工業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展和完善，工業產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設計中的應用現狀，分析虛擬裝配與工業設計的關系，介紹典型工業設計的流程，分析虛擬裝配技術在工藝規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；工業設計；應用

引言

現階段，虛擬裝配技術在工業生產領域已經有了廣泛的應用，比如在汽車生產、機械產品生產等領域應用廣泛，大大縮短了工業產品設計的周期，為工業設計產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工業產品設計的構造、結構、外觀等信息，在工業產品設計階段發揮了重要的作用。

1虛擬裝配技術在工業設計中的應用現狀

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

2虛擬裝配與工業設計

在產品數字化的定義中，虛擬裝配是其中一個重要的環節，其在工業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的調整，不斷移動和旋轉裝配零件，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，預測產品模型，在這個過程中，并不涉及實際的產品。目前，我國對于虛擬裝配技術的研發和應用已經取得了一定的成果，對經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，為制造業的發展提供了方向，通過對產品零部件的虛擬分析和設計，幫助零部件解決設計到生產過程中的各種技術性問題，從而使產品的設計周期大大縮短，使產品的生產成本得以降低，并優化了產品性能。工業設計作為工業生產中的初級階段，其最初的設計模型可以通過虛擬裝配技術在虛擬的環境中進行實驗，模擬產品的形狀、外觀、性能，監測和校驗次相關產品的人機互動性，并提供產品的裝配過程、裝配序列、可裝配性等信息，生成裝配報告。在虛擬的環境下，為解決產品存在的缺陷、改進產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品的配合精度，彌補傳統工業設計的不足。比如虛擬裝配技術在汽車開發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，評估設計優化方案并加以優化，用數字樣車代替了物理樣車，迅速地推出了新車型，大大降低了開發的成本和時間。通過數字化偏差仿真建模與計算機技術分析發現“東風景逸”系列車型前燈與翼子板DTS三維偏差大，通過分析發現偏差的影響因素主要是翼子板處輪廓度的問題，制定優化方案，通過定位優化和公差優化，重新仿真計算，使車身的質量有了很大的提升。

3典型工業設計的流程

典型的工業設計開發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，首先要進行市場調研，分析顧客的需求，對競爭對手進行調研，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品的定位。產品定位確定之后就需要確定設計的要求，通過對產品設計經驗、標準、規范等多方面的綜合分析確定產品生產的要求。有了設計的要求并結合設計產品的概念設計就可以進行產品的初步設計，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，直觀地將產品的結構、外表、生產流程表現出來，進而展示裝配工藝、外觀結構和使用者需求，檢驗產品生產的復雜程度，對后期的產品設計和生產提供便利。

4虛擬裝配技術在工藝規劃上的應用

市場的需求驅動著工業設計的可行性，消費者需求的滿足很大程度上取決于產品的設計，產品的設計階段尤為重要，是多種目標綜合體現的過程，滿足生產需要的首要條件則是滿足顧客的需求。為了使產品的開發流程在虛擬裝配領域得到標準的表述，需要優化開發目標的算法，利用模糊約束與模糊目標進行優化加權。在工業產品設計的工藝規劃階段加以虛擬裝配技術的應用，有助于設計出的產品更好地滿足市場的需求。融合虛擬裝配技術的產品設計工藝規劃主要在產品概念設計、初步設計、詳細設計、設計實施這幾個階段。產品的概念設計需要定義用戶的需求和產品的功能，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品價格、質量的預估選擇產品的材料和形式。產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劃并估計成本與時間。在設計實施階段，完成對生產方式的選擇、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現設計中的缺陷進行再設計。融合虛擬裝配的產品設計在工藝規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設計的設計驗證中有重要的作用。工業設計是通過與客戶反復溝通后再設計和再修改的不斷優化的過程，融合虛擬裝配技術，利用統計學的方法對驗證典型工業設計環節進行優化，統計各環節所用時間以縮短項目的生命周期。在工業設計的流程中，每一個環節都需要得到設計驗證，將生產制造的結果反饋到客戶，根據客戶的需求進行設計修改，再進行新一輪的概念設計、詳細設計與生產制造。因此，對于工業設計的過程來說，設計的時間周期決定項目的生命周期。利用虛擬裝配的統計技術能夠對各環節的時間變量進行數據的統計和計算，確定影響因素，以確定工業設計的優化方案。在設計驗證中，需要保證每個實體的安全系數，以確保工業設計的準度（如圖2所示）。

6結語

虛擬裝配技術在工業生產中有著廣泛的應用，以計算機輔助工業設計的方式對產品開發的設計中存在的瓶頸問題加以優化，使得傳統工業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、生產加工方式、成本周期預估，并在虛擬的空間內實現科學的設計驗證，縮斷了產品設計的周期，提高了產品設計的效率，降低了產品開發的成本，虛擬裝配技術在工業產品設計流程的工藝規劃和設計驗證中的應用對整個產品設計過程有著重要的作用。

參考文獻

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作者：李升升 單位：廣東省技師學院