连伟波 李哲 李绪 陈东勋 李泽宏
北方自动控制技术研究所 山西太原 030006
摘要：虚拟装配技术是计算机产业发展的衍生技术，随着我国计算机技术发展水平越来越高，计算机技术逐渐应用到了我国的机械生产设计中，为机械设计工作提供了很多帮助。虚拟产品设计的发展方向是数字化、集成化，摆脱了传统产品设计开发过程中只能局限于图纸以及实际生产上，让人们在开始生产之前即可具体了解产品的所有信息，从而实现对机械产品创新设计的设计评价、测试分析、试生产过程，节省机械设计本身的成本消耗，提高了工作效率。鉴于此，文章对虚拟装配技术在机械设计的应用进行了研究，以供参考。
关键词：虚拟装配；机械设计；应用研究
1虚拟装配技术概述
虚拟装配技术是指在机械产品设计的过程中，为了满足客户的要求，帮助施工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，保证设计生产出来的产品不仅满足该产品的标准系数，更要满足客户的需求。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，对于机械创新设计有着很好的推进作用。
2虚拟现实技术的特点
虚拟现实技术的特点主要表现在以下方面：（1）实时性。虚拟现实技术的运用可以让产品和用户之间进行即时性、深入性的交互，对于提高用户的产品体验是极为重要的。而且生产商还能够在第一时间把用户的产品体验和反馈建议进行记录，并在短时间内对产品的不足之处进行调整、优化。除此之外，机械产品的设计结构也可以通过虚拟现实技术真实反映到计算机中并进行实时同步，这对于提升机械产品的性能是十分有利的。（2）感知性.虚拟现实技术可以让人们用视觉、触觉、听觉等不同的感知途径来了解、体验机械产品的特点和功能，这种方式既可以为机械产品的设计人员带来更丰富的设计灵感，还可以帮助人们了解当前机械产品在功能上有待提升与完善的部份，对于机械产品后续的更新、升级意义重大。（3）交互性.把虚拟现实技术融入到机械设计环节中，可以让所有机械产品的体验者用自然、轻松的方式和虚拟世界里的事物进行即时的信息交互，也可以运用不同的手势或者语言下达命令操作虚拟对象。（4）沉浸性.沉浸性是虚拟现实技术的重要特点之一，通俗地说就是观察者在面对虚拟世界情感时的一种真实反映，虚拟现实技术利用计算机构建出一个高度真实的虚拟环境，使用者的感知力（视、听、触、嗅等等）可以如同在真实世界中那样运用，并且不会受到任何影响。基于虚拟现实技术的上述特征，可将其用于机械领域，为产品开发设计与制造提供技术支持，提高机械产品设计的可行性及制造的精度。和传统机械生产模式对比，在机械产品设计与制造中，往往在试样制作完成后，发现生产问题，生产效率和质量得不到保障，加大企业生产成本。而在虚拟现实技术应用基础上，制造企业可在生产前，创设虚拟生产环境，模拟机械产品的设计、生产及装配过程，优化产品设计、合理规划生产工艺、了解机械产品的各项性能，使制造企业的实际生产更为协调规范，保障机械产品质量，提高生产效率，创造更多利润。
3虚拟装配技术在机械设计的应用研究
3.1虚拟设计
在机械设计中，虚拟现实技术的应用以建模、测试、装配流程为主，设计人员可通过虚拟环境进行机械设计参数的调节、呈现三维立体设计模型，避免产品设计中出现缺陷。常用的虚拟机械设计方法有商业CAD系统与VR环境的融合、专业VR-CAD系统两类。前者是指设计人员在虚拟环境中感知机械产品，应用CAD软件进行设计及优化改进；后者则直接在虚拟环境中完成产品感知及设计调整操作。目前虚拟机械设计在汽车和航空领域有较为广泛的应用，例如，德国大众研发了Cave系统，可全面呈现汽车结构，为设计优化提供虚拟环境；美国通用公司研发了虚拟现实软件，设计人员可在软件内进行虚拟汽车设计，在虚拟环境中呈现三维立体图像，设计人员也可在设计室内，通过虚拟现实技术，获得汽车使用体验，根据虚拟环境中汽车三维模型的改进细节与自身体验，进行调节与改进，优化机械产品设计。
3.2虚拟装配
在传统机械制造中，机械零件的装配由仿真软件实现，构建机械零件的三维模型，设定装配顺序，完成模拟装配与产品分析。这种装配方式呈现的装配效果有限，不能展示零件装配中存在的隐蔽问题。虚拟装配是指将机械零件置于虚拟环境中，设计人员可通过人机交互方式，控制零件进行装配，并细致观察机械零件的装配过程，了解机械零件在实践应用中的不足，进一步优化机械零件的设计方案。福特汽车公司及波音公司均在产品装配中引进虚拟现实技术，进行轿车及飞机的虚拟装配，将设计改动分别减少20%及18%，产品研发周期分别缩短12周与3年，提高机械产品开发效率，可为制造企业创造更高收益。
3.3人机工程学评价
在传统机械设计中，人机分析及机械产品评价在样机模型制作和试制产品中完成。在虚拟现实技术支持下，可在产品设计环节进行人机工程学评价，设计人员可在虚拟环境中创设虚拟的操作者和虚拟的机械产品，由虚拟的操作者进行虚拟机械产品的使用，了解机械产品制造的性能、功能等状况，获取全面的人机工程学参数，为设计优化提供数据参考。例如，在汽车设计中，设计人员可通过虚拟现实技术进行汽车驾驶室内操作性能的分析，了解设计中方向盘距离、车身高度及车门进出效果等参数性能。
3.4工程数据可视化
在传统机械设计中，设计人员通过有限元分析方法进行产品模型分析，分析过程较为复杂，分析结果体现的设计问题不够全面。在引进虚拟现实技术后，设计人员可将有限元分析置于虚拟环境中，完成机械产品的形体网格划分，以图形方式呈现有限元分析结果，实现工程分析数据可视化，可获取机械产品更为全面直观的参数数据，找出机械产品复杂结构中的隐蔽问题，进而优化设计。以汽车和飞机造型设计为例，在设计时需设计人员进行流体动力学计算，而数据计算会受有限元分析中的网格划分影响。在虚拟现实技术支持下，设计人员可针对汽车或飞机结构的不同区域，践行针对性网格划分，了解其速度、压力所在环境的涡流、剪切层及冲击波等参数，使设计方案更为合理。
结语
综上所述，虚拟装配技术在工业生产中有着广泛的应用，以计算机辅助工业设计的方式对产品开发的设计中存在的瓶颈问题加以优化，使得传统工业设计的滞后性和市场需求得以提升。虚拟装配技术能够通过模拟功能定位、生产加工方式、成本周期预估，并在虚拟的空间内实现科学的设计验证，缩断了产品设计的周期，提高了产品设计的效率，降低了产品开发的成本，虚拟装配技术在工业产品设计流程的工艺规划和设计验证中的应用对整个产品设计过程有着重要的作用。
参考文献：
[1]安龙.基于虚拟现实技术的矿山机械设备仿真系统设计[J].机械管理开发，2018，33（11）：230-231+288.
[2]雷万帅.机械设计制造中虚拟现实技术研究[J].山东工业技术，2018（13）：17.
[3]代明远，王明江，肖利伟，等.工程机械产品虚拟设计应用综述[J].机械设计，2020，37（03）：128-134.