智能装配仿真技术探析

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2024年08月29日

✎导读

装配仿真技术是在推进航空数字化背景下提出的，应用装配仿真技术能够在产品设计阶段消除潜在的装配缺陷，提前发现并解决装配过程中的各种问题。在产品装配过程中充分利用上游三维CAD数据，保持了飞机产品设计数据的一致性，实现工艺设计的继承性、规范性、标准化和最优化，进而缩短产品研制周期，降低研制成本，提高产品装配质量。

作者：张开富、程晖、骆彬；来源：引自《智能装配工艺与装备》，由「智造苑」原创首发，本文经授权发布。

一、装配仿真的相关概念与原理

定义1

数字化预装配：在数字化样机基础上的仿真装配过程。

数字化预装配是设计部门在数字化样机基础上进行的几何样机级的仿真，主要是针对飞机设计的合理性进行仿真。其主要目的是对装配的几何约束、干涉问题进行检验，验证飞机结构设计的协调性、合理性和可维护性，是产品设计工作的组成部分。

定义2

装配仿真：基于产品工艺模型和装配资源模型的操作和工艺流程仿真。

装配仿真是工艺部门在产品工艺模型（添加了工艺信息的产品数字模型）和装配资源模型的基础上进行的操作方法和工艺流程的仿真，也可以称为装配工艺过程仿真，其涵盖了从单个装配单元的装配过程、流程时间到生产线物流变化的整个产品的装配生产过程。装配过程仿真是一种更复杂、更接近真实的仿真。

定义3

沉浸式装配仿真：基于虚拟环境的装配过程仿真。

沉浸式装配仿真是将装配过程仿真以沉浸的方式展示在人们眼前，使操作者仿佛身临其境，可以在虚拟的环境中分析产品的装配流程及其可行性与合理性，这种方式更便于各专业人员在一起讨论产品设计与装配方案。

由上述可知，制造过程的装配仿真与数字化预装配的主要区别就在于：

装配仿真充分考虑了工装、工具、辅助设备等资源与环境因素，不仅考虑到装配过程的可行性，更注重人机工效和工作舒适度，结合人机工效评估结果对工艺方法、工装结构和生产线布局等进行修改和优化，以达到降低生产成本，缩短研制周期的目的。

表1 数字化预装配、装配仿真及沉浸式装配仿真

数字化预装配解决了产品本身的干涉问题，而制造过程的装配仿真解决的是制造过程中所遇到的装配干涉问题；数字化预装配使用产品模型，装配仿真使用工艺模型；数字化预装配用产品三维设计软件实现，装配仿真需要用专业的仿真软件进行。

而沉浸式装配仿真是装配仿真的另一种表现形式，解决的是真实感的问题。三者的主要区别对比见表1。

二、基于三维模型的数字化装配仿真技术

产品装配涉及诸多的零件和复杂的结构，合理和充分地利用基于三维模型的数字化装配仿真技术可以实现从零件到组件，从组件、部件到成品的全过程仿真，有助于及时发现产品零部件在设计、装配中出现的设计缺陷和结构问题，从质量上保证了产品装配的科学化和合理化。基于三维模型的数字化装配仿真技术没有实物生产，保证了装配的效率和效益，对产品装配具有深远的价值，也正因为如此该技术已成为产品装配过程中数字化技术体系中的关键组成部分。

围绕基于三维模型的数字化装配仿真技术研发了常用的装配仿真软件如CATIA、PRO/E、UG等，该技术应用于产品装配的要点主要包括装配干涉仿真、装配顺序仿真、人机工程仿真、虚拟数字化工厂仿真等。

1、装配干涉的仿真

图1 装配干涉的仿真

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时进行报警，并示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。在该项检查中，零件沿着模拟装配路径移动，在此过程中，检查零件的几何要素是否与周边环境发生碰撞。在三维环境下，这是一项非常直观的检查手段，装配干涉的仿真如图1所示。

2、装配顺序的仿真

图2 装配顺序的仿真

在装配顺序设计过程中，通常是按先里后外的原则设计的，但实际装配时可能出现零件无法实现装配的情况。此时必须调整相关零件的装配顺序。在虚拟环境中，用户可依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍地完成装配，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。装配顺序的仿真如图2所示。

3、人机工程的仿真

图3 人机工程的仿真

利用基于三维模型的数字化装配仿真技术可以在产品结构和工程结构环境中，将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中（见图3），按照工艺流程进行装配，对工人工作特性进行分析，针对零件的装配，可对工人的可视性、可达性、可操作性、舒适性和安全性等几方面进行分析。

①可视性：分析工人是否能够看得见，可见范围有多大，是否影响操作。

②可达性：分析工人的肢体是否能到达装配位置。

③可操作性：分析空间大小或零件重量是否便于工人操作。

④舒适性：分析工人承受的负荷以及操作时间(次数)是否使工人容易疲劳。

⑤安全性：分析工人操作位置是否安全，是否需要增加防护设施等。

4、可视化装配与人员培训

以上装配过程的三维数字化仿真文件（或制作成的视频文件），可以在生产现场指导工人对飞机进行装配，帮助工人直观地了解装配全过程，实现可视化装配，也可用于相关人员的上岗前培训。

5、虚拟数字化工厂仿真

在工厂三维工艺布局中，添加产品及工人模型，按照已经设计好的装配工艺流程进行包括产品、物料、工具、流程及操作者等全部资源在内的三维动态仿真。通过数字化工厂仿真，可使车间布局满足工艺规划要求，使生产能力均衡、生产场地和空间利用合理、物流运输路线最短且最方便等。

三、基于虚拟现实的沉浸式装配仿真技术

沉浸式装配仿真是一种虚实结合的仿真，人可以在虚拟环境中通过数据衣和数据手套直接进行零部件的虚拟安装，分析其可达性和便利性，优化设计方案。这种仿真需要具有环境的真实感，因此不仅需要处理的数据量非常大，而且还需要具有感知功能的设备作为支撑。沉浸式装配仿真要达到广泛的实际应用，主要要点如下。

1、基于人体动作捕捉系统的装配仿真

人机交互是虚拟装配系统中重要的组成部分，尤其是虚拟人的引入可使得仿真系统真实有效地反映实际的装配过程。人体姿态动作已经由初始的理想化向着考虑物理环境、符合人体运动学特征的现实化发展。

图4 虚拟仿真交互环境

为解决虚拟人动作难以调整和非实时的问题，许多公司开发了一些人体动作捕捉系统，代表产品有MVN惯性动作捕捉系统、ART系统。如图4所示，这些人体动作捕捉系统可以与装配仿真软件进行集成，搭建沉浸式虚拟现实平台，实现人体姿态的采集和驱动，给设计者提供一种与“电子样机”进行可视化交互的途径，从而解决仿真过程中虚拟仿真人体姿态调整效率低的问题。

图5 惯性捕捉

人体动作捕捉从实现原理上可分为惯性捕捉和光学捕捉两类。惯性捕捉系统主要是采用惯性传感器采集人体各关节的自由度数据并计算出人体姿态动作（见图5），其优点是跟踪范围大，缺点是无法处理离地动作，比如爬楼梯，跳跃等。光学捕捉系统采用多个红外相机采集人体反射的红外光信号来计算人体的动作姿态，人体动作的交互采用人机交互工具实现，摄像头预先布置在虚拟交互场内，通过工业以太网连接到人机交互主机，具有精度高的优点，缺点是容易被遮挡，跟踪区域比较小。

2、交互设备与虚拟装配仿真系统的集成

虚拟现实的沉浸式体验可以提高体验空间关系以及分析、设计和管理这类关系的应用程序的价值，使需要浏览或仔细检查三维信息的项目从虚拟现实技术中获益。在航空航天领域使用的三维CAD软件对虚拟现实技术提供了支持，提供了众多可用的工具和配置，可以实时浏览和处理CAD数据，并且提供一定程度的沉浸式体验。沉浸式体验的设备主要有视觉显示设备和影像显示设备，这些设备以不同的方式与虚拟系统集成，支持虚拟现实的沉浸式体验。

图6 人机交互工具

（1）立体场景查看工具（图6（a））

部分仿真软件内置了三维图像立体视场查看功能，可以通过主动或被动立体模式实现立体场景查看。在有源立体图像显示系统中，左眼和右眼图像以两倍于刷新频率的速度交替显示在屏幕上，需要一对带有两个快门的有源眼镜与这些图像同步工作。同步工作通常使用红外线发射器来实现，当显示右眼图像时，左眼快门关闭，反之亦然。在无源立体图像显示系统中，左眼和右眼图像同时显示在屏幕上。图像分离通过过滤眼镜（如偏光镜）来执行。

（2）头戴式显示器（图6（b））

头戴式显示器能够提供更良好的沉浸式体验。它配备了定位跟踪功能，可以基于头部的位置显示输出图像。要使用头戴式显示器，必须有以下两个设备之一：分别计算左眼和右眼图像的图像生成器（图形工作站）或有源/无源立体图像转换器。转换器允许在任何支持有源立体视觉的平台上使用头戴式显示器。除了头戴式显示器外，还可以将标准操纵杆添加到虚拟现实配置中，以提供在电子样机中轻松导航的方法。

（3）投影台、投影墙、CAVE（cave automatic virtal environment，洞穴式自动虚拟环境）系统（图6（c））

电子样机由广泛的投影系统支持，包括单屏幕投影台、多投影机和多边式投影室（如多通道环幕投影系统或CAVE）。高分辨率高沉浸感的特性使这些系统非常适合电子样机审查或大型装配和设备的设计。在这类环境中利用跟踪器和数据手套可以获得更好的体验，其中头部跟踪根据精确的用户视点提供三维图像，而通过手部跟踪可以实现与电子样机的沉浸式交互。

（4）数据衣（图6（d））

数据衣为分体式结构，穿在现实人身体各部位，用于捕捉人体实际姿态，实现真实人与虚拟人的行为统一。数据衣每个部件上均设有反光标记球，将入射的红外辐射波反射到相反方向更狭窄的角度中。智能追踪摄像头视野能覆盖一定的空间范围，在该范围内可侦测到标记点上反射回来的红外辐射，并基于获取的红外辐射信号创建一个灰度图片。在整个过程中，摄像头根据模式识别的方式计算标记点的高精度二维坐标，坐标平均精度为0.04个像素，二维数据发回到控制主机，根据摄像头视野范围的共有部分，计算出红外射线交点的三维坐标，即为目标点的空间位置坐标。手部动作采用数据手套，其内部传感器可准确检测人手的精细动作，指导仿真软件中虚拟人完成相应动作。（本文完）

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