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【摘 要】虛擬裝配技術(shù)是一種全新的設計概念。它可有效支持自頂向下的并行產(chǎn)品設計以及與Master Model相關(guān)的可制造性設計和可裝配性設計，以縮短產(chǎn)品開(kāi)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(chē)設計中實(shí)施虛擬裝配技術(shù)應用的基礎環(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 并行設計
1 引言
近年來(lái)，世界機械制造業(yè)市場(chǎng)的競爭日趨激烈，為了適應變化迅速的市場(chǎng)需求，產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量、成本、服務(wù)成為每一個(gè)現代企業(yè)必須面對的問(wèn)題。近20年來(lái)的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應用于新產(chǎn)品研制以及實(shí)施途徑的改造，是現代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時(shí)，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、設計周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數字化代表產(chǎn)品--波音777的展示中，不像以往那樣重點(diǎn)宣傳新型飛機本身性能如何優(yōu)越，而是強調他們如何充分利用數字化研制技術(shù)以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊等方面。波音777飛機項目順利完成的關(guān)鍵是依賴(lài)三維數字化設計與集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團隊I(yíng)PT（Integrated Product Development Team）（238個(gè)Team）的有效實(shí)施，保證了飛機設計、裝配、測試以及試飛均在計算機上完成。研制周期從過(guò)去的8年時(shí)間縮減到5年，其中虛擬裝配的工程設計思想在研制過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用。“虛擬裝配”（Virtual Assembly）是產(chǎn)品數字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應用研究。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(guò)程，是有效分析產(chǎn)品設計合理性的一種手段。該定義強調虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進(jìn)行定位、分析過(guò)程。
(2)虛擬裝配是根據產(chǎn)品設計的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過(guò)程，并允許用戶(hù)以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過(guò)程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。
本文結合焊接小車(chē)研制的特點(diǎn)，給出如下的定義：虛擬裝配是在計算機上完成產(chǎn)品零部件的實(shí)體造型，并且進(jìn)行計算機裝配、干涉分析等多次協(xié)調的設計過(guò)程，實(shí)現產(chǎn)品的三維設計過(guò)程與零部件裝配過(guò)程的高度統一。虛擬裝配技術(shù)在機械設計的應用研究中，是一種全新的設計概念，它為產(chǎn)品的研制提供了一種新的設計方法與實(shí)施途徑，它的成功依賴(lài)于對產(chǎn)品總體設計進(jìn)程的控制。同時(shí)，產(chǎn)品的零部件模型數據的合理流動(dòng)與彼此共享是實(shí)現虛擬裝配技術(shù)的基礎。虛擬裝配包括設計過(guò)程、過(guò)程控制和裝配仿真三部分。
2 虛擬裝配基本設計思想及內涵
2.1 以設計為中心的虛擬裝配
以設計為中心的虛擬裝配（Design-Centered Virtual Assembly）是指在產(chǎn)品三維數字化定義應用于產(chǎn)品研制過(guò)程中，結合產(chǎn)品研制的具體情況，突出以設計為核心的應用思想，這表現在以下三個(gè)層次，如圖1所示。
圖1 虛擬裝配層次圖
2.1.1 面向裝配的設計（DFA）
即在設計初期把產(chǎn)品設計過(guò)程與制造裝配過(guò)程有機結合，從設計的角度來(lái)保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過(guò)程的設計思想，使設計的產(chǎn)品具有良好的結構，能高效地進(jìn)行物理裝配，能在產(chǎn)品研制初期使設計部門(mén)與制造部門(mén)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)品設計（CPD）
并行產(chǎn)品設計是對產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程集成、并行地進(jìn)行設計，強調開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)始就考慮產(chǎn)品從概念設計直至消亡的整個(gè)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，以縮短產(chǎn)品開(kāi)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)的可制造性設計和可裝配性設計
產(chǎn)品研制是多部門(mén)的協(xié)同工作過(guò)程，各部門(mén)間的合作往往受到各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)條件等方面的限制，結合各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性，改進(jìn)產(chǎn)品設計模型的可制造性、可裝配性，減少零部件模型的數量和特殊類(lèi)型，減少材料種類(lèi)，使用標準化、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據結構完整一致，保證產(chǎn)品研制的各個(gè)部門(mén)協(xié)同工作，實(shí)現CAD/CAM/CAE系統的高度集成，有效提高產(chǎn)品的可制造性和可裝配性。
2.2 以過(guò)程控制為中心的虛擬裝配
以過(guò)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容。
2.2.1 實(shí)現對產(chǎn)品總體設計進(jìn)程的控制
在產(chǎn)品數字化定義過(guò)程中，結合產(chǎn)品研制特點(diǎn)，人為地將虛擬裝配技術(shù)應用于產(chǎn)品設計過(guò)程，該過(guò)程可以劃分為三個(gè)階段：總體設計階段、裝配設計階段和詳細設計階段。通過(guò)對三個(gè)設計階段的控制，實(shí)現對產(chǎn)品總體設計進(jìn)程的控制，以及虛擬裝配設計流程。
（1）總體設計階段。總體設計階段是產(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)品初步的結構、系統總體布局。
（2）裝配設計階段。裝配設計階段為產(chǎn)品研制的主要階段，在此階段產(chǎn)品三維實(shí)體模型設計已經(jīng)基本完成，主要包括：產(chǎn)品模型空間分配（裝配區域、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）以及應力控制。
（3）詳細設計階段。詳細設計階段為產(chǎn)品研制的完善階段，在此階段完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設計，主要包括 ：完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設計，進(jìn)行產(chǎn)品模型的計算機裝配，進(jìn)行全機干涉檢查。
2.2.2 過(guò)程控制管理
過(guò)程模型包含了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程描述、過(guò)程內部相互關(guān)系和過(guò)程間的協(xié)作等方面內容。通過(guò)對過(guò)程模型的有效管理，實(shí)現對工程研制過(guò)程中各種產(chǎn)品設計結果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的管理，從而實(shí)現優(yōu)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)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)品裝配設計模型中，融入仿真技術(shù)，并以此來(lái)評估和優(yōu)化裝配過(guò)程。其主要目標是評價(jià)產(chǎn)品的可裝配性。
2.3.1 優(yōu)化裝配過(guò)程
目的是使產(chǎn)品能適應當地具體情況，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(jià)
主要是評價(jià)產(chǎn)品裝配的相對難易程度，計算裝配費用，并以此決定產(chǎn)品設計是否需要修改。
3 應用研究
3.1 基礎應用環(huán)境
虛擬裝配技術(shù)在焊接小車(chē)設計中的應用，需要以一定的基礎應用環(huán)境作為平臺，主要包括以下幾個(gè)方面：協(xié)同工作環(huán)境、統一的信息編碼系統以及機械通用基礎標準。
（1）協(xié)同工作環(huán)境。有一個(gè)協(xié)同工作的基礎環(huán)境，實(shí)現支持異地設計、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(guò)程控制、人機交互的基礎環(huán)境是非常必要的。
（2）統一的信息編碼系統。焊接小車(chē)的設計是一項復雜的系統工程，各項工程數據在IPT內部以及IPT之間進(jìn)行合理流動(dòng)，因此有效的管理是實(shí)現虛擬裝配技術(shù)的重要環(huán)節，必須能夠實(shí)現平臺的協(xié)同設計，又能對各種產(chǎn)品數據進(jìn)行管理和傳遞，保證在正確的時(shí)間把正確的信息以正確的方式傳遞給正確使用的人。因此，采用統一的信息編碼系統是一項重要的應用基礎環(huán)節。
（3）機械通用基礎標準。虛擬裝配技術(shù)如果要實(shí)現行業(yè)CAD/CAE/CAPP/CAM技術(shù)的有效集成和廠(chǎng)所之間的數據交換，必須采用機械通用基礎標準。
3.2 焊接小車(chē)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內存的微機8臺。
軟件：Pro/ENGINEER 2001及其支持環(huán)境。
3.2.2 焊接小車(chē)的傳動(dòng)裝置虛擬裝配技術(shù)應用研究
我們選擇傳動(dòng)裝置的虛擬裝配技術(shù)應用研究作為工程實(shí)例，對虛擬裝配技術(shù)的工程應用思想、方法、具體實(shí)施途徑作進(jìn)一步研究，為下一階段整個(gè)小車(chē)的應用提供一種基本的理論支持。
（1）總體設計階段。IPT根據小車(chē)總體設計要求以及基本的總體設計參數，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。總體設計階段的模型如圖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）；對系統構件進(jìn)行初步布置、建立初始模型。
圖2 總體設計階段模型
本階段結束時(shí)，必須凍結已經(jīng)建立的產(chǎn)品主模型空間，作為模型設計共享的基礎。
（2）裝配設計階段。這是小車(chē)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；定義具體結構裝配的分解線(xiàn)路（建立裝配層次、裝配區域）；建立模型間的具體裝配約束（Constraints）關(guān)系；從共享數據庫中提取相應的結構模型； 進(jìn)行計算機裝配（Computer Mock-Up，簡(jiǎn)稱(chēng)CMU），以及進(jìn)行干涉檢查。
（3）詳細設計階段。本階段完成焊接小車(chē)所有零件的設計工作，保證小車(chē)內所有零件干涉自由，設計模型如圖3所示。
圖3 詳細設計階段模型
4 結束語(yǔ)
虛擬裝配的應用研究在國內研究所才剛剛起步，無(wú)論是在船舶、飛機、機械等領(lǐng)域的產(chǎn)品研制與開(kāi)發(fā)中，還是在其他的輕工藝產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，人們已經(jīng)逐漸地認識到虛擬裝配所能發(fā)揮的巨大作用和發(fā)展潛力。在焊接小車(chē)的設計過(guò)程中采用的裝配思想改變了產(chǎn)品研制人員的研制習慣和觀(guān)念，采用合理的虛擬裝配應用方法、建立一定的組織機構是實(shí)現虛擬裝配的核心，產(chǎn)品數據在研制中的合理管理和流動(dòng)是實(shí)現虛擬裝配的基礎。
