面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械虛擬裝配系統(tǒng)

1、面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械虛擬裝配系統(tǒng)        北京信息科技大學(xué)學(xué)報 第 27 卷套完成對虛擬手的操作。手套的每根手指背部有 2個彎曲傳感器。傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，傳感器的輸出數(shù)值表示彎曲程度。    傳感器數(shù)據(jù)與手指的彎曲角度有如下線性關(guān)系:i= ( max min) Nout/ Rval式中，i為第 i 根手指的彎曲角度; max和 min分別代表最大和最小彎曲角度; Nout為傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù); Rval為傳感器測得的數(shù)值。    數(shù)據(jù)手套

2、通過位置跟蹤器對操作者手的位置和姿態(tài)進行定位，用一個六元組來表示局部坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)信息，通過特定的轉(zhuǎn)換矩陣，可得到全局坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^數(shù)據(jù)手套對虛擬空間里的虛擬手進行控制和操作。    2. 3 裝配規(guī)劃生成    在進行裝配規(guī)劃的過程中，首先把復(fù)雜的裝配體分成可裝配的組件，對于裝配簡單的組件，利用專家系統(tǒng)進行推理裝配，從而生成裝配規(guī)劃方案; 對于裝配復(fù)雜的組件，利用相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實手段進行人機交互，實時地產(chǎn)生裝配規(guī)劃方案。這樣既克服了專家系統(tǒng)對于復(fù)雜的組件不能生成裝配方案的缺點，也避免了簡單零部件在虛擬現(xiàn)實中人機交

3、互的繁瑣，如圖 3 所示。    圖 3 裝配規(guī)劃生成過程    3 應(yīng)用實例與分析以五軸銑頭為例進行虛擬裝配應(yīng)用探索。銑頭模型是五軸聯(lián)動機床上的 2 個擺動坐標(biāo)的雙擺銑頭。五軸加工機床除了像普通加工機床具有 x、y、z三個直線運動坐標(biāo)外，還具有 2 個旋轉(zhuǎn)方向的進給運動，即繞著 x 軸旋轉(zhuǎn)的 A 軸( 或繞著 y 軸旋轉(zhuǎn)的 B軸) 和繞 z 軸旋轉(zhuǎn)的 C 軸。2 個旋轉(zhuǎn)動作由集成在銑頭上的機構(gòu)和驅(qū)動完成。因此，雙擺是銑頭具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，并且裝配要求很高。在虛擬環(huán)境下的控制對于銑床的整體控制和裝配有著重要的意義。 

4、60;  采取對繞著 x 軸旋轉(zhuǎn)的 A 軸和繞 z 軸旋轉(zhuǎn)的 C軸進行旋轉(zhuǎn)控制的方式，對銑頭運動進行控制，并且對銑頭的三維模型處理、場景設(shè)置、模型動作控制實現(xiàn)和觀察視角的實現(xiàn)等步驟進行了編程二次開發(fā)。    圖 4 所示為 CAD 三維銑頭結(jié)構(gòu)模型。    虛擬裝配銑頭設(shè)計以 Virtools 為開發(fā)引擎，在Windows XP 和 VS2008 環(huán)境下，基于 MFC 窗口開發(fā)的虛擬裝配平臺，并以五軸銑頭為例對其進行裝配，如圖 4 所示。    圖 4 銑頭結(jié)構(gòu) CAD 模型 

5、0;  1) 三維模型的格式轉(zhuǎn)換首先將三維建模軟件如 Pro/E 完成的設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為 Virtools Dev，實現(xiàn)模型的導(dǎo)入。在模型中把銑頭拆分成 3 個部分，分別保存為 STL 文件格式，如圖 5 所示。    圖 5 虛擬裝配系統(tǒng)對五軸銑頭的裝配設(shè)置裝配體的旋轉(zhuǎn)中心軸，并且以 3DS 的格式導(dǎo)出模型文件。    2) 基于 Virtools 的設(shè)計    Virtools 是 VIR. TOOLS 開發(fā)的交互三維引擎，其特點是方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廣。利用 Virtools 可實現(xiàn)模型的材質(zhì)

6、和燈光設(shè)置、模型的運動控制和變換視角的功能。    材質(zhì)和燈光的設(shè)置使模型更有金屬質(zhì)感，在14 1 期 楊慶東等: 面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械虛擬裝配系統(tǒng)圖 1 虛擬裝配在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的作用調(diào)用，包括存儲大量模型幾何參數(shù)、公差參數(shù)、層次關(guān)系、裝配關(guān)系、裝配設(shè)計參數(shù)、約束和傳遞關(guān)系信息。    2) 平臺驅(qū)動層: 對虛擬場景進行渲染及可視化。采用 OSG ( Open Scene Graph) 開源圖形庫。    OSG 引擎由一系列圖形學(xué)相關(guān)的功能模塊組成，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化的

7、功能。根據(jù)所建立的場景模型和場景中各實體對象運行參數(shù)生成實時場景，為用戶交互層提供三維場景渲染服務(wù)，有利于增強裝配交互時的沉浸感和真實感。    3) 算法優(yōu)化層: 由專家系統(tǒng)和蟻群優(yōu)化算法組成，可以對裝配順序和路徑進行初始選定和后續(xù)優(yōu)化，并提出相應(yīng)裝配類型，是虛擬裝配系統(tǒng)實現(xiàn)規(guī)劃的主要部分，有利于把人的經(jīng)驗和科學(xué)的算法相結(jié)合，并在人的主導(dǎo)下最終選定規(guī)劃方案。    4) 人機交互層: 利用數(shù)據(jù)手套和 spaceball 對模型進行人機交互式的虛擬裝配，對模型進行抓取、搬運和安裝的仿真，并對碰撞進行實時檢測，有利于對裝配全過程進行仿真

8、和監(jiān)督檢測，并根據(jù)仿真裝配過程對規(guī)劃方案進行改進。    1. 2 功能結(jié)構(gòu)    虛擬裝配系統(tǒng)的功能主要是研究如何簡化和優(yōu)化產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，降低裝配難度，減少不必要的零件，從而減少庫存，提高可靠性，降低生產(chǎn)控制費用。    虛擬裝配系統(tǒng)主要由模型轉(zhuǎn)化模塊、裝配培訓(xùn)模塊、可裝配性評價模塊、裝配順序記錄模塊和設(shè)計意見反饋模塊組成，如圖 2 所示。    1) 模型轉(zhuǎn)化模塊。對零件和部件的建模主要是基 于 專 用 的 CAD 軟 件，例 如 Pro/Engineer、SolidW

9、orks 等，這個模塊的主要功能是提取產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹信息、裝配約束信息和零部件的幾何信息，實現(xiàn)模型從 CAD 系統(tǒng)到虛擬裝配系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換。    Pro / Engineer、SolidWorks 也擁有自己的虛擬裝配模塊，但操作仿真的真實感和可靠性受到限制，主要用于產(chǎn)品的設(shè)計階段。    2) 裝配培訓(xùn)模塊。這個模塊可以對裝配工人圖 2 虛擬裝配系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)進行培訓(xùn)。模塊可生成裝配動畫，裝配工人通過裝配動畫進行學(xué)習(xí)，然后通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行人機交互和虛擬裝配，從而達到培訓(xùn)的目的，降低由于操作失誤而造成的裝配成本的上升。 

10、   3) 可裝配性評價模塊。在機械制造領(lǐng)域，一般把產(chǎn)品的裝配分為零部件獲取階段和零部件裝配 2個階段2。在可裝配性分析中，需要考察上述階段中各操作步驟的難度，找出影響可裝配性的因素，在分析的基礎(chǔ)上，建立可裝配性評價。系統(tǒng)提供了虛擬場景、虛擬工具和碰撞檢測的功能，對零部件進行虛擬的人機交互，從而達到可裝配性評價的目的。    在進行人機交互的過程中，為了對能否順利拆裝進行虛擬實驗，系統(tǒng)中設(shè)有多個視口可同時觀察，以對裝配過程全面監(jiān)控。    4) 裝配順序記錄模塊。這個模塊是虛擬裝配結(jié)論性的模塊，是為裝配部門提供裝配

11、的順序和路徑，裝配部門可以依照此記錄進行裝配。    2 虛擬裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)    2. 1 虛擬裝配環(huán)境的構(gòu)建建立虛擬裝配場景，采用 OSG 圖形系統(tǒng)自頂向下，分層的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織空間數(shù)據(jù)集，以提升渲染效率。    場景圖形的頂點是根節(jié)點，下面是與之相連的組節(jié)點，最下層為葉節(jié)點。最底層的葉節(jié)點包含了構(gòu)成裝配車間中物體的幾何信息，而各組節(jié)點包括了對葉節(jié)點的控制和渲染，是實現(xiàn)各種用戶功能的主要部分。    2. 2 虛擬手實現(xiàn)人機交互   

12、 系統(tǒng)利用5DT 的 Data Glove 5 Ultra 系列數(shù)據(jù)手13 27 卷 第 1 期2012 年 2 月北 京 信 息 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報Journal of Beijing Information Science and Technology UniversityVol 27 No 1Feb 2012文 章 編 號:1674 6864( 2012) 01 0012 04面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械虛擬裝配系統(tǒng)楊慶東，李富強( 北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100192)摘 要: 針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械產(chǎn)品的裝配問題，研究了融合虛擬場景與人機交互進行虛擬裝配技術(shù)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，利用交互

13、三維引擎 Virtools，建立了三維虛擬裝配系統(tǒng)，實現(xiàn)可裝配性評價、裝配順序的輸出、設(shè)計意見反饋和虛擬培訓(xùn)。以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的直驅(qū)雙擺角銑頭新產(chǎn)品為對象，闡明了通過虛擬裝配系統(tǒng)提高裝配性能的實用價值。    關(guān) 鍵 詞: 復(fù)雜機械; 虛擬裝配; 銑頭; 裝配評價      中圖分類號: TH 744 文獻標(biāo)志碼: A    Virtual assembly system for complex structure mechanicYANG Qing-dong，LI Fu-qiang( School

14、of Electromechanical Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)Abstract: Aiming at the assembly problem of complex structure of mechanical product，the keytechnology in the integration of virtual reality and interactive virtual assembly is studied By using

15、 thethree-dimensional interactive engine Virtools，a three-dimensional virtual assembly system is created toachieve assembly evaluation，the output of the assembly sequence，design feedback and virtual trainingTaking the new products milling head with the two running direct-drives as the complex struct

16、ure object，the practical value for improving assembly performance by virtual assembly system is illustratedKey words: complex structure mechanic; virtual assembly; milling head; assembly evaluation收稿日期: 2011-12-21基金項目: 北京市科技計劃項目( D08010400130801) ; 北京市屬高等學(xué)校人才強教深化計劃項目( PXM2010_014224_0952410) ; 學(xué)科與研究

17、生教育重點學(xué)科-機械工程項目( PXM2012-014224-000042)作者簡介: 楊慶東( 1956) 男，河南林州人，博士，教授，主要研究方向為先進制造技術(shù)。    0 引言    信息時代的制造業(yè)處于動態(tài)、突變和非平穩(wěn)環(huán)境，全球范圍的市場競爭使越來越多的企業(yè)正面臨著產(chǎn)品上市時間、質(zhì)量、成本和服務(wù)的挑戰(zhàn)。采用先進設(shè)計和制造技術(shù)是迎接挑戰(zhàn)的有效途徑。在工業(yè)自動化的發(fā)展進程中，產(chǎn)品裝配自動化是強弱環(huán)節(jié)之一。Wynne 和 Hsu 等1指出，在制造業(yè)中，大約有1/3的人力在從事有關(guān)產(chǎn)品裝配的活動。筆者基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以面向裝配設(shè)計

18、( DFA) 作為理論基礎(chǔ)，采用三維交互手段，對虛擬裝配在復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中重新定位，介紹了虛擬裝配在生產(chǎn)流程的位置和作用。以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的直驅(qū)雙擺角銑頭新產(chǎn)品為對象，闡明了通過虛擬裝配系統(tǒng)提高裝配性能的實用方法。    1 虛擬裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)    在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，虛擬裝配具有對設(shè)計環(huán)節(jié)反饋可裝配性的評價功能，對培訓(xùn)部門提供重要的技術(shù)支持，把最經(jīng)濟和高效率的裝配規(guī)劃提供給裝配部門。對于設(shè)計部門、虛擬裝配部門和 CAE 部門具有同等重要的作用，可裝配性分析和強度分析、熱分析一樣，都可向設(shè)計部門提出使產(chǎn)品更合理的意見，如圖 1 所

19、示。    1. 1 體系結(jié)構(gòu)    根據(jù)系統(tǒng)功能構(gòu)建的虛擬裝配系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、平臺驅(qū)動層、算法優(yōu)化層和人機交互層 4 個層次組成。    1) 數(shù)據(jù)層: 用來處理、存放系統(tǒng)模型所需的數(shù)據(jù)。對原有 CAD 模型進行處理和存儲，以供裝配時 1 期 楊慶東等: 面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)機械虛擬裝配系統(tǒng)Virtools Dev 里設(shè)置時需首先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，存放資源數(shù)據(jù)。    在模型導(dǎo)入 Virtools Dev 后，進行材質(zhì)設(shè)置。選擇具有金屬光澤的灰色，更接近實際觀察效果。  

20、;  然后加入 2 個燈光，設(shè)置在模型的兩側(cè)，調(diào)整亮度，使模型產(chǎn)生明暗效果。設(shè)置后的效果如圖 6所示。    圖 6 金屬光澤效果和燈光設(shè)置    對模型的動作控制主要是實現(xiàn)雙擺銑頭的 C軸旋轉(zhuǎn)和 A 擺動可控制動作，在 Virtools 系統(tǒng)通過腳本編輯、參數(shù)設(shè)置和編程實現(xiàn)。編輯開發(fā)過程中，應(yīng)注意實際銑頭的加工旋轉(zhuǎn)與擺動運動完全一致。    3) 模型攝像機設(shè)置    模型攝像機設(shè)置時為了能夠在虛擬裝配環(huán)境中方便查看裝配位置、角度，在觀看和控制的時候，需要方便快捷地轉(zhuǎn)換視角，這里采用按下鼠標(biāo)鍵的方式來實現(xiàn)對視角的調(diào)整。設(shè)置步驟包括創(chuàng)建 3Dframe 腳本、調(diào)節(jié)重合位置等。    在虛擬裝配平臺下，在建好的場景圖形三維空間中，對分散的可裝配組件進行裝配( 見圖 7) 。    圖 7 裝配