基于真实配合的虚拟装配技术研究

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1、基于真实配合的虚拟装配技术研究期开发阶段由于缺乏实验用样机，不可能取得足够的实际经验以避免产生潜在的问题和缺陷。虽然产品本身的功能可以通过模拟的方法得到测试和检验。然而要预先测试和检验人机交互性能是非常困难的，仅借助现行的CAD系统很难断定装配过程是否存在问题，用户在使用中是否遇到问题等。大量的产品设计经验已经证明，在产品设计中有关装配和维护的问题是最棘手的问题，这些问题往往会给企业造成极大的浪费，甚至会威胁公司的生存。而对工程师来说复杂产品的装配工艺规划是非常艰巨的任务，在众多的装配工艺规划中找到最优的工艺规划也是非

2、常困难的工作。尽管现代的CAD系统能使工程师看到最后的产品模型，但是这些系统不支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，到目前为止计算机辅助装配工艺规划仍然没有得到加强，这其中的一个重要原因是产品的装配在很大程度上依赖专家知识，而这些知识很难用公式的形式表达出来。而且装配工艺规划不仅仅是找到可行的装配顺序，而且装配过程中工作空间，装配工具，人员等的空间限制等因素同样需要考虑。这就需要一个直观的、逼真的装配环境对产品的可装配性进行验证。然而就产品的装配过程而言，装配时可能出现两类问题，一是产品的设计有误无法进行装配，这往往会

3、导致产品的重新设计，使得产品失去市场竞争先机，二是装配的过程不合理，工程师需要重新调整装配过程。因此在产品进行大批量生产之前还需要制造物理样机检验产品的装配性能，生产计划，或人机工程学等问题。反复的试制样机不但增加了制造成本，而且延长了产品上市的时间，使企业在激烈的竞争中处于劣势。很多企业意识到为了保持市场竞争力必须保证技术的先进性，必须寻求先进的设计方法，同时必须将生产成本控制在最小范围。由于生产成本与产品的设计紧密相关，因此企业必须在产品的设计阶段就要尽量减少产品装配时可能遇到的问题。虚拟装配正是在这种情况下应运而

4、生的。虚拟现实(vR)又称临境技术川，是计算机生成的合成环境，能给人一种幻觉，被看作计算机三维图形在高级输入输出设备支持下的自然延伸，与传统的计算机辅助模拟不同，它使用户产生沉浸感，将虚拟现实技术应用于计算机辅助设计能够显著提高设计效率，特别是将虚拟现实技术应用于装配系统已经获得了阶段性成果【2】【3】【4】【5】，并且得到了宝贵的经验为今后进一步将虚拟现实技术应用于虚拟装配打下了基础。虚拟装配技术一改传统的计算机辅助装配系统采用鼠标、键盘、显示器等二维输入输出设备，而是采用高级的三维输入输出设备(数据手套、头盔、显示

5、器等)。设计人员在虚拟环境中进行产品的装配，不仅可以看到、摸到虚拟的零件，而且可以通过手势、声音等设计手段在虚拟环境中完成产品的虚拟装配，并且对产品的可装配性作出直接的评价，并及时修改。虚拟装配技术可以在产品开发的初期就为设计人员提供用于分析生产、装配和评价的虚拟样机，这样硕I：学位论文便能大大地提高设计质量、避免设计缺陷，同时因代替了实物样机又可节省很大的开销。因此，虚拟装配技术对产品的开发具有重大的意义。1．2虚拟装配技术的内涵虚拟装配是指利用虚拟现实技术、计算机图形学、人工智能技术和仿真技术等构造虚拟环境以及产品

6、虚拟模型，从而在产品装配过程中进行交互分析以及仿真产品装配过程和装配结果。它不仅能够检验、评价以及预测产品的可装配性，并且能够面向装配过程提供直观的、经济合理的规划方法。虚拟装配技术是将面向装配设计(DFA)技术与VR技术相结合，建立一个与实际装配生产环境相一致的虚拟装配环境(ⅥnualAssemblyEnvironment，VAE)，使装配人员通过虚拟现实的交互手段进入VAE，利用人的智慧直觉地进行产品的装配／拆卸操作，用计算机来记录人的操作过程，以确定产品的装、拆顺序和路径。虚拟装配技术是多门技术的融合。从本质上讲

7、它主要实现了两个层次的映射，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。第一层次映射免除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。图1．1表示了这两个层次的映射关系。一一一一一。1装配规则装配仿真装配评价图1．1虚拟装配技术的映射关系虚拟装配技术是虚拟现实技术在装配领域的全新的应用，主要表现在以下几个方面：其一，就交互手段而言，在虚拟环境下进行产品装配，人与虚拟环境的交互手段是三维的数据手套、数据衣、头盔式显

8、示器、光栅眼镜等。其二，就装配过程而言，装配工程师在虚拟环境下进行装配建模，直接抓取虚拟零件，可以基丁真实配合的虚拟装配技术研究沿着一条没有碰撞的、优化的路径将待装配零件移动到目标位置，同时装配系统要检测零件之间的干涉情况，装配工程师必须按照可行的装配顺序与装配路径装配零件，所以得到的装配顺序都是可行的，而且由于融入了专家知识，得