□ 杨 建 □ 谢志强 □ 王 坚 □ 夏善卫

中国工程物理研究院 四川绵阳 621900

装配是按照规定的技术要求和相关工艺，将零部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的工艺过程。它是整个制造过程中最后也是最重要的一个环节，对产品质量起着决定性的作用。

计算机辅助设计技术（CAD）曾推动了装配技术的发展，能使工程师看到产品的最后模型。但CAD技术不支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，仍需要实物样品来验证产品的装配过程，大大增加了产品的开发成本，延长了产品开发周期。虚拟装配的出现和发展为产品装配带来了新的思路和方法。

1 虚拟装配的定义

虚拟装配的定义首次出现是在文献［1］中，是指在没有实际产品或者物理过程支持的情况下，运用计算机分析、预测模型，用数据表达，辅以可视化，作出与装配相关的工程决策。虚拟装配实际上实现了两个层次的映射，第一层（底层）产品物理模型被映射为产品数字化模型，第二层（顶层）产品真实的装配过程被映射为虚拟的装配仿真过程。底层映射的作用是免除了产品的实际物理模型，为实现可装配/拆卸性分析、公差分析打下基础；有了顶层的映射，可实现装配规划、装配仿真和装配评价等［2］。

2 虚拟装配的分类

虚拟装配技术按照国内外研究的目的和实现功能的不同，可分为以下四类：

（1）以产品设计为中心的虚拟装配。虚拟装配技术是一项计算机辅助设计技术，它是在产品设计过程中，在虚拟环境下对计算机中的产品数据模型进行装配关系分析，从而更好地进行与装配有关的设计决策［3］。虚拟装配技术结合面向装配设计的理论和方法，以设计原理方案为出发点，在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，从而拟定装配草图。它以全面改善产品的可装配性为目的，通过定量分析和模拟试装，找出零部件结构设计中装配不合理或装配性能不好的特征，进行设计修改，保证所设计的产品经济适用。

（2）以工艺规划为中心的虚拟装配。这种虚拟装配技术主要针对产品装配工艺设计的问题，在产品的信息模型和装配资源模型的基础上，借助计算机仿真技术进行产品的装配工艺设计，获得可行性较好的装配工艺方案［4］。该虚拟装配技术具有较高的仿真度，能保证在虚拟装配中的操作对象和所使用的工装夹具与生产实际情况吻合，这样更能生动直观反映真实的产品装配过程，为装配工艺的规划提供可靠的验证和优化手段。

（3）以制造系统规划为中心的虚拟装配。这种虚拟装配技术是在产品的信息模型、装配工艺和装配资源模型的基础上，运用计算机仿真技术对车间柔性装配制造系统进行设计、分析和仿真［5］。主要包括以下研究内容：建立柔性装配系统模型、分配资源、分析生产规模及生产周期、分析装配生产线的平衡、布置装配车间、诊断与预测自动化装配过程中的操作误差［6］、对装配单元进行装配操作控制及仿真［7］等。这些内容为设计与调整柔性装配系统、协同操作与控制柔性装配系统提供支持。

（4）以虚拟原型为中心的虚拟装配。虚拟原型是指通过计算机仿真系统在一定程度上模拟产品的外形、功能和性能，并与物理样机进行比较，从而检验和评价产品特性。主要研究内容包括建立带变形和残余应力的零件制造过程模型、配合公差与零件变形、有限元分析与仿真等。

3 虚拟装配的研究内容

3.1 虚拟现实环境

虚拟环境是虚拟装配的前提，良好的虚拟环境能使虚拟装配与实际装配过程更接近，更可靠地指导生产实际。虚拟环境按产生沉浸感程度的不同和使用的显示设备，可分为四类［7］：桌面式系统、头盔式系统、CAVE系统和CyberSphere式虚拟装配系统。

Cybersphere系统采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，可以自由行走。但由于球体完全封闭，操作者与外界联系的各种交互设备必须采用无线连接方式，需要单独开发；操作者要背负如电源之类的设备。

针对CyberSphere系统存在的问题，哈尔滨工业大学的学者们设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统［8］，操作者通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互从而生成沉浸感较强的虚拟环境，为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供较高逼真度的仿真平台。

3.2 虚拟装配的关键技术

虚拟装配的关键技术包括零部件建模、装配序列规划及优化、决策支持、可行装配路径规划、装配合理性评价、装配误差分析等内容，是开发虚拟装配应用系统时必须解决的重要共性技术。这里对部分虚拟装配涉及的关键技术进行介绍。

（1）零部件建模。零部件建模技术从虚拟装配技术发展以来一直是研究的重点。现一般采用常规三维CAD软件进行产品的建模。刘振宇等人提出了将虚拟装配中的产品属性和行为信息分为产品层、显示层、特征层和几何拓扑层四个层次，通过产品层次信息模型中的数据和约束映射，实现产品信息层次间的关联［9］。

（2）装配建模技术。对产品装配模型的研究，国外学者提出了图结构模型、树表达的层次结构模型和基于虚链结构的混合模型，这些模型对装配体静态结构进行了描述。图结构模型是用图描述装配体中各种不同实体间的相互关系，其特点是关系表达比较直观，但与产品的实际结构不一致，不能表达零件间的层次关系。层次模型是根据零部件的层次关系以树的形式表达装配并组织产品，能体现设计意图和产品结构，但各零件之间的装配关系的描述不够直观［10］。近年来，许多研究者提出了一些新的层次模型。如刘振宇等提出的面向虚拟装配的产品层次信息模型［11］，姚珺提出的基于架构的动态装配模型［12］等。虚拟链模型是以层次模型为基础，用虚拟链表达各子装配级别零件间的装配关系，但缺点是一致性维护比较困难［13］。

（3）约束定位技术。虚拟装配环境与现实装配环境相比，最主要的就是缺少各种物理约束和感知能力，而只能依靠几何约束对零件进行定位。华盛顿州立大学的S.Jayaram等首先提出约束定位的思想，通过零部件受约束运动以及约束求解，从而实现虚拟装配过程中待装配零件的精确定位［1］。英国Heriot-Watt大学Richard等提出“近似捕捉”和“碰撞捕捉”的方法来解决虚拟环境中零部件的精确定位［14］。英国Salford大学虚拟环境中心的Fernando等研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作［15］。浙江大学刘振宇、谭建荣等在语义识别的基础上，提出了基于语义引导的几何约束识别方法［16］。

（4）工艺规划技术。设计人员根据经验在虚拟环境中对产品的三维模型进行试装，规划零部件装配顺序，记录并分析装配路径，选择工装夹具并确定装配操作方法，从而得到经济适用的装配方案。加拿大Yuan等提出了虚拟环境中交互式装配序列规划的方法［17］。浙江大学的万华根等人在基于虚拟现实的CAD系统中提出用户引导的拆卸方法［18］。

3.3 虚拟装配的应用系统

随着虚拟装配技术的研究发展，针对不同工业领域的应用要求，国内外学者开发了多种虚拟装配应用系统。本文针对几个典型的系统进行详细介绍。

（1） 虚拟装配设计环境 （virtual assembly design environment）。该系统于1995年开始研究，是第一个具有代表性的虚拟装配系统，通过建立一个用于装配规划和评价的虚拟环境来验证产品装配过程中应用虚拟现实技术的可能性［1］。

（2）神奇的车辆虚拟装配单元（Unbelievable Vehicle for Assembling Virtual Units）。 1997年，英国的Heriot-Watt大学开发了虚拟装配规划系统UVAVU。基于当时力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”的精确定位方法［19］。

（3） CHDP（Cable Harness Design and Planning）系统。CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的［20］。它是在UVAVU系统的基础上提出的，主要解决现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。

（4）V-REALISM系统。V-REALISM系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统，可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点；系统能提供优化的装配/拆卸序列；提供三维虚拟环境进行操作和导航；将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起［21］。

（5）虚拟装配支持系统 （virtual assembly support system）。清华大学开发的VASS为装配工程师和设计师提供了对产品可装配性/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。

（6） 个人活动助手 （Personal Active Assistant）。 该系统是2005年意大利Bologna大学开发了基于CAD的装配规划与验证系统。PAA系统利用CAD工具来有效提高对象识别能力，生成优化装配序列和产生装配操作指令［22］。

4 虚拟装配存在的不足

虚拟装配技术从提出到现在的时间还不长，各种理论和方法还不够成熟，将虚拟装配技术应用到实际装配生产中研究还不够深入，有许多方面都存在着不足［23～25］：

（1）虚拟装配技术缺乏相应的标准，目前在CAD领域已有一些标准，但在虚拟装配的世界中还没有数据的实时性方面的标准。

（2）建模能力弱。目前，虚拟装配系统的模型需要CAD系统准备，模型修改能力弱，在产品的并行设计中应用困难。

（3）大多采用桌面式虚拟环境。这种虚拟环境的成本较低，使用方便，但沉浸感差，难以考虑实际装配过程中人体的大范围活动和人体对装配操作的影响。

（4）缺乏与产品设计系统（CAD）、工装夹具设计系统（CAFD）以及车间现场生产管理系统的集成，缺乏与产品开发其它阶段的有机结合。

（5）偏重于装配过程的三维图形仿真，而对装配过程中的各种工艺因素考虑不足，如装配力引起的零部件变形、装配质量测试的方便性、工装夹具的设计、装配人员的安全性和舒适性等，从而难以生成满足实际需要的方案。

5 虚拟装配技术发展的趋势

虚拟装配涉及的各项技术仍在不断的发展，需要研究人员进一步的研究和探索，将来的发展趋势主要体现如下［26～31］：

（1）CAD接口的标准化。虚拟装配系统应能接受CAD系统的模型信息，实现与主流CAD系统的无缝集成。

（2）基于网络的虚拟装配。装配作为产品功能的最终体现的环节，其工艺设计、规划、分析、验证更需要若干成员的协同参与，基于网络的虚拟装配会为产品的开发提供强有力的支持。

（3）开放性的系统框架。虚拟装配系统的开发涉及到多方面的技术，如支撑技术、虚拟现实、用户界面、数据库等，需要构架虚拟装配系统的结构框架，规划辅助技术、功能实现、统一的模型信息结构和系统集成接口等，从而通过信息、系统集成和技术共享，较快地开发出工程应用系统。

（4）装配质量分析。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。

（5）智能化的装配方案设计。对结构复杂的产品而言，可集思广益，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。

6 结束语

虚拟装配作为一种新的装配方式,引起了国内外研究学者的关注。国外学者研究比较深入，形成了较丰富的理论体系，并联系实际领域的特点，研究出了不同虚拟装配系统，且在生产实际中得到验证。在国内，虽然我们的研究起步比较晚，但也涌现出了一批带头研究的学者，并取得了一定的成就，也在多个领域开展了实际应用的探索。随着对虚拟装配的逐步认识及研究的推进，虚拟装配用于机械制造生产实际也只是时间问题，届时将为制造业注入新的活力。

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