复杂产品虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术

1、复杂产品虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术0引言虚拟装配技术自9 0 年代中期岀现以来，经过十多年的发展，取得了长足的进步。虚拟装配技术可以在无物理样件的情况下对产品可装 配性、可拆卸性、可维修性和装配过程中的装配精度、装配性能等进行分析、预测和验证，并支持面向生产现场的装配工艺过程的动态仿 真、规划与优化，从而有效减少产品研制过程中的实物试装次数，提高产品装配一次性成功率和装配质量。由于虚拟装配技术具有诱人的应用前景，西方工业国家相继成立了一大批虚拟装配研究机构，并开展了相关应用基础技术的研究，建 立了一批虚拟装配系统并在企业得到成功应用，取得了较大的效果1。我国自90年代末开始虚拟装配技术

2、的跟踪研究，国内清华大学的 肖田元、张林？等11；浙江大学的谭建荣、刘振宇等111；北京理工大学的宁汝新、刘检华等iv;上海交通大学马登哲、范秀敏、武 殿梁等v;华中科技大学的李世其、王峻峰等vi;哈尔滨工业大学的姚英学、夏平均等vii;南京理工大学张友良、汪惠芬V111； 西北工业大学的李原1X;北京航空航天大学的刘继红x等相继开展了虚拟装配相关技术的研究，并进行了初步的工程应用。然而，目前的虚拟装配技术主要是基于理想几何的装配过程模拟，如何推动虚拟装配技术进一步实用化方向的发展是目前虚拟装配技 术面临的最大难题。中航沈飞的郭洪杰指岀X1：虚拟装配技术的应用解决了二维工艺设计与三维产品设计不

3、衔接、工艺设计周期长优化 困难，需要实物验证等诸多弊端，但目前也存在一定的不足，虚拟装配能够发现产品设计上存在的装配干涉，但不能分析生产中较常见的 应力装配问题，对于装配误差累计的分析、装配顺序对装配应力的影响、零件制造误差对装配方案的影响等缺乏分析和预见的手段。另 外，近年来数字化预装配技术和虚拟装配技术在结构件装配仿真方面进行了大量研究，但很少同时考虑线缆和管路的装配问题。笔者结合复杂产品研制过程中的需求以及课题组十五和十一五期间在虚拟装配技术的研究成果，对虚拟装配相关技术进行了系统论 述，并指岀了虚拟装配技术深入发展方向。1虚拟装配技术相关概念内涵分析虚拟装配技术是指综合利用虚拟现实、计

4、算机图形学、人工智能和仿真等技术，在虚拟环境下对产品的装配过程和装配结果进行建 模、仿真与分析，从而达到检验、评价和预测产品的装配质量并对产品的装配顺序、装配路径、装配方法、装配资源、人因工程等相关问 题进行辅助分析和决策的技术统称。与虚拟装配技术相关的概念有虚拟现实技术、数字化预装配技术等。为了进一步理解和发展虚拟装配，笔者认为，有必要对虚拟装配 技术与其它相关概念之间的关系进行分析。1）虚拟装配与虚拟现实虚拟现实技术是一种新的人机交互技术，它允许人沉浸到计算机产生的虚拟环境中，并通过听觉、触觉、味觉、视觉等多感知模式与 虚拟环境中的物体进行实时交互。虚拟环境提供的沉浸感、交互性与实时性促进

5、了设计者直觉、想象力与创造力的充分发挥。对于虚拟装配中虚拟的确切含义，学者们则有不同的理解。有人认为，虚拟装配（V1rtual Assembly， VA）中的V 就是VR（V1 Real1ty ），强调VR 在装配仿真中的应用，强调通过虚拟现实技术的沉浸感来增强设计人员对所设计的产品或过程的理解，从而发现其中的 问题，并认为只有利用了VR 技术才能称之为虚拟。也有一部分学者从计算机仿真的角度来解释虚拟，认为只要是在建立物理样机前，采用 数字化模型和计算机仿真来进行有关产品设计与制造方面的决策，就可以认为是虚拟。笔者认为，虚拟装配技术中的虚拟应体现在以下三个方面：虚拟原型：虚拟装配研究分析的对象

6、不是产品的物理原型，而是计算机中 的数字化模型，也即虚拟原型。虚拟环境：设计人员工作在一个计算机仿真环境中，而不是一个现实的装配环境；但计算机仿真环境（或 者虚拟环境）是对现实环境在一定程度上的映射。虚拟过程：装配过程是虚拟的，而不是实际的装配过程，是实际装配过程在一个计算机 仿真环境（或者虚拟环境）中的映射。正如人们所熟知的，反映客观对象本质的模型固然会给人以真实感，但具有真实感的模型却不一定能反映客观对象的本质。虚拟装配 从本质上说是建模与仿真技术在机械装配领域的全方位应用，其力图建立与实际产品相同或相近的数字样机装配模型，在此基础上进行高 逼真度的仿真来评估与优化装配活动，使人们能够完全

7、或部分预知实际的产品装配过程和装配结果。因此，不妨认为，虚拟装配技术中的 虚拟是分层次的，计算机仿真与VR 是虚拟的两个不同层次，VR 是计算机仿真的更高发展阶段。或者说，虚拟可以从狭义和广义的角度来 理解，狭义的虚拟是指采用了VR技术的虚拟，广义的虚拟是指建立在实际系统前，利用计算机仿真环境和数字化模型来进行相关设计和制 造活动，就可以称之为虚拟。2）虚拟装配与数字化预装配自从戈尔在1 9 9 8年提岀数字地球概念以来，冠以数字的概念多如牛毛，在机械装配领域岀现了数字化预装配概念。迄今为止，还没有一个大家公认的数字化预装配的定义。数字化技术是指利用计算机软（硬）件及网络、通信技术，对描述的对

8、象进 行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析、综合优化，从而达到精确描述和科学决策的过程和方法X11 。数字化技术具有描述精度 高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点。笔者认为，数字化预装配可理解为在产品数字化定义的基础上进行产品装配过程 模拟，其强调产品数字化模型表达的精确性和无二义性，主要解决产品的可装配性与一致性协调的问题，并获得具有良好可装配性设计的 产品。虚拟装配技术继承和发展了数字化预装配技术，虚拟装配也是在计算机上实现实际装配，但它强调的是通过建模和仿真技术来实现 实际装配在计算机上的本质实现，更注重从过程和物理特性的角度实时地模拟装配现场和装配过程中可能岀现的各种问

9、题和现象，并预先 提岀各种控制与优化策略，从而最终实现产品的科学装配和预测性装配。当然，各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉、互为补充的。 没有必要也不可能用一个技术替代另一个，准确地把握其内涵，促进其良性发展才是所有技术发展的必由之路。2虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术的工作流程结合虚拟装配技术的内涵和国内外的发展现状，从推动虚拟装配技术来解决复杂机电产品装配工程实践中的难点来看，还需重点解决 以下问题：1）改变目前虚拟装配技术主要基于理想几何的现状，突破以精度和物性为核心的虚拟装配过程仿真相关关键技术，实现对产品装配精 度和装配性能的预分析；2）改变目前虚拟装配技术主要针对刚性结构件开展

10、研究的现状，突破柔性线缆和复杂管路的布局、装配规划与信息管理相关关键技 术，为解决长期困扰线缆和管路的设计、施工和管理集成难的问题提供有效途径。针对生产现场的需求和虚拟装配技术的发展趋势，笔者提岀了一种集精度、物理特性以及结构件与线缆管路仿真分析一体化的虚拟装 配过程模拟与装配质量方法。所谓一体化的虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术，主要是从生产的实际问题岀发，建立面向现场的真实 感环境，通过综合考虑工装夹具、装配精度和装配物理特性（质量、质心和转动惯量等）、机构运动学仿真、线缆和管路及结构件交叉装 配等一体化的虚拟装配过程仿真与分析，实现在实物试装前预知产品最终的装配质量，其中虚拟装配过程仿

11、真与分析方法是手段，实现装 配质量预测是目的。按照使用人员的不同，该方法分为装配工艺规划和装配车间应用两部分内容，如图1所示。装配工艺规划部分主要从工艺设计的角度， 利用虚拟环境下的人机交互、带物性和公差的装配过程仿真、带工装的装配工艺规划等技术来设计可行且优化的装配工艺，并最终输岀各 种工艺报表和装配过程动画。装配车间应用部分主要以提高装配过程中的质量和装配现场管理现代化水平目标，采用基于遗传算法的选 配、装配现场的工艺可视化等技术来提高产品装配质量和现场的管理水平。该方法的工作流程如下：步骤1:装配工艺设计人员首先对来自CAD 设计模型数据（包括零部件模型、工夹具模型）进行转化，并建立虚拟

12、环境下的产品数字 化模型。步骤2:工艺设计人员在虚拟环境下，采用集精度、物理特性以及结构件与线缆管路仿真分析一体化的虚拟装配过程仿真方法，进行 零部件的装配序列和装配路径的规划。在交互式规划过程中，人是主导，通过所构建的虚拟装配环境，工艺设计人员可以从不同角度最直 观地观察零部件的空间结构，根据自己的装配经验，利用各种人机交互设备来操纵虚拟环境中的零部件和工、夹具，建立零部件的装配顺 序和装配路径。在装配过程中，系统将同时对装配序列和装配路径等装配过程信息进行记录，并对装配规划过程进行实时监控，通过动态 检测干涉、约束自动识别、运动学仿真、物性和精度分析等手段确保装配工艺过程的可行性。步骤3:

13、对于所建立的装配序列和装配路径，装配规划人员可以进行编辑、修改和优化，以获取较优的结果，同时装配规划人员还可 以对装配结果进行分析、评价。最后系统根据调整后的装配序列和装配路径输岀装配过程动画以及各种装配工艺报表。步骤 4:装配现场的装配工人通过装配现场软件，获取当前的装配任务和配套报表，进行现场装配。在装配过程中，通过工艺可视化 技术，可随时提取所需的装配过程动画、标准装配工艺卡，工序简图等工艺信息进行装配现场浏览，从而快速准确地理解装配工艺。同时 对关键配合环节，通过带实测值的选择装配技术，提高一次装配成功率和装配精度。基于以上的工作流程，该一体化的虚拟装配过程模拟与装配质量预测方法首先需

14、解决CAD 系统与虚拟装配系统间的数据转换问题，其 次必须建立考虑工装和现场环境的装配工艺过程仿真环境，并突破虚拟环境下的装配精度预分析、基于物理属性的物性分析及运动学仿 真、柔性线缆建模与布局设计及敷设过程仿真、复杂管路布局设计与安装过程仿真等关键技术，本文结合已开展的部分研究工作，重点从 上述几个方面讨论相关技术的实现技术。3 CAD系统与虚拟装配系统间的数据转换在虚拟装配系统中，为了满足系统的实时性要求，零部件通常由简化的多边形面片模型（通常为三角形面片模型）来描述的，而不是采用CAD 系统（例如Pro/EngineerTM）中的精确几何和拓扑描述。由于虚拟装配环境中与CAD 环境中零部

15、件描述方法的差异，CAD 系统 虚拟装配系统间通常需要进行数据转换。目前常用的数据转换方式有：直接转换模式：即直接利用CAD 系统提供的多边形面片模型标准 转换接口（例如VRML）进行产品模型的转换。但是这种只传递多边形面片模型的方式往往会造成零件拓扑信息、精确的几何信息以及几何 约束、设计历史等信息的丢失。基于专用接口的转换模式：即利用CAD 系统提供的二次开发工具包（例如Pro/EngineerTM 的 Pro/Toolkit），将CAD 系统中零件的设计信息以可扩充的中性文件形式进行表达，并将相关数据在虚拟装配系统中进行数据重构。直接转换模式的不足之处如下：针对每一个CAD 系统都需要开

16、发相应的数据转换接口，工作量大且通用性、开放性差；只实现了 CAD 系统与虚拟装配系统之间的单向数据传递，虚拟装配系统中直接生成的零件模型（例如线缆、管路模型）不能导入到CAD 系统中。针 对CAD 系统与虚拟装配系统之间的数据集成问题，笔者提岀一种基于标准数据格式的信息集成方法。其数据转换过程描述如下：步骤1:将CAD 系统中的零件模型通过标准数据格式（例如STEP、ACIS ）导岀；步骤2:VA 系统通过一个桥梁模块（标准数据/VA 桥梁模块），将标准数据格式的零件模型数据直接导入到VA 系统中°VA 系统中的 零件模型由三部分组成：精确模型，用于保存零件精确的几何、拓扑以及工程

17、设计信息。零件精确模型直接采用STEP或ACIS模型，VA 系统通过桥梁模块可直接调用零件的精确几何与拓扑信息。显示模型（面片模型），用于VR 渲染和显示，显示模型是在STEP 或ACIS模 型上直接离散生成。同时通过桥梁模块建立了显示模型与精确模型之间的双向映射关系。通过这种映射，VA系统在进行渲染和显示时采用 的是零件多边形面片模型，可满足VA 系统实时性要求，而在虚拟装配环境中进行其它工作时，根据需要又可以充分利用零部件的精确几何 与拓扑信息。碰撞模型，是用于碰撞检测计算，由面片模型生成。步骤3:VA 系统中产生的线缆与管路实体模型，通过桥梁模块转换成标准数据（如STEP ）后，再导入到

18、CAD 系统中，从而可有效实现 VA系统向CAD系统的数据传递。4 虚拟装配工艺规划技术由于装配问题的复杂性，复杂机电产品的装配工艺规划一直是其设计制造一体化中的薄弱环节。目前在复杂机电产品的装配工艺规划 方法方面，主要还停留在以实物试装和填卡片式的工艺文件直接编辑的方法。虽然利用计算机和人工智能技术可以建立装配关系模型并通 过规则推理自动生成产品装配序列，但由于xiii :（1）随着产品所包含的零件数目增多，可能的装配序列数目会岀现组合爆炸；（2）目前人工智能技术的发展水平还很难将装配工艺规划人员的知识和经验抽象成具体规则；（3）实际装配中，操作人员的工作环境和现场管 理水平将对装配工艺产生

19、重要影响。虚拟装配工艺规划技术的岀现，为从几何、物理、过程等多方面研究装配工艺规划和改变目前复杂机 电产品的装配工艺规划技术相对落后的现状提供了一条有效的途径。虚拟装配工艺规划是指针对产品的装配工艺设计问题，基于产品信息 和装配资源信息，采用计算机仿真与虚拟现实技术进行产品的装配工艺规划，从而获得可行且较优的产品装配工艺，指导实际装配。虚拟 装配工艺规划主要包括产品装配顺序的规划、装配路径的规划、装配资源的规划、装配工艺卡片和各种装配工艺报表的生成等内容。虚拟装配工艺规划的工作流程，其主要分为四个阶段，即模型数据获取阶段、面向生产现场的装配车间建模阶段、初始装配工艺生成 阶段、装配工艺后处理阶

20、段XIV。模型数据获取阶段：对来自商品化三维CAD 系统（如Pro/E,UG 等）的设计模型数据（主要包括零部件、工具、夹具和吊具模型等） 进行转化，获得虚拟装配工艺规划系统中所需的标准数据格式模型。面向生产现场的装配车间建模阶段：利用人机交互式的车间布局技术，建立与装配现场高度相似的虚拟场景，该场景中包括待装配的 零部件、工具、夹具、吊具、操作台等。初始装配工艺生成阶段：基于建立的虚拟装配车间，人机交互地对产品的虚拟模型进行装配仿真，以建立和分析产品各零部件的装配 顺序、装配路径、并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性，并以此形成产品的初始装配工艺（主要包括装配顺序、装配路径、装配动 画、以

21、及装配过程中用到的工夹具等工艺信息）。初始装配工艺生成阶段是虚拟装配工艺规划系统的核心，主要涉及到的关键技术包括： 实时碰撞检测技术、虚拟环境下的零部件精确定位技术、虚拟环境下基于约束的物体运动导航等，其具体实现方法详见文献xv。图4为 某发动机的装配仿真结果。装配工艺后处理阶段：在上一阶段形成的初始装配工艺的基础上，补充和完善产品的装配工艺信息，从而形成 较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片，同时生成配套清单、工装清单、辅助材料清单等工艺报表。与传统的装配工艺规划方法相比，虚拟装配工艺规划的主要特点是： 虚拟性虚拟装配工艺规划强调充分利用计算机仿真与虚拟现实技术来进行产品的装配规划。特

22、别是虚拟现实技术的应用，为复杂产 品的装配规划提供了一种直观、高度逼真、自然的交互环境，人可以沉浸到其中，与环境中的各种虚拟物体融为一体，直接对虚拟原型进行交互操作，并实时地观察装配过程及其产生的效果，这种工作方式改变了传统的装配工艺规划工作模式，最大限度地发挥了人的智慧和 创造力。 协同性虚拟装配工艺规划强调人机协同地进行装配规划，这种协同，是指在人和机器间建立的一种新型的、各发挥所长的人机一体 化系统的协同。所谓人机一体化系统XVI ，就是采用以人为中心，人机一体的技术路线，人与机器处在平等合作的地位上，共同组成一个 系统，各自执行自己最擅长的工作，取长补短，共同认识、共同感知、共同思考、

23、共同决策等。其核心就是强调人在系统中的重要性、以及人的主导作用。 集成性 虚拟装配工艺规划是一种面向装配过程的装配规划技术，实现了装配建模、装配仿真和装配工艺规划的有机集成。装配建模 的结果，不但获得了产品的初始装配工艺，同时还获得了产品可装配性等方面的信息。5平面机构闭环装配与运动仿真分析平面连杆机构在现代机械工程中的应用最为普遍，复杂机电产品装配过程中往往涉及到平面机构 （例如卫星舱门）的装配，因此如何实现虚拟环境下的平面机构闭环装配，并进行平面机构运动仿真以确保机构的运行无干涉，是虚拟装 配需要解决的关键技术之一。所谓平面机构闭环装配，即完成欠约束的平面机构的装配。如图5所示的四杆机构，

24、如何将杆4 连接到机架1上。如图可知，如果保 持杆2,3 不动，是无法实现杆4 的装配，只有通过杆3,4 的复合运动，或者杆2,3,4 的复合运动才能完成杆4 的装配。机构的闭环装 配问题可以归结为已知终止位置的机构运动目标，求解机构所有构件的空间位姿问题。如图5所示，即当已知杆4的末端终止位置时，求 解杆2,3,4的空间位姿的问题。机构闭环装配属于机构的运动仿真技术范畴，实现了机构的运动仿真，机构的闭环装配问题也将得到妥 善解决。目前对平面机构进行运动仿真模拟及运动学分析的算法主要有两种：即基于多刚体系统动力学和基于几何求解两类XVI 1。基于 几何求解的机构运动学分析的基本思想是：按照某种

25、规律将机构分解为一系列的基本单元，通过对各个基本单元的运动规律的研究来间接 实现对整个机构的分析。利用几何法对机构进行运动学分析，避免了非线性方程组的求解过程，只需针对基本单元进行运动规律的分析， 并建立基本杆组算法库以备调用。但利用几何法求解机构各构件的速度和加速度时，却不如多刚体系统动力学求解线性方程组方便。并 且，利用几何法对机构进行运动学分析时需要建立庞大的算法库。基于多刚体系统动力学的机构运动学求解的基本思想是：建立由各构件 位姿约束方程的非线性代数方程组以及速度约束方程和加速度约束方程的线性代数方程组。利用牛顿-拉夫森迭代法求解机构的广义坐标、 广义速度和加速度。但由于利用多刚体动

26、力学方法建立的约束方程十分复杂，同时利用牛顿-拉夫森迭代对初值的选取要求很高，求解过程 容易产生不收敛，并且对求解结果还需要进行补偿，计算量大。综合比较上述两种求解方法的优缺点，提出采用多刚体系统动力学进行机构的运动学分析的方法。基于多刚体系统动力学的机构运动 学分析包括两种：1）基于拉格朗日坐标的运动学分析。2）基于笛卡儿坐标的运动学分析。其区别在于前者是相对于不同的动参考系来定 义刚体的位形，而后者则是相对与同一个总体坐标系来定义。对于复杂机构的分析而言，基于笛卡儿坐标的运动学分析方法更有利于通用 程序的实现，其基本思想是通过建立约束方程并对其求解来完成机构运动参数的计算。约束方程分为三类

27、：1 主约束方程。此类方程是通 过以运动副为基本分析单元而建立的约束方程，即通过运动副的类型，分析相连的两个构件之间的运动参数关系而建立的约束方程。2 驱 动约束方程：其通过对机构进行运动分析时施加的驱动条件而建立的约束方程，如电机的转数，驱动力等。3 .常约束方程。机构中有些零 部件在运动过程中位姿固定不变（如机架），针对这些零部件固定不变的描述坐标而建立的约束方程称为常约束方程。这三类方程共同组 成了基于笛卡儿坐标系的多刚体动力学运动学分析的总约束方程。通过求解总约束方程得到机构广义坐标参数。对总约束方程进行求导得 到总速度约束方程，对总速度约束方程求导得到总加速度约束方程。通过求解这两类

28、方程组得到机构的广义速度和广义加速度，从而完成 机构运动学分析。基于多刚体系统动力学进行机构的运动学分析的解算具体步骤为：确定机构的机架和主动件，并满足：机构的自由度=主动件个数。根据机构的运动副信息建立机构主约束方程。根据机架数量建立常约束方程。根据机构自由度建立相应数量的驱动约束方 程。通过求解由机构主约束方程、常约束方程和驱动约束方程组成的总约束方程，获得机构广义位姿信息。对总约束方程求导得到总 速度约束方程，求解总速度约束方程获得机构广义速度信息。对总速度约束方程求导得到总加速度约束方程，求解总加速度约束方程得 到机构广义加速度信息。输岀计算结果。图7为虚拟装配系统中机构运动仿真及计算

29、结果中位移曲线输岀界面。用户在虚拟环境中完成 机构的装配后，将运动仿真过程中固定不动的零部件设置为机架，则系统会自动调用独立机构搜索算法，计算场景中独立运动机构的个数（图7中有3个独立运动机构）并将相应的零部件和运动副属性存储在对应的独立运动机构数据结构中，然后调用运动学分析算法进行计 算并给岀计算结果。通过实例分析得岀，基于多刚体系统动力学进行平面机构的运动学分析方法完全能满足虚拟现实系统的实时性要求。6装配精度预分析技术复杂机电产品研制过程中常常采用修配法或调整装配法进行产品装配，因此，如何对装配误差累计进行分析， 在产品实际装配之前预测产品最终的装配精度，并提前设计岀合理可靠的装调方案，

30、是装配工艺师在装配工艺设计中需要解决的核心问题 之一。目前国内外的虚拟装配技术大多基于公称尺寸的模型数据，没有考虑公差信息的影响，导致现有的虚拟装配系统基本上无法预测装 配误差的大小及由于装配误差引起的装配质量问题。因此，对虚拟环境下的带公差的产品建模技术和装配精度预分析技术的研究是推进虚 拟装配技术实用化的关键之一。建立虚拟环境下的产品精度模型是实现带公差的虚拟装配的前提。在产品装配过程中，由于零部件自身制造偏差、各个工位上装配的 定位偏差，以及由于人工、设备、环境等随机因素引起的偏差在装配过程中发生耦合、积累和传播，形成产品最终的综合偏差。因此，虚 拟环境下的产品精度模型，不仅需要考虑零部

31、件的设计精度信息（包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度信息）、实际制造精度信息（零 件加工后的实测值），还要考虑零部件装配顺序、装配定位方式等信息。因为涉及到零部件的装配顺序与工装操作等信息，所建立的虚拟环境下的产品精度模型是一个面向装配过程的产品精度模型，如图8 所示。每个产品被描述成是由一个装配任务序列来实现的，装配任务在装配历史链表中的先后位置表达了其所装配的组件的装配顺序。每 一个装配任务，又包含一个的夹具调整、工具装配空间检测等装配操作链表。由于每个装配任务都对应一个唯一的装配对象（组件），通 过该装配对象，可以获得产品的装配组成关系和层次结构关系。同时，一个零件由若干个装配特征组成，

32、一个装配特征又由若干个几何面 （或几何元素）组成，几何面包括平面、柱面、球面、锥面、环面和曲面（又分为规则曲面和不规则曲面）等，每一个几何面由若干离散 化的多边形面片组成。装配尺寸链包含封闭环和组成环。几何精度包括尺寸精度、形位精度和表面粗糙度，同时几何精度与相关的几何面 进行关联。每个零件包含一个几何精度链表。映射机制则将零件所有几何精度信息与相应的几何元素关联起来，并可实现自上而下和自下 而上的双向快速查询。图9为虚拟装配系统中进行公差建模的软件界面，界面中右边的结构树中显示了每个几何面所包含的精度信息。虚 拟环境下的产品装配精度预分析是指利用虚拟现实技术，在产品工艺设计阶段或装配实施阶段

33、，根据产品公差设计值或零件加工后的实测 值，对产品的装配精度进行预测与控制的技术统称。其核心思想是在复杂产品实际装配前，通过带精度信息的产品装配过程仿真，分析并 预测产品最终的装配精度，并提岀合理的装调优化方案。虚拟环境下的产品装配精度预分析方法主要包括试装法、修配法、调整法和选择装配法等。（1）试装法：在虚拟环境中，采用多种可行装配方案进行试装配，预测不同加工偏差零件组合时的产品装配精度，并进行分析比较， 从而可选取获得最优装配精度的装配顺序与零件组合。（2）修配法：修配法即现场装配时对其补偿环零件的尺寸进行修配，使封闭环达到设计要求的方法。补偿环零件一般选择易于加工且 易于拆装的零件。虚拟

34、环境下的产品装配精度预分析方法，可根据零件实测值进行试装配，实时计算分析修配量的大小，用于指导现场装配。（3）调整法：调整法即用改变补偿环的实际尺寸或位置，使封闭环达到设计公差与极限偏差的要求的方法。一般以螺栓、斜面、挡 环、垫片或轴孔连接中的间隙等作为补偿环。虚拟环境下的产品装配精度预分析方法，可通过零件实测值的预装配分析，实时计算调整量的大小，指导现场装配。（4）选择装配：选择装配方法主要针对中、小批量产品，通过对待装配零件的检测、挑选，有选择性地进行装配，以达到较高的装配 精度的一种装配方法。7基于物理属性的虚拟装配技术基于物理属性的虚拟装配技术，主要指构建与实际产品相同或相近的虚拟样机

35、物理模型，在虚拟环境中直观分析装配变形、装配力等 因素对产品装配质量的影响，解决虚拟样机在各种工况下运动、受力等物理仿真问题。目前，虚拟环境下的产品物理属性建模与基于物理属 性的装配过程仿真是影响虚拟装配技术实用化的瓶颈之一，也是解决虚拟装配技术仿而不真问题的关键因素之一。基于物理属性的虚拟装 配技术研究模型如图11所示，分为属性建模、行为建模、工程应用三个层次。属性建模层主要包括零部件物理属性建模和基本物理属性计 算。零部件的基本物理属性有材质、质量、质心、转动惯量、速度、加速度、动量、作用力、扭矩、温度、接触面特性等物理属性。基本 物理属性的计算包括零部件基本物理属性的计算与确定方法，包括

36、零部件的转动惯量计算、重心等物理属性的计算，从而为整个虚拟环境 下装配过程的物理性能仿真与分析奠定数据基础。行为建模层是指虚拟装配仿真中涉及到的零部件行为建模的技术。产品装配过程中，零 部件间会发生接触和运动，这种接触和运动将引起变形和产生相互作用力。零部件行为建模就是研究产品装配过程中的物理属性如何影响 装配行为。行为建模主要包括接触建模、稳态分析、碰撞检测、动态响应等。接触建模是利用接触力学知识研究零部件接触特性行为。稳 定性分析是指装配过程中实时判断装配状态是否能够处于稳定状态，并分析处于稳定状态时零部件间的相互作用力。碰撞检测与响应包括 零部件在装配过程中与其它零部件以及环境的碰撞检测

37、算法，并依据碰撞检测结果进行响应，它影响装配仿真过程真实性，是进行装配可 行性分析、工具空间检测等研究的重要基础。工程应用层主要是将基于物理属性的虚拟装配与实际的工程实际情况相结合，从而解决实际工程中的问题，主要包括装配仿真、可装 配性分析、装配性能分析、人机功效分析等。基于物理属性的装配过程仿真是根据零部件的物理属性，在仿真过程中实时计算零部件的装配力和装配特性。基于物理属性的装配过程仿真能够克服基于几何的装配过程仿真的不真实感，十分真实的模拟实际的装配过程。在装配过程中，由于考虑了零部件的物理属性 （例如由于自身重力和与其它零部件的摩擦与碰撞等行为），那么VA 系统会根据重力大小、摩擦与碰

38、撞状况进行计算分析，并将力和碰撞 信息通过传感装置实时反馈给操作者。当前正在装配的零件在重力作用下向下运动，当零件与已装配零件发生碰撞后，在碰撞力、重力和摩擦力等的共同作用下达到稳定状8线缆布线设计与装配仿真技术线缆在航空、航天、汽车、船舶等复杂机电产品中占有很大的比重。目前商品化三维CAD 软件（例如 Pro/E、CATIA 等）虽然提供了三维布线功能，但不能实现线缆的装配过程进行仿真，而且装配中如何根据空间约束合理地走线，并综合考 虑运动干涉、捆扎、固定以及线缆和结构件交叉装配等诸多因素。另外，机电系统中还存在一类特殊的线缆，其连接的部件在工作中处于 运动状态。例如多轴稳定平台广泛应用于导

39、弹、机载吊舱、卫星等高技术武器系统中，其上所搭载的CCD 摄像机、红外成像仪、激光测距 仪、雷达天线等设备都要随平台一起运动，这些设备所属的线缆就也要随平台一起运动。此类活动线缆的布局设计和装配工作除具备静态 线缆的复杂性之外，还要面临特殊的问题。在几何表达方面，由于活动线缆的位形在工作中发生变化，传统的静态布局设计难以表达其运 动所需空间和长度，更无法对其进行分析和优化；在物理作用方面，运动过程中线缆自身也会由运动引发过弯曲损伤、疲劳断裂等。因为缺乏有效的方法和工具支持，目前复杂产品中的线缆的装配主要还是依靠现场装配工作人员的经验，由此造成的线缆装配过程不 规范、一致性差及接插件可靠性问题已

40、成为影响机电产品装配质量的一个重要因素。虚拟装配技术为线缆的三维布局设计与施工过程仿真提供了良好的人机交互环境，借助于虚拟现实技术提供的沉浸式环境，工艺设计 人员可以综合考虑装配空间的制约、装配工具的使用、结构件的装配、线缆的捆扎方式等，从而为解决长期以来线缆的设计、施工和管理 集成难的问题提供了一种可行的技术途径。线缆作为一种典型的柔性体，为解决其布局与装配仿真问题，需要着重解决四个方面的问题：（1）线缆建模：虚拟环境下的活动线缆建模需要从两方面入手，一是几何建模，二是物性建模。几何建模指建立一个能精确地表达线缆 的几何外形及其拓扑关系的模型，该线缆模型不仅要高度逼近真实线缆的几何形状，而且

41、要便于虚拟环境下的线缆布线操作以及对布线操作过程信息的记录。线缆的几何建模采用离散控制点建模方法，所谓离散控制点建模，就是将柔性线缆简化成由一系列截面（通常为圆截 面）中心点相连而形成的空间连续矢量化折线段，将这些中心点作为线缆空间位姿的控制点，通过人机交互技术对这些控制点进行操作控 制来实现线缆的动态布局和优化XVII 1。由于线缆的实际长度很难事先预测，因此，可以采用基于离散控制点的变长模型，即在线缆布线 过程中线缆的长度是动态变化的，待线缆布线完毕后，根据线缆的不同结构特性和性能参数自动地计算岀线缆的长度，并以接线表和接头 BOM 表的形式输岀。图13所示为虚拟装配系统中线缆布线结果。物

42、性建模是指构造线缆的力学模型来反映其在受到外力作用时发生的位置 和形状改变，具体包括用表达式描述变形与负载之间的本构关系，并通过相应的数学模型推导岀线缆受力时的平衡方程。线缆变形后可能 呈现蜿蜒、缠绕、扭结等复杂的几何形态，为了满足实时性与工程应用的需求，线缆的几何表达应尽可能简单，在刚性截面假设基础上， 其几何形态可由截面沿中心线的移动和转动所体现，即将其作为一条空间曲线进行研究。线缆的材料特性复杂，获取完全真实的力学模型 较困难。同时，虚拟装配中若采用完全真实的力学模型，计算量过大，将严重影响实时性。细长的线缆在一定的载荷下即使应变很小，也 会产生超大变形的整体效果，例如平移、弯曲、旋转。

43、反过来说，尽管其位移和截面的转动相当大，但应变很小，甚至还保持在材料的弹 性应变范围之内，因此，仍可将其本构关系抽象为弹性关系。针对活动线缆所特有的大变形、小应变的特点，提岀以弹性细杆为力学模型实现虚拟环境下的线缆物性建模。（2）线缆布线与优化：从线缆布线与电磁兼容性能的关系、线缆布线与产品可靠性及可维护性的关系、线缆自身结构与可靠性的关系 三个方面入手，在保证线缆布线过程中与其它结构件无干涉的前提下，通过对线缆模型的拖拽、旋转、平移、捆扎、固定等操作，实现快 速的线缆布线设计；（3）活动线缆的运动仿真与优化布局：以线缆静态布线设计结果为输入，对线缆装配到产品后的运行过程中活动线缆的运动轨迹进

44、行 求解，并基于活动线缆的运动仿真结果优化活动线缆的固定方式和自由长度。（4）线缆的动态特性与耐疲劳特性分析：建立线缆的有限元模型并进行模态分析与瞬态响应分析，并将分析结果导入到虚拟环境中， 以便在虚拟环境下对线缆布局结果进行综合分析。（5）线缆布线工艺数据管理：通过对线缆模型以及布线过程数据的记录、处理、统计和输岀，实现电气设计数据向工艺数据的转化， 以达到指导实际生产过程的目的。结合复杂产品的电气系统的研制流程，建立了虚拟环境下线缆布线设计、装配工艺规划与安装过程仿真流程，如图14 所示，主要包括 五个阶段：线缆数字化建模与布线设计、线缆长度估算、线缆运动学建模、线缆装配工艺规划与线缆安装仿真、活动线缆动态特性和耐疲 劳性分析。9管路的布局设计及其工艺规划管路装配问题与线缆装配问题有很多相似之处。传统的管路施工主要是采用现场取实样进行弯曲和装 配的生产方式，这种利用实样模拟量传递信息的方式很难保证无应力装配和可靠性装配的要求，并且造成装配过程的不规范和装配过程的 返工。为导管的虚拟装配技术可为管路布局