时间：2023-03-28 15:05:00
序论：在您撰写虚拟装配技术论文时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
【关键词】Unity3D；HTML；脚本；交互；虚拟装配
1、引言
Unity3D不只是单纯的游戏引擎，而是已经涉及到多种不同领域的一个跨平台的三维游戏与虚拟现实开发工具，该工具支持多脚本语言以及强大的物理引擎等特点。论文通过研究Unity3D与HTML交互机制，实现场景中对象的动态交互行为，也就是控制各装配体的装配顺序并实现碰撞检测、零件实时编辑等功能，从而使得整个装配过程具有逻辑合理性和可控制性。
2、Unity3D与HTML交互机理
2.1 Unity3D浏览器调用HTML网页中的函数
Unity3D浏览器通过执行Application.ExternalCall（）来调用任何在HTML网页里定义JavaScript函数，比如下面一句调用了HTML网页里SayHello（）函数，并传递了一句话作为参数。
Application.ExternalCall（ "SayHello"， "The game says hello！" ）；
2.2 HTML网页调用Unity3D浏览器中的脚本函数
Unity3D 浏览器的插件或ActiveX控件都有一个SendMessage（）的函数，HTML网页通过这个函数与Unity3D进行通信，通过该函数可以传递对象名、函数名以及简单参数，然后SendMessage（）就会调用Unity3D中GameObject上绑定的函数。在调用SendMessage（）函数之前，必须先得到Unity Web Player的引用。这里可以使用JavaScript 对象Document的getElementById（）函数来获得该引用。
3、减速器虚拟装配的实现
3.1交互界面设计
交互式虚拟装配的重点不仅在于产品虚拟装配的过程，还在于它可以与用户进行实时交互。系统界面分为两部分：网页中为利用HTML提供的控件加入按钮、列表框、滚动条、文本区、标签等；Unity3D浏览器中为利用Unity提供的GUI接口加入按钮、窗口、标签等控件分别实现了减速器装配体的自动装配、手动装配、原理演示、零件查看、零部件实时编辑等功能，充分实现用户参与下的人机实时交互。
3.2碰撞检测及装配顺序规划
虚拟装配是一个实时交互系统，如用户可以在虚拟场景中用鼠标选取装配体的零件进行拆装。Unity3D引擎本身提供了基本形体的碰撞器，通过PhysX物理引擎自动检测碰撞。根据Unity3D碰撞器提供的OnCollisionEnter方法，获得相关碰撞信息，然后由它继续调用其他处理过程（相对位置检测、碰撞检测等），实现手动装配过程。
虚拟装配过程中零件拆装顺序的检测也是一个关键问题，用户选择零件正确与否直接决定该零件是否进行拆装。系统为每一个零件定义一个唯一识别拆装顺序的顺序号，当用户选择某一零件后，调用相应的拆装顺序检测模块进行比较当前选择零件的顺序号与系统预定的顺序号是否一致决定拆装是否进行或者根据零件间的位置约束关系判断某零件当前是否可以移动来决定拆装是否进行。
3.3 装配体零件的任意移动及实时编辑
在虚拟装配中，用户对场景中零件的选取及操作（位移、颜色等的实时修改）是交互性最充分的体现。当用户在虚拟场景中用鼠标点击或指向某一零件时，系统应该做出响应，如被指向或点击的零件应实时改变颜色或弹出对话框提示用户等。Unity3D的GUI接口提供了各种控件可以非常方便的编辑一些按钮、窗口等用户界面，通过重写鼠标事件可以检测用户的各中输入信息并作出正确的响应。通过变换组件可以完成产品的平移和任意角度旋转操作以及装配体零件某一方向比例变换。
4、结论
本文对基于Unity3D的虚拟装配相关技术进行了研究，并实现了在用户参与的人机界面下的虚拟装配实例。对在虚拟装配过程中零件的碰撞检测、装配顺序规划、零件选取及实时编辑等功能的实现提出了有效的方法，具有一定的参考价值。
【参考文献】
[1]郭海新.Unity3D与HTML交互机理的研究[J].煤炭技术，2011（09）.
关键词：计算机应用;装配规划;综述;虚拟现实;软计算;协同装配
装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。写作毕业论文装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。
较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。
随着计算机集成制造CIMS和并行工程CE技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80年代初，出现了对计算机辅助装配规划(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技术的研究。到目前为止，CAAP经历了几个不同的发展阶段，出现了4种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。
1经典装配规划方法
早期CAAP的研究侧重于装配序列的规划，以产品CAD装配模型为基础，写作硕士论文一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1所示。
1.1产品装配建模
产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。
矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。
1.2装配序列推理和表达
基于联系图模型，Bourjauct采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，写作医学论文随后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N)(N为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。
1.3装配序列评价和选择
装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，写作职称论文而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间(包括子装配体的操作时间、运输时间等)、整个装配成本(包括劳动成本、夹紧和加工成本)、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。
更多的经典装配规划方法研究文献可以参见TexasA&M大学Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。
2虚拟装配规划方法
虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2为虚拟装配规划的工作步骤。
国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)为代表，写作英语论文通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的CAD系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。
国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面
向装配设计系统（VirDFA）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（VIRDAS）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（VAT），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。
应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。
3装配规划软计算方法
1994年，Zadeh教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（softcomputing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。
3.1装配规划神经网络方法
神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，写作留学生论文单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。
Hong和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。
3.2装配规划模拟退火算法
模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。
Saeid等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。Hong和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。
模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。
3.3装配规划遗传算法
在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。写作工作总结遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3为装配规划遗传算法的一般流程。
装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3段编码，第1段表示参与装配的零件编号，第2段表示零件的可行装配方向，第3段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；Guan等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。
理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限
多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。
4协同装配规划方法
装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison大学[31]提出网络环境下的电子化装配（e-Assembly），探讨在Internet/Intranet上利用3D模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3D交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D系统，利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，Visualizer模块为用户在Web平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ATS项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用VRML作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的VRML仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。
Web环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以VRML为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web环境下3D交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于VRML-Java实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。
5结论与展望
CAAP的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。
跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。
参考文献
[1]苏强,林志航.计算机辅助装配顺序规划研究综述[J].机械科学与技术,1999,18(6):1006~1012.
[2]石淼,唐朔飞,李明树.装配序列规划研究综述[J].计算机研究与发展,1994,31(6):30~34.
[3]牛新文,丁汉,熊有伦.计算机辅助装配顺序规划研究综述[J].中国机械工程,2001,12(12):1440~1443.
关键词：计算机应用; 装配规划; 综述; 虚拟现实; 软计算; 协同装配
装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。毕业论文 装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。
较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。
随着计算机集成制造CIMS 和并行工程CE技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80 年代初，出现了对计算机辅助装配规划(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技术的研究。到目前为止，CAAP 经历了几个不同的发展阶段，出现了4 种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。
1 经典装配规划方法
早期CAAP 的研究侧重于装配序列的规划，以产品CAD 装配模型为基础，硕士论文 一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1 所示。
1.1产品装配建模
产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct 提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3 种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。
矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。
1.2装配序列推理和表达
基于联系图模型，Bourjauct 采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，医学论文 随后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR 图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N) (N为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。
1.3装配序列评价和选择
装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，职称论文 而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间 (包括子装配体的操作时间、运输时间等 )、整个装配成本 (包括劳动成本、夹紧和加工成本 )、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。
更多的经典装配规划方法研究文献可以参见Texas A&M 大学Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。
2虚拟装配规划方法
虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2 为虚拟装配规划的工作步骤。
国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)为代表，英语论文 通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的CAD 系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。
国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面
向装配设计系统（VirDFA）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（VIRDAS）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3 个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（VAT），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。
应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。
3 装配规划软计算方法
1994 年，Zadeh 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（soft computing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。
3.1 装配规划神经网络方法
神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，留学生论文 单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。
转贴于 Hong 和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled 神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。
3.2 装配规划模拟退火算法
模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。
Saeid 等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。Hong 和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。
模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。
3.3 装配规划遗传算法
在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。工作总结 遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3 为装配规划遗传算法的一般流程。
装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3 段编码，第1 段表示参与装配的零件编号，第2 段表示零件的可行装配方向，第3 段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；Guan 等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5 种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith 等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。
理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限
多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。
4 协同装配规划方法
装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison 大学[31]提出网络环境下的电子化装配（ e-Assembly ），探讨在Internet/Intranet 上利用3D 模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3D 交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D 系统，利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，Visualizer 模块为用户在Web 平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ATS 项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用VRML 作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的VRML 仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。
Web 环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以VRML 为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web 环境下3D 交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于VRML-Java 实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。
5 结论与展望
CAAP 的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。
跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。 参考文献
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[3] 牛新文， 丁汉， 熊有伦. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 中国机械工程， 2001， 12(12):1440~1443.
【关键词】虚拟装配技术,汽车变速箱设计,应用技术
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
随着市场竞争的激化，产品开发已经成为了企业的竞争力和发展必要的手段。在产品开发时，我们要完善设计技术，降低产品的成本和生产周期。虚拟装配技术就很好的满足了这个要求。
二、虚拟装配技术研究现状
国外对虚拟装配技术的研究起步较早，在理论上的研究涉及面广，且已经有较为广泛的应用。美国华盛顿州立大学的Jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统。利用这个系统，设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题，从而避免了装配设计方面的缺陷。在这个系统中，设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统，然后在虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配，有关产品的可装配性得到检验，同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。Dewar等提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法，该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟部件的装配动作，还能辅助操作人员自动进行装配，并且询问操作人员装配时的装配方法，同时生成装配规划。
三、相关技术分析
虚拟装配系统的关键技术主要有：面向装配的产品建模，装配序列规划策略，虚拟装配仿真技术，可装配性评价技术。
1.面向装配的产品建模技术
产品装配建模是虚拟装配设计的重要环节，其实质在于如何在计算机内有效地表达装配体内在和外在的关系。模型的优劣直接影响到设计系统后续工作的效率，故而建立一个集成度高、信息完善的装配模型具有重要的意义。
2.装配序列规划策略
在机械产品装配中，一组零件或子装配体的装配顺序起着关键的作用。装配同一产品可以用不同的装配顺序，这些不同的装配顺序形成了不同的装配序列。按照某些装配序列，可以较顺利地组织装配，最终达到设计要求；而有些装配序列的采用，由于各种原因，却不能达到指定的装配目标。装配序列规划就是在给定产品设计的条件下，找出合理、可行的装配序列，按照这样的序列，可以达到指定的装配目标。
3.虚拟装配仿真技术
采用虚拟装配技术是为了在设计阶段就验证零件之间的配合性和基于二叉树结构的装配模型可装配性，保证设计的正确性。通过预览数字化产品，对规划的装配过程(装配顺序和装配路径)进行检验，对产品可装配性做出评测，从装配角度获得反馈信息，及时调整设计，进而达到提高设计质量的目的。因此，装配仿真可以视为面向装配设计的重要手段，以弥补传统装配设计分析方法的不足。
四、虚拟装配工作内容
1.虚拟装配前期准备
虚拟装配工作涉及内容较多, 范围较广, 因此前期准备工作十分重要。首先要制定虚拟装配的总体时间计划, 时间计划中要包含制造工程师对工序进行调整和的时间、虚拟装配工程师在数据管理系统中建立工序结构树的时间、工程支持部门数据健康性检查报告以及数据冻结及下载的时间、进行虚拟装配及生成报告的时间。
虚拟装配对数据具有较高的要求: 数据要在正确的结构树中; 要生成正确完整的轻量化文件; 数据版本要进行; 车辆要正确配置; 整车位置正确; 数据层次正确, 父级子级无重复零件, 左右件无重复特征。然后进行数据模型的准备工作, 对于新的项目要确定项目的车型组成, 按不同车型进行分类整理并保存数模, 而对于改型车型, 就要重点确定项目的更改内容, 然后保存更改之后的车型数模, 这样就为虚拟装配做好了数模的准备。还要确定项目的组织结构, 确认相关设计人员和专业虚拟装配人员所应承担的职责和权限, 为后续工作打下基础。最后, 在进行整车的虚拟装配工作之前要明确数据管理的重点, 要以检查前最新版本的零件清单为依据, 明确当前缺少数据模型的零件, 并保证所有零件都有相应的工位信息,然后明确记录数据版本, 利用实时数字样机仿真与分析系统Vismockup的快照功能对数模信息进行完整记录。
五、虚拟装配技术在汽车变速箱设计中的应用
1.研究目标
为了适应现代化制造及并行设计的思想，我们尝试把虚拟制造装配应用到汽车变速箱的设计中，通过研究，希望达到以下目标：
（一）汽车变速箱实现面向装配的设计，为下一步的开发研制提供实施方法及理论支持，实现缩短产品开发周期，降低产品成本，提高质量。
（二）变速箱零件全部实现三维实体模型。
（三）建立统一的数据管理，实现产品的设计数据共享。
（四）实现自上而下的设计。
2.虚拟装配技术在变速箱设计中的应用
汽车变速箱作为汽车的重要传动部件之一，其设计的优劣直接影响到整个汽车的性能。具体到变速箱的设计过程中，虚拟装配技术的应用思想、方法、具体的实现途径如下：
（一）在总体设计阶段，根据变速箱的设计要求以及总体设计参数建立变速箱的主模型空间。首先根据汽车整个设计的需要，确定变速箱箱体尺寸和大致外形；根据变速要求，我们的设计采用的是三轴式变速器，包括主轴、移动轴和中间轴；档位为六档，五个前进档，一个倒档。
（二）在装配设计阶段，完成变速箱结构、系统零件形状的基本设计，是变速箱设计的重要阶段。首先我们要完成的是如何实现变速器的功能要求，也就是如何实现其变速，接下来要进行的是确定装配基准、装配层次、装配约束。以变速器的后箱体的内表面为装配基准，分为以下几个装配区域：前盖子装配体，后盖子装配体，操纵盖子装配体。每一个子装配体又由下一级的子装配体和零件组成，主要是按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系，这样一步一步设计出变速器所有零部件模型的设计。
（三）详细设计阶段中，在保证所有零件的干涉自由和运动协调时，完善变速箱所有零件的设计工作。
六、虚拟装配技术存在的不足及发展趋势
1.拟实化程度将越来越高
从其自身来讲，虚拟装配有着不可逾越的优越性，然而，它在工业领域应用的成功程度却要取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的两个方面，也就是虚拟产品模型和虚拟装配仿真过程。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取代物理模型的装配过程，这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展，虚拟装配拟实化程度必将越来越高，在可预见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程，从而大大缩短产品开发周期并节约开发成本。
2.实现标准化
纵观工业领域各种技术的发展与应用，大都有一个从非标准化到标准化的发展过程，这一过程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统一的标准，这是其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开，如果没有统一的标准，必将影响虚拟装配技术的应用范围，从而阻碍其发展，因此，实现标准化是虚拟装配技术发展的必然趋势。
七、结语
面对激烈的市场竞争，虚拟装配在市场竞争中发挥了重要的作用。在虚拟装配的应用中，我们要改变传统的设计理念，进行合理的装配。只有这样，在以后的产品设计和开发中虚拟装配技术才会有更好的发展空间。
参考文献
[1]刘金玲 赵荣远 虚拟装配技术在整车研发中的应用[J]上海汽车 2011 (12)
[2]刘子强 虚拟装配的基础研究[D] 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2012
论文关键词：虚拟现实,分层装配,运动仿真,Quest3D
虚拟装配作为虚拟制造技术[1-3]的重要组成部分，近年来得到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题。而通过虚拟运动仿真，可模拟产品运动状态下运动设计精度的准确度。通过反馈信息可对模型进行修改，并通过可视化显示装配运动过程。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。虚拟装配改善传统以经验为主、装配滞后于加工设计的弊端。本文提出基于Quest3D的虚拟装配及运动仿真的实现方法，依据零件的装配分层关系实现序列拆装，并给出虚拟装配系统的设计方法和案例。
1 分层序列装配模型
由于机械产品结构复杂，每个零部件之间都有严格的装配关系[4-5]，无论是拆还是装都需要按照设计的装配结构来进行。本文采用层次化序列装配模型，即将产品的整体结构按照其真实的装配标准按层次划分或分解为不同级别的能够进行独立装配的装配单元，形成并行装配序列。通常产品的装配单元可分为：零件、合件、组件、部件、机器五个等级的装配体，装配时，按照上述等级依次分解，上一级包含下一级子装配体，下一级子装配体又包含更下一级子装配体直至最终不可分解的零件，其中每一级装配体按照其装配次序形成序列。层次化模型的优点在于更清晰表达产品中零部件之间的层次关系，并可以用子装配体表达一组功能上或物理结构上相关的零件集，可减少装配分析的复杂性，简化问题的求解过程。图1 为分层序列装配示意。
几点说明：
（1）在装配模型设计中，每一层装配体都会存在基准件，按照装配工艺要求将基准件设为该层序列的第一个装配体，以保证满足装配标准和装配精度；
（2）装配单元的划分依据具体机械产品的装配要求，如果在某层子装配体中如（部件层）出现单一零件时，该类零件则视为部件级零件，可以直接在相应层中进行装配顺序排序。
2 基于Quest3D的虚拟装配系统设计
2.1 系统总体架构
本文的虚拟装配系统分为两个区，即场景区和功能区。场景区包括摄像机控制、3D模型导入和显示、环境设置。其中，摄像机控制是根据用户需求实现对模型及场景的浏览漫游功能如移动、旋转和缩放等；3D模型导入和显示则是基于原始模型实现数据转化和表示，每个零件都具有位置、材料及贴图信息属性；环境设置包括场景布置、灯光设置以及UI设计。功能区由五个功能模块组成，分别为：整体拆装模块、序列拆装模块；手工模拟拆装模块及运动仿真模块。如图2所示。
2.2 模型导入转化及场景设置
通过UG NX三维建模，生成原始数据模型，应用Deep Exploration软件将prt文件模型进行文件格式转换为dae文件，中学英语论文然后导入到Quest3D中。Quest3D可对导入所有数字内容的进行设置和编制。由于机械产品结构复杂，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干个可装配的零部件，需要通过程序定义其在场景中的世界坐标及彼此位置关系，用3D render场景模块把它们组合在一起并显示。
为了能更好控制每个零部件装配运动状态，在Quest3D中可添加Motion模块作为每个可装配零部件的运动属性[6]，如图3所示。为保证零件装配运动速度可调节性，Quest3D 提供阻尼模块参数Damping value，将其与运动方向建立联系。在拆或装时候，阻尼参数发挥作用，Damping 值增加时，阻尼增大，零件装配运动减慢，反之亦然。
场景设置主要包括光照、摄影机设置、贴图、材料、纹理等效果制作。光照采用平行光源和点光源从摄像机的投射方向给予模型物体较好的立体视觉效果，增强用户的沉浸感和系统的交互性。摄影机是用于确定观察者位置和投射方向以及与物体相对空间视窗的对应关系。系统采用物体注视摄像机（Object Inspection Camera）作为场景的交互窗口，通过调节摄像机的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模块参数，设定摄像机的位置、缩放的范围等，用户即可利用三维鼠标就可以对三维场景中所有物体进行浏览操作。图4为三维模型导入效果图中，（a）为一个二级减速器，（b）为车床主轴箱。
2.3 装配及运动设计
Quest3D中的三维模型中各个装配体依据装配单元建立层级链表，即确定拆装过程的序列。每个装配体都具有Motion模块属性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋转）和Size Vector（缩放），拆装的原理是根据装配序列依次对装配体的各个矩阵中参数的进行改变设置，从而实现装配体的平移运动和旋转运动，以达到零部件装配效果。
虚拟装配过程分为整体拆装、顺序拆装及模拟手动拆装方式。整体拆装是对整个模型一次性实现拆分和装配过程，体现“爆炸”效果；顺序拆装是按照装配单元依次进行拆装；模拟手动拆装则是通过建立工具箱模块，用户可从工具箱中选择合适工具模拟真实拆装过程。无论以何种方式进行装配，拆装模块作为独立模块可进行重复调用，表1为拆装模块中相关设置参数表示。
系统的UI模块是用户实现装配操作的交互窗口，不同类型的机械产品可根据其复杂程度和操作方便性、人性化原则进行设计。本系统可用三维鼠标实现场景模型的移动、旋转和缩放，同时设置菜单、按钮、复选框等控件进行装配过程的选择、设置和操作。图5是减速器（a）和车床主轴箱（b）虚拟拆装图示，图6为CA6140车床的18级变速虚拟传动示意图。
3 结论
本文提出了分层装配思想应用Quest3D 引擎开发的虚拟装配和运动仿真系统可用于不同类型的机械产品模型，通过建立虚拟场景、UI功能模型有效达到了用户对于产品的交互操作，其虚拟装配过程和运动仿真对于企业设计制造及高校实践教学提供了较好的虚拟现实平台。
【参考文献】
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关键词：虚拟装配；虚拟装配环境；虚拟装配应用系统
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)18-4420-03
Survey and Analysis of Virtual Assembly
YU Hai-xia, WANG Jia-qi
(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)
Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.
Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system
1 概述
虚拟装配是近些年来被广泛研究的新兴技术，是虚拟现实技术在制造业的典型应用，也是虚拟制造技术研究的重要方向之一。它从产品设计装配的角度出发，综合利用虚拟现实技术、计算机建模与仿真技术、计算机辅助设计技术等，建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，设计者可在虚拟环境中交互式地进行产品设计、装配操作和规划、检验和评价产品的装配性能，并制定合理的装配方案。
虚拟装配技术可以降低复杂产品的开发难度，缩短开发周期，降低成本，对实现产品的并行开发，提高装配质量和效率具有重要的意义。虚拟装配可以应用于航空航天、汽车、船舶、工程机械、教育等领域。
2 虚拟装配的研究概况
1995年，美国华盛顿州立大学和美国国家标准与技术研究院联合，最早开始了对虚拟装配技术的研究，并开发了虚拟装配设计环境VADE（Virtual Assembly Design Environment）。VADE在装配领域的成功应用，引发了各个国家的高校和研究机构对虚拟装配的研究。20世纪90年代末，国内也开始对虚拟装配技术进行研究，已经取得许多研究成果。虚拟装配技术的研究大致可分为三个阶段：虚拟装配理论的提出和完善阶段，虚拟装配原型系统的研发阶段，虚拟装配技术在工业上的应用研究阶段。目前，国外已经开始了第三阶段的研究应用，国内也开始由第二阶段向第三阶段过渡。
根据实现功能和目的不同，可以将虚拟装配分为四种类型[1]。
1）以产品设计为中心的虚拟装配。
2）以装配工艺规划为中心的虚拟装配。
3）以制造系统规划为中心的虚拟装配。
4）以虚拟原型为中心的虚拟装配。
3 虚拟装配的研究内容
虚拟装配的研究内容主要有：虚拟环境的研究、虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统的研究[2]。
3.1 虚拟环境的研究
虚拟环境是虚拟装配的前提，良好的虚拟环境能使虚拟装配与实际装配过程更接近，为生产实践提供更可靠的指导。传统的虚拟环境可分为四种。
1）桌面式系统
桌面式系统使用普通计算机产生三维虚拟场景，用户通过显示器观看虚拟场景，需要佩戴立体眼镜才可以看到三维立体图像。这种场景系统造价低、简单方便，不足之处是沉浸感差。
2）头盔式系统
头盔式系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户与外界环境分隔开来，从而使用户真正成为系统的一个参与者，沉浸感比较强。但头盔式显示器存在约束感较强，分辨率偏低等问题，长时间易引起疲劳。
3）CAVE系统
CAVE系统的主体是一个房间，房间的周围均由大屏幕组成，高分辨率的投影仪将图像投影到这些屏幕上，用户通过立体眼镜便能看到立体图像。CAVE系统实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境，但其造价太高，参与者被限制在一个有限的小空间内，不能大距离行走。
4）大屏幕投影系统
将多台投影仪拼接起来形成一个逻辑上统一的大屏幕，实现大面积、高分辨率的显示，优点是可以产生大视角、高亮度和高分辨率的立体图像，可使多人沉浸场景之中，具有很强的沉浸感。缺点是成本高，技术难度大，许多关键问题需要解决。
以上各种虚拟环境都存在一个共同的问题是，操作者被限制在一个有限的空间内，行动上受到很大的限制，而现实中，尤其是大型产品的装配中，操作产品并不能移动，往往要求操作人员要有足够的活动空间。为了解决这个问题，很多研究机构提出一些新型的虚拟装配环境，如英国Warwick大学研制的Cybersphere系统[3]。Cybersphere系统采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，可以自由行走。计算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像，并通过投影系统显示在球体表面，操作者通过立体眼镜看到立体图像。这种方式实现了操作者在虚拟环境中的自由行走。
哈尔滨工业大学也设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统[3]，如图1所示，该系统也采用球形幕作为显示装置，操作者在一个专门设计的全方位反行走机构上做直线行走或者转向。操作者头部、手部与双脚分别装有3-D位置跟踪器，计算机系统根据接收到的3-D位置跟踪器信号，控制全方位反行走机构的运动，并生成不断变化的三维图像，通过投影系统显示到球形幕上。操作者通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互从而生成沉浸感较强的虚拟环境，为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供高逼真度的仿真平台。
3.2 虚拟装配关键技术的研究
虚拟装配涉及到的关键技术很多，各种技术的研究情况及应用情况如表1所示。本文只对其中几个重要的关键技术进行论述。
1）装配建模技术
目前，虚拟装配中零部件模型的建立和虚拟装配应用系统的开发主要还是基于CAD系统实现。这种虚拟装配系统易于实现，零件和装配体的建模、装配仿真可在一个系统下进行，操作简单，但真实感和可靠性受到限制，主要用于产品的设计阶段。
基于虚拟现实软件开发的虚拟装配系统，需要将CAD零部件模型及其相关信息转换后导入到虚拟环境，实现交互操作。目前已经取得一定的研究成果，美国的VADE从Pro/Engineer系统中提取产品结构树信息、装配约束信息以及零部件几何信息，实现CAD系统和虚拟装配系统的自动转换；新加坡南洋理工大学开发了基于CAD紧密连接的虚拟装配环境；哈尔滨工业大学通过模型转换实现了从SolidWorks、Pro/Engineer系统到虚拟装配系统的输入。
2）约束定位技术
由于虚拟环境缺乏现实环境中存在的各种物理约束和感知能力，虚拟装配过程中零件之间主要依靠几何约束进行精确定位。华盛顿州立大学的S.Jayaram等[4]首先提出约束定位的思想，通过零部件受约束运动以及约束求解，来实现虚拟装配过程中待装配零件的精确定位。英国Heriot-Watt大学Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法来解决虚拟环境中零部件的精确定位。英国Salford大学虚拟环境中心的Fernando等[6]研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作，开发了几何约束管理器，用来支持虚拟环境下装配和维修任务。浙江大学刘振宇、谭建荣等[7]在语义识别的基础上，提出了基于语义引导的几何约束识别方法，通过语义和约束识别来捕捉虚拟装配过程中用户的操作意图，从而提高了约束识别速度和准确性。
3）工艺规划技术
设计人员根据经验知识在虚拟环境中人机交互式对产品的三维模型进行试装，规划零部件装配顺序，记录并分析装配路径，选择工装夹具并确定装配操作方法，最终得到经济、合理、实用的装配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虚拟环境中交互式装配序列规划的方法。浙江大学的万华根等人[9]在基于虚拟现实的CAD系统中提出用户引导的拆卸方法，基于“可拆即可装”的原理，将拆卸顺序和拆卸路径进行反演，即可得到产品的装配顺序和装配路径。
3.3 虚拟装配应用系统的研究
从1995年美国州立大学研制出第一个虚拟装配系统VADE起，世界各国陆续研制出了多种典型的虚拟装配应用系统，分别应用于不同的工业领域。本文只对几个典型的系统进行介绍。
1）CHDP(Cable Harness Design and Planning)系统
CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的。它是在早期开发的虚拟装配规划系统UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基础上提出的，主要针对现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。该系统充分利用了虚拟现实人机交互的特点，设计者在虚拟环境中可以充分发挥已有的装配经验和知识，根据周围环境进行快速、直观地布线。
2）V-REALISM系统
V-REALISM[11]系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统，可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点；系统包括三个基本功能：提供优化的装配/拆卸序列；提供三维虚拟环境进行操作和导航；将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起。
3）基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE
2003年，美国纽约州立大学开发了基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。实际生产过程中，零部件在加工过程会引起变形或受机床刀具与夹具的磨损，引起零件最后的尺寸和形状误差。而在传统的面向装配设计系统中，很少考虑到零件的尺寸误差，导致最后加工出来的零件装配不上或装配性能不能满足要求。VPAVE系统就是基于上述不足而提出的。VPAVE系统中采用虚拟原型，通过提取实际加工过程影响参数，建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模型，利用有限元软件分析零件的受力、变形及残余应力情况，在虚拟环境下进行可装配性分析和评价。
4）PAA系统。
2005年，意大利Bologna大学利用增强现实技术开发了基于CAD的装配规划与验证系统PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA实现了CAD装配系统和增强现实系统之间集成，从而提高工程设计模型和真实物理模型之间的集成。PAA系统利用CAD工具来有效提高对象识别能力，生成优化装配序列和产生装配操作指令；另一方面，基于增强现实的装配评价工具允许装配设计人员和装配操作人员之间的直接交互，指导操作人员的装配。
4 存在问题
虚拟装配在设计与制造领域的应用，具有重要的理论意义和实用价值。国内外研究也取得了很大的进展。但总体上看，虚拟装配技术目前仍存在许多欠缺，一些关键技术还需要亟待解决。
1）缺乏规范化的共享开发平台和统一的标准和规范。虚拟装配系统还不能接受CAD系统的模型信息，实现与主流CAD系统的无缝集成。目前各的虚拟装配系统，都是根据本单位的情况来定制CAD接口，实现信息转换，在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。
2）建模能力弱。目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础，没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响，导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。
3）交互操作可靠性和灵活性差。由于基于碰撞检测的交互操作是一个多输入、大计算量的过程，输入系统的灵敏性、碰撞检测的计算效率等因素都影响交互操作的可靠性。
4）功能过于单一。虚拟装配系统除了工艺规划和装配过程仿真外，许多辅助功能还没能实现，如装配力变形分析、工装夹具的设计、装配质量预测、装配人员工效分析等功能。
5）开放性和集成能力弱。由于虚拟装配系统开发的方法、环境差别较大，与其他系统集成和数据交换的能力弱，制约了虚拟装配系统的开发及与现有其他系统的集成。
参考文献：
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关键词 Pro/E 机械系统 实验台 虚拟设计
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，机械领域的虚拟设计技术是利用三维设计软件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等对机械装置的零部件进行结构设计、虚拟装配、运动仿真分析。它是基于计算机辅助设计技术，在虚拟环境中对机械产品进行设计，达到缩短研发周期、减少研发成本的目的。
多用途机械系统传动实验台融链传动、直齿圆柱齿轮传动、直齿圆锥齿轮传动、平面连杆传动，蜗轮蜗杆传动、丝杆螺母传动以及齿轮齿条传动等传动机构于一体。该实验台以学生最为熟悉的课堂作为展示机械系统运动的场景，可以起到趣味性教学的目的，增加学生学习机械专业课程的兴趣。敞开式的场景，在不用拆开演示台的前提下就可以让学生清楚地观察到内部传动机构的运动全过程，操作简单、比较实用。多个传动机构集中在一个场景展示，可以使学生系统性地认识不同机构的运动传递过程，有助于学生对不同的机构进行区别。
本文基于Pro/E平台的虚拟设计技术，完成多用途机械系统传动实验台各零件的三维建模设计，虚拟样机装配干涉检查、机构运动仿真分析，在仿真中对结构设计进行优化设计，尽可能降低设计风险，避免实际制造中出现问题，从而使实验台一次性制造成功。
1 实验台典型零件齿轮的三维建模
通常，在Pro/E中每个零件的三维结构设计过程步骤基本相同，如下：（1）依据各个零件的三视图，想象零件的形状，为选择合适的建模方法做好铺垫。（2）根据零件的结构，选择建模的方法。（3）根据零件的结构，进行草绘，然后利用拉伸、旋转等特征操作，以完成零件的三维设计。（4）在已建零件模型上进行辅助特征设计，完成零件三维设计，然后保存。
多用途机械系统传动实验台有多个不同类型的零件，三维设计的过程步骤基本相同，本论文只简单阐述典型零件齿轮的三维设计过程步骤。
直齿圆柱齿轮由轮齿、键槽、轴孔等基本结构特征组成，创建标准直圆柱齿轮的三维参数化模型。主要操作步骤如下：
（1）创建齿轮设计参数：
在Pro/E软件的产品参数化设置界面中，输入齿轮的设计参数及相应的初始值，模数m=2，压力角alpha=20度，齿根圆直径df，齿顶圆直径da，基圆直径db，分度圆直径d，齿宽b=30，齿数z=56，如图1，添加完毕后，单击【确定】按钮。
（2）使用Pro/E的草绘功能先绘制基准曲线，后绘制四个尺寸任意的同心圆。
（3）调出Pro/E中各参数之间关系设置的对话框，在其中输入标准直齿圆柱齿轮的关系式，如图2，添加完毕后，单击【确定】按钮。
图1 齿轮参数对话框
图2 齿轮关系对话框
（4） 系统进入三维实体模式，单击【编辑】颉驹偕模型】工具，自动生成满足一定关系式的齿轮参照圆。
（5）单击特征工具栏中的【基准曲线】工具，弹出的【曲线选项】菜单，单击【从方程】―【完成】命令，在工作区选取系统默认的坐标系，单击对话框中的【确定】按钮，在弹出的【设置坐标系类型】菜单中，选择【笛卡尔】坐标系，输入形成齿轮渐开线的参数化方程，输入完毕单击【记事本】主菜单中的【文件】―【保存】命令，最后单击【确定】按钮。即可生成渐开线。
（6）创建镜像渐开线特征。选取已绘制的齿轮渐开线的特征，选择软件中【特征】-【镜像】命令，选择基准平面DTM2作为镜像平面，单击【确定】按钮。
（7）先进入草绘平面，选择齿顶轮廓线，拉伸创建成齿轮基本实体。
（8）创建第一个齿槽特征。先进入草绘平面，再根据渐开线以及齿轮参照圆草绘出齿廓外形，然后对其进行拉伸切除，完成齿槽的创建。
（9）创建齿槽阵列特征。创建齿轮槽，选择软件征工具栏中的【阵列】命令，选择轴阵列选项，输入阵列个数56个，角度为360埃缮杓埔蟮某萋帧？
（10）拉伸切除创建成齿轮轴孔。
（11）拉伸软件的切除功能画出成齿轮键槽，完成齿轮的参数化设计如图3所示。
图3 齿轮参数化设计
2 实验台样机的虚拟装配
一般说，机械装置的虚拟装配是利用三维设计软件在计算机中，对机械产品的结构进行设计与装配。多用途机械系统传动实验台主要包括学生运动机械传动机构、教师运动机械传动机构、时钟运动机械传动机构、教室门运动机械传动机构以及投影幕布运动机械传动机构五个部分。虚拟样机在装配时，首先把这5个运动机械传动机构作为一个组件进行虚拟装配，然后把这5个运动机械传动机构装配成整个实验台。
2.1 学生运动机械传动机构虚拟装配
学生运动机械传动机构，主要由电动机、曲柄摇杆机构、连杆限位变形机构，以及固定构件课桌、课椅以及电机支架组成。虚拟装配如图4所示。小腿在固定在机架上，小手臂与机架在形成固定铰链，小手臂、大手臂、身躯、大腿、小腿之间通过活动铰链链接。电机通过曲柄摇杆机构，带动五连杆限位变形机构运动，完成学生起立和坐下的动作。
图4 学生运动机械传动机构虚拟装配图
2.2 教师运动机械传动机构虚拟装配
教师运动传动机构主要由：电动机;由16齿的大链轮、8齿的小链轮和链条组成的链传动机构;齿轮齿条传动机构;螺距6mm，单头丝杆螺母传动机构;限位开关、限位板以及讲台等固定构件组成，虚拟装配如图5所示。电机启动，通过链传动传递给丝杆，丝杆的旋转运动转变成螺母的直线运动，通过螺母上的销轴带动放置在螺母上的尺寸做直线移动，实现教师木偶人的移动，通过齿轮齿条机构实现教师旋转90度面向学生的动作。
图5 教师运动机械传动机构虚拟装配图
2.3 时钟运动机械传动机构虚拟装配
时钟运动机械传动机构主要由：电动机;齿数为35的蜗轮蜗杆传动机构;每级大齿轮齿数45，小齿轮齿数13，模数1.5的二级直齿圆柱齿轮传动机构以及电动机架、钟罩和红外位置探测器等固定构件组成，虚拟装配如图6所示。电机启动，通过蜗轮蜗杆把运动传递给二级直齿圆柱齿轮，与蜗轮连接的第一级圆柱齿轮的小齿轮带动分针转动，第二级圆柱齿轮齿轮的大齿轮带动时针转动。
2.4 教室门运动机械传动机构虚拟装配
教室门运动机械传动机构主要由：电动机;双曲柄滑块机构以及导杆、限位开关、电机机架等固定构件组成，虚拟装配如图7所示。电机启动，带动双曲柄滑块机构中双曲柄转动，曲柄通过连杆，带动教室门在导轨上进行来回往复运动，实现教室门的开关。
图6 时钟运动机械传动机构虚拟装配图
图7 教室门运动机械传动机构虚拟装配图
2.5 投影幕布运动机械传动机构虚拟装配
投影幕布运动机械传动机构主要由：电动机，锥齿轮传动机构组成，虚拟装配如图8所示。电机启动，带动大圆锥齿轮转动，通过小圆锥齿轮带动幕布上下运动。
图8 投影幕布运动机械传动机构虚拟装配图
2.6 多用途机械系统传动实验台虚拟装配
多用途机械系统传动实验台虚拟样机的主体装配主要是学生运动机械传动机构、教师运动机械传动机构、时钟运动机械传动机构、教室门运动机械传动机构以及投影幕布运动机械传动机构五个传动机构之间的装配。虚拟样在装配时，为方便整个样机的的虚拟装配，可以把装置的几个相关零件组装成组件，然后再把相关组件装配在一起构建试实验台的整体结构，如图9所示。
图9 多用途机械系统传动实验台虚拟装配图
3 结束语
多用途机械系统传动实验台的虚拟设计，减少设计物理样机所需的人力及时间，可以达到降低产品成本，缩短产品生产周期的目的。
基金项目：湖北省高等学校2014年省级大学生创新创业训练计划项目《多用途机械系统传动实验台的设计研究》（项目编号：201411654009）、武汉商学院2014年大学生创新创业训练计划项目《多用途机械系统传动实验台的设计研究》（项目序号：7）、武汉商学院2014年度教学研究项目《基于学生创新能力培养的课程教学研究―以机械设计基础课程为例》（项目编号：2014Y013）的阶段性研究成果
参考文献
[1] 陈定方.罗亚波.虚拟设计[M].北京：机械工业出版社，2004：108-111.
