基于虛擬技術(shù)的裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究_圖文

1、第22卷第3期2006年6月機(jī)械設(shè)計(jì)與研究Machine Design and Research Vol . 22No . 3Jun . , 2006文章編號(hào):100622343(2006 03270205基于虛擬技術(shù)的裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究侯文君, 嚴(yán)耀琪, 姚福生(1. 北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 北京100876, E 2mail:W enjunh2113263. 2. 北京航天航空大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 北京100083摘要:-;并對(duì)C AD 模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、裝, 。關(guān)鍵詞:; ; :112m A i ded A ssem bly Process Pl an i n g SystemB

2、a sed on V i rtua l TechnologyHOU W en 2jun , Y AN Yao 2qi , Y AO Fu 2sheng112(1. Aut omati on School, Beijing University of Posts &Telecommunicati ons, Beijing 100876, China;2. Beijing University of Aer onautics &A str onautics, Beijing 10083, China Abstract:The paper firstly intr oduced 3D

3、 computer aided asse mble p r ocess p lanning syste m based on virtualtechnol ogy, then p r oposed the architecture of 3D -VAPP syste m, discussed key technol ogy and s oluti ons such as data conversi on of C AD model, visual asse mbling sequence, path p lan, dynam ic asse mbly si m ulati on, asse m

4、bly knowledge maintenance and docu ment management . Es pecially p r oposed one kine of multi 2level Surface p iece mechanical model p recise Collisi on exam ines the algrith m and the asse mbly p r ocess multi 2a mgles observati on lens aut omatic cut over algo 2rith m, I n the up shot , charting a

5、 ne w directi on f or the A sse mbly Pr ocess Plan syste m.Key words:virtual asse mbly; CAPP; collisi on detecti on; asse mbly p r ocess p lanning計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(C APP 是企業(yè)信息化中的重要一環(huán), 它所產(chǎn)生的工藝數(shù)據(jù)是企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的重要依據(jù)。虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究的熱點(diǎn), 它直接操作虛擬場(chǎng)景中的零件模型進(jìn)行產(chǎn)品裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬, 對(duì)零件可裝配性和裝配路徑有效性進(jìn)行檢查, 有益于設(shè)計(jì)驗(yàn)證、產(chǎn)品裝配順序的求解, 并為面向復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)

6、計(jì)提供更好地支撐。隨著三維CAD 技術(shù)在企業(yè)中的廣泛應(yīng)用以及虛擬裝配技術(shù)的優(yōu)越性, 將虛擬技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工藝設(shè)計(jì), 提出并設(shè)計(jì)基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng), 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ摂M裝配(V irtual A ssembly, VA 技術(shù)進(jìn)行了研究, 也取得了一定的進(jìn)程實(shí)際應(yīng)用程度高, 將虛擬技術(shù)與三維C AD 的裝配工藝設(shè)計(jì)相結(jié)合, 真正解決工藝規(guī)劃成為企業(yè)需求的熱點(diǎn)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)111系統(tǒng)主要功能本文開(kāi)發(fā)的3D -VAPP 系統(tǒng)具有如下功能:通過(guò)與CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口, 獲取和建立VA 的裝配模型; 在可視化的虛擬場(chǎng)景中,

7、交互式建立裝配順序與路徑、動(dòng)態(tài)分析裝配干涉情況, 得出最優(yōu)路徑和次序; 裝配過(guò)程中零部件位姿和視點(diǎn)變化矩陣的記錄以及裝配過(guò)程的反演, 生成裝配動(dòng)畫(huà)指導(dǎo)生產(chǎn); 在工藝知識(shí)庫(kù)的支持下, 結(jié)合裝配順序交互式定義、編輯與完善裝配工藝卡片; 通過(guò)Access 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)系統(tǒng)生成的工藝文件進(jìn)行有效管理, 對(duì)工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行積累。112系統(tǒng)主界面及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展1, 2, 但總的來(lái)說(shuō), 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品裝配規(guī)劃的時(shí)間還不長(zhǎng), 各種理論和方法還不成熟, 不能實(shí)現(xiàn)與前端CAD 數(shù)據(jù)的資源共享, 尤其大多虛擬裝配都采用完全沉浸式本軟件系統(tǒng)采用OPE N I N VE NT OR +VC6. 0并輔助Ac 2ces

8、s 數(shù)據(jù)庫(kù)自行開(kāi)發(fā)完成。系統(tǒng)主界面如圖1所示。的, 其所需的輸入輸出設(shè)備(數(shù)據(jù)手套 的精度和費(fèi)用有限制, 同時(shí)完全沉浸的虛擬環(huán)境中無(wú)法解決CAPP 的很多工藝文字信息(或數(shù)據(jù) 需要輸入和顯示, 所以導(dǎo)致虛擬裝配的工整個(gè)系統(tǒng)劃分為裝配工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配和工藝管理三個(gè)部分, 其詳細(xì)功能模塊劃分如圖2所示。本系統(tǒng)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示, 包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、裝配工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配和外部裝配體文件等 。收稿日期:2005-09-05 圖1 基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖2 系統(tǒng)詳細(xì)功能模塊劃分2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和解決方案211機(jī)械模型信息提取在VR 系統(tǒng)中, 由于碰撞檢測(cè)及實(shí)時(shí)交

9、互的需要, 機(jī)械零部件模型一般為離散的多邊形面片, 其中僅包含頂點(diǎn)、顏色或紋理等圖形信息, 并用場(chǎng)景樹(shù)對(duì)其進(jìn)行管理; 而C AD 系統(tǒng)則采用精確的幾何描述模型, 零件包含精確的拓?fù)渑c幾何信息, 裝配體通常都由裝配約束組織起來(lái), 由C AD 系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)圖3系統(tǒng)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖庫(kù)進(jìn)行管理; 由于C AD 系統(tǒng)和VR 系統(tǒng)的上述差異, 在本系統(tǒng) 口程序, 將CAD 模型的圖形信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換寫(xiě)成VR ML 格式3。并將零部件的拓?fù)湫畔?、零件的形狀參?shù)、零部件在裝配體中的定位參數(shù)等信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。本系統(tǒng)與Solid 2Works 的模型數(shù)據(jù)接口關(guān)系如圖4所示 。中要調(diào)用C AD 系統(tǒng)所建模型,

10、就要從中分別提取零件的圖形信息和零件的參數(shù)與位置信息。并在VAPP 系統(tǒng)中進(jìn)行重構(gòu), 實(shí)現(xiàn)外部C AD 系統(tǒng)數(shù)據(jù)向VAPP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中, 我們針對(duì)Solid Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)建立接圖4212可視化交互式裝配工藝設(shè)計(jì), 并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)施企業(yè)特點(diǎn), 本文采用分層次裝配與拆卸法求解相結(jié)合的辦法來(lái)規(guī)劃裝配順序。其算法流程圖如圖5所示, 包括如下步驟:針對(duì)具體的零部件模型, 通過(guò)點(diǎn)選、平移、旋轉(zhuǎn)、剖視、局部放大等操作, 了解零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。在了解原始零部件裝配關(guān)系的基礎(chǔ)上, 對(duì)子裝配體的內(nèi)容進(jìn)行局部整合, 形成符合裝配需求的子裝配體, 保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)整合后的裝配體進(jìn)行拆卸。零部

11、件模型拆卸后, 得到初始裝配順序的逆序, 并記錄初始裝配路徑等信息, 保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。拆卸過(guò)程中采用人機(jī)交互的方式, 分為自由拆卸和精確拆卸兩種形式。對(duì)裝配順序進(jìn)行調(diào)整, 調(diào)整后的裝配順序存入數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)裝配路徑進(jìn)行調(diào)整, 調(diào)整后的裝配路徑存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在后續(xù)的虛擬裝配中, 對(duì)裝配順序和裝配路徑進(jìn)行可視化的驗(yàn)證, 如果驗(yàn)證結(jié)果有問(wèn)題, 重新對(duì)裝配順序和裝配路徑進(jìn)行調(diào)整, 如果驗(yàn)證結(jié)果沒(méi)有問(wèn)題, 得到裝配順序結(jié)果。進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)干涉分析, 可以計(jì)算零件間的距離并可以專(zhuān)門(mén)研究路徑上有問(wèn)題的區(qū)域。在整個(gè)過(guò)程中, 系統(tǒng)可以用紅色加亮干涉區(qū)、空間失調(diào)和近距離靠近, “遇到干涉則停止”拆卸。213虛擬裝配過(guò)程的記

12、錄、編輯與反演, , 同時(shí)結(jié)合產(chǎn)品零部件信息( , 對(duì)零部件裝配模型進(jìn)行精確的拆卸操作及路徑規(guī)劃, 并以逆序輸出, 得到裝配模型的裝配序列和裝配路徑 。虛擬裝配過(guò)程的記錄、編輯與反演是優(yōu)化裝配序列和裝配路徑、提高裝配速度、驗(yàn)證裝配工藝的正確性與可行性的重要方法。用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配操作的同時(shí), 系統(tǒng)將自動(dòng)記錄整個(gè)裝配過(guò)程, 包括零件的移動(dòng)過(guò)程、視點(diǎn)的變換過(guò)程和每個(gè)零件的裝配路徑。其中要驗(yàn)證裝配順序和路徑的可行性, 基于虛擬零部件的精確碰撞檢測(cè)是必需的, 同時(shí), 由于零件之間的遮擋關(guān)系, 要?jiǎng)討B(tài)觀察不同方位的零部件裝配細(xì)節(jié), 就必須考慮虛擬裝配過(guò)程中的多鏡頭多角度自動(dòng)切換。本文在這一方面做了

13、大量的研究工作, 提出了基于多層次面片機(jī)械模型的精確碰撞檢測(cè)算法。在虛擬裝配反演過(guò)程中, 由于路徑規(guī)劃的失誤, 經(jīng)常會(huì)發(fā)生當(dāng)前移動(dòng)的物體(包括零部件、工具、夾具 與靜止物體圖5可視化交互式裝配工藝設(shè)計(jì)的算法流程(虛擬裝配場(chǎng)景、已裝配的零部件、工具、夾具 發(fā)生動(dòng)態(tài)干涉的情況, 因此只有在零件裝配過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)零件沿規(guī)劃軌 跡運(yùn)行過(guò)程中的干涉情況, 才能使裝配順序和路徑的正確性 得到保證。同時(shí), 由于裝配實(shí)時(shí)性的要求, 在本系統(tǒng)中, 碰撞檢測(cè)算法既要能大大提高碰撞檢測(cè)的效率, 又要提高碰撞檢測(cè)的精度4?；谏鲜鲈? 下面提出一種面向機(jī)械虛擬裝配的分層精確碰撞檢測(cè)算法, 該算法分為四個(gè)層次:零件包

14、圍盒層、面片包圍盒層, 三角面片層5、特征剔除層, 算法流程如圖6 所示。擋關(guān)系, 必須考慮多個(gè)觀察鏡頭的自動(dòng)切換以避免某些裝配細(xì)節(jié)被場(chǎng)景中的其他靜態(tài)實(shí)體遮住。為此, 一種動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭自動(dòng)切換算法是必要的, 算法流程如圖7所示 。圖7裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭處自動(dòng)切換算法214裝配工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的建立與工藝文件管理工藝知識(shí)庫(kù)的好壞, 直接影響著整個(gè)系統(tǒng)輸出工藝文件的質(zhì)量。在本軟件系統(tǒng)中, 曾針對(duì)上海路橋的產(chǎn)品特征, 建立了裝配工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù), 作為用戶進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)的輔助支持。在裝配工藝知識(shí)庫(kù)中, 總結(jié)了裝配體裝配工藝一般應(yīng)該滿足的通用化規(guī)則及典型工藝知識(shí)、包含了在長(zhǎng)期的裝配實(shí)踐

15、中形成的有關(guān)裝配順序、方式、裝夾手段等經(jīng)驗(yàn)。用戶在進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候, 根據(jù)當(dāng)前機(jī)械零件的種類(lèi)和裝配體的種類(lèi), 從裝配工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中選擇相應(yīng)的條款, 加入當(dāng)前裝配工序圖中, 如圖8所示。工藝工序圖中的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)到工藝文件數(shù)據(jù)庫(kù)中, 用戶可以通過(guò)提交報(bào)表的形式產(chǎn)生裝配工藝卡片。如果工藝知識(shí)庫(kù)中缺少某種工藝內(nèi)容, 用戶可以在當(dāng)前的工序圖中加入該內(nèi)容, 同時(shí)該工藝圖6分層精確碰撞檢測(cè)算法也將自動(dòng)擴(kuò)充到工藝知識(shí)庫(kù)中。對(duì)于CAPP 系統(tǒng), 工藝文件的管理是必需的, 本系統(tǒng)的工藝管理模塊使用戶在裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)、方便地瀏覽和編輯零、部件的屬性信息和裝配工藝信息(包括裝配工、夾具的選擇, 填寫(xiě)裝配操

16、作流程說(shuō)明等 。同時(shí)通過(guò)裝配工藝后處理模塊, 生成裝配工藝卡、工裝清單和配套清單等符合工程實(shí)際要求的裝配工藝文檔以及裝配動(dòng)畫(huà)與三維爆炸圖 。裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭自動(dòng)切換算法在機(jī)械零件模擬裝配過(guò)程中, 由于零件之間可能存在遮圖8裝配工序圖47機(jī)械設(shè)計(jì)與研究第22卷3結(jié)論本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從模型輸入、可裝配性分析、裝配順序和裝配路徑規(guī)劃、裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證、裝配工藝知識(shí)維護(hù)、裝配工藝文件管理等一系列功能。將計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)和虛擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái), 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了CAPP 與C AD 的無(wú)縫銜接, 對(duì)于企業(yè)提高工藝設(shè)計(jì)水平, 實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化具有很好的輔助作用。但從廣義上講, 裝配工藝規(guī)劃不僅包括產(chǎn)品零件

17、裝配順序的選擇, 還必須綜合考慮工作場(chǎng)地、工具和工人等物理因素。對(duì)此可以充分利用虛擬裝配系統(tǒng)所能夠提供的交互式可視化工具, 對(duì)零部件之間的配合約束和運(yùn)動(dòng)路徑關(guān)鍵點(diǎn)處的干涉進(jìn)行檢查, 求解優(yōu)化的零部件裝配順序和可行的裝配路徑, 并且對(duì)所求得的規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整, 從而制訂出一份完整的工藝規(guī)程。參考文獻(xiàn):1 劉陽(yáng), 李藝, 孫沖, 崔展鵬. 基于裝配工藝規(guī)程的產(chǎn)品虛擬裝配技術(shù)J .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2005, 3:9092. 2楊潤(rùn)黨, 武殿梁, 鄧華林, 范秀敏, 嚴(yán)雋琪. 虛擬環(huán)境下產(chǎn)品裝配技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)J .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2004, 10:12201224.3Suri S, Hub

18、bard P M, Hughes J J. Collisi on Detecti on in A s pectand Scale Bounded Polyhedra A .Pr oc . 9th AC M -SI A M Sy m 2pos D iscrete A lgorithm sC .1998. 4呂秋靈, 張玨. J .計(jì), 2002, 4:6972.:(1964 , , 副教, 、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人機(jī)交(上接第69增加螺栓高度, 。另外, 在鉆架的腹板末端與方鋼接觸部分有應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)鉆架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 將腹板延伸到方鋼管末端, 以解決這一問(wèn)題。變。結(jié)果表明水平定向鉆的強(qiáng)度能夠滿足要

19、求, 但部分結(jié)構(gòu)需要修改優(yōu)化。水平定向鉆虛擬樣機(jī)的仿真分析, 為產(chǎn)品研發(fā)與優(yōu)化提供了理論依據(jù), 有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量, 降低設(shè)計(jì)成本, 縮短開(kāi)發(fā)周期。以上對(duì)虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)的仿真還不夠完善, 有待于改進(jìn), 以提高模型的準(zhǔn)確度。參考文獻(xiàn):1熊光楞, 李伯虎, 柴旭東. 虛擬樣機(jī)技術(shù)J .系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2001, 13(1 :114117. 2G . GaryW ang . Definiti on and Revie w of V irtual Pr ot otyp ingJ .Journal of Computing and I nfor mati on Science in Engineeri

20、ng, 2002, 9(2 :232236. 3劉靜, 潘雙夏, 馮培恩. 挖掘機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模策略與仿真技術(shù)研究J .浙江大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 38(11 :3040. 4Quang Ha, M iguel Sant os, Quang Nguyen, et al . Robotic exca 2vati on in constructi on aut omati onJ .I EEE Robotics &Aut oma 2ti on Magazine . 2002, 9(1 :2028. 5李伯虎, 柴旭東. 復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程J .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)-C I M S, 2002, 8(9 :44-47.6Desheng Lu, B ingr ong Hong,