陆卫丰
中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司 北京 100200
摘要：航空发动机是当代最精密的机械产品之一，由于航空发动机涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科，一台发动机内有十几个部件和系统以及数以万计的零件，因此发动机的研制过程是一个设计、制造、装配、试验、修改的多次迭代性过程。装配作为产品生产的关键环节，极大地影响着产品的质量，在产品的实际装配过程中才能发现设计中的问题，然后反馈，再进行修改，这样将会消耗大量的时间和生产成本，生产效率低。而虚拟装配则可以极大地减少设计不足、提升装配效率、缩短生产周期、降低生产成本和提高产品质量，从而大大提升产品研制效率。
关键词：精密机械设计；虚拟装配；发展趋势
引言
随着计算机辅助设计ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）技术的日趋完善，工业产品的设计流程逐渐向虚拟环境的展现方式发展，工业设计的产品设计周期变得更短。虚拟装配作为工业设计产品模型的结构展现的新方式，能够基于计算机图像学，在计算机中展现工业产品的外观、造型、结构、空间及装配等信息。通过虚拟方式的展现，能够减少产品在概念设计阶段的生产周期，方便概念设计的修改，检验产品结构的空间布局及干涉。
1虚拟装配技术
虚拟装配技术是指在机械产品设计的过程中，为了满足产品各项性能指标要求，帮助设计人员更好地作出有关装配的设计决策，使用计算机技术与虚拟现实技术对在虚拟环境下的数据模型进行装配和分析。虚拟装配技术在机械新型产品开发、产品维护以及操作培训等方面具有独特的作用，也是精密机械制造业发展的重要方向。虚拟装配技术本身属于一种计算机辅助设计技术，主要结合面向装配设计的理论和相关方法。它的基本任务是从设计原理方案的角度出发，找到在各种因素制约情况下的最优解，并根据这种最优解拟定装配草图，通过模拟试装和定量分析找出机械设计中存在的问题或者不合理的装配等，便于及时修改，让机械设计产品更加完善，保证设计出来的产品在制造、装配及调试过程中能够减少反复，提升产品研制效率。从本质上来讲，虚拟装配技术是一种极具综合性的技术，不仅包含可视化技术和仿真技术，还包含虚拟现实技术以及决策理论，是人类智慧的结晶，对于加速航空发动机精密机械系统的更新换代也有着推进作用。
２国内外虚拟装配系统的开发
近年来又出现了一些新的虚拟装配系统。２１世纪初，法国达索公司推出了数字化装配仿真平台ＤＥＬＭＩＡ系统，它将设计数据和实际生产数据相结合进行仿真和分析，得到最优数据。浙江大学的ＣＡＤ＆ＣＧ国家重点实验室建立了虚拟设计与虚拟装配系统ＶＤＶＡＳ，工作人员可以直接通过三维操作选择零部件并进行拆卸规划，此外还对零件进行了静、动态干涉分析，从而评估产品的可装配性。提出了一种新的基于触觉的虚拟装配系统，该系统在产品开发中作为装配规划工具，用于自动生成和客观评估装配计划。一个独立于ＣＡＤ软件包的装配验证系统，通过一个追踪手的虚拟手模型来直观地徒手操作零件模型。虚拟装配系统是一个复杂的系统，工程师在虚拟的环境进行装配，这些虚拟装配系统继续向数字化和智能化的方向发展，能够提供实时的、三维的交互环境，可以对装配过程中产生的信息进行有效的管理。利用这些系统能够对产品进行建模，并能够对其设计进行合理的评价。
3虚拟装配技术的发展现状分析
3.1干涉的检查与排除
与传统的机械设计相比，虚拟装配技术主要的改变方向是空间上的改变。
传统的设计理念是二维的，设计人员很难在二维图像中具体了解到整个设计细节构造，特别是复杂的机械结构，很容易造成装配上的偏差。偏差问题一直都是机械设计行业中普遍存在的问题，所以技术人员需要使用虚拟装配技术软件的修改功能、检查功能对减速器模型进行重新校对，如尺寸问题、零部件的装配问题都可以通过模型分析功能检测出来，通过这种方法有效保证复杂机械结构的设计质量。
3.2虚拟装配与产品设计
虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，也是虚拟制造过程中最为薄弱的一个环节。利用计算机虚拟环境借助硬件交互设备，将虚拟零件模型进行装配操作，模拟真实的装配环境，并提供实时的碰撞检测、装配工艺路径、装配约束及装配序列等功能。通过虚拟装配技术，可以提供产品的可装配性、装配序列、装配过程等信息，并生成装配报告，能够很好地记录产品的装配属性，辅助产品的概念设计。计算机辅助工业设计结合虚拟与现实技术能够利用ＶＲ技术，建立语音、体感、意识等形式交互方式，进行产品的人机交互，可以更加精确地模拟现实环境中的产品设计，在虚拟装配领域的应用能够计算模型间的配合精度，同时生成装配方案，在虚拟环境中模拟产品装配过程，减少传统设计方法的不足。
3.3人机工程仿真分析
在DELMIA仿真环境中，建立1:1的装配人员三维模型，动态仿真分析可模拟组件的人体搬运、装配操作、小空间内装调和拆卸，分析该过程中人体的可达性、可视性、姿态和舒适度等，验证装配过程的可行性和合理性，进一步优化工艺流程，改进工艺装备设计信息，便于产品装配工艺的设计，有效指导现场装配，减少了产品在装配过程摸索装配的过程，提升产品一次装配合格率。验证装配可达性实质上是对人体空间和装配工位的同步验证，例如装配安装工件的高度和角度，小空间内可操作性等。
4虚拟装配技术的发展趋势
（１）产品设计系统与虚拟装配系统的集成化。目前所用的虚拟装配系统都需要通过产品设计系统来对零件进行设计，装配过程仿真和修改信息则需要通过虚拟装配系统反馈给产品设计系统，两者信息交流繁琐。这时就需要将产品设计系统与虚拟装配系统集成化，确保信息的交换通畅。（２）虚拟装配系统的智能化。随着人工智能和网络通信的发展，产品的智能制造可以进一步得到实现。例如：虚拟装配序列近年来多采用智能优化算法来求解，人工智能将成为其发展的关键方向，所以虚拟装配系统的智能化将成为今后发展的重要方向之一。（３）设计平台的协同化。由于产品设计日趋复杂，需要各个部门的协同参与，设计人员及生产工人等都需要参与到装配过程中来，因此基于设计平台的协同化发展将是虚拟装配系统的发展方向之一。（４）提高建模过程的合理性。由于是在理想环境下进行建模，没有考虑实际加工能力、温度等因素对零件形位误差和装配精度的影响，会导致加工出来的零件在装配过程中出现问题，满足不了设计要求。
结束语
虚拟装配技术对于机械创新设计具有重要的帮助作用，在装配的过程中，需要注意零配件之间的装配关系，明确相关专业设备的使用规范，及时分析设计过程中存在的问题，不断完善优化设计方案，直到设计出完美的相关产品。虚拟装配技术不仅有效减少了产品设计所需要的时间，还有效降低了设计成本，为我国的机械设计道路开辟出了一条极具发展意义的道路。
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