（机械制造及其自动化专业论文）液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 液压集成块设计的关键在于如何获得一个最优的外部布局和内部布孔的集成方案。 然两，由于液压系统组成的多样性以及集成块设计过程的复杂性，很难将外部元件的操 作方便性及美观等因素纳入到集成块的优化设计中，乃至不能保证实际装配过程中，零 件之间有足够的装配工具使用空间、不出现碰撞与干涉情况。因此为设计和选择最佳方 案，本文将虚拟装配技术应用到液压集成块的设计过程中以实现虚拟产品的预装配，直 观展示装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并进行运动过程中的装配规划、 干涉检验和交互调改等工作，以便尽可能在设计阶段验证与改善产品的可装配性，提供 反馈信息给设计系统。 论文的主要工作如下： 首先通过对集成块设计过程和虚拟装配技术应用及现状进行分析，指出有必要根据 液压集成块的结构特征和装配特点进行装配仿真；并设计了虚拟装配仿真系统的体系结 构和工作流程，对涉及的若干关键技术进行了研究，包括装配建模技术、装配规划技术、 装配仿真技术以及装配过程中的干涉检查等。 进一步，针对虚拟装配设计对装配模型的要求，在已有的特征建模方法的基础上提 出一种适合装配过程动态仿真的面向对象的建模方法，对模型的实用信息进行了扩展， 满足了装配环境对装配信息的需求。在常规三维实体造型方法的基础上，将特征体素造 型方法和参数化造型技术进行有机结合，开发了基于特征体素的液压元件三维建模系 统，为装配仿真提供三维实体模型支持。 最后采用了交互式装配序列规划方法，应用优化的a + 启发式搜索算法进行装配路 径规划对装配过程进行正确、有效的描述，完整她实现了液压集成块的装配规划；在装 配规划信息的支撑下，采用基于空间约束关系的坐标驱动技术成功地实现了液压集成块 装配过程仿真。 虚拟装配仿真系统是液压集成块优化设计系统的重要组成部分之一。在m d t ( a u t o c a dm e c h a n i c a ld e s k t o p ) 环境下，以v i s u a lc + + 6 0 作为编译工具，用o b c c 娜( 作为二次开发工具，成功开发了液压集成块虚拟装配仿真系统。通过考证一系列典型装 配仿真实例，验证了所用方法的有效性和所开发系统的实用性。最后通过针对一个典型 的集成式液压系统设计结果的装配检验，全面展示了该系统的总体工作流程与具体实现 功能。 关键词：装配过程；动态仿真；建模；装配规划 液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k v i r t u a la s s e m b l ys i m u l a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ek e yp o i n to ft h eh y d r a n l i em a n i f o l db l o c k ( h m b ) d e s i g ni st oa t t a i nt h eo p t i m u m i n t e g r a t e dl a y o u ta n dc o n n e c t i o ns c h e m e s h o w e v e r , d u et ot h ed i v e r s i t yo ft h ec o m p o s i t i o n o fh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ec o m p l e x i t yo fd e s i g np r o c e s s s o m ef 酗0 巧s u c ha so u t e r c o m p o n e n t s o p e r a t i o nc o n v e n i e n c ea n da p p e a r a n c ec a nn o tb ec o n s i d e r e di n s i d et h es y s t e m i ti sd i f f i c u l tt oe n s u r et h a td i f f e r e n tp a r t so fh m bc a nb ea s s e m b l e dt ot h ef i g h tp o s i t i o n w i t h o u ta n yi n t e r f e r e n c ea n dc o l l i s i o na n db e t w e e nt h e mt h e r ei se n o u g hs p a c ef o rt h e a s s e m b l yt o o l s i no r d e rt og e tt h eb e s ts c h e m e ，v i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yi sa p p l i e dd u r i n g t h ep r o c e s so fh m b sd e s i g nt or e a l i z et h ev i r t u a lp r o d u c t s p r e - a s s e m b l y c o m p o n e n t s m o v e m e n ta n ds p a t i a lp o s i t i o nr e l a t i o nc a nb ed i s p l a y e dv i s u a l l y i na d d i t i o n , w o r k s ，s u c ha s a s s e m b l yp l a n n i n g , i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o na n di n t e r a c t i o ni nd e s i g ns c h e m e sa d j u s t m e n te r e ， 啪a l s ob ec a r r i e do u ti nt h es y s t e mi no r d e rt ov e r i f ya n di m p r o v et h ea a s e m b l a b i l i t yo ft h e p r o d u c t s 。a l s o ，i tc a np r o v i d et h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o nt ot h ei - i m bd e s i g ns y s t e ma n dc h o o s e t h eo p t i m a ls c h e m e t h em a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e db e l o w ： f i r s t l y ，b ，a n a l y z i n ga p p l i c a t i o na n ds t a t u sq u oo fh m bd e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l y t e c h n i q u e ，a i m i n ga ts t r u c t u r ef e a t u r ea n da s s e m b l yc h a r a c t e r i s t i co fh m b ，t h en e c e s s i t yo f a s s e m b l yp r o c e s ss i m u l a t i o ni sp o i n t e do u t t h ea r c h i t e c t u r ea n do p e r a t i o nf l o wo f t h es y s t e m i sd e s i g n e d t h i sp a p e ra l s of o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es y s t e m ，i n c l u d i n g a s s e m b l ym o d e l i n gt e c h n o l o g y ，a s s e m b l yp l a n n i n gt e c h n o l o g y , a s s e m b l y s i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ye t c d u r i n gs i m u l a t i o n s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to ft h ev i r t u a la s s e m b l yd e s i g nf o rt h em o d e l ，o nt h e b a s i so ft h ef e a t u r eb a s e dm o d e l i n gm e t h o d ，af l e wo b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gm e t h o dw h i c h c a ns u i ta s s e m b l yp r o c e s ss i m u l a t i o ni ss u g g e s t e d i te x p a n d su s e f u li n f o r m a t i o no f t h em o d e l t om e e tt h ed e m a n do ft h ea s s e m b l ye n v i r o n m e n t ：b a s e do nt h em e t h o dw i t ht h ec o m b i n a t i o n o ff e a t u r ee l e m e n tm o d e l i n gm e t h o da n dp a r a m e t r i cm o d e l i n gt e c h n o l o g y , a3 dh y d r a u l i c c o m p o n e n t sm o d e l i n gs y s t e mi ss u c c e s s f u l l yf o u n d e dt op r o v i d es u p p o r tf o rt h ea s s e m b l y p r o c e s ss i m u l a t i o n a tl 硒t a ni n t e r a c t i v em e t h o di su s e dt oo b t a i nt h ea s s e m b l ys e q u e n c e o p t i m i z e d h e u r i s t i cs e a r c ha l g o r i t h ma 。i sa p p l i e di na s s e m b l yp a t hp l a n n i n gt od e s c r i b et h ea s s e m b l y p r o c e s sc o r r e c t l ya n de f f e c t i v e l y s ot h ea s s e m b l yp l a n n i n go fh m b i sc o m p l e t e l yr e a l i z e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 w i t ht h es u p p o r to fa s s e m b l yp l a n n i n gi n f o r m a t i o n ，h m ba s s e m b l yp r o c e s s i n gs i m u l a t i o ni s i m p l e m e n t e db yu s i n g c o o r d i n a t e d r i v i n gt e c h n o l o g yb a s e d o nt h e s p a t i a l c o n s t r a i n t r e l a t i o n s h i p s t h es y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so ft h eo p t i m i z i n gd e s i g ns y s t e mo fh m b w i t h m d ta sap l a t f o r l na n dv i s u a lc + + 6 0a n do b i e c t a _ a xa sad e v e l o p m e n tt o o l ，l i m bv i r t u a l a s s e m b l ys i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h r o u g ht e x t u a lr e s e a r c h i n gm a s s i v e t y p i c a io p t i m i z a t i o np r o b l e me x a m p l e s t h ee f f e c t i v e n e s s o fr e s e a r c hm e t h o d sa n dt h e p r a c t i c a l i t yo ft h ei n t e g r a t i o ns y s t e ma r et e s t i f i e d i nt h ee n d ，at y p i c a li n t e g r a t e dh y d r a u l i c s y s t e md e s i g nr e s u l t sa s s e m b l yi si n s p e c t e db yu s i n gt h i ss o f t w a r ea n dt h ew h o l ew o r kf l o w a n dc o n c r e t ef u n c t i o na l eo v e r a l ls h o w n k e yw o r d s ：a s s e m b l yp r o c e 鼹d y n a m i cs i m n l a t i o nm o d e l i n g sa s s e m b l yp l a n n i n g i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：日期：丝! ：竺丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 曹辎 导师签名i 旦年旦月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 关于液压集成块设计 1 i 1 液压集成块c a d 设计综述 随着液压技术的发展，液压系统设计与制造的复杂性也越来越高。液压系统采用液 压阀集成配置( 见图1 1 ) ，可以显著减少管路联接和接头，降低系统的复杂性，增加 现场添加和更改回路的柔性，具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、振动小、利于实 现典型液压系统的集成化和标准化等优点，因此应用日益广泛【1 - 3 1 。 图i 1 液压集成块 f i g 1 1h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s ( h m b ) 液压集成块作为集成式液压系统中主要而关键的零件，是集成式液压系统的中枢。 由于液压系统组成的非标准性和各个元件之间相互连通关系的多样性，形成集成块外部 是各种不规则液压元件在各面上的紧凑布局，内部是十分密集、复杂的孔道构成孔系网 络，因此设计起来费时费力且容易出错【4 】。并且集成块的生产制造属于单件小批量定制 生产模式，在设计阶段投入的时间和精力过多导致整个产品开发过程工作效率极低，因 此需要采取有效的设计方法来准确而快捷地解决集成块安装布局与孔道设计这一难题。 为了提高设计质量和设计效率，人们对液压集成块利用计算机进行辅助设计，并在大量 工作的基础上，开发出了一些实用、方便的液压集成块c a d 软件，收到了较好的效果。 1 i 。2 国内外研究现状 + 国际上从2 0 世纪7 0 年代初就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和元件的辅 助设计工作，8 0 年代和9 0 年代间涌现出大批研究成果，迄今开发出的各类液压c a d 软件已有数十种。在液压集成块设计和制造方面的研究工作主要如下； 液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发 1 9 8 2 年，德国亚琛工业大学( t e c h n i c a l u n i v o f a a c h e n ) 研制出在删c l a s s i c m o d e l 7 8 7 0 计算机上用于设计液压控制集成块的程序包h y k o n 5 1 。该程序包由一组液压元件 数据集和用于设计和布局的程序集组成，通过对话交互布置液压元件，具有自动设计孔 道、校核孔道、输出符合d i n 标准的集成块视图和任意剖视图等功能。 1 9 8 3 年，英国巴斯大学( u n i vo f b a t h ，e n g ) 借鉴印刷电路板和集成电路的设计思 想在p d p i l 2 3 计算机上研制了v o l e 程序1 6 】，可绘制液压集成块等元件的立体模型图， 包括复合剖面图和孔道实体图等，设计人员可以用来校核所设计的集成块油路连通情 况。 1 9 8 7 年，芬兰坦佩雷理工大学( t a m p e r eu n i vo f t e c h n o l o g y ，f i n ) 在h p l 0 0 0 a 7 0 0 小型机上借助于a g p 三维图形软件开发出用于插装集成块设计的k y b l o 软件包l _ 。明， 可做到孔道设计与干涉校验同步进行，可以修改孔径、移动孔位，还具有孔表信息输出、 刀具选择和刀具轨迹定义及n c 代码生成等功能。 1 9 9 0 年，以色列理工学院( i s r a e li n s t o f t e c h n o l o g y ) 研制的c a d s s4 x 专用软件 【1 0 】提供实体、线框、表面三种模型来表达集成块和孔道，根据人工设计的孔道坐标表快 捷地生成集成块各向视图，帮助使用者设计出满意的原型，可以节省8 0 的设计时间。 1 9 9 1 年，法国g r e n o b l e 机械学院的c h a m b o n 和t o l l e n a e r e 将人工智能和c a d 技术 相结合来解决集成块的元件布局和孑l 道设计问题口“1 2 1 。 2 0 0 1 年，德国汉堡技术大学设计技术第一研究室的d f g 研究计划开发了液压集成 块专用c a d 设计系统】。通过设计知识和计算程序的应用，该系统有效地支持使用者 进行液压集成块设计，其决定性的技术是面向对象的建模核心的应用。该系统对液压元 件进行面向对象的产品建模，拥有产品模型的建立与管理、液压油路图的输入、元件布 置定位、孔系生成等操作，能进行集成块设计的相关计算，包括压力损失计算、孔道干 涉智能校验、最小壁厚计算等。 2 0 0 1 年，新加坡南洋理工大学( n a n y a n g t e c h n o l o g i c a lu n i v ) 的s c f o k t l 4 1 等采用 特征技术进行液压系统的虚拟原形设计，将液压元件的信息分为行为信息、结构信息和 产品信息，并将其附属于液压元件的虚拟原型，使设计者可以便捷、直观地进行液压系 统和集成块设计。 此外，一些国际知名的大型液压公司美国e a t o nc o r p 、p a r k e ri - l a n n i f mc o r p 、v e s t i n e 、m o o gl t d 、加拿大a p o l om a c h i n e r yl t d 、意大利a t o s 公司、德国b o s c hr e x r o t h c o r p 等，也广泛开展了液压集成块c a d c a m 技术研究与应用。 国内液压c a d 技术研发工作虽大约晚起步1 0 年，自2 0 世纪8 0 年代中期紧密跟踪 国外先进技术开始了液压集成块c a d 技术的研究与开发，针对液压集成块的布局设计、 大连理工大学硕士学位论文 孔道连通与校验，系统优化设计等方面进行了卓有成效的工作，取得了一些具有我国特 色的研究成采。 1 9 9 6 2 0 0 2 年，澳门大学( u n i v o fm a c a u ) 的w o n gp k 和香港理工大学( h o n gk o n g p o l y t e c h n i cu n i v ) 的c h u e nc w 等运用面向对象方法构造集成块模型并采用特征技术 来组织和管理集成块c a d c a p p c a m 产品信息陋1 4 1 ，可以方便地定义和修改元件与回 路：在a u t o c a d 上开发的原型软件可以根据一些设计规则进行元件布局，并在李氏迷 富算法的基础上研究了三维路径连通算法。 上海交通大学钟廷修教授等学者于1 9 8 6 年开始研究插装阀c a d 软件，编写了校核 插装阀孔道的程序；9 0 年代相继在工作站和p c 机上开发出面向插装阀的c v c a d 软 件，具有三维c a d 的设计环境，能自动完成二通插装阀集成系统液压原理图及其对应 的集成装置装配图、零件图的绘制工作，并实现了c a d 和c a p p 间的非几何加工信息 连接；于1 9 9 7 年在a u t o c a d 上二次开发出面向集成块的h m b c a d 软件并不断完善【1 一， 具有集成块体及孔道数据输入与编辑、孔道校验、三维造型、自动绘制装配图、零件图、 孔系表输出等多项功能，已经在一些单位得到实际应用。2 0 0 1 年周惠友1 1 s 】等提出应用 虚拟设计技术进行液压集成块设计的新趋势，将遗传算法引入液压阀布局设计和孔道连 通优化设计中，并用有向图描述孔道连通规划的数学模型。 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室在路甬祥、陈鹰教授的领导下，于1 9 8 9 年研制成功插装阀液压系统设计肿d g s 系统，建立了交参型数据图形库，具有液 压原理图、系统总装图、零件图、准三维模型和插装集成块等的自动生成功能。后又采 用特征对象化的设计思想，提出对象化特征连接的概念，研究液压集成块的三维参数化 设计方法，开发了液压集成块c a d 软件一o ，并给出“两步校核”的孔道干涉 检查算法【1 9 1 。 华中科技大学应用专家系统和逻辑设计方法于1 9 8 7 年开发了h y s s d 液压原理图逻 辑设计软件包；1 9 9 8 2 0 0 1 年根据模块化设计和再设计工程的思想进行了液压集成块 c a d c a m 系统h c a d 的开发，针对液压集成块内部孔系的连通设计及其通断性校验、 液压集成块孔系加工的路径规划等问题进行了研究，从而提高了液压集成块的设计、加 工效率和质量【硎。 此外，东南大学、北京科技大学、安徽工学院、天津理工学院和北京机械工业自动 化研究所、大连液压件研究所、榆次液压件厂等单位也都对液压集成块的设计和制造技 术进行了各具特色的研究。 大连理工大学是国内较早开展液压c a d 研究开发的单位之一，于1 9 9 0 年开发出了 面向集成式液压系统的y c a d j 软件包【2 1 1 ，包括原理图设计、阀体结构设计及阀体零件 液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发 图和阀组装配图绘制等模块，采用人工智能技术实现自动设计工艺孔。在此基础上，又 陆续推出了专门面向液压集成块的m b c a d a m 和面向插装阀块的c v c a d a m 两个软 件，解决了液压集成块孔道校核和连通设计问题，并且提出了一套集成阀块类零件特征 的定义、分类和框架表达方法，建立了基于特征的零件产品模型，为c a d c a m 集成系 统的开发与研究提供了一个统一的信息模型，更进一步对液压集成块虚拟设计的建模技 术进行了研究。2 0 0 3 年至今，设计研发了基于m d t 的液压集成块智能优化设计系统 h m b d c s i g n e r 2 2 1 ，该软件以智能优化方法自动寻优为支撑，进行液压元件的布局定位、 实时校核下的孔道连通、布局方案的调整改善和设计方案的目标评价等工作，并提出将 集成块结构设计与孔道网络流场性能仿真合为一体的技术手段，以解决其中的若干关键 性技术问题，最终实现性能约束下的布局布孔集成方案的总体优化。这些工作为本文的 研究开发奠定了良好的基础。 1 2 关于装配仿真技术 1 2 1 装配仿真技术综述 装配是生产中的一个重要环节，是产品功能实现的主要过程。良好的装配设计和装 配性能，对保证产品质量和可靠性，降低产品成本和提高竞争力具有十分重要的意义。 传统设计模式下，为了提高性能和降低产品的重量和体积，设计者需要将大量的零部件 装配到一个非常有限空间中，同时，为了使产品容易装配和维护，设计者又需要留出足 够的操作空间进行装配和拆卸，这二者常常是矛盾的，所以不得不在设计阶段做出物理 样机以验证产品的可装配性，进而导致产品开发费用增加和周期相应延长。装配仿真技 术的出现解决了这一矛盾。装配仿真通过在计算机上仿真产品的实际装配过程和运动过 程，以可视化的方式研究产品的可装配性并对不合理的产品设计进行改进。 装配仿真作为虚拟制造实施的核心技术之一，将产品设计阶段产生的产品数字数据 信息在计算机内进行虚拟实物复现，并进行干涉检验，以验证产品的可装配性，便于及 时发现产品设计和工艺规划中的缺陷与错误，指导设计者进行改进，从而提高产品的可 装配性，以实现缩短产品开发周期、提高产品设计质量、降低产品开发成本，从而提高 产品的市场竞争力。 装配仿真的实质是利用计算机图形学和仿真技术，在计算机上以可视化方式生动直 观地展示产品的实际装配过程，从装配这一侧面反映产品的并行设计哲理，完善装配序 列和路径规划，提供装配干涉的实时检查，并可通过人机交互方式调整和控制装配元件 的位姿，改进产品的可装配性。装配建模、装配规划和装配过程动态仿真是其主要的研 究内容。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 装配仿真技术研究现状 国外方面，波音公司的数字化预装配环境集成了c a t i a 软件和波音自己开发的应 用工具，使设计师能够在计算机中进行零件的装配仿真，减少了实物模型在设计中的应 用，从而在设计阶段就解决了零件问的冲突干涉等制造中的关键问题。飞机的整机设计、 部件测试、整机装配均在高性能工作站上的虚拟环境中通过数字样机完成，使得设计制 造偏差小于千分之一英寸，整个开发周期从传统的8 年时间缩短到5 年。 美国华盛顿州立大学( w a s h i n g t o ns t a t e u n i v e r s i t y ) 从1 9 9 5 年启动了虚拟装配仿真 环境( v a s e ) 的项目，分析了虚拟现实技术在工业装配领域的应用前景，对虚拟装配 环境、装配规划与评估等内容进行了研究，建立了一个虚拟装配环境，使设计者可以在 其中访问产品的装配工艺和设备，进行虚拟产品的装配仿真评估、自动装配规划、制造 仿真评估f 矧。 卡内基梅隆大学在美国海军研究局的项目支持下，在协同装配设计分析系统 ( c o d e s ) 中开发了一个智能装配建模与仿真平台( l 4 m s ) 该平台支持三维装配与 维护的仿真，提供了碰撞干涉检测、工具可达性检测、装配体稳定性检测等功能，提供 了网络协同设计的虚拟装配环境。 b a t h 大学的v m 强调在设计和制造中v r 技术的作用和利用它的潜在收益，而不是 强调简单的计算机图形学产生的制造和装配过程产生的动画【硐。 t c c h n o m a t i xt e c h n o l o g y 发布的虚拟制造软件d y n a m o 使得工程师能够动态地模 拟和验证产品的装配和拆卸工艺。 国内方面，清华大学的张林煊、童秉枢提出：在商用c a d 软件p r o e n g i n e e r 的基 础上，以p r o d e v e l o p 和c 为开发工具，实现了一种寄生式的装配仿真系统。其装配仿 真，能够完成装配环境设置、装配路径初始化、基体位姿调整、关键点的定义与调整以 及路径可行性检查。可在产品设计阶段生动直观地进行预装配，验证和改进产品的装配 工裂矧。董兴辉、徐晓慧提出了一种基于v r m l 的协同虚拟装配系冽硐，讨论了建立 协同装配可视化环境语言、文件格式和开发工具，阐明了面向三维装配可视化开发的思 路、方法和过程，提出了实现协同化装配的机制。以v r m l 为数据载体，利用浏览器 插件c o r o n a 的a p i ，实现了原型系统。 西北工业大学c a d c a m 国家专业实验室的李原、张涛、曹哲等提出了一种基于装 配操作的装配仿真技术f 2 7 】，将装配操作、装配工夹具等装配工艺信息集成在统一的装配 操作模型中，实现装配环境和装配过程的有机结合。樊波川研究了并行环境下的d f a 技术，构建了一个“n w p u - - d f a ”系统，对飞机行李箱组件的装配过程进行了d f a 分析。 液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发 华南理工大学的谢存禧等提出了一种基于机器人的虚拟装配仿真系统，在设计阶段 生动直观地展示了机器人虚拟装配的布局和过程，分析了虚拟装配仿真目标的实现策略 以及仿真可视化的实现过程。 南京理工大学的郑勇、龚光容等提出了一种可视化虚拟装配系统，具有装配路径设 置、装配零部件位置和姿态调整及消隐、装配视角调整和视图放缩、虚拟仿真设置等功 能。系统基于s o l i de d g e 的二次开发实现。 东南大学c i m s 中心的朱正强等构建了一个基于v r m l _ - j a v a 的可视化装配原型 系统【2 8 】。系统采用基于v r m l - - j a v a 的虚拟现实技术，3 d 模型下载到客户端显示， 复杂的运算和仿真在服务器上运行。 此外上海交大、北京机械科学研究院等单位也都对装配仿真技术进行了各具特色的 研究。 1 3 课题的研究内容和目的 本课题来源于国家自然科学基金项目“基于智能优化和虚拟设计的液压集成块c a d 方法研究”( 5 0 3 7 5 0 2 3 ) 。 目前大连理工大学液压技术课题组针对液压集成块如何自动获得最优的布局布孔 集成方案的问题，应用先进的基于小生境的遗传退火算法，开发出了基于m d t 的液压 集成块智能优化设计系统【冽。经过该系统优化设计后得出的设计方案，以数据结果的形 式存储在数据库中。在设计过程中由于干涉计算的复杂性只能考虑液压元件的底板尺寸 和大概外形尺寸，然而实际中，某些液压元件的底板尺寸并非是其元件包络范围中最大 的尺寸，所以不能保证在实际装配过程中各元件之间有足够的装配空间，容易在实际装 配中出现元件间的干涉情况；并且实际装配过程中人的因素、工具使用、操作空间等方 面在该设计系统中不能全面的考虑到。针对这一情况，本文提出开发液压集成块虚拟装 配仿真系统，使装配过程可视化，能够进行干涉检查等工作，并可使设计人员在设计时 进行方案之间的比较，以便尽可能在设计阶段发现问题，选择最佳方案。 通过对装配仿真技术的分析，针对液压集成块的结构特征和装配特点，将液压集成 块的虚拟装配仿真系统分为装配建模、装配规划和装配仿真三个子系统，并采用一种新 的基于特征体素的液压元件实体造型方法在m d t 平台上生成相应的三维模型，最终实现 了液压集成块虚拟装配过程仿真 本课题的研究内容主要包括： ( 1 ) 集成块虚拟装配仿真系统的总体规划 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 针对设计系统得到的设计方案，分析液压集成块的结构特征和装配特点，通过对虚 拟装配技术的应用及现状的综合了解，指出集成块进行虚拟装配的必要性。分析了虚拟 环境下三维可视化装配仿真系统的体系结构和主要功能，并将液压集成块装配仿真分为 虚拟环境的构建、装配模型的构建、装配规划及实时仿真四个过程，提出了所需解决的 几个关键技术问题并给出相关的解决方案。 ( 2 ) 虚拟装配环境的构建及建模技术 虚拟环境下的装配模型是整个装配过程仿真的基础。在m d t 平台下构建了装配仿 真所需虚拟环境，并针对装配过程仿真对装配模型的要求，在已有的特征建模方法的基 础上提出一种适合装配过程动态仿真的面向对象的建模方法，方法对模型的实用信息进 行了扩展，能很好地满足装配环境对装配信息的需求。并通过对液压元件结构的归纳与 总结，采用了将特征体素造型方法和参数化造型技术进行有机结合的方法，将特征体素 作为组成液压元件的基本组成单元，建立了基于特征体素的液压元件三维建模系统，组 建了具有一定规模的液压元件图形库。 ( 3 ) 装配规划技术与装配过程实时仿真 以装配体零部件的空间位姿矩阵变换为基础，根据液压集成块的特点，进行装配序 列与路径规划和装配过程仿真研究。深入研究了装配路径的规划算法，提出了通过人机 交互的方式对装配体的组成零部件进行装配序列规划，并应用优化的启发式搜索算法胁 进行装配路径规划；最后采用基于空间约束关系的坐标驱动技术实现了液压集成块装配 过程仿真。 液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发 2 液压集成块虚拟装配仿真系统总体规划设计 2 1 虚拟装配仿真系统设计的必要性 2 1 1液压集成块的结构特征与设计规则及特点 液压集成块按照结构和用途划分，有条形块( b a rm a n i f o l d s ) 、小板块( s u b p l a t e s ) 、 盖板( c o v e r p l a t e s ) 、夹板( s a n d w i c hp l a t e s ) 、阀安装底板( v a l v e a d a p t o r s ) 、泵集成块 ( p u m pm a n i f o l d s ) 、逻辑块体( l o g i cm a n i f o l d s ) 、叠加块体( a c c u m u l a t o rm a n i f o l d s ) 、 专用块体( s p e c i a l t ym a n i f o l d s ) 、集流排管和连接块( h e a d e ra n dj u n c t i o nb l o c k s ) 等多 种形式1 3 0 l ，如图2 1 所示。实际系统中的液压集成块是由块体以及其上安装的各种液压 阀、管接头、附件等元件组成，如图2 2 所示。 图2 1 液压集成块结构类型 f i g 2 1 s t r u c t u r et y p e so fh m b a 块体b 装配图 图2 2 液压集成块典型实例 f i g 2 2t y p i c a li n s t a n c eo f l i m b 一8 - - 大连理工大学硕士学位论文 阀块体 阀块体是液压系统中液压元件的承装载体，而液压元件之间的连通则采用其内部孔 道作为通道。阀块体上分布有与液压阀有关的安装孔、通油孔、连接螺钉孔、定位销孔， 以及公共油孔、连接孔等，为保证孔道正确连通而不发生干涉有时还要设置工艺孔。因 此孔道数通常达数十乃至上百个，且多呈纵横交错的形式。孔道类型通常有光孔、阶梯 孔、螺纹孔等几种，但为便于在普通钻床和数控机床上加工，一般均为直孔。 液压阀 液压控制阀从结构形式合安装形式的角度，可以分为板式阀、二通插装阀、叠加阀 和螺纹插装阀四类。而各种阀和块体组成的液压回路，要对液压缸等执行机构进行控制， 以及进油、回油、泄油等，必须与外部管路连接才能实现。对于连接进油口、回油口和 控制油口等的附件，由于在液压集成块中，功能和安装方式与上述阀类相同，故视为广 义液压阀。液压阀由连接螺钉安装在块体上，实现液压回路的控制功能。 其它附件 包括管道连接法兰、端直通接头、工艺孔密封件、油路密封圈等附件附件主要用 于连接进油口、回油口和工作油口，以及封堵工艺孔。 图2 3 液压集成块生产过程 f i g 2 3 p r o d u c t i o np r o c r d u r co f h m b 液压集成块生产的全生命周期主要包括如图2 , 3 所示的六个过程1 3 1 】：原理图设计、 集成块设计、核准、制造、检验、安装。液压集成块设计是整个生命周期中最关键的过 程，而设计中真正的核心问题是如何才能自动得到最优的布局布孔集成设计方案，即装 配关系设计与连通关系设计。 ( 1 ) 布局( l a y o u t ) 装配关系设计 液压集成块虚拟装配仿真系统研究与开发 集成块的外观布局设计以研究外部元件的布局方案为主要内容，确定阀块体的总体 尺寸、公共油口管接口控制油口及其它特殊油口、阀类元件的安装面安装位置安装角 度等参数；同时，为给设计人员提供尽量多的备选方案，设计结果应包含多个局部最优 解，该问题亦演变成一个多峰值优化问题。集成块的外观布局设计为内部布孔设计提供 前提和依据，是集成块总体优化设计的核心环节之一。集成块布局要求把外观不规则的 多种类型的液压元件在不发生相互碰撞并且保留一定的安装和操作空间的前提下，尽可 能紧凑地分布到块体的五个或四个面上( 底面或顶面用来安装到系统中) ，并且布局应 尽可能合理、美观。实际设计中需要注意如下几点： 设计中要考虑安装操作的工艺性。液压阀在集成块上安装时不能发生干涉；对 于有垂直或水平安装要求的液压元件，必须保证安装后符合要求。对那些在工作中需要 经常调节的液压元件，设计时要考虑其操作和观察的方便性。例如：通常把溢流阀、调 速阀、减压阀等可调元件布置在右侧或前面，而把经常需要检修的元件及某些关键元件 放在集成块便于拆装的位置 设计时首先确定电磁换向阀的位置。通常将其安装在集成块的前、后面上，先 布置垂直位置，再布置水平位置，并注意电磁铁伸出部分不要与侧面的阀相碰。 在垂直方向布置液压元件时，应尽量使各元件相通的油孔位于同一水平层内， 或在油孔直径范围内，以减少不必要的工艺孔。 在水平方向布置液压元件时，应将与公用油孔相通的油孔排列在公用油孔的直 径范围内，以避免不必要的工艺孔。 综上，针对集成块的外部布局设计，首先应确定阀类元件间没有外形干涉，并应注 意保证阀类元件有足够的安装和操作空间，符合实际安装习惯，便于操作。 ( 2 ) 布孔( c o n n e c t i o n ) 连通关系设计 外部元件在阀块体上的布局确定后，阀块体上孔道的位置参数也就得以确定。此时， 需要根据由原理图提出的孔道网络连通要求，逐一进行如下的孔道网络连通设计： 如果各端孔可直接连通，则确定各端孔的深度。 如果各端孔不能直接连通，则需要增设工艺孔，并保证连通后线网中工艺孔数 目尽量少，线网总长度尽量短。 相通孔道要保证一定的通流面积，不相通的孔道之间要满足一定的壁厚。 满足某些阀的动态特性要求。 ( 3 ) 布局与布孔的关系 集成块的布局和布孔既相辅相成又相互制约，设计中应两者兼顾。如果布局合理， 则孔道连通方便，工艺孔数目少；否则孔道间很容易发生干涉，工艺孔数目多，甚至无 大连理工大学硕士学位论文 法保证正确连通，此时需要重新进行布局方案设计。所以说，布局方案为孔道连通创造 初始条件，同时连通设计也对布局方案给出量化评价，为布局方案调改提供依据。因此 布局设计和布孔设计是相互影响、不可分割的两个阶段。因此只有把两者结合起来，才 能很好地完成集成块的优化设计。这样，就形成集成块设计的两个迭代循环，如图2 3 所示，小循环是在孔道连通设计内部调整连通顺序；大循环是不断调整布局方案后进行 布孔计算。 大循环小循环 液压元件在 集成块体上 的布局定位 布局方案的 自动调改 实时校核下 的孔道自动 连通 连通方案的 目标评价 图2 3 自动优化设计流程 f i g 2 3p r o c e d u r eo fa u t o m a t i co p t i m a ld e s i g n 2 1 2 液压集成块应用虚拟装配的必要性 液压集成块广泛应用于各种液压系统中，由于系统组成的多样性及其集成块设计过 程的复杂性，使得设计工作量大、空间想象困难、干涉现象不易一一顾全，设计、校验 都要花费较多的时间，很难将外部元件的操作方便性及美观等因素纳入到集成块的优化 设计中。从而不能保证实际装配过程中，零件之间有足够的装配工具使用空间，容易出 现碰撞与干涉情况。 因此为设计和选择最佳设计方案，根据液压集成块的结构特征和装配特点，本文提 出将虚拟装配技术应用到液压集成块的设计过程中，开发液压集成块虚拟装配仿真系 统，在液压集成块的设计中借助于计算机辅助设计技术进行基于虚拟现实的液压集成块 装配过程仿真，使设计人员在设计阶段就能虚拟实现产品的装配过程，直观展示装配过 程中零部件的运动形态和空间位置关系，并进行运动过程中的装配规划、干涉检验和交 互调改等工作，以便尽可能在设计阶段验证与改善产品的可装配性，发现存在的