摘要：为解决传统机械自动化设计周期长、效率低、成本高等困境，将虚拟现实技术与传统设计相结合，提高传统设计的效率和数字化。以某企业的保温杯的杯盖装配自动化生产线设计为案例，分析虚拟现实技术与机械自动化设计的融合方法和路径。首先将虚拟现实技术应用到机械设计的模型构建上，并对机械零件装配的仿真模拟，模拟其在虚拟环境中的运动，明确机械零件的运动轨迹，记录机械零件运动时的坐标，保障虚拟装配的准确性；其次利用虚拟现实技术实现虚拟装配，实现机械零件在虚拟环境中的拆装展示，支持设计人员与虚拟环境的交互。利用虚拟现实技术，实现了对杯盖装配自动生产线的设计，使设计真能够更清楚地了解到产品设计的效果，不仅降低了开发生产线所需的成本，而且减少了复杂的生产线物理模型，测试生产线所需的场地维护费用也随之降低。同时大幅缩短了生产线设计时间，使产品快速、高效地投向市场。
关键词：自动装配,机械自动化设计,虚拟现实技术
0引言
在传统的产品设计中，样机试造以及样机测试和校验占了整个开发周期中的极大比例，在实物模型和样机制造前无法进行直观评价和准确测试。所以产品的大部分成本用于设计、模型和样机的制造上[1]。同时传统的设计手段已经很难满足当今日益复杂的机械设计要求[2]。解决此问题的一个有效方法就是采用虚拟现实技术[3-4]。虚拟现实技术是通过计算机与互联网以及相关的电子信息技术，虚拟制造技术来联动实现在虚拟环境呈现真实的工作场景[5]。虚拟现实技术是当前铸造业、制造业、装配业等相关领域中重点应用的技术[6]。通过该技术可以在虚拟的环境进行自动生产线的结构、外形构造、镶嵌匹配等设计工作，提高企业生产率，提升企业经济效应[7-9]。
虚拟现实技术是比较新颖的技术，产生于20世纪80年代。虚拟现实技术具有通用性、便捷性、实时性、交互性、沉浸性等，被融合于教育行业，机械设计行业等许多行业[10-11]。尤其是机械设计，可实现制造前的产品性能分析，帮助设计师做出预见性的决策和方案，提高设计效率，降低损耗。虚拟现实技术通过虚拟现实开发引擎并与其他设计软件相融合，打造出仿真的人机交互环境。虚拟现实技术包含硬件系统和软件系统。而软件系统又含有三维图形应用系统软件、三维建模、模拟系统、虚拟现实建模语言、语言识别系统等[12-13]。具体应用到机械自动化设计中，过程主要包括概念设计、虚拟设计、整体检验与调整及虚拟制造[14]。贾东亮[15]在分析虚拟现实技术在钻掘机械设计过程中应用的必要性的基础上，利用虚拟现实技术提出了一种基于VRML虚拟现实技术的钻掘机械设计流程，并将其应用于某钻机设计，取得了较理想的效果。张振玉[16]提出一种以头戴式虚拟现实技术为基础，使用Unity3D开发引擎成功开发了一款辣椒分段切割设备，解决了工程实践中的生产需要，实现了用户与虚拟样机深入交互的功能。蔡海毅[17]探讨VRML的虚拟现实技术在建筑用升降梯设计中的应用问题。刘红利[18]使用Create VR实现了酒类容器包装在虚拟空间中的三维建模，应用虚幻引擎实现了酒类容器包装设计方案虚拟体验平台的制作，实际验证了基于虚拟现实技术在酒类容器包装设计流程是可行的。魏国[19]将虚拟现实技术应用到农业机械的设计上，取得了显著的效果。
基于虚拟现实技术的优点，本项目利用该技术设计一条杯盖自动装配生产线。某企业在生产塑料保温杯时需要对杯盖进行组装，目前保温杯的杯盖装配工作主要由人工完成，共有8道工序，费时费力耗费人工，因此需要设计智能化多功能杯盖生产线，以提高生产效率、提高产品质量、降低人工成本。
1设计原理方法
本项目涉及虚拟仿真技术、机电液控技术、信息化技术及智能化技术。项目选取杯盖自动装配生产线作为方法验证，调研了杯盖的自动装配的流程，首先UG软件进行杯盖各装配工位生产线的建模与装配，解决了人工装配效率低和成本高的问题。在完成三维建模后，通过Unity3D[20-21]引擎读取三维模型，将该设备在虚拟现实空间中展示，在仿真平台上添加必要的设备，通过编程实现“虚对虚”控制；通过PLC编程软件进行硬件组态和通讯配置，使PLC实体硬件控制电路对虚拟仿真平台的设备进行“实对虚”控制[22]。操作者可以通过手柄操作，实现人与该设备的人机交互功能，完成该设备三维设计的虚拟仿真，进一步验证了该设备的功能。最后，按照机械行业标准绘制该设备图纸，并对该设备进行整机装配和调试，从而验证虚拟现实技术的仿真效果。在杯盖自动装配产线试验中，该设备得到了较高质量的产品。
2机构设计
2.1自动装配线建模与方案设计
杯盖装配主要有3个工位，10道工序，装配流程如图1所示。
2.2锁1和锁2装配
锁1装配流程中需要将部件锁1装入杯盖主体中，设计的装配产线模型如图1所示。模型包括上料振动盘，滑动轨道，定位气缸等。锁1由振动盘上料，限位轨道导料，沿着滑动轨道前推，气缸侧推锁1到治具当中，同时治具的卡扣扣住锁1的中间的2个大矩形切口边缘。定位升降气缸下降退回，气缸推动治具向前水平移动，当扣夹定位凸台接触到导向轨道后治具随形翻转成90°,并继续按轨道凹槽向前移动，直到把锁1扣入杯盖主体中，完成一个锁1扣入的来回动作（图2）。
锁2由振动盘上料，限位轨道导料，沿着滑动轨道前推，到指定位置，定位气缸下降退回，真空发生器吸住锁2使其不移动位置，继续向前水平移动，当扣夹定位凸台接触到导向轨道后治具随形翻转成90°,并继续按轨道凹槽向前移动，直到把锁2扣入杯盖锁1中，完成一个锁2扣入的来回动作（图3）。
2.3滑块安装
滑块安装产线模型如图所示。首先将滑块倒入转盘内，随着转盘的转动；滑块互相挤压从出料口出来，到达定位块上；在两个感应器的作用下，判断滑块方向是否正确，方向不对的滑块由气缸推出；将方向正确的滑块吸起搬运至安装位置处后，放下并复位（图4）。
2.4焊接板安装
焊接版的出料装置采用2.3节所设计的出料结构，振动盘出料并定位好，吸起搬运至安装位置后，放下并复位（图5）。
2.5焊接搬运
完成焊接板安装后，将前期装配的所有部件利用机械手同时夹取搬运到下一个工位，焊接搬运模型如图6所示。
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