的系统框架。虚拟装

艺规划是一个经验性很强的活动,需 配系统的开发涉及到支撑技术、数据 要大量的经验和知识,缺乏装配过程 库、虚拟现实、用户界面等多方面的 的智能引导和优化。 (4) 交互操作可靠性和灵活性 有待提高。由于基于碰撞检测的交 技术,需要构架虚拟装配系统的结构
框架,规划支持技术群、统一的模型

信息结构、功能实现和系统集成接口

互操作是一个多输入、大计算量的过 等,从而通过信息和技术共享、系统 程,输入系统的灵敏性、碰撞检测的 集成,较快地开发出工程应用系统。 计算效率等因素都影响交互操作的 可靠性。 (2) 基于网络的虚拟装配。随着 产品复杂性增加,不同企业之间的协

装配作为产品功能的最终体现的环节,其工艺设计、分析、规划、验证更需 要若干团队人员的协同参与,基于网络的虚拟装配必将为产品的开发提供强 有力的支持。 (3) 模型交换接口。建立 CAD 与虚拟装配系统模型交换的标准接口, 制定 CAD 模型的数据提取和表达、信息的存储和管理等方面的统一标准 和规范,为虚拟装配系统的应用提供必要的几何信息、特征信息和约束。
(4) 智能化的装配方案设计。对结构复杂的产品而言,由于装配工艺本身的 复杂性,仅依靠人的经验知识进行搭积木式组装而获得的可能只是一种可行的 装配方案,而不一定是优化的装配方案,而且具有一定的不确定性。集 思广 益,全面考虑,虚拟装配系统可以交互地利用专家系统智能化地进行装配方案 的设计,并且对之进行仿真和评价。 (5) 装配质量分析。目前,在产品设计、虚拟装配中,通常以理想的零件模 型为基础,没有考虑实际的加工和装配环境对零件形状和尺寸精度的影响,可 能导致实际生产出来的零件装配性能不能满足要求。在虚拟装配中,可以设定 零件的形状和尺寸、定位误差等,预测装配精度,也可以通过分析装配过程零 件变形的影响,评价装配工艺,从而更全面地为产品设计和生产提供支持。

(6) 基于虚拟装配的管路、线缆布 局。在复杂产品中(如飞机、船舶、 火箭发动机等),由于空间和结构的 限制,各种刚性管路和柔性线缆等交 错缠杂在一起,给设计和装配操作带 来很大困难,虚拟装配技术可以为管 路、线缆布局设计提供有效的支持。

本文有参考文献 29 篇,因篇 幅所限,未能一一列出,读者如有需 要,请向本刊编辑部索取。
(责编 金卯)

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