工業(yè)設計中虛擬裝配技術的應用

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摘要：隨著虛擬裝配技術的不斷發(fā)展和完善，工業(yè)產(chǎn)品的設計借助計算機的輔助不斷取得進步。文章闡述虛擬裝配技術在工業(yè)設計中的應用現(xiàn)狀，分析虛擬裝配與工業(yè)設計的關系，介紹典型工業(yè)設計的流程，分析虛擬裝配技術在工藝規(guī)劃上的應用和虛擬裝配技術在設計驗證中的應用。

關鍵詞：虛擬裝配技術；工業(yè)設計；應用

引言

現(xiàn)階段，虛擬裝配技術在工業(yè)生產(chǎn)領域已經(jīng)有了廣泛的應用，比如在汽車生產(chǎn)、機械產(chǎn)品生產(chǎn)等領域應用廣泛，大大縮短了工業(yè)產(chǎn)品設計的周期，為工業(yè)設計產(chǎn)品結構模型提供了新的思路和方式。但其應用的深度和廣度還有很大的空間，隨著虛擬裝配技術在工業(yè)設計領域的不斷應用，其技術也日益完善。基于計算機圖像學，通過計算機輔助展現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品設計的構造、結構、外觀等信息，在工業(yè)產(chǎn)品設計階段發(fā)揮了重要的作用。

1虛擬裝配技術在工業(yè)設計中的應用現(xiàn)狀

虛擬裝配技術在工業(yè)設計中的應用使工業(yè)產(chǎn)品的設計更為高效、完善，更加契合顧客的需求。隨著科學技術的不斷發(fā)展，虛擬裝配技術在工業(yè)設計中已經(jīng)逐步應用和推廣，并對工業(yè)設計產(chǎn)生了設計理念和設計方式上的影響和改變。首先，虛擬裝配技術為工業(yè)設計不斷提供著創(chuàng)新的思路，使設計人員能從多方面完善和控制設計以及生產(chǎn)的全過程，使得產(chǎn)品更加符合顧客的需求。其次，傳統(tǒng)的工業(yè)設計都是以二維的平面圖來呈現(xiàn)，即使借助三維軟件的支持，仍無法呈現(xiàn)產(chǎn)品的結構、構思以及生產(chǎn)流程等。但借助虛擬裝配技術，使這些傳統(tǒng)設計中的不足得到彌補，工業(yè)設計的精細程度得以提升。虛擬裝配技術對工業(yè)設計的影響深遠，但在目前的應用過程中，這種效果的發(fā)揮并不理想。其效果的發(fā)揮受到市場創(chuàng)新性和設計水平的制約。市場的趨利性導致大部分企業(yè)缺少設計創(chuàng)新能力，對工業(yè)產(chǎn)品的設計不重視，設計水平低，導致虛擬裝配技術的引進和推廣困難重重。

2虛擬裝配與工業(yè)設計

在產(chǎn)品數(shù)字化的定義中，虛擬裝配是其中一個重要的環(huán)節(jié)，其在工業(yè)設計等領域有著廣闊的應用前景。虛擬裝配是通過對每一個裝配零件的空間位置和空間姿態(tài)的調(diào)整，不斷移動和旋轉(zhuǎn)裝配零件，從而達到虛擬實驗與裝配方案相符合的目的，這也是虛擬裝配的原則。虛擬裝配是通過計算機分析裝配過程，仿真裝配結果，預測產(chǎn)品模型，在這個過程中，并不涉及實際的產(chǎn)品。目前，我國對于虛擬裝配技術的研發(fā)和應用已經(jīng)取得了一定的成果，對經(jīng)濟效益和社會效益方面更是帶來了很大程度的提升。虛擬裝配技術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，通過對產(chǎn)品零部件的虛擬分析和設計，幫助零部件解決設計到生產(chǎn)過程中的各種技術性問題，從而使產(chǎn)品的設計周期大大縮短，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)設計作為工業(yè)生產(chǎn)中的初級階段，其最初的設計模型可以通過虛擬裝配技術在虛擬的環(huán)境中進行實驗，模擬產(chǎn)品的形狀、外觀、性能，監(jiān)測和校驗次相關產(chǎn)品的人機互動性，并提供產(chǎn)品的裝配過程、裝配序列、可裝配性等信息，生成裝配報告。在虛擬的環(huán)境下，為解決產(chǎn)品存在的缺陷、改進產(chǎn)品的性能提供了更大的空間。虛擬裝配技術能夠利用VR技術、3D技術形成意識、語言、體感等人機交互體驗，使產(chǎn)品的設計更加滿足人類的精神需求。仿真技術的應用可以更加精確模擬產(chǎn)品的配合精度，彌補傳統(tǒng)工業(yè)設計的不足。比如虛擬裝配技術在汽車開發(fā)領域有著廣泛的應用。如“東風柳汽”應用虛擬裝配技術相繼開發(fā)出了“東風景逸”“東風風行”一系列的新車型。通過虛擬裝配技術，評估設計優(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，大大降低了開發(fā)的成本和時間。通過數(shù)字化偏差仿真建模與計算機技術分析發(fā)現(xiàn)“東風景逸”系列車型前燈與翼子板DTS三維偏差大，通過分析發(fā)現(xiàn)偏差的影響因素主要是翼子板處輪廓度的問題，制定優(yōu)化方案，通過定位優(yōu)化和公差優(yōu)化，重新仿真計算，使車身的質(zhì)量有了很大的提升。

3典型工業(yè)設計的流程

典型的工業(yè)設計開發(fā)流程一般分為需求分析、設計要求、概念設計、初步設計、詳細設計、設計實施這六個步驟。在設計開始前，首先要進行市場調(diào)研，分析顧客的需求，對競爭對手進行調(diào)研，收集相關資料。接著對收集的資料進行分析，找到消費者的痛點以及和競爭對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計的要求，通過對產(chǎn)品設計經(jīng)驗、標準、規(guī)范等多方面的綜合分析確定產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。有了設計的要求并結合設計產(chǎn)品的概念設計就可以進行產(chǎn)品的初步設計，進而完成詳細設計。設計實施的前端設計則是虛擬裝配，這個過程中通過虛擬裝配技術，利用計算機輔助，直觀地將產(chǎn)品的結構、外表、生產(chǎn)流程表現(xiàn)出來，進而展示裝配工藝、外觀結構和使用者需求，檢驗產(chǎn)品生產(chǎn)的復雜程度，對后期的產(chǎn)品設計和生產(chǎn)提供便利。

4虛擬裝配技術在工藝規(guī)劃上的應用

市場的需求驅(qū)動著工業(yè)設計的可行性，消費者需求的滿足很大程度上取決于產(chǎn)品的設計，產(chǎn)品的設計階段尤為重要，是多種目標綜合體現(xiàn)的過程，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)品的開發(fā)流程在虛擬裝配領域得到標準的表述，需要優(yōu)化開發(fā)目標的算法，利用模糊約束與模糊目標進行優(yōu)化加權。在工業(yè)產(chǎn)品設計的工藝規(guī)劃階段加以虛擬裝配技術的應用，有助于設計出的產(chǎn)品更好地滿足市場的需求。融合虛擬裝配技術的產(chǎn)品設計工藝規(guī)劃主要在產(chǎn)品概念設計、初步設計、詳細設計、設計實施這幾個階段。產(chǎn)品的概念設計需要定義用戶的需求和產(chǎn)品的功能，并進行功能的分解，明確功能需求。初步設計階段需要通過用戶需求的定位以及對產(chǎn)品價格、質(zhì)量的預估選擇產(chǎn)品的材料和形式。產(chǎn)品的詳細設計中則需要通過虛擬裝配技術建立設計模型，模擬裝配過程對裝配工藝進行規(guī)劃并估計成本與時間。在設計實施階段，完成對生產(chǎn)方式的選擇、選擇制造過程和裝配過程控制成本和時間。并通過虛擬裝配技術的應用發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷進行再設計。融合虛擬裝配的產(chǎn)品設計在工藝規(guī)劃上減少了設計與制造之間的缺陷和瓶頸，為設計師與工程師提供了標準的語言，使設計的周期得以縮短，生產(chǎn)的效率得以提高。在設計實施具體過程中，各元素占模型大小的百分比都有嚴格的要求（如圖1所示）。

5虛擬裝配技術在設計驗證中的應用

虛擬裝配技術在工業(yè)設計的設計驗證中有重要的作用。工業(yè)設計是通過與客戶反復溝通后再設計和再修改的不斷優(yōu)化的過程，融合虛擬裝配技術，利用統(tǒng)計學的方法對驗證典型工業(yè)設計環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，統(tǒng)計各環(huán)節(jié)所用時間以縮短項目的生命周期。在工業(yè)設計的流程中，每一個環(huán)節(jié)都需要得到設計驗證，將生產(chǎn)制造的結果反饋到客戶，根據(jù)客戶的需求進行設計修改，再進行新一輪的概念設計、詳細設計與生產(chǎn)制造。因此，對于工業(yè)設計的過程來說，設計的時間周期決定項目的生命周期。利用虛擬裝配的統(tǒng)計技術能夠?qū)Ω鳝h(huán)節(jié)的時間變量進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和計算，確定影響因素，以確定工業(yè)設計的優(yōu)化方案。在設計驗證中，需要保證每個實體的安全系數(shù)，以確保工業(yè)設計的準度（如圖2所示）。

6結語

虛擬裝配技術在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用，以計算機輔助工業(yè)設計的方式對產(chǎn)品開發(fā)的設計中存在的瓶頸問題加以優(yōu)化，使得傳統(tǒng)工業(yè)設計的滯后性和市場需求得以提升。虛擬裝配技術能夠通過模擬功能定位、生產(chǎn)加工方式、成本周期預估，并在虛擬的空間內(nèi)實現(xiàn)科學的設計驗證，縮斷了產(chǎn)品設計的周期，提高了產(chǎn)品設計的效率，降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本，虛擬裝配技術在工業(yè)產(chǎn)品設計流程的工藝規(guī)劃和設計驗證中的應用對整個產(chǎn)品設計過程有著重要的作用。

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作者：李升升 單位：廣東省技師學院