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虚拟装配的研究综述与分析
2015年11月8日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:夏平均,姚英学
    单位:哈尔滨工业大学 机电学院

    摘要:对虚拟装配技术的研究状况进行了全面的综述和分析 ,主要讨论虚拟装配的概念和内涵 ,指出虚拟装配技术本质上是实现两层次的映射.从不同角度对虚拟装配进行分类 ,根据实现功能和目的不同可分为以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配 ,根据虚拟环境的不同可分为桌面式系统、头盔式系统、CAVE式系统和 Cybersphere系统 ,并根据这些系统的优缺点自行设计了一种新型的虚拟装配环境系统.最后给出了典型虚拟装配系统的体系结构和工作流程.

    虚拟装配是近年来兴起的重要研究方向之一 ,它从产品装配设计的角度出发 ,利用虚拟现实技术和计算机仿真技术 ,建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境 ,借助于虚拟现实的输入输出设备 ,设计者可在虚拟环境中人机交互式地进行装配操作和规划 ,检验和评价产品的装配性能 ,生成经济、合理、实用的装配方案. 虚拟装配技术已成为虚拟现实技术在工业界的典型应用 ,利用它可优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短开发周期、减少开发风险、降低成本 ,提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率 ,解决难以用物理模型解决的技术问题。

    1 虚拟装配的概念和内涵

    虚拟装配是实际产品装配过程在计算机上的本质体现 ,是虚拟现实技术和 CAD技术在工程设计中的典型应用 ,是现代先进制造技术的关键组成部分 ,其内涵目前在学术界还没有统一的定义 ,有关学者从不同角度对虚拟装配的概念和内涵进行了探索。

    美国华盛顿州立大学的 Sankar Jayaram等[1]最早对虚拟装配进行了系统化的开发与研究 ,首次给出了虚拟装配的定义为:使用计算机 ,在没有物理实现产品或支持过程的情况下 ,通过分析、预测模型、数据的表达和可视化 ,作出或辅助作出与装配相关的工程决策. 该定义侧重于从整体上描述虚拟装配 ,是现在能够被广泛接受的一个定义。

    德国 Bielefeld大学 B. Jung等人[2]将虚拟装配描述为在虚拟环境中使用虚拟现实交互方式(如直接操作和自然语言命令 )构建虚拟产品原型.与传统 CAD的装配相比 ,虚拟装配的重点在于直观的人机交互 ,并基于这样一个思想 ,即在虚拟环境中 ,应当通过直接操作零件和自然语言命令从而直接完成虚拟装配操作. 这一定义侧重于从具体的表现形式上刻画虚拟装配。

    西北工业大学现代设计与集成制造重点实验室的朱名铨等人[3]认为 ,虚拟装配应特指虚拟现实环境下的装配 ,它必须符合虚拟现实的特点并有特定的软、硬件支持 ,其工作环境构成除了计算机等常用设备外 ,还包括三维鼠标、数据手套、液晶立体眼镜、头盔等特殊输入输出设备. 为区别起见 ,他们把在传统计算机环境下建立数字化装配模型的过程称为电子装配或数字化装配 ,其工作环境构成为一般的计算机配置加上相应的 CAD软件。

    清华大学 CMI S国家工程中心的张林煊、肖田元等[4]对虚拟装配的定义为:虚拟装配是装配过程在计算机上的本质实现 ,是基于产品的数字化实体模型 ,在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程 ,从而提高产品的可装配性.装配包括双重含义 ,一是由零部件组成的静态的装配体 ,二是该装配体的形成过程. 他们认为 ,虚拟装配泛指在计算机上的“装配 ”,有无虚拟现实环境只是表现手段不同而已。

    武汉理工大学智能设计与制造重点实验室的陈定方、罗亚波等人[5]认为 ,虚拟装配有狭义和广义两种含义. 狭义的虚拟装配就是在虚拟环境中快速把单个零部件组装形成产品的方法. 广义的虚拟装配是指在虚拟环境中 ,如何使产品设计人员方便地进行结构设计和修改 ,让设计人员更专注于产品功能的实现 ,也就是所谓的面向装配的设计.虚拟装配包含着以狭义虚拟装配为主要研究对象的自底向上的拼装过程和以广义虚拟装配为主要研究对象的自顶向下的设计过程。

    从本质上讲 ,虚拟装配以零部件的三维实体模型为基础 ,通过虚拟的实体模型在计算机上仿真装配操作的全过程 ,进行装配操作及其相关特性的分析 ,实现产品的装配规划和评价 ,生成指导实际装配现场的工艺文件. 虚拟装配主要实现两个层次的映射 ,即底层用产品数字化模型映射了产品物理模型 ,顶层用虚拟的装配仿真过程映射了真实的装配过程. 第一层次的映射避免了产品模型的物理实现 ,同时使得工程分析、装配仿真成为可能;第二层次的映射使得产品装配规划、验证及评价成为可能[6]。

    2 虚拟装配的分类

    按照实现功能和目的的不同 ,目前针对虚拟装配的研究可以分为如下三类:以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配。

    2. 1 以产品设计为中心的虚拟装配

    虚拟装配是在产品设计过程中 ,为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策 ,在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术[7]. 它结合面向装配设计 (Design For A ssembly, DFA )理论和方法 ,基本任务就是从设计原理方案出发在各种因素制约下寻求装配结构的最优解 ,由此拟定装配草图.它以产品可装配性的全面改善为目的 ,通过模拟试装和定量分析 ,找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征 ,进行设计修改.最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的 ,从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本 ,同时还必须兼顾人因工程和环保等社会因素。

    2. 2 以工艺规划为中心的虚拟装配

    针对产品的装配工艺设计问题 ,基于产品信息模型和装配资源模型 ,采用计算机仿真和虚拟现实技术进行产品的装配工艺设计 ,从而获得可行且较优的装配工艺方案 , 指导实际装配生产[8]。根据涉及范围和层次的不同 ,又分为系统级装配规划和作业级装配规划. 前者是装配生产的总体规划 ,主要包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、资源分配、装配车间布置、装配生产线平衡等内容 ,是装配生产的纲领性文件. 后者主要指装配作业与过程规划 ,主要包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定、操作空间的干涉验证、工艺卡片和文档的生成等内容。

    工艺规划为中心的虚拟装配 ,以操作仿真的高逼真度为特色 ,主要体现在虚拟装配实施对象、操作过程以及所用的工装工具 ,均与生产实际情况高度吻合 ,因而可以生动直观地反映产品装配的真实过程 ,使仿真结果具有高可信度。

    2. 3 以虚拟原型为中心的虚拟装配

    虚拟原型是利用计算机仿真系统在一定程度上实现产品的外形、功能和性能模拟 ,以产生与物理样机具有可比性的效果来检验和评价产品特性[9]。传统的虚拟装配系统都是以理想的刚性零件为基础 ,虚拟装配和虚拟原型技术的结合 ,可以有效分析零件制造和装配过程中的受力变形对产品装配性能的影响 ,为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段.以虚拟原型为中心的虚拟装配主要研究内容包括考虑切削力、变形和残余应力的零件制造过程建模、有限元分析与仿真、配合公差与零件变形、以及计算结果可视化等方面。

    3 虚拟现实环境分类

    同时 ,虚拟装配离不开虚拟现实环境 ,根据使用的显示设备和产生沉浸感程度的不同 ,分为桌面式虚拟装配系统、头盔式虚拟装配系统、CAVE式虚拟装配系统和 CyberSphere式虚拟装配系统四类 ,他们各有自己的优缺点 ,在不同场合得到广泛应用。

    3. 1 桌面式虚拟装配系统

    桌面式系统采用普通计算机或低端工作站的显示器屏幕作为用户观察虚拟场景的窗口 ,操作者佩戴立体眼镜来观察三维图像. 这种方式成本比较低、使用简单、操作方便 ,在不太复杂的机械产品装配设计与规划中得到了广泛应用. 但由于显示设备仅是相对比较小的计算机屏幕 ,因此沉浸感比较差 ,没有充分体现虚拟现实技术的交互性和想象性 ,不便于人的装配经验和知识的发挥。

    3. 2 头盔式虚拟装配系统

    头盔式系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭起来 ,从而使用户真正成为系统的一个参与者 ,产生的沉浸感比较强.但是 ,由于现有虚拟现实硬件能力的不足 ,导致目前头盔式显示器存在约束感较强 ,分辨率偏低 ,长时间易引起疲劳等问题 ,限制了头盔式系统的广泛应用。

    3. 3 CAVE式虚拟装配系统

    CAVE系统的主体是一个房间 ,房间的每一面墙、天花板、地板均由大屏幕组成 ,高分辨率的投影仪将图像投影到这些屏幕上 ,用户戴上立体眼镜便能看到立体图像. CAVE系统实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境 ,但其价格昂贵 ,要求更大的空间和更多的硬件设备 ,同时参与者仍被限制在一个有限的狭小空间内 ,受现实世界强的限制 ,不能大距离行走. 国内典型的 CAVE 式虚拟装配系 统 是 浙 江大 学CAD&CG国家重点实验室开发的四面投影虚拟装配原型系统 IVAS ( Immersive V irtual A ssembly System)。

    3. 4 Cybersphere式虚拟装配系统

    以上几种虚拟装配系统存在的共同问题是操作人员或者被限制在原地不动 ,或者只能在有限的空间内行走 ,而现实世界中 ,人应该能够在更广阔的空间内活动 ,现有虚拟装配系统与之相比存在较大差距. 特别是在大型复杂产品 (如飞机、火箭、卫星等 )的装配规划与训练中 ,这一问题更加突出 ,制约了虚拟装配技术的应用. 为此英国Warwick大学研制了一种新型的虚拟环境系统 ———Cybersphere[10].采用半透明的球体作为显示装置 ,放置在可以自由旋转的支架上 ,操作者处于球体内部 ,直接与球内表面接触 ,完成自由行走的功能.计算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像 ,并通过投影系统显示在球体表面 ,操作者通过立体眼镜看到立体图像. 这种方式虽然实现了操作者在虚拟环境中的自由行走 ,但存在如下缺陷 : ①由于球体完全封闭 ,操作者与外界联系的各种交互设备必须采用无线连接方式 ,需要单独开发; ②操作者要背负如电源之类的设备 ,增加了负担; ③由于球体要承受人的重量并且在支架上不断旋转 ,同时还需要在上面投影 ,故材料强度和光学性能要求高 ,制作难度较大。

    针对 Cybersphere系统存在的问题 ,哈尔滨工业大学机电学院设计制造了另一种可实现操作者自由行走的新型虚拟环境[11],如图 1所示.


A -地面; B -墙体; C -天花板; D -投影仪; E -球形幕;
F -操作者; G -平台; H -反行走机; I-计算机

图 1 新型虚拟装配系统原理图

    由图 1可见 ,采用球形幕作为显示装置 ,操作者的自由行走通过专门设计的全方位反行走机构完成.操作者头部、手部与双脚分别装有 3 - D位置跟踪器反映其位姿变化 ,通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互. 操作者在该平台上可以实现直线行走和转向动作 ,计算机系统根据接收到的 3 - D位置跟踪器信号 ,控制全方位反行走机构的运动 ,并生成不断变化的三维图像 ,通过投影系统显示到球形幕上 ,从而生成沉浸感较强的虚拟环境 ,为重大装备复杂产品的装配设计、规划和训练提供高逼真度的虚拟仿真平台。

    4 虚拟装配的体系结构与工作流程

    本文根据虚拟装配的定义和实现的功能需求 ,将系统分为 3个环境模块以及 2个接口部分[12~14],如图 2所示.


图 2 虚拟装配系统的体系结构

    1) CAD 建模环境. 零件及工装工具首先在CAD系统中设计完成. 通过定义一系列配合约束关系 ,这些零件被组装在一起 ,得到产品的装配模型.该装配建模过程只考虑零件的装配位置和约束关系 ,装配顺序等过程细节暂不考虑。

    2) 虚拟装配规划环境. 首先建立基于几何约束的虚拟装配环境. 用户根据经验和知识在该环境中进行交互式装配与拆卸 ,记录装配方向、装配工具以及优先约束等信息. 考虑碰撞干涉和工具操作空间限制等因素 ,对装配顺序和路径进行规划、评价和优化 ,最后生成经济、合理、实用的装配方案。

    3) 现场应用和示教环境. 对于复杂产品而言 ,其装配过程需要一定的操作技能和经验.装配人员掌握这些技能和经验需要一个长期过程. 基于虚拟现实的装配过程仿真 ,为工程师提供了一种极好的培训手段. 装配人员可以先在虚拟环境中进行装配任务培训 ,充分熟悉产品的装配过程 ,然后再进行产品的实际装配.同时 ,根据虚拟装配规划得到的优化装配方案 ,生成指导现场的工艺文件 ,开发基于 Web的示教软件 ,仿真产品的动态装配过程 ,指导工人实际装配。

    4) CAD接口. 虚拟现实软件用多面片模型来显示物体. CAD 系统的设计模型装入虚拟环境后 ,一些有用的信息必须提取出来 ,包括零件的几何信息、拓扑信息以及装配约束信息等。

    5) 虚拟装配 (VA )接口. 虚拟环境下交互式规划得到产品的优化装配方案 ,相关的装配顺序、装配路径、工艺路线等过程信息应从虚拟环境中输出 ,输入培训和示教模块 ,一方面用来生成装配动画文件指导现场装配 ,另一方面生成装配工艺文件。

    根据该体系结构 ,虚拟装配的总体流程如图3所示 ,分为虚拟装配建模阶段、虚拟装配规划阶段以及现场应用示教阶段.。


 图 3 虚拟装配的总体流程

    虚拟装配建模阶段主要将产品模型和现实环境模型转化为虚拟场景模型 ,虚拟装配规划阶段主要进行产品装配顺序规划、装配路径规划、交互式装配操作仿真和评价.

    最后生成产品的工艺目录树和相关工艺文件 ,对现场装配人员进行培训和示教.

    参考文献:

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    [3] 朱名铨 , 张树生. 虚拟制造系统与实现 [M]. 西安 :西北工业大学出版社 , 2001: 139 - 158.

    [4] 肖田元. 虚拟制造 [M]. 北京:清华大学出版社 ,2004: 442 - 447.

    [5] 陈定方 , 罗亚波. 虚拟设计 [M]. 北京 :机械工业出版社 , 2002: 82 - 106.

    [6] 王峻峰 , 李世其 , 刘继红 , 等. 计算机辅助装配规划研究综述 [J]. 工程图学学报 , 2005 (2) : 2 - 7.

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    [8] CHAN S K. Simulation modeling in virtual manufactur2 ing analysis for integrated p roduct and p rocess design [J]. A ssembly Automation, 1999, 23 (1) : 69 - 74.

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    [10] FERNANDES H J, RAJA V H, EYRE J. Immersive learning system for manufacturing industries[J]. Com2 puters in Industry, 2003, 51 (1) : 31 - 40.

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    [14]夏平均 , 姚英学 , 刘江省 , 等. 基于虚拟现实和仿生算法的装配序列优化 [J]. 机械工程学报 , 2007, 43(4) : 44 - 52.

标签:虚拟装配工业
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