1. 引言
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)、微電子、信息和自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬制造技術(shù)是近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的熱點(diǎn)，其發(fā)展是日新月異。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)，前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。
虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，也是虛擬制造技術(shù)研究的重要方向之一。這種技術(shù)可以降低復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)。提高裝配質(zhì)量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、工程機(jī)械、教育等領(lǐng)域。
2. 虛擬裝配技術(shù)介紹
2.1 三維建模與造型
零部件的虛擬三維建模與實(shí)體造型是虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)的基礎(chǔ)，它克服了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中僅能以視圖描述零件特征，而不能建立實(shí)體模型的缺點(diǎn)．使設(shè)計(jì)在虛擬環(huán)境中能夠精確地建立三維實(shí)體模型，完整、準(zhǔn)確地描述零部件特征，進(jìn)而設(shè)計(jì)者能夠以不同的角度，不同的方式對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)與修改，并與其他零部件進(jìn)行虛擬裝配，從而進(jìn)一步對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)與優(yōu)化．
三維實(shí)體建模與造型可以完成以下功能：
●精確、清楚地描述復(fù)雜形體并形象逼真地表示，更好地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；
●在三維模型的基礎(chǔ)上自由地、隨意地生成各種二維視圖和面；
●進(jìn)行空間布局和裝配研究，以及干涉碰撞檢驗(yàn)；
●可以直接與各種快速原型制造技術(shù)進(jìn)行集成，快速精確地制造設(shè)計(jì)原型，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)樣件進(jìn)行性能測試；
●為NC編程提供精確數(shù)據(jù)，用于產(chǎn)品的生產(chǎn)．
2.2 虛擬裝配過程
虛擬裝配過程使在完成零部件三維建模與造型的基礎(chǔ)上，根據(jù)零部件之間裝配關(guān)系和約束條件，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)組裝，并進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，對(duì)不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的．
虛擬裝配過程主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，裝配關(guān)系確定和產(chǎn)品組裝，各類檢驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)修改和裝配效果檢驗(yàn)等．
2.3 虛擬裝配的實(shí)施方案和步驟
1 在商用 CAD 系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的裝配模型，通過 CAD 系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 將 CAD 系統(tǒng)中的零件信息以中性文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)
2 建立裝配信息和規(guī)則庫，如裝配順序規(guī)劃基本準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)件聯(lián)接和裝配的原則、尺寸鏈的查找和裝配評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等，建立基于裝配語義的裝配關(guān)系表達(dá)
3 虛擬環(huán)境中裝配語義識(shí)別：根據(jù)設(shè)計(jì)者的交互操作，當(dāng)裝配零件運(yùn)動(dòng)到己裝配零部件附近時(shí)，通過兩者裝配特征屬性匹配，自動(dòng)識(shí)別出裝配零部件間的裝配關(guān)系。
4 以裝配精度模型為基礎(chǔ)，利用屬性拓?fù)鋱D進(jìn)行裝配公差傳播方向和公差累積的分析計(jì)算，解決產(chǎn)品的可裝配性分析。
5 交互式裝配順序規(guī)劃：對(duì)虛擬環(huán)境中的裝配模型進(jìn)行交互拆卸，基于 “可拆即可裝” 的假定，通過拆卸得到可行序列； 對(duì)于幾種可能的裝配序列，根據(jù)裝配操作的穩(wěn)定性、裝配操作中零部件的定位和定向次數(shù)及裝配序列的并行度等進(jìn)行優(yōu)化及選擇。
6 裝配仿真：以裝配順序?yàn)榛A(chǔ) 對(duì)初始路徑及其關(guān)鍵點(diǎn)位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)交互修改與調(diào)整同時(shí)對(duì)裝夾工具的可達(dá)性、裝配空間的可操作性進(jìn)行仿真，檢查各條裝配路徑上零件在裝配過程中是否存在干涉情況。
7 虛擬環(huán)境接受速度或者位置輸入，并根據(jù)有關(guān)的物理模型計(jì)算出相應(yīng)的力，通過適當(dāng)?shù)鸟詈掀ヅ洌闪υ佻F(xiàn)裝置反饋給操作者。
2.3虛擬裝配過程中仿真的實(shí)現(xiàn)
裝配過程仿真可視化的實(shí)質(zhì)是抽象數(shù)據(jù)具體化的過程。該仿真系統(tǒng)將數(shù)據(jù)與模型自動(dòng)連接，根據(jù)“更新一時(shí)間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重繪場景，通過V語言和V函數(shù)實(shí)現(xiàn)物體位姿、運(yùn)動(dòng)及變換，用三維真實(shí)感的動(dòng)畫形式表現(xiàn)虛擬裝備裝配過程的動(dòng)態(tài)情況。
供了相應(yīng)的操作來訪問“更新一時(shí)間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中最主要的操作是Assembling(裝備裝配)，參數(shù)包括裝配起始時(shí)間、裝配順序(按正向還是逆向遍歷“更新一時(shí)間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。
3. 虛擬裝配的研究概況
1995年．美國華盛頓州立大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院聯(lián)合，最早開始了對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究。并開發(fā)了虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境VADE(Virtual
Assembly Design Environment)。VADE在裝配領(lǐng)域的成功應(yīng)用，引發(fā)了各個(gè)國家的高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)虛擬裝配的研究。20世紀(jì)90年代末，國內(nèi)也開始對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行研究，已經(jīng)取得許多研究成果。虛擬裝配技術(shù)的研究大致可分為三個(gè)階段：虛擬裝配理論的提出和完善階段，虛擬裝配原型系統(tǒng)的研發(fā)階段，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用研究階段。目前，國外已經(jīng)開始了第三階段的研究應(yīng)用，國內(nèi)也開始由第二階段向第三階段過渡。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和目的不同．可以將虛擬裝配分為四種類型。
1)以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配。
2)以裝配工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配。
3)以制造系統(tǒng)規(guī)劃為中心的虛擬裝配。
4)以虛擬原型為中心的虛擬裝配。
4. 虛擬手仿真技術(shù)
要實(shí)現(xiàn)虛擬裝配中的自然交互，虛擬手是不可或缺的一部分，虛擬手的基本操作是進(jìn)行虛擬裝配的前提條件。在虛擬環(huán)境中，被抓取的零件在捕捉到約束后，零部件只能沿約束作用的方向運(yùn)動(dòng)。這樣，可以確保在裝配的過程中能達(dá)到精確定位的目的。而且不會(huì)偏離已經(jīng)起作用的約束。
4.1 面向?qū)ο蟮奶摂M手建模
基于對(duì)人手的解剖分析，虛擬手模型可以簡化為由—個(gè)手掌、—個(gè)拇指以及其它四個(gè)相鄰的手指組成。我們采用面向?qū)ο蟮姆椒▉斫⑻摂M手模型，虛擬手各個(gè)部分的屬性(如幾何模型、紋理等)與對(duì)應(yīng)的操作(查詢、讀取、更改等)被封裝形成了—個(gè)對(duì)象，各個(gè)對(duì)象體之間的運(yùn)動(dòng)繼承關(guān)系通過結(jié)構(gòu)樹來實(shí)現(xiàn)。
4.2虛擬手抓取零件/部件過程
虛擬裝配的交互操作支持對(duì)零件和子裝配體的裝配操作。
(1)首先檢測虛擬手碰撞模型與VE中零件碰撞模型的接觸，若未檢測到有接觸，則抓取失敗；否則獲得一組零件碰撞模型ID。
(2)結(jié)合零件模型庫，獲得該組碰撞模型對(duì)應(yīng)的精確模型ID。對(duì)于其中每一精確零件模型，根據(jù)裝配體對(duì)象的IsAsIllFinish標(biāo)志，逐層向上層查找，直至找到已裝配好的一個(gè)最高層子裝配。比較這些最高層子裝配，若為同一子裝配，則它即為拾取到的對(duì)象(記為picked_Ass)，否則抓取失敗。
零件隨虛擬手靠近裝配目標(biāo)，逐步調(diào)整零件的位姿，系統(tǒng)自動(dòng)捕捉達(dá)到闞值內(nèi)的約束，零件進(jìn)入約束導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。操作者繼續(xù)操作零件向未滿足的約束靠近，當(dāng)所有的約束均滿足后，零件便實(shí)現(xiàn)了精確的定位，一次裝配操作完成。操作者可以進(jìn)入下—個(gè)零件的裝配操作。
5. 虛擬裝配干涉檢驗(yàn)
為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，采用兩級(jí)碰撞檢測檢測機(jī)制：一般的碰撞檢測和詳細(xì)的干涉檢測。碰撞檢測，采用節(jié)點(diǎn)的矩形包圍盒進(jìn)行實(shí)施，包圍盒計(jì)算以緊密包圍模型為準(zhǔn)，僅僅檢測物體是否與節(jié)點(diǎn)的包圍盒發(fā)生了碰撞，即返回碰撞節(jié)點(diǎn)，而不進(jìn)行深層次的判斷；干涉檢測，則逐步遍歷兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有面片，精確檢測出面片碰撞的位置，同時(shí)結(jié)合兩個(gè)物體的裝配關(guān)系，返回詳細(xì)的裝配判斷信息。在虛擬裝配環(huán)境中，由于用戶與場景的交互和物體的運(yùn)動(dòng)，物體間經(jīng)常可能發(fā)生碰撞，此時(shí)為了保持環(huán)境的真實(shí)感，需要及時(shí)檢查這些碰撞，并計(jì)算相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，更新顯示結(jié)果，否則物體間會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象。
在虛擬裝配環(huán)境中通常包含大量的物體，加上物體的形狀復(fù)雜，檢測這些物體之間的干涉情況是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作。虛擬環(huán)境中干涉檢驗(yàn)的目標(biāo)是如何在很高的適時(shí)交互要求下完成對(duì)大量復(fù)雜物體的干涉檢驗(yàn)。其具體工作包括兩部分：一是檢查到有干涉；一是計(jì)算出干涉檢驗(yàn)發(fā)生的位置。
6. 虛擬裝配的發(fā)展趨勢
虛擬裝配在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成熟程度主要取決于它對(duì)實(shí)際裝配模擬的逼真程度。為了更加真實(shí)模擬實(shí)際裝配過程，必須考慮裝配過程的不確定因素，因此需在虛擬產(chǎn)品建模和虛擬裝配仿真方面開展深入的研究。目前國內(nèi)外研究的虛擬裝配系統(tǒng)大都通過接口從商用CAD系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品的數(shù)字化模型以及設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意見，這一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程比較繁瑣，同時(shí)虛擬裝配仿真結(jié)果、改進(jìn)堤計(jì)意見和建議不能很好地反饋到CAD系統(tǒng)中。為了更加真實(shí)模擬產(chǎn)品的裝配過程，虛擬裝配系統(tǒng)還需反映針對(duì)物理屬性所進(jìn)行的有限元分析的結(jié)果，在虛擬裝配環(huán)境中，讓用戶能夠更直觀的查看有限元分析結(jié)果。要充分發(fā)揮虛擬裝配系統(tǒng)的功能并促進(jìn)其發(fā)展．要求虛擬裝配系統(tǒng)與目前已有的設(shè)計(jì)與分析工具能夠?qū)崿F(xiàn)集成。考慮目前許多CAD系統(tǒng)已集成力學(xué)分析功能，今后在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中集成裝配性分析和力學(xué)分析功能將是一個(gè)比較可行的解決途徑。
7. 結(jié)論
當(dāng)前大多數(shù)虛擬裝配系統(tǒng)只能仿真實(shí)際生產(chǎn)中的手工裝配過程 而對(duì)于生產(chǎn)線裝配過程則顯得有些無能為力 生產(chǎn)線裝配過程與手工裝配過程之間往往存在著很大差異 手工裝配過程仿真的相關(guān)結(jié)果通常不能用于分析生產(chǎn)線裝配過程 因此 由手工裝配過程仿真過渡到生產(chǎn)線裝配過程仿真也是虛擬裝配的發(fā)展方向之一
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