1 引言

　　近年來，世界機械制造業市場的競爭日趨激烈，為了適應變化迅速的市場需求，產品研制周期、質量、成本、服務成為每一個現代企業必須面對的問題。近20年來的實踐證明，將信息技術應用于新產品研制以及實施途徑的改造，是現代化企業生存、發展的必由之路。同時，先進的產品研制方法、手段以及實施途徑，實際上是產品研制質量、成本、設計周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數字化代表產品--波音777的展示中，不像以往那樣重點宣傳新型飛機本身性能如何優越，而是強調他們如何充分利用數字化研制技術以及產品研發人員的重新編隊等方面。波音777飛機項目順利完成的關鍵是依賴三維數字化設計與集成產品開發團隊IPT(Integrated Product Development Team)(238個Team)的有效實施，保證了飛機設計、裝配、測試以及試飛均在計算機上完成。研制周期從過去的8年時間縮減到5年，其中虛擬裝配的工程設計思想在研制過程中發揮了巨大的作用。“虛擬裝配”(Virtual Assembly)是產品數字化定義中的一個重要環節，在虛擬技術領域和仿真領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系進行重新定位的過程，是有效分析產品設計合理性的一種手段。該定義強調虛擬裝配技術是一種模型重新進行定位、分析過程。

　　(2)虛擬裝配是根據產品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性。

　　本文結合焊接小車研制的特點，給出如下的定義：虛擬裝配是在計算機上完成產品零部件的實體造型，并且進行計算機裝配、干涉分析等多次協調的設計過程，實現產品的三維設計過程與零部件裝配過程的高度統一。虛擬裝配技術在機械設計的應用研究中，是一種全新的設計概念，它為產品的研制提供了一種新的設計方法與實施途徑，它的成功依賴于對產品總體設計進程的控制。同時，產品的零部件模型數據的合理流動與彼此共享是實現虛擬裝配技術的基礎。虛擬裝配包括設計過程、過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)是指在產品三維數字化定義應用于產品研制過程中，結合產品研制的具體情況，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)

　　即在設計初期把產品設計過程與制造裝配過程有機結合，從設計的角度來保證產品的可裝配性。引入面向產品裝配過程的設計思想，使設計的產品具有良好的結構，能高效地進行物理裝配，能在產品研制初期使設計部門與制造部門之間更有效地協同工作。

　　2.1.2 自頂向下(Top-down)的并行產品設計(CPD)

　　并行產品設計是對產品及其相關過程集成、并行地進行設計，強調開發人員從一開始就考慮產品從概念設計直至消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響，把一切可能產生的錯誤和矛盾盡可能及早發現，以縮短產品開發周期，降低產品成本，提高產品質量。

　　2.1.3 與Master Model相關的可制造性設計和可裝配性設計

　　產品研制是多部門的協同工作過程，各部門間的合作往往受到各個企業的生產條件等方面的限制，結合各個企業的生產能力和生產特性，改進產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型，減少材料種類，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，可以保證產品研制的不同階段數據結構完整一致，保證產品研制的各個部門協同工作，實現CAD/CAM/CAE系統的高度集成，有效提高產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容。

　　2.2.1 實現對產品總體設計進程的控制

　　在產品數字化定義過程中，結合產品研制特點，人為地將虛擬裝配技術應用于產品設計過程，該過程可以劃分為三個階段：總體設計階段、裝配設計階段和詳細設計階段。通過對三個設計階段的控制，實現對產品總體設計進程的控制，以及虛擬裝配設計流程。

　　(1)總體設計階段。總體設計階段是產品研制的初期階段，在此階段進行產品初步的總體布局，主要包括：建立主模型(Master Model)空間;進行產品初步的結構、系統總體布局。

　　(2)裝配設計階段。裝配設計階段為產品研制的主要階段，在此階段產品三維實體模型設計已經基本完成，主要包括：產品模型空間分配(裝配區域、裝配層次的劃分);具體模型定義(建立幾何約束關系、三維實體模型等)以及應力控制。

　　(3)詳細設計階段。詳細設計階段為產品研制的完善階段，在此階段完成產品三維實體模型的最終設計，主要包括 ：完成產品三維實體模型的最終設計，進行產品模型的計算機裝配，進行全機干涉檢查。

　　2.2.2 過程控制管理

　　過程模型包含了產品開發的過程描述、過程內部相互關系和過程間的協作等方面內容。通過對過程模型的有效管理，實現對工程研制過程中各種產品設計結果和加工工藝等產品相關信息的管理，從而實現優化產品開發過程的目的。

　　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)是在產品裝配設計模型中，融入仿真技術，并以此來評估和優化裝配過程。其主要目標是評價產品的可裝配性。

　　2.3.1 優化裝配過程

　　目的是使產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行裝配。

　　2.3.2 可裝配性評價

　　主要是評價產品裝配的相對難易程度，計算裝配費用，并以此決定產品設計是否需要修改。

　　3 應用研究

　　3.1 基礎應用環境

　　虛擬裝配技術在焊接小車設計中的應用，需要以一定的基礎應用環境作為平臺，主要包括以下幾個方面：協同工作環境、統一的信息編碼系統以及機械通用基礎標準。

　　(1)協同工作環境。有一個協同工作的基礎環境，實現支持異地設計、異地裝配、異地測試的工作環境，特別是基于網絡的三維圖形的異地快速傳遞、過程控制、人機交互的基礎環境是非常必要的。

　　(2)統一的信息編碼系統。焊接小車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之間進行合理流動，因此有效的管理是實現虛擬裝配技術的重要環節，必須能夠實現平臺的協同設計，又能對各種產品數據進行管理和傳遞，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，采用統一的信息編碼系統是一項重要的應用基礎環節。

　　(3)機械通用基礎標準。虛擬裝配技術如果要實現行業CAD/CAE/CAPP/CAM技術的有效集成和廠所之間的數據交換，必須采用機械通用基礎標準。

　　3.2 焊接小車部件級產品實施方法及途徑

　　3.2.1 軟硬件環境

　　硬件：COMPAQ服務器一臺;P4，2.7G，1M內存的微機8臺。

　　軟件：Pro/ENGINEER 2001及其支持環境。

　　3.2.2 焊接小車的傳動裝置虛擬裝配技術應用研究

　　我們選擇傳動裝置的虛擬裝配技術應用研究作為工程實例，對虛擬裝配技術的工程應用思想、方法、具體實施途徑作進一步研究，為下一階段整個小車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，必須凍結已經建立的產品主模型空間，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：建立各部件的實體模型;定義具體結構裝配的分解線路(建立裝配層次、裝配區域);建立模型間的具體裝配約束(Constraints)關系;從共享數據庫中提取相應的結構模型; 進行計算機裝配(Computer Mock-Up，簡稱CMU)，以及進行干涉檢查。

　　(3)詳細設計階段。本階段完成焊接小車所有零件的設計工作，保證小車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

　　虛擬裝配的應用研究在國內研究所才剛剛起步，無論是在船舶、飛機、機械等領域的產品研制與開發中，還是在其他的輕工藝產品的開發中，人們已經逐漸地認識到虛擬裝配所能發揮的巨大作用和發展潛力。在焊接小車的設計過程中采用的裝配思想改變了產品研制人員的研制習慣和觀念，采用合理的虛擬裝配應用方法、建立一定的組織機構是實現虛擬裝配的核心，產品數據在研制中的合理管理和流動是實現虛擬裝配的基礎。