工業(yè)設(shè)計(jì)中虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：隨著虛擬裝配技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)的輔助不斷取得進(jìn)步。文章闡述虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析虛擬裝配與工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)系，介紹典型工業(yè)設(shè)計(jì)的流程，分析虛擬裝配技術(shù)在工藝規(guī)劃上的應(yīng)用和虛擬裝配技術(shù)在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬裝配技術(shù)；工業(yè)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

引言

現(xiàn)階段，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，比如在汽車生產(chǎn)、機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，大大縮短了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，為工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型提供了新的思路和方式。但其應(yīng)用的深度和廣度還有很大的空間，隨著虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，其技術(shù)也日益完善?；谟?jì)算機(jī)圖像學(xué)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助展現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、外觀等信息，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段發(fā)揮了重要的作用。

1虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用使工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為高效、完善，更加契合顧客的需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中已經(jīng)逐步應(yīng)用和推廣，并對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方式上的影響和改變。首先，虛擬裝配技術(shù)為工業(yè)設(shè)計(jì)不斷提供著創(chuàng)新的思路，使設(shè)計(jì)人員能從多方面完善和控制設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)的全過(guò)程，使得產(chǎn)品更加符合顧客的需求。其次，傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)都是以二維的平面圖來(lái)呈現(xiàn)，即使借助三維軟件的支持，仍無(wú)法呈現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、構(gòu)思以及生產(chǎn)流程等。但借助虛擬裝配技術(shù)，使這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足得到彌補(bǔ)，工業(yè)設(shè)計(jì)的精細(xì)程度得以提升。虛擬裝配技術(shù)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的影響深遠(yuǎn)，但在目前的應(yīng)用過(guò)程中，這種效果的發(fā)揮并不理想。其效果的發(fā)揮受到市場(chǎng)創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)水平的制約。市場(chǎng)的趨利性導(dǎo)致大部分企業(yè)缺少設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不重視，設(shè)計(jì)水平低，導(dǎo)致虛擬裝配技術(shù)的引進(jìn)和推廣困難重重。

2虛擬裝配與工業(yè)設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品數(shù)字化的定義中，虛擬裝配是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其在工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。虛擬裝配是通過(guò)對(duì)每一個(gè)裝配零件的空間位置和空間姿態(tài)的調(diào)整，不斷移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)裝配零件，從而達(dá)到虛擬實(shí)驗(yàn)與裝配方案相符合的目的，這也是虛擬裝配的原則。虛擬裝配是通過(guò)計(jì)算機(jī)分析裝配過(guò)程，仿真裝配結(jié)果，預(yù)測(cè)產(chǎn)品模型，在這個(gè)過(guò)程中，并不涉及實(shí)際的產(chǎn)品。目前，我國(guó)對(duì)于虛擬裝配技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面更是帶來(lái)了很大程度的提升。虛擬裝配技術(shù)作為虛擬制造的核心之一，為制造業(yè)的發(fā)展提供了方向，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品零部件的虛擬分析和設(shè)計(jì)，幫助零部件解決設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過(guò)程中的各種技術(shù)性問(wèn)題，從而使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期大大縮短，使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本得以降低，并優(yōu)化了產(chǎn)品性能。工業(yè)設(shè)計(jì)作為工業(yè)生產(chǎn)中的初級(jí)階段，其最初的設(shè)計(jì)模型可以通過(guò)虛擬裝配技術(shù)在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬產(chǎn)品的形狀、外觀、性能，監(jiān)測(cè)和校驗(yàn)次相關(guān)產(chǎn)品的人機(jī)互動(dòng)性，并提供產(chǎn)品的裝配過(guò)程、裝配序列、可裝配性等信息，生成裝配報(bào)告。在虛擬的環(huán)境下，為解決產(chǎn)品存在的缺陷、改進(jìn)產(chǎn)品的性能提供了更大的空間。虛擬裝配技術(shù)能夠利用VR技術(shù)、3D技術(shù)形成意識(shí)、語(yǔ)言、體感等人機(jī)交互體驗(yàn)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加滿足人類的精神需求。仿真技術(shù)的應(yīng)用可以更加精確模擬產(chǎn)品的配合精度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)的不足。比如虛擬裝配技術(shù)在汽車開(kāi)發(fā)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如“東風(fēng)柳汽”應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)相繼開(kāi)發(fā)出了“東風(fēng)景逸”“東風(fēng)風(fēng)行”一系列的新車型。通過(guò)虛擬裝配技術(shù)，評(píng)估設(shè)計(jì)優(yōu)化方案并加以優(yōu)化，用數(shù)字樣車代替了物理樣車，迅速地推出了新車型，大大降低了開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間。通過(guò)數(shù)字化偏差仿真建模與計(jì)算機(jī)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)“東風(fēng)景逸”系列車型前燈與翼子板DTS三維偏差大，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)偏差的影響因素主要是翼子板處輪廓度的問(wèn)題，制定優(yōu)化方案，通過(guò)定位優(yōu)化和公差優(yōu)化，重新仿真計(jì)算，使車身的質(zhì)量有了很大的提升。

3典型工業(yè)設(shè)計(jì)的流程

典型的工業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程一般分為需求分析、設(shè)計(jì)要求、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)實(shí)施這六個(gè)步驟。在設(shè)計(jì)開(kāi)始前，首先要進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，分析顧客的需求，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手進(jìn)行調(diào)研，收集相關(guān)資料。接著對(duì)收集的資料進(jìn)行分析，找到消費(fèi)者的痛點(diǎn)以及和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差異性以確定產(chǎn)品的定位。產(chǎn)品定位確定之后就需要確定設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等多方面的綜合分析確定產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。有了設(shè)計(jì)的要求并結(jié)合設(shè)計(jì)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成詳細(xì)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)施的前端設(shè)計(jì)則是虛擬裝配，這個(gè)過(guò)程中通過(guò)虛擬裝配技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助，直觀地將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、外表、生產(chǎn)流程表現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而展示裝配工藝、外觀結(jié)構(gòu)和使用者需求，檢驗(yàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜程度，對(duì)后期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供便利。

4虛擬裝配技術(shù)在工藝規(guī)劃上的應(yīng)用

市場(chǎng)的需求驅(qū)動(dòng)著工業(yè)設(shè)計(jì)的可行性，消費(fèi)者需求的滿足很大程度上取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段尤為重要，是多種目標(biāo)綜合體現(xiàn)的過(guò)程，滿足生產(chǎn)需要的首要條件則是滿足顧客的需求。為了使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程在虛擬裝配領(lǐng)域得到標(biāo)準(zhǔn)的表述，需要優(yōu)化開(kāi)發(fā)目標(biāo)的算法，利用模糊約束與模糊目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化加權(quán)。在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝規(guī)劃階段加以虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用，有助于設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更好地滿足市場(chǎng)的需求。融合虛擬裝配技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃主要在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)實(shí)施這幾個(gè)階段。產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)需要定義用戶的需求和產(chǎn)品的功能，并進(jìn)行功能的分解，明確功能需求。初步設(shè)計(jì)階段需要通過(guò)用戶需求的定位以及對(duì)產(chǎn)品價(jià)格、質(zhì)量的預(yù)估選擇產(chǎn)品的材料和形式。產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)中則需要通過(guò)虛擬裝配技術(shù)建立設(shè)計(jì)模型，模擬裝配過(guò)程對(duì)裝配工藝進(jìn)行規(guī)劃并估計(jì)成本與時(shí)間。在設(shè)計(jì)實(shí)施階段，完成對(duì)生產(chǎn)方式的選擇、選擇制造過(guò)程和裝配過(guò)程控制成本和時(shí)間。并通過(guò)虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷進(jìn)行再設(shè)計(jì)。融合虛擬裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在工藝規(guī)劃上減少了設(shè)計(jì)與制造之間的缺陷和瓶頸，為設(shè)計(jì)師與工程師提供了標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言，使設(shè)計(jì)的周期得以縮短，生產(chǎn)的效率得以提高。在設(shè)計(jì)實(shí)施具體過(guò)程中，各元素占模型大小的百分比都有嚴(yán)格的要求（如圖1所示）。

5虛擬裝配技術(shù)在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的應(yīng)用

虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證中有重要的作用。工業(yè)設(shè)計(jì)是通過(guò)與客戶反復(fù)溝通后再設(shè)計(jì)和再修改的不斷優(yōu)化的過(guò)程，融合虛擬裝配技術(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)驗(yàn)證典型工業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，統(tǒng)計(jì)各環(huán)節(jié)所用時(shí)間以縮短項(xiàng)目的生命周期。在工業(yè)設(shè)計(jì)的流程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要得到設(shè)計(jì)驗(yàn)證，將生產(chǎn)制造的結(jié)果反饋到客戶，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，再進(jìn)行新一輪的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造。因此，對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的時(shí)間周期決定項(xiàng)目的生命周期。利用虛擬裝配的統(tǒng)計(jì)技術(shù)能夠?qū)Ω鳝h(huán)節(jié)的時(shí)間變量進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，確定影響因素，以確定工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，需要保證每個(gè)實(shí)體的安全系數(shù)，以確保工業(yè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)度（如圖2所示）。

6結(jié)語(yǔ)

虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的方式對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)中存在的瓶頸問(wèn)題加以優(yōu)化，使得傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)的滯后性和市場(chǎng)需求得以提升。虛擬裝配技術(shù)能夠通過(guò)模擬功能定位、生產(chǎn)加工方式、成本周期預(yù)估，并在虛擬的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)科學(xué)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，縮斷了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的應(yīng)用對(duì)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程有著重要的作用。

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作者：李升升 單位：廣東省技師學(xué)院