一个基于虚拟现实的装配工艺规划系统

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1、一个基于虚拟现实的装配工艺规划系统

2、第1一、引言九十年代中期，“虚拟产品开发（VirtualProductDevelopment,VPD）”技术的出现，引起了人们的广泛关注。VPD的基本思想就是通过计算机虚拟模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等，在产品的开发过程中，人们可以在计算机的“虚拟”环境中构思、设计、制造、测试和分析产品，以解决产品在TQCSE方面存在的重大问题。虚拟装配规划技术是VPD的核心关键技术之一。与传统的装配规划相比，虚拟装配工艺规划具有以下两个明显的特点：其一，设计者可通过三维输入设备，直接对零部件进行三维装配操作，因此非常直观，且具有较

3、高的交互性，能最大限度地发挥人的创造力；其二，三维立体显示能让设计者像在真实世界中一样观察物体，因此能及时准确地发现装配工艺设计中存在的问题，从而提高产品装配工艺设计效率和质量。二、系统研究背景分析目前，虚拟装配规划技术的研究已经取得了一些进展[1,2]，但总的来说，将虚拟现实技术应用于产品装配规划的时间还不长，各种理论和方法还不成熟，导致虚拟装配规划系统的工程实际应用程度不高，其原因主要集中在以下几个方面：（一）目前对虚拟装配规划的研究还局限于虚拟装配规划本身，如虚拟装配建模、装配顺序规划、装配路径规划等，没有考虑虚拟装配规划系统与其它系统的集成，而虚拟装配规划

4、系统作为“VPD”的一部分，应该考虑与虚拟产品开发的其它部分的集成。（二）目前的虚拟装配规划系统中，大多采用完全沉浸式的虚拟环境。在虚拟装配规划系统中，完全沉浸式的虚拟装配规划系统不一定很理想。因为在虚拟装配规划的过程中有很多文字信息（或数据）需要输入和显示。在完全沉浸式的虚拟环境中，处理大量的ASCII码信息比较困难。但另一方面，沉浸式虚拟环境在观察、体验、分析和评价装配工艺设计方面还是具有明显的优势。因此，如何将沉浸式和非沉浸式的装配环境相结合，在目前的技术条件下对提高虚拟装配规划系统的实用性显得非常重要。（三）现行的虚拟装配规划系统大都采用多边形面片模型进行

5、产品的信息表达，而采用多边形面片模型丢失了CAD模型中大量的工程语义信息，使得虚拟装配系统难以捕捉和维护产品的设计意图与产品设计约束等工程信息，同时也为表达和确定零件间的装配关系带来了困难。（四）虚拟装配规划系统中的碰撞检测算法除了要具有实时性以外，还需考虑多边形模型表达对碰撞检测的影响。例如，圆柱孔中插入等半径的圆柱轴时，会检测到轴孔之间发生碰撞干涉（由于多边形表达中圆柱面已近似地表达为棱柱面），这就导致等半径的轴孔在虚拟装配环境中无法进行装配。因此，基于虚拟装配的实时碰撞检测给虚拟环境下的碰撞干涉检测算法带来了新的问题。（五）目前虚拟装配系统普遍缺乏对装配公差

6、进行分析与综合的手段，对于某些关键配合环节（如孔轴过盈配合），没有优化配合的手段，导致实际产品的装配精度不高。（六）现有的虚拟装配规划系统大多只考虑刚体零部件装配工艺规划，很少考虑线缆等柔性体的装配工艺规划。而线缆类零件的装配在航空、航天、汽车、计算机、家用电器等产品中占有很大的比重。实际上，线缆装配过程的不规范及可靠性问题是影响机电产品装配质量的一个重要原因，甚至成为影响工程系统成败的关键。笔者针对以上造成虚拟装配规划系统实用性不高的因素，并结合“十五”总装预先研究资助项目“数字化预装配技术”，以及国防某企业的合作项目“虚拟装配工艺与工装设计及其信息管理系统”等

7、项目的具体需求，以实用、集成为出发点，自主开发了虚拟装配工艺规划系统VAPP（VirtualAssemblyProcessPlanning），该系统能够在产品设计阶段基于三维数字化实体模型实施数字化预装配，生动直观地规划与验证装配工艺过程，从而提高产品装配的一次成功率。三、体系结构虚拟装配规划系统是在一定的体系上构成和运行的，体系的优劣直接关系到虚拟装配规划系统开发的成败。系统的、合理的虚拟装配规划系统体系结构，不仅应把虚拟装配规划过程中的各个环节有机地集成起来，同时，虚拟装配规划系统作为虚拟产品开发的重要组成部分，也需要在产品数据管理系统（PDM）的统一控制下运

8、行，从而实现虚拟产品开发全过程的信息、功能和过程集成。同时该体系应具有层次化的控制方法和“即插即用”的开放式结构，具有较好的可扩展性。VAPP系统的体系结构如图1所示，它主要由4层组成，分别是人机交互层、应用层、核心服务层和数据层。（一）人机交互层：人机交互层主要实现设计者与VAPP系统的信息交流，主要包括虚拟外设数据的读取，装配规划过程中装配操纵指令和参数的输入、虚拟场景的漫游等。其中，命令解释器负责对用户指令进行解释，并调用应用层相应模块进行相关处理。通过命令解释器的转发，使人机交互层具有较好的可扩展性。（二）应用层：包括CAD数据接口、装配顺序规划、装配路径

9、规划、装配