基于虚拟环境装配设计的研究与分析

1、    基于虚拟环境装配设计的研究与分析    郭宏伟 薛乃凤摘要 本文首先分析了目前使用的vade系统，并且分析了当前应用的多模式虚拟环境，并且对虚拟技术在机械设计领域中的应用、配置以及特点进行论述，最后，本文对虚拟系统在装配设计中应用的优点以及与自动装配技术的对于和今后发展进行了总结。关键词 虚拟装配；机械设计；自动装配th122 a 1674-6708（2012）67-0199-02在进行工业产品或机械设计时，在装配工业产品前对产品的安装方法和操作过程进行仿真模拟，可以有效的提高实际的装配工作的效率。设计人员需要在机械设计时，需要考虑产品是否方便维

2、护、以及产品各个部件的配合性以及产品的装配性。而这些方面的问题通常根据具体情况和条件的不同，在产品设计和生产的前期阶段不容易发现， 而等到产品设计的后期阶段或者进行生产或者使用时，往往才会逐渐的暴露出来，这样不但影响了生产效率，还提高了生产周期和废品率，导致了生产成本增加。如果在生产设计时使用虚拟技术，可以在产品的设计的同时对装配工作进行虚拟仿真，因此在产品生产的前期就可以发现产品设计时的缺陷，并且对实际安装时的方法和具体情况进行了解，对安装时可能碰到的问题提前做出准备。虚拟装配设计系统是cad/cam技术在实际生产中进行中的重要应用，同时也是虚拟仿真领域中的重要发展项目。1 虚拟装配设计系统

3、的应用特点和分类目前市面上使用的虚拟装配系统主要分为两类：第一类虚拟装配设计系统是由jayarams的团队研究开发，另一类这种虚拟装配系统是由guptar的团队以多模式虚拟环境技术为基础开发的。虚拟装配设计系统在工作时，需要根据cad系统的相关软件对产品进行分析，并且进行产品建模；接着，虚拟装配设计系统通过使用预处理子系统对模型进行处理，例如模型的漫反射、材质纹理等，以及模型相关部件的几何数据、物理信息和装配信息等；最后虚拟装配设计系统会计算出产品种所有零件和部件的安装位置、安装方向，以及各个零件的公差、零件集以及各个组件的装配约束等。因此，设计人员在进行设计时就可以对虚拟仿真的情况进行参考。

4、当使用沉浸式的装配工作后，设计人员可以进行产品的装配设计。在模拟装配时，设计人员可以根据需求和具体条件对装配轨迹进行选择、修改和生成等操作，或者重新进行装配模拟。设计人员还可以使用系统提供的碰撞检测警告功能对产品进行公差以及干涉方面的操作，虚拟装配设计系统生产的装配轨迹信息、干涉信息以及产品安装步骤信息等会被cad系统直接读取和应用。在使用以多模式虚拟环境技术为基础的装配设计分析方法时，主要特点为：该方法与传统的装配方法不同，而是分析和评价产品的装配方法，并根据分析和评价的结果选择适合的方法。首先在虚拟装配设计系统中进行统一的产品建模，使环境中“真实”物体与该产品模型进行动态交互。在虚拟环境中

5、可以使用所建立的产品模型进行面向产品装配设计的听觉事件扩大。在虚拟装配设计系统中，设计者不但可以预览产品，还可以让设计者听到设备中零件产生的声音，系统提供的触觉交互系统以及力学反馈系统，设计者还可以感觉到物体的操作。该系统该可以提供动力学仿真模拟，可以模拟出物体的重量等力学特征，系统还可以对实际中的几何元素以及公差进行模拟，以及对设备或零件的物理特性进行模仿仿真，在下文中会对虚拟装配设计系统的配置和特点进行分析。2 虚拟装配设计系统系统配置和特点vade样机系统包括以下功能模块：“reality engine tm”图形加速设备、多通道控制设备以及“cirmson tm”工作站，并且所支持的头

6、盔显示器的数量为两个。而且虚拟装配设计系统在配置了触觉反馈功能模块“tactools tm”以及“cyberglove tm”数据手套。主要包括以下的具体工作特征：1）可以将cad系统处理的数据转换成vr系统中支持的数据；2）可以在系统中模拟出零件的初始位置信息以及现实工作环境；3）设计人员可以在虚拟环境中与零件进行信息交互与模拟控制； 4）设计人员可以在系统中对产品的装配轨迹进行编辑操作； 5）设计人员可以通过vade系统对产品的装配工作进行模拟，并且记录工作时所占用的空间以及工作轨迹，并且将这些信息数据输入系统中进行分析； 6）产品的动力学特性模拟； 7）可以根据需要在虚拟环境随时更改产品

7、的设计参数；8）可以实现产品的虚拟信息与cad数据信息的对接。3 自动装配设计的特点和缺陷以及虚拟装配设计的意义3.1自动装配设计的特点和缺陷自动装配设计采用的传统方法是通过学习拆卸的技术方法实现的，就是指通过记录产品设备的拆卸过程中的轨迹和顺序，制定出产品设备的安装轨迹和顺序。使用这种方法虽然可以确定出产品的装配轨迹以及安装流程和顺序，但是却有以下的缺点：1）产品的最佳拆卸方案并一定是该产品的最佳装配方案；2）如果产品的部件比较多，或者结构比较复杂时，产品的装配轨迹、几何信息等也会随之增加，可能会造成规划困难。3.2虚拟装配技术与自动装配技术的区别1）自动装配技术采用对产品拆卸的工作流程和轨

8、迹进行记录，并且生成逆序列的方法。而虚拟装配设计系统所使用的方法是虚拟出相应的环境和产品，使设计人员通过仿真模拟决定最佳的装配方案；2）在虚拟装配设计系统中，设计人员将相关信息输入系统，并且导入到cad系统中进行建模。而自动装配系统不具备上述功能； 3）虚拟装配设计系统具有学习功能、分析功能和评价功能；自动装配系统不具备上述功能；4）虚拟装配设计系统通常应用在有工作人员参加生产的情况下，而且产品的零件不宜太多；自动装配系统通常由设备自主完成组装，可以适用于零件较多的情况。 3.3虚拟装配设计系统的研究意义1）通过对实际情况进行虚拟仿真，技术人员就可以对装配过程中的情况进行分析，在虚拟环境技术人

9、员可以模拟出所有零件的运动轨迹，从而提高工作效率；2）通过对产品建模，可以方便设计人员对产品的特性和约束进行分析，得到最理想的方案；3）设计人员可以使用虚拟装配设计系统对机械设备进行分析，使产品的结构更加合理，有利于对设备进行维护，提高设备的性能； 4）使用虚拟技术可以有效提高设备的设计阶段和生产阶段的效率和工作质量。4 结论1）在机械设计领域使用虚拟装配设计系统对于提高生产设计的科学性和工作效率意义重大；2）本文对虚拟装配设计系统进行了详细的论述，并且介绍了虚拟装配设计系统的工作方式以及应用特点； 3）本文对虚拟装配设计系统和自动装配技术进行了比较，说明了各自适合应用的条件，并且分析了虚拟装配设计系统在实际生产中所起到的重要作用。参考文献