机械设计中虚拟装配数字化设计方法

叶开成

(泰州凯昂登机电有限公司,江苏 泰兴 225400)

0 引言

传统机械设计主要依赖于手工绘图和样机制造,不仅耗时费力,还可能导致设计错误并产生高昂的成本。近年来,随着装配数字化设计方法的出现和应用,利用计算机辅助技术和先进的软件工具,可以显著提高机械设计的效率和精准度。

虚拟装配技术通过利用计算机辅助工具,能够在数字化环境中对产品装配过程进行模拟和优化,提前检查零部件之间的干涉和碰撞,预先解决装配中可能出现的问题[1-2],不仅节省了样机制造时间和费用,还提供了一个更加安全、高效的设计环境。设计师可以在虚拟环境中进行多次试验和优化,快速迭代设计,从而确保最终的产品装配质量和性能。此外,虚拟装配技术也为设计团队的协作和沟通带来了便利,通过共享虚拟装配模型,设计师之间可以更直观地交流意见,从而更好地理解设计方案并相互协作[3]。

本文将聚焦于虚拟装配技术,深入探讨该技术的原理、工作流程和应用。研究结果旨在为机械设计过程提供全新的工具和技术,创造出更优质、更可靠的机械产品。

1 装配数字化技术的发展

1.1 装配数字化内涵

装配数字化技术是一种基于计算机辅助设计(CAD)和数字化工具,将机械产品的各个零部件尺寸、材料属性、装配关系等信息以三维数字模型的形式呈现,在装配过程中,装配数字化技术能够实时检查零部件之间的干涉、碰撞和间隙情况,通过分析装配过程中的问题,可以优化零部件的设计、调整装配顺序或修改装配工艺,进而实现更高效的装配流程[4-6]。

机械产品数字化装配流程如图1所示,机械产品通过数字化装配技术,检验零部件设计是否合格,然后开展机械零件的制造,对零件的装配及设备进行定位,逐个将零部件放置在正确的位置,设置装配关系,例如螺纹连接、配合间隙等,以模拟实际装配过程。最后,根据数字化装配信息,准确地定位零部件的装配位置,使用合适的工具和设备进行装配。

图1 机械产品数字化装配流程示意图

1.2 研究进展

装配数字化技术经历了从2D绘图到3D建模,从简单碰撞检测到智能化装配的演进,发展历程如表1所示。

表1 数字化装配技术发展历程

2 虚拟装配系统结构组成及应用原理

虚拟装配技术基于计算机辅助设计(CAD)和计算机仿真技术,对机械产品进行模拟和优化,将产品各个零部件以数字化的方式进行三维建模,逐步将各个零部件放置在正确的位置,设置装配关系,如螺纹连接、配合间隙等,模拟实际装配过程,验证零部件设计是否合理,检查是否存在干涉和碰撞问题,预先解决可能出现的装配问题[7]。

虚拟装配系统主要包括软件部分和硬件部分,软件部分分为自动装配、手动装配、自动拆卸和碰撞检测;硬件部分分为图形工作站、三维立体显示设备、输入设备和音效设备(图2)。

图2 虚拟装配系统总体设计结构

2.1 软件部分

2.1.1 自动装配

自动装配软件是虚拟装配系统的核心组成部分之一,基于计算机辅助设计技术(CAD),根据预设的装配规则和约束条件,自动完成机械产品的数字化装配。通过算法和规则,自动装配软件可以快速将各个零部件正确放置在装配位置,并实现自动化的装配过程。

2.1.2 手动装配

手动装配软件允许设计师以交互式的方式进行装配操作,在操作过程中,设计师可以使用鼠标和其他输入设备,手动拖动、旋转和调整零部件的位置和姿态,模拟实际手动装配过程。该交互式装配方式能够提供更灵活、直观的装配体验,允许设计师根据需要进行实时调整和优化。

2.1.3 自动拆卸

自动拆卸功能可以在虚拟装配环境中对产品进行拆卸操作,主要用于检查和修复装配中的问题,或者进行零件的单独分析和修改。通过自动拆卸,可以快速将零部件分离,进行必要的修改,然后重新装配,从而进行快速迭代和优化设计。

2.1.4 碰撞检测

碰撞检测软件能够在装配过程中实时检查各个零部件之间是否存在干涉和碰撞问题,发现问题时系统会给出警告并显示碰撞部位,以帮助设计师及时进行调整和优化。

2.2 硬件部分

2.2.1 图形工作站

图形工作站是运行虚拟装配软件的主要计算设备,具有强大的计算能力和图形处理能力,在工作过程中需要配备高性能的中央处理器(CPU)、显卡(GPU)和内存,以支持复杂的三维模型和装配操作。表2 为常规设备选型。

表2 图形工作站设备选型

2.2.2 三维立体显示设备

三维立体显示设备能够以立体的方式显示虚拟装配场景,使设计师能够感知零部件的空间关系,提供更真实的装配体验。

三维立体显示设备是一种能够提供立体视觉效果的显示设备,能够在三维空间中呈现虚拟物体或场景,使用户能够感知物体的深度和立体效果,从而获得更真实、更逼真的视觉体验。不同三维立体显示设备参数如表3所示。

表3 不同三维立体显示设备参数

2.2.3 音效设备

音效设备为虚拟装配系统提供声音反馈,例如碰撞警告、装配完成提示等,增强用户体验。

音效设备是用于处理和播放声音的设备,能够提供更加真实、沉浸式的音频体验。在虚拟装配系统中,音效设备可以为用户提供更加逼真的声音反馈,增强虚拟装配的交互体验和感知。常见的音效设备包括音箱、耳机、虚拟环声系统和音频接口。

2.3 开发平台

虚拟装配技术的开发中,常见的开发平台及其特点如表4所示,具体选择取决于项目需求和开发团队的技术背景。根据开发平台的不同,可以实现各种虚拟装配应用,从简单的虚拟场景搭建到复杂的虚拟现实模拟,此外,还可以自定义开发相关平台,实现更加个性化和定制化的虚拟装配系统。

表4 虚拟装配开发平台及其特点

3 虚拟装配技术发展趋势

3.1 融合虚拟现实和增强现实

虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的融合将为虚拟装配技术带来更加丰富和真实的体验。通过VR技术,能够更直观地感知装配过程中的空间关系、零件位置和装配顺序,设计师可以身临其境地进行虚拟装配;而AR技术则可以将虚拟零部件叠加到现实场景中,能够更直观地理解虚拟零部件与实际场景之间的匹配程度,有助于优化零部件设计和调整装配位置,确保装配的准确性和可行性,帮助设计师更好地理解装配关系和空间布局。基本工作原理如图3所示。

图3 虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术融合下工作原理

3.2 多模态交互

未来虚拟装配技术将更加注重多模态交互体验,即通过手势识别、声音识别、触觉反馈等多种交互方式,让用户更加方便、自然地操作虚拟装配系统。通过多模态交互,设计人员可以使用多种交互方式与虚拟装配系统进行沟通和互动。例如,通过手势来选择、移动、旋转零部件,实现直观的装配操作;声音识别技术则能够使设计师通过声音指令来操作虚拟装配系统,如喊出指令或说出特定操作动作,从而更加自然地进行虚拟装配;而触觉反馈技术可以增强交互体验的真实感,在虚拟装配过程中,当设计师与零部件发生碰撞或接近干涉时,触觉反馈可以提供一种振动或压力感,警示设计师进行调整。

3.3 云端技术支持

随着云计算技术的发展,虚拟装配技术也将借助云端计算资源和存储来支持更复杂的模拟和处理。云端技术可以实现远程协作、数据共享和资源共享,尤其是对于大规模装配项目或需要大量计算资源的虚拟场景,云端技术可以实现高效的数据处理和渲染,保证虚拟装配的流畅性和高度真实感。

4 结论

虚拟装配技术是机械设计领域的一项重要创新,通过利用计算机辅助工具在数字化环境中模拟和优化产品装配过程,显著提高了机械设计的效率、精准度,并降低了制造成本。本文通过对虚拟装配技术进行综述,主要得出以下结论:

1)基于虚拟装配技术的定义及发展历程,阐述了虚拟装配技术的概念及内涵,包括虚拟装配技术的工作原理、软件和硬件部分的组成。

2)随着虚拟装配技术的不断发展及云端技术的推动,未来虚拟装配技术将更加注重多模态交互体验,即通过手势识别、声音识别、触觉反馈等多种交互方式,推动机械设计领域的数字化转型和升级。