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【摘 要】虛擬裝配技術(shù)是一種全新的設(shè)計概念。它可有效支持自頂向下的并行產(chǎn)品設(shè)計以及與Master Model相關(guān)的可制造性設(shè)計和可裝配性設(shè)計，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本文在分析了虛擬裝配技術(shù)基本思想后，提出了在某型焊接小車設(shè)計中實(shí)施虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)境以及具體的實(shí)施方法和途徑。
【關(guān)鍵詞】 虛擬裝配 主模型 并行設(shè)計
1 引言
近年來，世界機(jī)械制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，為了適應(yīng)變化迅速的市場需求，產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量、成本、服務(wù)成為每一個現(xiàn)代企業(yè)必須面對的問題。近20年來的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品研制以及實(shí)施途徑的改造，是現(xiàn)代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時，先進(jìn)的產(chǎn)品研制方法、手段以及實(shí)施途徑，實(shí)際上是產(chǎn)品研制質(zhì)量、成本、設(shè)計周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數(shù)字化代表產(chǎn)品--波音777的展示中，不像以往那樣重點(diǎn)宣傳新型飛機(jī)本身性能如何優(yōu)越，而是強(qiáng)調(diào)他們?nèi)绾纬浞掷脭?shù)字化研制技術(shù)以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊等方面。波音777飛機(jī)項(xiàng)目順利完成的關(guān)鍵是依賴三維數(shù)字化設(shè)計與集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊IPT（Integrated Product Development Team）（238個Team）的有效實(shí)施，保證了飛機(jī)設(shè)計、裝配、測試以及試飛均在計算機(jī)上完成。研制周期從過去的8年時間縮減到5年，其中虛擬裝配的工程設(shè)計思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用。“虛擬裝配”（Virtual Assembly）是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用研究。通常有2種定義：
(1)虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計合理性的一種手段。該定義強(qiáng)調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進(jìn)行定位、分析過程。
(2)虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。
本文結(jié)合焊接小車研制的特點(diǎn)，給出如下的定義：虛擬裝配是在計算機(jī)上完成產(chǎn)品零部件的實(shí)體造型，并且進(jìn)行計算機(jī)裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維設(shè)計過程與零部件裝配過程的高度統(tǒng)一。虛擬裝配技術(shù)在機(jī)械設(shè)計的應(yīng)用研究中，是一種全新的設(shè)計概念，它為產(chǎn)品的研制提供了一種新的設(shè)計方法與實(shí)施途徑，它的成功依賴于對產(chǎn)品總體設(shè)計進(jìn)程的控制。同時，產(chǎn)品的零部件模型數(shù)據(jù)的合理流動與彼此共享是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的基礎(chǔ)。虛擬裝配包括設(shè)計過程、過程控制和裝配仿真三部分。
2 虛擬裝配基本設(shè)計思想及內(nèi)涵
2.1 以設(shè)計為中心的虛擬裝配
以設(shè)計為中心的虛擬裝配（Design-Centered Virtual Assembly）是指在產(chǎn)品三維數(shù)字化定義應(yīng)用于產(chǎn)品研制過程中，結(jié)合產(chǎn)品研制的具體情況，突出以設(shè)計為核心的應(yīng)用思想，這表現(xiàn)在以下三個層次，如圖1所示。
圖1 虛擬裝配層次圖
2.1.1 面向裝配的設(shè)計（DFA）
即在設(shè)計初期把產(chǎn)品設(shè)計過程與制造裝配過程有機(jī)結(jié)合，從設(shè)計的角度來保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計思想，使設(shè)計的產(chǎn)品具有良好的結(jié)構(gòu)，能高效地進(jìn)行物理裝配，能在產(chǎn)品研制初期使設(shè)計部門與制造部門之間更有效地協(xié)同工作。
2.1.2 自頂向下（Top-down）的并行產(chǎn)品設(shè)計（CPD）
并行產(chǎn)品設(shè)計是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程集成、并行地進(jìn)行設(shè)計，強(qiáng)調(diào)開發(fā)人員從一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計直至消亡的整個生命周期里的所有相關(guān)因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯誤和矛盾盡可能及早發(fā)現(xiàn)，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
2.1.3 與Master Model相關(guān)的可制造性設(shè)計和可裝配性設(shè)計
產(chǎn)品研制是多部門的協(xié)同工作過程，各部門間的合作往往受到各個企業(yè)的生產(chǎn)條件等方面的限制，結(jié)合各個企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計模型的可制造性、可裝配性，減少零部件模型的數(shù)量和特殊類型，減少材料種類，使用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的零部件，是非常必要的。以不同階段的Master Model為核心，可以保證產(chǎn)品研制的不同階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整一致，保證產(chǎn)品研制的各個部門協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的高度集成，有效提高產(chǎn)品的可制造性和可裝配性。
2.2 以過程控制為中心的虛擬裝配
以過程控制為中心的虛擬裝配（Process-Centered Virtual Assembly）主要包含以下兩方面內(nèi)容。
2.2.1 實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進(jìn)程的控制
在產(chǎn)品數(shù)字化定義過程中，結(jié)合產(chǎn)品研制特點(diǎn)，人為地將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計過程，該過程可以劃分為三個階段：總體設(shè)計階段、裝配設(shè)計階段和詳細(xì)設(shè)計階段。通過對三個設(shè)計階段的控制，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進(jìn)程的控制，以及虛擬裝配設(shè)計流程。
（1）總體設(shè)計階段?？傮w設(shè)計階段是產(chǎn)品研制的初期階段，在此階段進(jìn)行產(chǎn)品初步的總體布局，主要包括：建立主模型（Master Model）空間；進(jìn)行產(chǎn)品初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。
（2）裝配設(shè)計階段。裝配設(shè)計階段為產(chǎn)品研制的主要階段，在此階段產(chǎn)品三維實(shí)體模型設(shè)計已經(jīng)基本完成，主要包括：產(chǎn)品模型空間分配（裝配區(qū)域、裝配層次的劃分）；具體模型定義（建立幾何約束關(guān)系、三維實(shí)體模型等）以及應(yīng)力控制。
（3）詳細(xì)設(shè)計階段。詳細(xì)設(shè)計階段為產(chǎn)品研制的完善階段，在此階段完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)計，主要包括 ：完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)計，進(jìn)行產(chǎn)品模型的計算機(jī)裝配，進(jìn)行全機(jī)干涉檢查。
2.2.2 過程控制管理
過程模型包含了產(chǎn)品開發(fā)的過程描述、過程內(nèi)部相互關(guān)系和過程間的協(xié)作等方面內(nèi)容。通過對過程模型的有效管理，實(shí)現(xiàn)對工程研制過程中各種產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的管理，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)過程的目的。
2.3 仿真為中心的虛擬裝配
以仿真為中心的虛擬裝配（Simulate-Centered Virtual Assembly）是在產(chǎn)品裝配設(shè)計模型中，融入仿真技術(shù)，并以此來評估和優(yōu)化裝配過程。其主要目標(biāo)是評價產(chǎn)品的可裝配性。
2.3.1 優(yōu)化裝配過程
目的是使產(chǎn)品能適應(yīng)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，合理劃分成裝配單元，使裝配單元能并行地進(jìn)行裝配。
2.3.2 可裝配性評價
主要是評價產(chǎn)品裝配的相對難易程度，計算裝配費(fèi)用，并以此決定產(chǎn)品設(shè)計是否需要修改。
3 應(yīng)用研究
3.1 基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境
虛擬裝配技術(shù)在焊接小車設(shè)計中的應(yīng)用，需要以一定的基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境作為平臺，主要包括以下幾個方面：協(xié)同工作環(huán)境、統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)以及機(jī)械通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。
（1）協(xié)同工作環(huán)境。有一個協(xié)同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)支持異地設(shè)計、異地裝配、異地測試的工作環(huán)境，特別是基于網(wǎng)絡(luò)的三維圖形的異地快速傳遞、過程控制、人機(jī)交互的基礎(chǔ)環(huán)境是非常必要的。
（2）統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)。焊接小車的設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各項(xiàng)工程數(shù)據(jù)在IPT內(nèi)部以及IPT之間進(jìn)行合理流動，因此有效的管理是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)平臺的協(xié)同設(shè)計，又能對各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和傳遞，保證在正確的時間把正確的信息以正確的方式傳遞給正確使用的人。因此，采用統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。
（3）機(jī)械通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬裝配技術(shù)如果要實(shí)現(xiàn)行業(yè)CAD/CAE/CAPP/CAM技術(shù)的有效集成和廠所之間的數(shù)據(jù)交換，必須采用機(jī)械通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 焊接小車部件級產(chǎn)品實(shí)施方法及途徑
3.2.1 軟硬件環(huán)境
硬件：COMPAQ服務(wù)器一臺；P4，2.7G，1M內(nèi)存的微機(jī)8臺。
軟件：Pro/ENGINEER 2001及其支持環(huán)境。
3.2.2 焊接小車的傳動裝置虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究
我們選擇傳動裝置的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究作為工程實(shí)例，對虛擬裝配技術(shù)的工程應(yīng)用思想、方法、具體實(shí)施途徑作進(jìn)一步研究，為下一階段整個小車的應(yīng)用提供一種基本的理論支持。
（1）總體設(shè)計階段。IPT根據(jù)小車總體設(shè)計要求以及基本的總體設(shè)計參數(shù)，建立蝸輪蝸桿和齒輪的主模型空間，并進(jìn)行初步的總體布局?？傮w設(shè)計階段的模型如圖2所示。在此階段，主要包括以下基本步驟：根據(jù)已有工程圖樣建立粗糙模型；布置部分初始模型（蝸輪、蝸桿、齒輪等）；對系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行初步布置、建立初始模型。
圖2 總體設(shè)計階段模型
本階段結(jié)束時，必須凍結(jié)已經(jīng)建立的產(chǎn)品主模型空間，作為模型設(shè)計共享的基礎(chǔ)。
（2）裝配設(shè)計階段。這是小車模型具體建立階段。本階段主要包括以下基本步驟：建立各部件的實(shí)體模型；定義具體結(jié)構(gòu)裝配的分解線路（建立裝配層次、裝配區(qū)域）；建立模型間的具體裝配約束（Constraints）關(guān)系；從共享數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型； 進(jìn)行計算機(jī)裝配（Computer Mock-Up，簡稱CMU），以及進(jìn)行干涉檢查。
（3）詳細(xì)設(shè)計階段。本階段完成焊接小車所有零件的設(shè)計工作，保證小車內(nèi)所有零件干涉自由，設(shè)計模型如圖3所示。
圖3 詳細(xì)設(shè)計階段模型
4 結(jié)束語
虛擬裝配的應(yīng)用研究在國內(nèi)研究所才剛剛起步，無論是在船舶、飛機(jī)、機(jī)械等領(lǐng)域的產(chǎn)品研制與開發(fā)中，還是在其他的輕工藝產(chǎn)品的開發(fā)中，人們已經(jīng)逐漸地認(rèn)識到虛擬裝配所能發(fā)揮的巨大作用和發(fā)展?jié)摿?。在焊接小車的設(shè)計過程中采用的裝配思想改變了產(chǎn)品研制人員的研制習(xí)慣和觀念，采用合理的虛擬裝配應(yīng)用方法、建立一定的組織機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的核心，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在研制中的合理管理和流動是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的基礎(chǔ)。
