1. 引言

 

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機、微電子、信息和自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)運而生。基于虛擬現(xiàn)實的虛擬制造技術(shù)是近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的熱點，其發(fā)展是日新月異。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)，前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。

 

虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，也是虛擬制造技術(shù)研究的重要方向之一。這種技術(shù)可以降低復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，對實現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)。提高裝配質(zhì)量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、工程機械、教育等領(lǐng)域。

 

2. 虛擬裝配技術(shù)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(chǎn)品設(shè)計與裝配技術(shù)的基礎(chǔ)，它克服了傳統(tǒng)二維設(shè)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(shè)計在虛擬環(huán)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(shè)計者能夠以不同的角度，不同的方式對設(shè)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(shè)計進行分析、評價與優(yōu)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(fù)雜形體并形象逼真地表示，更好地對設(shè)計進行評價；

 

●在三維模型的基礎(chǔ)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(shù)進行集成，快速精確地制造設(shè)計原型，作為產(chǎn)品設(shè)計樣件進行性能測試；

 

●為NC編程提供精確數(shù)據(jù)，用于產(chǎn)品的生產(chǎn)．

 

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(chǔ)上，根據(jù)零部件之間裝配關(guān)系和約束條件，在虛擬環(huán)境中進行設(shè)計組裝，并進行相應(yīng)的檢驗，從而對設(shè)計進行分析評價，對不合理的設(shè)計進行修改，達到優(yōu)化設(shè)計的目的．

 

虛擬裝配過程主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，裝配關(guān)系確定和產(chǎn)品組裝，各類檢驗進行設(shè)計分析評價及設(shè)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(tǒng)中建立產(chǎn)品的裝配模型，通過 CAD 系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 將 CAD 系統(tǒng)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(guī)則庫，如裝配順序規(guī)劃基本準則、標準件聯(lián)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(guān)系表達

 

3 虛擬環(huán)境中裝配語義識別：根據(jù)設(shè)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(guān)系。

 

4 以裝配精度模型為基礎(chǔ)，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(chǎn)品的可裝配性分析。

 

5 交互式裝配順序規(guī)劃：對虛擬環(huán)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(jù)裝配操作的穩(wěn)定性、裝配操作中零部件的定位和定向次數(shù)及裝配序列的并行度等進行優(yōu)化及選擇。

 

6 裝配仿真：以裝配順序為基礎(chǔ) 對初始路徑及其關(guān)鍵點位姿進行實時交互修改與調(diào)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(huán)境接受速度或者位置輸入，并根據(jù)有關(guān)的物理模型計算出相應(yīng)的力，通過適當?shù)鸟詈掀ヅ洌闪υ佻F(xiàn)裝置反饋給操作者。

 

2.3虛擬裝配過程中仿真的實現(xiàn)

 

 

裝配過程仿真可視化的實質(zhì)是抽象數(shù)據(jù)具體化的過程。該仿真系統(tǒng)將數(shù)據(jù)與模型自動連接，根據(jù)“更新一時間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重繪場景，通過V語言和V函數(shù)實現(xiàn)物體位姿、運動及變換，用三維真實感的動畫形式表現(xiàn)虛擬裝備裝配過程的動態(tài)情況。

供了相應(yīng)的操作來訪問“更新一時間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中最主要的操作是Assembling(裝備裝配)，參數(shù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。

 

3. 虛擬裝配的研究概況

 

1995年．美國華盛頓州立大學(xué)和美國國家標準與技術(shù)研究院聯(lián)合，最早開始了對虛擬裝配技術(shù)的研究。并開發(fā)了虛擬裝配設(shè)計環(huán)境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VADE在裝配領(lǐng)域的成功應(yīng)用，引發(fā)了各個國家的高校和研究機構(gòu)對虛擬裝配的研究。20世紀90年代末，國內(nèi)也開始對虛擬裝配技術(shù)進行研究，已經(jīng)取得許多研究成果。虛擬裝配技術(shù)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(tǒng)的研發(fā)階段，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用研究階段。目前，國外已經(jīng)開始了第三階段的研究應(yīng)用，國內(nèi)也開始由第二階段向第三階段過渡。

 

根據(jù)實現(xiàn)功能和目的不同．可以將虛擬裝配分為四種類型。

 

1)以產(chǎn)品設(shè)計為中心的虛擬裝配。

 

2)以裝配工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配。

 

3)以制造系統(tǒng)規(guī)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(shù)

 

要實現(xiàn)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(huán)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(jīng)起作用的約束。

 

4.1 面向?qū)ο蟮奶摂M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?qū)ο蟮姆椒▉斫⑻摂M手模型，虛擬手各個部分的屬性(如幾何模型、紋理等)與對應(yīng)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(guān)系通過結(jié)構(gòu)樹來實現(xiàn)。

 

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?。环駝t獲得一組零件碰撞模型ID。

 

(2)結(jié)合零件模型庫，獲得該組碰撞模型對應(yīng)的精確模型ID。對于其中每一精確零件模型，根據(jù)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(diào)整零件的位姿，系統(tǒng)自動捕捉達到闞值內(nèi)的約束，零件進入約束導(dǎo)航運動狀態(tài)。操作者繼續(xù)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(xiàn)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(tǒng)的執(zhí)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(jié)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(jié)點的包圍盒發(fā)生了碰撞，即返回碰撞節(jié)點，而不進行深層次的判斷；干涉檢測，則逐步遍歷兩個節(jié)點的所有面片，精確檢測出面片碰撞的位置，同時結(jié)合兩個物體的裝配關(guān)系，返回詳細的裝配判斷信息。在虛擬裝配環(huán)境中，由于用戶與場景的交互和物體的運動，物體間經(jīng)?？赡馨l(fā)生碰撞，此時為了保持環(huán)境的真實感，需要及時檢查這些碰撞，并計算相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，更新顯示結(jié)果，否則物體間會發(fā)生穿透現(xiàn)象。

 

在虛擬裝配環(huán)境中通常包含大量的物體，加上物體的形狀復(fù)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(huán)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(fù)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(fā)生的位置。

 

6. 虛擬裝配的發(fā)展趨勢

 

 

虛擬裝配在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(chǎn)品建模和虛擬裝配仿真方面開展深入的研究。目前國內(nèi)外研究的虛擬裝配系統(tǒng)大都通過接口從商用CAD系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品的數(shù)字化模型以及設(shè)計者的設(shè)計意見，這一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程比較繁瑣，同時虛擬裝配仿真結(jié)果、改進堤計意見和建議不能很好地反饋到CAD系統(tǒng)中。為了更加真實模擬產(chǎn)品的裝配過程，虛擬裝配系統(tǒng)還需反映針對物理屬性所進行的有限元分析的結(jié)果，在虛擬裝配環(huán)境中，讓用戶能夠更直觀的查看有限元分析結(jié)果。要充分發(fā)揮虛擬裝配系統(tǒng)的功能并促進其發(fā)展．要求虛擬裝配系統(tǒng)與目前已有的設(shè)計與分析工具能夠?qū)崿F(xiàn)集成?？紤]目前許多CAD系統(tǒng)已集成力學(xué)分析功能，今后在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中集成裝配性分析和力學(xué)分析功能將是一個比較可行的解決途徑。

 

7. 結(jié)論

 

當前大多數(shù)虛擬裝配系統(tǒng)只能仿真實際生產(chǎn)中的手工裝配過程 而對于生產(chǎn)線裝配過程則顯得有些無能為力 生產(chǎn)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(guān)結(jié)果通常不能用于分析生產(chǎn)線裝配過程 因此 由手工裝配過程仿真過渡到生產(chǎn)線裝配過程仿真也是虛擬裝配的發(fā)展方向之一

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