1、第22卷第3期2006年6月機械設計與研究Machine Design and Research Vol .22No .3Jun .,2006收稿日期:2005-09-05文章編號:100622343(200603270205基于虛擬技術的裝配工藝設計系統研究侯文君1,嚴耀琪1,姚福生2(1.北京郵電大學自動化學院,北京100876,E 2mail:W enjunh2113;2.北京航天航空大學機械工程及自動化學院,北京100083摘要:介紹了基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統,提出了3D -VAPP 系統的體系結構;并對C AD 模型的數據轉換、可視化裝配順序和裝配路徑規劃、裝配過

2、程動態模擬驗證、裝配工藝知識維護、裝配工藝文件管理等一系列關鍵技術及解決方案進行了論述;尤其提出了一種基于多層次面片機械模型的精確碰撞檢測算法及裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法流程。最后,給出了系統進一步研究的趨勢。關鍵詞:虛擬裝配;CAPP;碰撞檢測;工藝規劃中圖分類號:TP391文獻標識碼:ACo m puter A i ded A ssem bly Process Pl an i n g SystemBa sed on V i rtua l TechnologyHOU W en 2jun 1,Y AN Yao 2qi 1,Y AO Fu 2sheng2(1.Aut omati on S

3、chool,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 computer aided asse mble p r ocess p lanning syste m based on virtualtechnol ogy,then p r oposed the

4、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 mbly knowledge maintenance and docu ment management .Es pecially p r oposed one kine of multi 2level Surface

5、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 ne w directi on f or the A sse mbly Pr ocess Plan syste m.Key words:virtual asse mbly;CAPP;collisi on detecti

6、on;asse mbly p r ocess p lanning計算機輔助工藝設計(C APP 是企業信息化中的重要一環,它所產生的工藝數據是企業生產活動的重要依據。虛擬裝配是虛擬現實技術應用研究的熱點,它直接操作虛擬場景中的零件模型進行產品裝配過程的動態模擬,對零件可裝配性和裝配路徑有效性進行檢查,有益于設計驗證、產品裝配順序的求解,并為面向復雜產品的裝配設計提供更好地支撐。隨著三維CAD 技術在企業中的廣泛應用以及虛擬裝配技術的優越性,將虛擬技術應用于機械工藝設計,提出并設計基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統,具有重要的現實意義。目前,國內外學者從不同角度和應用領域對虛擬裝配(V

7、 irtual A ssembly,VA 技術進行了研究,也取得了一定的進展1,2,但總的來說,將虛擬現實技術應用于產品裝配規劃的時間還不長,各種理論和方法還不成熟,不能實現與前端CAD 數據的資源共享,尤其大多虛擬裝配都采用完全沉浸式的,其所需的輸入輸出設備(數據手套的精度和費用有限制,同時完全沉浸的虛擬環境中無法解決CAPP 的很多工藝文字信息(或數據需要輸入和顯示,所以導致虛擬裝配的工程實際應用程度高,將虛擬技術與三維C AD 的裝配工藝設計相結合,真正解決工藝規劃成為企業需求的熱點。1系統結構與功能設計111系統主要功能本文開發的3D -VAPP 系統具有如下功能:通過與CAD 系統的

8、數據接口,獲取和建立VA 的裝配模型;在可視化的虛擬場景中,交互式建立裝配順序與路徑、動態分析裝配干涉情況,得出最優路徑和次序;裝配過程中零部件位姿和視點變化矩陣的記錄以及裝配過程的反演,生成裝配動畫指導生產;在工藝知識庫的支持下,結合裝配順序交互式定義、編輯與完善裝配工藝卡片;通過Access 數據庫對系統生成的工藝文件進行有效管理,對工藝知識庫進行積累。112系統主界面及結構設計本軟件系統采用OPE N I N VE NT OR +VC6.0并輔助Ac 2cess 數據庫自行開發完成。系統主界面如圖1所示。整個系統劃分為裝配工藝設計、虛擬裝配和工藝管理三個部分,其詳細功能模塊劃分如圖2所示

9、。本系統各個模塊的結構關系如圖3所示,包括數據庫、數據庫管理、裝配工藝設計、虛擬裝配和外部裝配體文件等。 圖1 基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統圖2 系統詳細功能模塊劃分圖3系統各個模塊的結構關系圖2系統關鍵技術和解決方案211機械模型信息提取在VR 系統中,由于碰撞檢測及實時交互的需要,機械零部件模型一般為離散的多邊形面片,其中僅包含頂點、顏色或紋理等圖形信息,并用場景樹對其進行管理;而C AD 系統則采用精確的幾何描述模型,零件包含精確的拓撲與幾何信息,裝配體通常都由裝配約束組織起來,由C AD 系統的內部數據庫進行管理;由于C AD 系統和VR 系統的上述差異,在本系統17第

10、3期侯文君等:基于虛擬技術的裝配工藝設計系統研究中要調用C AD 系統所建模型, 就要從中分別提取零件的圖形信息和零件的參數與位置信息。并在VAPP 系統中進行重構,實現外部C AD 系統數據向VAPP 系統數據的轉換。在本系統中,我們針對Solid Works 進行二次開發建立接口程序,將CAD 模型的圖形信息經過轉換寫成VR ML 格式3。并將零部件的拓撲信息、零件的形狀參數、零部件在裝配體中的定位參數等信息寫入數據庫中。本系統與Solid 2Works 的模型數據接口關系如圖4所示 。圖4模型數據接口212可視化交互式裝配工藝設計可視化交互式裝配工藝設計模塊給工藝設計人員提供一個虛擬的拆

11、卸/裝配操作環境,在該環境中能夠依照零部件三維裝配視圖,借助工藝人員的經驗,同時結合產品零部件信息(包括部件三維裝配視圖和零件三維模型視圖,對零部件裝配模型進行精確的拆卸操作及路徑規劃,并以逆序輸出,得到裝配模型的裝配序列和裝配路徑 。圖5可視化交互式裝配工藝設計的算法流程綜合考慮各種裝配順序求解方法,并結合系統實施企業特點,本文采用分層次裝配與拆卸法求解相結合的辦法來規劃裝配順序。其算法流程圖如圖5所示,包括如下步驟:針對具體的零部件模型,通過點選、平移、旋轉、剖視、局部放大等操作,了解零部件的詳細結構。在了解原始零部件裝配關系的基礎上,對子裝配體的內容進行局部整合,形成符合裝配需求的子裝配

12、體,保存到數據庫。對整合后的裝配體進行拆卸。零部件模型拆卸后,得到初始裝配順序的逆序,并記錄初始裝配路徑等信息,保存到數據庫。拆卸過程中采用人機交互的方式,分為自由拆卸和精確拆卸兩種形式。對裝配順序進行調整,調整后的裝配順序存入數據庫。對裝配路徑進行調整,調整后的裝配路徑存入數據庫。在后續的虛擬裝配中,對裝配順序和裝配路徑進行可視化的驗證,如果驗證結果有問題,重新對裝配順序和裝配路徑進行調整,如果驗證結果沒有問題,得到裝配順序結果。進行靜、動態干涉分析,可以計算零件間的距離并可以專門研究路徑上有問題的區域。在整個過程中,系統可以用紅色加亮干涉區、空間失調和近距離靠近,“遇到干涉則停止”拆卸。2

13、13虛擬裝配過程的記錄、編輯與反演虛擬裝配過程的記錄、編輯與反演是優化裝配序列和裝配路徑、提高裝配速度、驗證裝配工藝的正確性與可行性的重要方法。用戶在虛擬環境中進行裝配操作的同時,系統將自動記錄整個裝配過程,包括零件的移動過程、視點的變換過程和每個零件的裝配路徑。其中要驗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是必需的,同時,由于零件之間的遮擋關系,要動態觀察不同方位的零部件裝配細節,就必須考慮虛擬裝配過程中的多鏡頭多角度自動切換。本文在這一方面做了大量的研究工作,提出了基于多層次面片機械模型的精確碰撞檢測算法。在虛擬裝配反演過程中,由于路徑規劃的失誤,經常會發生當前移動的物體(

14、包括零部件、工具、夾具與靜止物體(虛擬裝配場景、已裝配的零部件、工具、夾具發生動態干涉的情況,因此只有在零件裝配過程中動態檢測零件沿規劃軌27機械設計與研究第22卷跡運行過程中的干涉情況,才能使裝配順序和路徑的正確性 得到保證。同時,由于裝配實時性的要求,在本系統中,碰撞檢測算法既要能大大提高碰撞檢測的效率,又要提高碰撞檢測的精度4。基于上述原因,下面提出一種面向機械虛擬裝配的分層精確碰撞檢測算法,該算法分為四個層次:零件包圍盒層、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。圖6分層精確碰撞檢測算法裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法在機械零件模擬裝配過程中,由于零件之間可能存

15、在遮擋關系,必須考慮多個觀察鏡頭的自動切換以避免某些裝配細節被場景中的其他靜態實體遮住。為此,一種動態裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法是必要的,算法流程如圖7所示 。圖7裝配過程多角度觀察鏡頭處自動切換算法214裝配工藝設計知識庫的建立與工藝文件管理工藝知識庫的好壞,直接影響著整個系統輸出工藝文件的質量。在本軟件系統中,曾針對上海路橋的產品特征,建立了裝配工藝設計知識庫,作為用戶進行裝配工藝設計的輔助支持。在裝配工藝知識庫中,總結了裝配體裝配工藝一般應該滿足的通用化規則及典型工藝知識、包含了在長期的裝配實踐中形成的有關裝配順序、方式、裝夾手段等經驗。用戶在進行裝配工藝設計的時候,根據當前機械

16、零件的種類和裝配體的種類,從裝配工藝設計知識庫中選擇相應的條款,加入當前裝配工序圖中,如圖8所示。工藝工序圖中的內容會自動存儲到工藝文件數據庫中,用戶可以通過提交報表的形式產生裝配工藝卡片。如果工藝知識庫中缺少某種工藝內容,用戶可以在當前的工序圖中加入該內容,同時該工藝也將自動擴充到工藝知識庫中。對于CAPP 系統,工藝文件的管理是必需的,本系統的工藝管理模塊使用戶在裝配過程中實時、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,填寫裝配操作流程說明等。同時通過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際要求的裝配工藝文檔以及裝配動畫與三維爆炸

17、圖 。圖8裝配工序圖37第3期侯文君等:基于虛擬技術的裝配工藝設計系統研究3結論本系統實現了從模型輸入、可裝配性分析、裝配順序和裝配路徑規劃、裝配過程動態模擬驗證、裝配工藝知識維護、裝配工藝文件管理等一系列功能。將計算機輔助工藝設計和虛擬技術有機結合起來,同時實現了CAPP與C AD的無縫銜接,對于企業提高工藝設計水平,實現企業信息化具有很好的輔助作用。但從廣義上講,裝配工藝規劃不僅包括產品零件裝配順序的選擇,還必須綜合考慮工作場地、工具和工人等物理因素。對此可以充分利用虛擬裝配系統所能夠提供的交互式可視化工具,對零部件之間的配合約束和運動路徑關鍵點處的干涉進行檢查,求解優化的零部件裝配順序和

18、可行的裝配路徑,并且對所求得的規劃進行驗證和調整,從而制訂出一份完整的工藝規程。參考文獻: 1劉陽,李藝,孫沖,崔展鵬.基于裝配工藝規程的產品虛擬裝配技術J.機械設計與制造,2005,3:9092.2楊潤黨,武殿梁,鄧華林,范秀敏,嚴雋琪.虛擬環境下產品裝配技術的研究與實現J.計算機集成制造系統,2004,10:12201224.3Suri S,Hubbard P M,Hughes J J.Collisi on Detecti on in A s pectand Scale Bounded PolyhedraA.Pr oc.9th AC M-SI A M Sy m2pos D iscrete

19、A lgorithm sC.1998.4呂秋靈,張玨.基于矢量的三角網面體碰撞檢測方法J.計算機輔助工程,2002,4:6972.作者簡介:侯文君(1964,女,北京郵電大學自動化學院副教授,博士研究生,主要研究方向:CAD/CAE、虛擬現實技術與人機交互研究。(上接第69頁增加螺栓高度,同時注意結構變化處倒角。另外,在鉆架的腹板末端與方鋼接觸部分有應力集中現象。對鉆架結構進行改進,將腹板延伸到方鋼管末端,以解決這一問題。圖8鉆架的應力和變形3結論針對某型號水平定向鉆建立的機械、液壓、強度和控制等各子系統模型,通過參數關聯將這些模型集成為一體化的整機模型,并進行了耦合仿真,得到了水平定向鉆的動

20、力學性能、液壓系統性能、運動副的受載情況以及關鍵部件的應力應變。結果表明水平定向鉆的強度能夠滿足要求,但部分結構需要修改優化。水平定向鉆虛擬樣機的仿真分析,為產品研發與優化提供了理論依據,有利于提高產品質量,降低設計成本,縮短開發周期。以上對虛擬樣機控制系統的仿真還不夠完善,有待于改進,以提高模型的準確度。參考文獻:1熊光楞,李伯虎,柴旭東.虛擬樣機技術J.系統仿真學報,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 Engineering,2002,9(2:232236.3劉靜,潘雙夏,馮培恩.挖掘機器人虛擬樣機建模策略與仿真技術研究J.浙江大學學報,2004,38(11:3040.4Quang Ha,M