1. 引言

 

近年來，隨著科學技術的發展，特別是計算機、微電子、信息和自動化技術的迅速發展，虛擬現實技術應運而生。基于虛擬現實的虛擬制造技術是近幾年來國內外科技界關注的熱點，其發展是日新月異。虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰性的交叉技術，前沿學科和研究領域。

 

虛擬裝配技術是虛擬現實技術在制造業的典型應用，也是虛擬制造技術研究的重要方向之一。這種技術可以降低復雜產品的開發難度，縮短開發周期，降低成本，對實現產品的并行開發。提高裝配質量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應用于航空航天、汽車、船舶、工程機械、教育等領域。

 

2. 虛擬裝配技術介紹

 

2.1 三維建模與造型

 

 

零部件的虛擬三維建模與實體造型是虛擬產品設計與裝配技術的基礎，它克服了傳統二維設計中僅能以視圖描述零件特征，而不能建立實體模型的缺點．使設計在虛擬環境中能夠精確地建立三維實體模型，完整、準確地描述零部件特征，進而設計者能夠以不同的角度，不同的方式對設計進行分析、評價與修改，并與其他零部件進行虛擬裝配，從而進一步對整個設計進行分析、評價與優化．

 

三維實體建模與造型可以完成以下功能：

 

●精確、清楚地描述復雜形體并形象逼真地表示，更好地對設計進行評價；

 

●在三維模型的基礎上自由地、隨意地生成各種二維視圖和面；

 

●進行空間布局和裝配研究，以及干涉碰撞檢驗；

●可以直接與各種快速原型制造技術進行集成，快速精確地制造設計原型，作為產品設計樣件進行性能測試；

 

●為NC編程提供精確數據，用于產品的生產．

 

2.2 虛擬裝配過程

 

虛擬裝配過程使在完成零部件三維建模與造型的基礎上，根據零部件之間裝配關系和約束條件，在虛擬環境中進行設計組裝，并進行相應的檢驗，從而對設計進行分析評價，對不合理的設計進行修改，達到優化設計的目的．

 

虛擬裝配過程主要包括產品結構分析，裝配關系確定和產品組裝，各類檢驗進行設計分析評價及設計修改和裝配效果檢驗等．

2.3 虛擬裝配的實施方案和步驟

 

1 在商用 CAD 系統中建立產品的裝配模型，通過 CAD 系統提供的二次開發接口進行數據轉換 將 CAD 系統中的零件信息以中性文件的形式進行存儲

 

2 建立裝配信息和規則庫，如裝配順序規劃基本準則、標準件聯接和裝配的原則、尺寸鏈的查找和裝配評價準則等，建立基于裝配語義的裝配關系表達

 

3 虛擬環境中裝配語義識別：根據設計者的交互操作，當裝配零件運動到己裝配零部件附近時，通過兩者裝配特征屬性匹配，自動識別出裝配零部件間的裝配關系。

 

4 以裝配精度模型為基礎，利用屬性拓撲圖進行裝配公差傳播方向和公差累積的分析計算，解決產品的可裝配性分析。

 

5 交互式裝配順序規劃：對虛擬環境中的裝配模型進行交互拆卸，基于 “可拆即可裝” 的假定，通過拆卸得到可行序列； 對于幾種可能的裝配序列，根據裝配操作的穩定性、裝配操作中零部件的定位和定向次數及裝配序列的并行度等進行優化及選擇。

 

6 裝配仿真：以裝配順序為基礎 對初始路徑及其關鍵點位姿進行實時交互修改與調整同時對裝夾工具的可達性、裝配空間的可操作性進行仿真，檢查各條裝配路徑上零件在裝配過程中是否存在干涉情況。

 

7 虛擬環境接受速度或者位置輸入，并根據有關的物理模型計算出相應的力，通過適當的耦合匹配，由力再現裝置反饋給操作者。

 

2.3虛擬裝配過程中仿真的實現

 

 

裝配過程仿真可視化的實質是抽象數據具體化的過程。該仿真系統將數據與模型自動連接，根據“更新一時間”數據結構重繪場景，通過V語言和V函數實現物體位姿、運動及變換，用三維真實感的動畫形式表現虛擬裝備裝配過程的動態情況。

供了相應的操作來訪問“更新一時間”數據結構。其中最主要的操作是Assembling(裝備裝配)，參數包括裝配起始時間、裝配順序(按正向還是逆向遍歷“更新一時間”數據結構)。

 

3. 虛擬裝配的研究概況

 

1995年．美國華盛頓州立大學和美國國家標準與技術研究院聯合，最早開始了對虛擬裝配技術的研究。并開發了虛擬裝配設計環境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VADE在裝配領域的成功應用，引發了各個國家的高校和研究機構對虛擬裝配的研究。20世紀90年代末，國內也開始對虛擬裝配技術進行研究，已經取得許多研究成果。虛擬裝配技術的研究大致可分為三個階段：虛擬裝配理論的提出和完善階段，虛擬裝配原型系統的研發階段，虛擬裝配技術在工業上的應用研究階段。目前，國外已經開始了第三階段的研究應用，國內也開始由第二階段向第三階段過渡。

 

根據實現功能和目的不同．可以將虛擬裝配分為四種類型。

 

1)以產品設計為中心的虛擬裝配。

 

2)以裝配工藝規劃為中心的虛擬裝配。

 

3)以制造系統規劃為中心的虛擬裝配。

 

4)以虛擬原型為中心的虛擬裝配。

 

4. 虛擬手仿真技術

 

要實現虛擬裝配中的自然交互，虛擬手是不可或缺的一部分，虛擬手的基本操作是進行虛擬裝配的前提條件。在虛擬環境中，被抓取的零件在捕捉到約束后，零部件只能沿約束作用的方向運動。這樣，可以確保在裝配的過程中能達到精確定位的目的。而且不會偏離已經起作用的約束。

 

4.1 面向對象的虛擬手建模

 

基于對人手的解剖分析，虛擬手模型可以簡化為由—個手掌、—個拇指以及其它四個相鄰的手指組成。我們采用面向對象的方法來建立虛擬手模型，虛擬手各個部分的屬性(如幾何模型、紋理等)與對應的操作(查詢、讀取、更改等)被封裝形成了—個對象，各個對象體之間的運動繼承關系通過結構樹來實現。

 

4.2虛擬手抓取零件/部件過程

 

虛擬裝配的交互操作支持對零件和子裝配體的裝配操作。

(1)首先檢測虛擬手碰撞模型與VE中零件碰撞模型的接觸，若未檢測到有接觸，則抓取失敗；否則獲得一組零件碰撞模型ID。

 

(2)結合零件模型庫，獲得該組碰撞模型對應的精確模型ID。對于其中每一精確零件模型，根據裝配體對象的IsAsIllFinish標志，逐層向上層查找，直至找到已裝配好的一個最高層子裝配。比較這些最高層子裝配，若為同一子裝配，則它即為拾取到的對象(記為picked_Ass)，否則抓取失敗。

 

零件隨虛擬手靠近裝配目標，逐步調整零件的位姿，系統自動捕捉達到闞值內的約束，零件進入約束導航運動狀態。操作者繼續操作零件向未滿足的約束靠近，當所有的約束均滿足后，零件便實現了精確的定位，一次裝配操作完成。操作者可以進入下—個零件的裝配操作。

 

5. 虛擬裝配干涉檢驗

 

為了提高系統的執行速度，采用兩級碰撞檢測檢測機制：一般的碰撞檢測和詳細的干涉檢測。碰撞檢測，采用節點的矩形包圍盒進行實施，包圍盒計算以緊密包圍模型為準，僅僅檢測物體是否與節點的包圍盒發生了碰撞，即返回碰撞節點，而不進行深層次的判斷；干涉檢測，則逐步遍歷兩個節點的所有面片，精確檢測出面片碰撞的位置，同時結合兩個物體的裝配關系，返回詳細的裝配判斷信息。在虛擬裝配環境中，由于用戶與場景的交互和物體的運動，物體間經常可能發生碰撞，此時為了保持環境的真實感，需要及時檢查這些碰撞，并計算相應的碰撞反應，更新顯示結果，否則物體間會發生穿透現象。

 

在虛擬裝配環境中通常包含大量的物體，加上物體的形狀復雜，檢測這些物體之間的干涉情況是一項非常耗時的工作。虛擬環境中干涉檢驗的目標是如何在很高的適時交互要求下完成對大量復雜物體的干涉檢驗。其具體工作包括兩部分：一是檢查到有干涉；一是計算出干涉檢驗發生的位置。

 

6. 虛擬裝配的發展趨勢

 

 

虛擬裝配在工業領域應用的成熟程度主要取決于它對實際裝配模擬的逼真程度。為了更加真實模擬實際裝配過程，必須考慮裝配過程的不確定因素，因此需在虛擬產品建模和虛擬裝配仿真方面開展深入的研究。目前國內外研究的虛擬裝配系統大都通過接口從商用CAD系統中獲取產品的數字化模型以及設計者的設計意見，這一數據轉換過程比較繁瑣，同時虛擬裝配仿真結果、改進堤計意見和建議不能很好地反饋到CAD系統中。為了更加真實模擬產品的裝配過程，虛擬裝配系統還需反映針對物理屬性所進行的有限元分析的結果，在虛擬裝配環境中，讓用戶能夠更直觀的查看有限元分析結果。要充分發揮虛擬裝配系統的功能并促進其發展．要求虛擬裝配系統與目前已有的設計與分析工具能夠實現集成。考慮目前許多CAD系統已集成力學分析功能，今后在現有的CAD系統中集成裝配性分析和力學分析功能將是一個比較可行的解決途徑。

 

7. 結論

 

當前大多數虛擬裝配系統只能仿真實際生產中的手工裝配過程 而對于生產線裝配過程則顯得有些無能為力 生產線裝配過程與手工裝配過程之間往往存在著很大差異 手工裝配過程仿真的相關結果通常不能用于分析生產線裝配過程 因此 由手工裝配過程仿真過渡到生產線裝配過程仿真也是虛擬裝配的發展方向之一

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