基于真實(shí)配合的虛擬裝配技術(shù)研究

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1、基于真實(shí)配合的虛擬裝配技術(shù)研究期開發(fā)階段由于缺乏實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)，不可能取得足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以避免產(chǎn)生潛在的問題和缺陷。雖然產(chǎn)品本身的功能可以通過模擬的方法得到測試和檢驗(yàn)。然而要預(yù)先測試和檢驗(yàn)人機(jī)交互性能是非常困難的，僅借助現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)很難斷定裝配過程是否存在問題，用戶在使用中是否遇到問題等。大量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有關(guān)裝配和維護(hù)的問題是最棘手的問題，這些問題往往會給企業(yè)造成極大的浪費(fèi)，甚至?xí){公司的生存。而對工程師來說復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃是非常艱巨的任務(wù)，在眾多的裝配工藝規(guī)劃中找到最優(yōu)的工藝規(guī)劃也是非

2、常困難的工作。盡管現(xiàn)代的CAD系統(tǒng)能使工程師看到最后的產(chǎn)品模型，但是這些系統(tǒng)不支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規(guī)劃，到目前為止計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝規(guī)劃仍然沒有得到加強(qiáng)，這其中的一個(gè)重要原因是產(chǎn)品的裝配在很大程度上依賴專家知識，而這些知識很難用公式的形式表達(dá)出來。而且裝配工藝規(guī)劃不僅僅是找到可行的裝配順序，而且裝配過程中工作空間，裝配工具，人員等的空間限制等因素同樣需要考慮。這就需要一個(gè)直觀的、逼真的裝配環(huán)境對產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行驗(yàn)證。然而就產(chǎn)品的裝配過程而言，裝配時(shí)可能出現(xiàn)兩類問題，一是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有誤無法進(jìn)行裝配，這往往會

3、導(dǎo)致產(chǎn)品的重新設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品失去市場競爭先機(jī)，二是裝配的過程不合理，工程師需要重新調(diào)整裝配過程。因此在產(chǎn)品進(jìn)行大批量生產(chǎn)之前還需要制造物理樣機(jī)檢驗(yàn)產(chǎn)品的裝配性能，生產(chǎn)計(jì)劃，或人機(jī)工程學(xué)等問題。反復(fù)的試制樣機(jī)不但增加了制造成本，而且延長了產(chǎn)品上市的時(shí)間，使企業(yè)在激烈的競爭中處于劣勢。很多企業(yè)意識到為了保持市場競爭力必須保證技術(shù)的先進(jìn)性，必須尋求先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)必須將生產(chǎn)成本控制在最小范圍。由于生產(chǎn)成本與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，因此企業(yè)必須在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就要盡量減少產(chǎn)品裝配時(shí)可能遇到的問題。虛擬裝配正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而

4、生的。虛擬現(xiàn)實(shí)(vR)又稱臨境技術(shù)川，是計(jì)算機(jī)生成的合成環(huán)境，能給人一種幻覺，被看作計(jì)算機(jī)三維圖形在高級輸入輸出設(shè)備支持下的自然延伸，與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助模擬不同，它使用戶產(chǎn)生沉浸感，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能夠顯著提高設(shè)計(jì)效率，特別是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于裝配系統(tǒng)已經(jīng)獲得了階段性成果【2】【3】【4】【5】，并且得到了寶貴的經(jīng)驗(yàn)為今后進(jìn)一步將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于虛擬裝配打下了基礎(chǔ)。虛擬裝配技術(shù)一改傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)采用鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器等二維輸入輸出設(shè)備，而是采用高級的三維輸入輸出設(shè)備(數(shù)據(jù)手套、頭盔、顯示

5、器等)。設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的裝配，不僅可以看到、摸到虛擬的零件，而且可以通過手勢、聲音等設(shè)計(jì)手段在虛擬環(huán)境中完成產(chǎn)品的虛擬裝配，并且對產(chǎn)品的可裝配性作出直接的評價(jià)，并及時(shí)修改。虛擬裝配技術(shù)可以在產(chǎn)品開發(fā)的初期就為設(shè)計(jì)人員提供用于分析生產(chǎn)、裝配和評價(jià)的虛擬樣機(jī)，這樣碩I：學(xué)位論文便能大大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、避免設(shè)計(jì)缺陷，同時(shí)因代替了實(shí)物樣機(jī)又可節(jié)省很大的開銷。因此，虛擬裝配技術(shù)對產(chǎn)品的開發(fā)具有重大的意義。1．2虛擬裝配技術(shù)的內(nèi)涵虛擬裝配是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能技術(shù)和仿真技術(shù)等構(gòu)造虛擬環(huán)境以及產(chǎn)品

6、虛擬模型，從而在產(chǎn)品裝配過程中進(jìn)行交互分析以及仿真產(chǎn)品裝配過程和裝配結(jié)果。它不僅能夠檢驗(yàn)、評價(jià)以及預(yù)測產(chǎn)品的可裝配性，并且能夠面向裝配過程提供直觀的、經(jīng)濟(jì)合理的規(guī)劃方法。虛擬裝配技術(shù)是將面向裝配設(shè)計(jì)(DFA)技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合，建立一個(gè)與實(shí)際裝配生產(chǎn)環(huán)境相一致的虛擬裝配環(huán)境(ⅥnualAssemblyEnvironment，VAE)，使裝配人員通過虛擬現(xiàn)實(shí)的交互手段進(jìn)入VAE，利用人的智慧直覺地進(jìn)行產(chǎn)品的裝配／拆卸操作，用計(jì)算機(jī)來記錄人的操作過程，以確定產(chǎn)品的裝、拆順序和路徑。虛擬裝配技術(shù)是多門技術(shù)的融合。從本質(zhì)上講

7、它主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)層次的映射，即底層用產(chǎn)品數(shù)字化模型映射了產(chǎn)品物理模型，頂層用虛擬的裝配仿真過程映射了真實(shí)的裝配過程。第一層次映射免除了產(chǎn)品模型的物理實(shí)現(xiàn)，同時(shí)使得工程分析、裝配仿真成為可能；第二層次的映射使得產(chǎn)品裝配規(guī)劃、驗(yàn)證及評價(jià)成為可能。圖1．1表示了這兩個(gè)層次的映射關(guān)系。一一一一一。1裝配規(guī)則裝配仿真裝配評價(jià)圖1．1虛擬裝配技術(shù)的映射關(guān)系虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝配領(lǐng)域的全新的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，就交互手段而言，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品裝配，人與虛擬環(huán)境的交互手段是三維的數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、頭盔式顯

8、示器、光柵眼鏡等。其二，就裝配過程而言，裝配工程師在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配建模，直接抓取虛擬零件，可以基丁真實(shí)配合的虛擬裝配技術(shù)研究沿著一條沒有碰撞的、優(yōu)化的路徑將待裝配零件移動到目標(biāo)位置，同時(shí)裝配系統(tǒng)要檢測零件之間的干涉情況，裝配工程師必須按照可行的裝配順序與裝配路徑裝配零件，所以得到的裝配順序都是可行的，而且由于融入了專家知識，得