（系统工程专业论文）虚拟制造技术在汽车冲压生产线上的设计研究.pdf

摘要 摘要 作为一种新的制造模式，虚拟制造技术在制造领域显现出越来越重要的作 用，结合c a d c m 技术，将虚拟制造技术应用于机械的设计分析，其交互性 和沉浸性势必可提前发现产品设计的缺陷，实现产品的优化设计，提高产品的 精度，缩短产品开发周期，降低产品的研发成本，在很大程度上解决现代制造 企业的t q c s ( t - t i m et om a r k e t ，o - q u a l i t y ，c - c o s t ，s - s e r v i c e ) 难题。 本文将虚拟制造技术运用到汽车冲压生产线的设计中，真实的反映现实生 产线中各个设备的运作、工件的变化等实际情况，再现车间现场环境，从而给 企业提供一种直接、形象的技术交流手段，可以对技改方案进行技术和经济分 析：同时论文研究了虚拟现实技术，实现了汽车冲压生产线的虚拟现实系统。 论文结合中德政府合作项目“数字化工厂”对汽车冲压生产线进行研究， 主要研究内容分成四个部分： ( 1 ) 对冲压生产线的虚拟建模技术进行研究，利用机械c a d c a m 建模技术 对生产线设备进行特征建模，针对一系列具有共同特征而只是具体尺寸存在差 异的零件进行了参数化设计建模研究，提出了两种面向不同对象的参数化建模 思想：基于设计表的参数建模和基于零件实体动态参数建模。 ( 2 ) 对冲压生产线的虚拟装配技术进行研究，利用虚拟装配设计思想和关 键技术，采用自上而下和自下而上的两种设计流程，对冲压生产线进行装配件 的设计，同时研究提出了一层化装配( o n e - l e v e l ) 思想，并基于此，规划出汽 车冲压生产线的两大根装配体：压机装模具装配体和冲压生产整线装配体。 ( 3 ) 对冲压生产线的虚拟样机技术进行研究，利用虚拟电子样机技术，具 体对冲压生产线的压机装模和整线加工节拍进行运动仿真。由运动仿真检验虚 拟设计是否符合实际生产、是否出现干涉碰撞、设备运动轨迹是否合理等，对 不符合实际生产的再进行设计优化研究。 ( 4 ) 对虚拟冲压生产线进行虚拟现实研究，利用数据转换技术和专门的虚拟 现实软件e o np r o f e s s i o n ，将c a t i a 下的设备模型导入到虚拟现实软件中，再 结合一定虚拟现实外围硬件设备，建立冲压生产线虚拟现实仿真系统。 关键词：虚拟现实，虚拟制造，参数化建模，虚拟装配，虚拟样机 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wm a n u f a c t u r em e t h o d , v i r t u a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yp l a y sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tp a r ti nm a n u f a c t u r ef i e l d u s i n gm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yc o m b i n i n g w i t hc a d c a mi nm e c h a n i c a la n a l y s i sa n da p p l i c a t i o nc a nd e t e c tp r o d u c td e f e c t a h e a do ft i m e , o p t i m i z et h ed e s i g no fp r o d u c t , i m p r o v et h ep r e c i s i o no fp r o d u c t , s h o r t e nt h ep e r i o d so fp r o d u c t sd e v e l o p m e n ta n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t s r e s e a r c hw i t hm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y sc h a r a c t e r sw h i c ha r ei m m e r s i o n , i n t e r a c t i o n a n di m a g i n a t i o n t h u s , v i r t u a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yr e s o l v e st h ep r o b l e mo f m o d e r nm a n u f a c t u r ec o r p o r a t i o n sa st ( k _ s ( t - t i m et om a r k e t ，( q u a l i t y ，c - c o s t , s s e r v i c e ) t oag r e a te x t e n t t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e st h ev i r t u a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi n t od e s i g n i n gt h e a u t o m o b i l e sp r e s s i n gl i n e ，w h i c ht r u l yr e f l e c t sa c t u a lc o n d i t i o n si nt h ep r o d u c t i o n l i n es u c ha st h eo p e r a t i o no fe v e r ym a c h i n e ，t h em o t i o no ft h ew o r k p i e c e ，a n dr e e c l l r t h ew o r k s h o pl o c a l e ，c o n s e q u e n t l yp r o v i d eac o n v e n i e n ta n dq u i c kp l a t f o r ma n da d i r e c ta n dv i v i dw a yt ot e c h n i c a li n t e r c o m m u n i o nt h a tc a np r o v i d et e c h n i c a la n d e c o n o m i c a la n a l y s e st ot e c h n i c a le m e n d a t i o nf o re n t e r p r i s e sa sw e l la ss o l v es o m e a c t u a lp r o b l e m si nt h ep r o d u c tl i n e t h ed i s s e r t a t i o na l s or e s e a r c h e sw t r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y t os e tu pv i r t u a lr e a l i t ys y s t e mf o ra u t o m o b i l e sp r e s s i n gl i n e t h ed i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do ff o u rp a r t sm a i n l yw h i c hi sb a s e do ht h er e s e a r c h o ft h ea u t o m o b i l e sp r e s s i n gl i n eb a s e do nt h es i n o g e r m a nc o o p e r a t i v ep 叫e c to f “d i g i t a lf a c t o r y ( 1 ) r e s e a r c ht h em o d e l i n gt e c h n i q u eo ft h ec a d c a m t om o d e lp r e s s i n gl i n e s m a c h i n e 眦p a r a m e t e rm o d e l i n gm e t h o d t od e s i g nas e r i e so fp a r t sw h i c hh a v et h e s a m ec h a r a c t e r i s t i cb u td i f f e r e n td i m e n s i o n , a n di n t r o d u c et w ok i n d so fp a r a m e t e r m o d e l i n gm e t h o d s a st a b l ed e s i g n i n gm e t h o da n dd y n a m i cb u i l d i n gm e t h o df o rp a r t ( 2 ) r e s e a r c ht h ev i r t u a la s s e m b l yt e c h n i q u ef o rp r e s s i n gl i n e ，u s et w ok i n d so f s s s e m b l ym e t h o d sa st o p t o - d o w na n dd o w n - t o - t o pt od e s i g nt h ep r o d u c tf o r p r e s s i n gl i n e ，i n t r o d u c e “o n e - l e v e l a s s e m b l ym e t h o dw h i c hm e a n st h a tt h e r e i s a b s t r a c t o n l yo n ef l o o rb e t w e e nr o o ta n dc h i l d r e np a r t sa n dp r o d u c t s ，p u tf o r w a r dt w or o o t p r o d u c t sa c c o r d i n g “o n e - l e v e l a s s e m b l ym e t h o da sp r e s sp r o d u c tf o rf i x i n gm o d e l a n dp r e s s i n gl i n ep r o d u c t ( 3 ) r e s e a r c hd i g i t a lm o o k - u p ( d m u ) t e c h n i q u ef o rp r e s s i n gl i n e ，a p p l yd m u o nt w os i m u l a t i o n s8 sf i x i n gm o d e lf o rp r e s sa n dm a c h i n i n gp r o c e s so fp r e s s i n gl i n e ， c h e c kw h e t h e ri n t e w e n l n gw h i l em a c h i n i n go rh a v i n gs o m ew r o n gr o u t e sw h i c hi s n t f i tf o ra c t u a lm a c h i n i n g , o p t i m i z es i m u l a t i o ni f t h e r ea r es o m ew r o n g p r o b l e m s ( 4 ) r e s e a r c hv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u ef o rp r e s s i n gl i n e ，u s ed a t ac o n v e r s i o n t e c h n i q u et oc o n v e r tm o d e ld a t af r o mc a t l a t oe o np r o f e s s i o ns o f t w a r e ，tu p v m u a lr e a l i t ye n v i r o n m e n tf o rp r e s s i n gl i n eu s i n gs o f t w a r ea n ds o l l l eh a r d w a r e e q u i p m e n t k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a lm a n u f a c t u r e ，p a r a m e t e rm o d e l i n g , v u t u a l a s s e m b l y , d m u m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：槲刖 肿多月加日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 帮绷、l f 川年弓月伽e l 第1 章绪论 1 1 虚拟制造 1 1 ，虚拟制造产生背景 第1 章绪论 在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的新形势下，制造业的经营战略 发生了很大变化，t q c s 成为现代制造企业适应市场需求、提高竞争力的关键因 素。即以最快的上市速度口啊m et om a r k e t ) 、最好的质量( q l _ q i l a l i t y ) 、最低 的成本( c - - - c o s t ) 、最优的服务( s _ s e l v i c e ) 来满足不同顾客的需求。多年的实践 证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展 的必由之路。虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 是实际制造在计算机上的 数字实现，是计算机仿真技术和虚拟现实技术在制造领域的综合发展及应用， 是企业以信息集成为基础的一种新的制造哲理。虚拟制造技术的广泛应用将从 根本上改变现行的制造模式，将带来企业组织、企业管理及生产方式等多方面 的变化，对相关行业也将产生巨大影响，是下一代制造技术的重要内容之一。 1 1 2 虚拟制造定义 虚拟制造是一个处于发展中的新概念。许多学者从不同角度对虚拟制造的 内涵进行了探索，并给出相应的定义，例如： 1 k i l n u r a 等【1 】提出了以下途径并将它称为虚拟制造： n ) 在相关理论和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织； ( 2 ) 在以上分析活动的基础上，对工程对象和制造活动进行全面建模： ( 3 ) 在建立真实制造系统前，采用计算机仿真来评估设计与制造活动； ( 4 ) 由以上评估来消除不合理结果； ( 5 ) 对模型进行日常维护来实现高质量的仿真。 2 佛罗里达大学g l o r i aj w i e n s 等人将虚拟制造定义为：虚拟制造是这样一 个概念，即与实际制造一样，只是在计算机上执行制造全过程，其中虚拟模型 第1 章绪论 是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。 3 美国空军w r i g h t 实验室的定义是：虚拟制造是仿真、建模与分析技术及 工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。 4 马里兰大学e d w a r dl i n 的定义是：虚拟制造是一个用于增强各级决策与 控制的一体化的、综合性的制造环境。 到目前为止，人们对虚拟制造技术的本质的认识还未统一，但对它的基本 特征却有一致的观点，即虚拟制造技术由多学科先进知识组成的综合系统技术， 其核心与关键技术是计算机仿真、建模和虚拟现实。即采用计算机仿真与虚拟 现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作， 通过三维模型及动画，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质 量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造 过程各级的决策与控制能力。 1 1 3 虚拟制造的类别和层次 虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系。在虚拟制造的研究过 程中，由于应用对象的不同，各有不同的侧重点，因此出现了三个不同的类别： 即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟 制造。它们分别涉及到产品生命周期中不同的方面。 ( 1 ) 以设计为中心的虚拟制造 以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程 中，并在计算机中进行“制造”，仿真多种制造方案和产生许多“软”的模型，为设 计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的主要支持技术包括特 征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。主要应用领域包括造型 设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。 ( 2 ) 以生产为中心的虚拟制造 以生产为中心的虚拟制造是将仿真能力加入到生产过程模型中，其目的是 方便和快捷地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度，产品的生产效率、 资源的需求状况( 包括购置新设备、征询盟友等) ，从而优化制造环境的配置和 生产的供给计划。它的主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其 主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。 2 第1 章绪论 ( 3 ) 以控制为中心的虚拟制造 以控制为中心的虚拟制造是将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过 程，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。它 的主要支持技术有：对离散制造基于仿真的实时动态调度：对连续制造一基 于仿真的最优控制。 虚拟制造可以分为三个层次： 第一层是宏观层，指能够覆盖从产品需求，产品虚拟设计、产品虚拟生产 到产品虚拟消费、报废循环的整个过程，包含产品生产企业的所有活动以及用 户的消费过程，这就需要表达整个制造系统中的物流、信息流、能量流，以及 系统各单元间的关系、约束机制等，是指高层次大系统仿真； 第二层是中观层，指对加工环境的仿真，包含生产系统的虚拟布局、虚拟 调度等生产系统的仿真，也包含零件的加工过程仿真，如刀具轨迹、加工过程 仿真等； 第三层是微观层，指加工过程中制造系统被加工件的各种微观特性的变化， 如磨削加工中工件表面状态的变化，铸造( 锻压) 成型过程中材料的微观现象仿真 等等。 1 1 4 虚拟制造与实际制造的关系 制造过程的实质就是在能量流的作用下，通过一定的控制机制，对物质流 赋予信息流的过程，是一个动态的、自组织的过程。现实制造系统( r m s ) 是物质 流、信息流在控制流的协调与控制下在各个层次上进行相应的决策，实现从投 入到产出的有效的转变，而其中物质流和信息流协调工作是其主体。而虚拟制 造系统m s ) 是在分布式协同工作等多学科技术支持的虚拟环境下的现实制造 系统( r m s ) 的映射。 虚拟制造与实际制造有着密切的关系。其关系主要表现在以下两方面1 2 1 方面，虚拟制造不是无源之水，无本之木，而是实际制造过程在计算机 环境下的映射。设实际制造系统脚舔。l r 田麟a c s ， 虚拟制造系统昀岱2 【刀嗒哪删，该映射向量为j ，。忻乃厶j 。 于是该映射向量可表示为；玢艿。工( r a 岱，酌，糟。1 ，2 。 其中，口为控制参数向量，各个系统的名称如下表所示。 3 第1 章绪论 子系统l 物理子系统 制造系统 | ( p s ) t”h_一 、。 h 。现实制造系统觋实物理系统 ；( r m s )l ( r p s ) 一一。1 1 一m ! 虚拟制造系统| 虚拟物理系统 ( v m s ) | ( r p s ) 分析该映射，可发现具有下述特性： 信息子系统控制子系统 ( i s )；( c s ) 现实信息系统现实控制系统l ( r i s )s ( r c s ) 虚拟信息系统虚拟控制系统 ( 砌s )i ( r c s )j ( 1 ) 映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，其直接结果是全 数字化产品，映射的介质是网络计算环境； ( 2 ) 这种映射是非线性的迭代过程，单次映射可能达不到要求，需要多次复 合直至满足要求： ( 3 ) 由于市场需求、生产过程和产品种类的复杂多变，导致其结果千差万别， 难以预测，因而可能是一个混沌的过程，具有“蝴蝶效应”； ( 4 ) 由于“知识化”的人是整个系统的主体，将人的智能复合进去( 表现为控 制参数口) ，该映射在一定程度上也是可控的； ( 5 ) 由于不同的人经验技术水平不同，因而控制参数岱具有模糊特性； ( 6 ) 该映射的模糊混沌特性可看作是t q c s 的数学表现。 另一方面，在实际制造系统中，物质流、信息流在一定的控制机制下，生 产出适销对路的产品，然后通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合，得到 实际产品的全数字化模型；虚拟制造的最终目标是反作用于实际制造过程，用 来指导生产实践。因此，虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的 实例。 1 1 5 虚拟制造研究现状与应用 虚拟制造技术由于具有诱人的应用前景，许多发达国家对其已经对其进行 深入研究，并已出现许多成功的应用范例。如美国波音7 7 7 全面应用虚拟制造 技术，其整机设计，部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机 上完成的，使其开发周期从过去8 年时间缩短到5 年，甚至在一架样机未生产 的情况下就获得了订单。又如福特( f o r d ) 和克莱斯勒( c h r y s l e r ) 公司与m m 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制。在样车生产之前，发现其定位 系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。由于实施了虚拟产品开发 4 第1 章绪论 策略，f o r d 和c h r y s l e r 将他们新型汽车的开发周期由3 6 个月缩短至2 4 个月。 相比国外的虚拟制造技术已经基本从应用基础技术的研究向实际应用过 渡，国内的虚拟制造技术还处于基础技术的研究，国内的研究主要集中在四个 方面：1 虚拟制造基础研究；2 产品虚拟设计技术；3 产品虚拟加工技术；4 虚 拟制造系统。 1 2 虚拟现实 1 2 1 虚拟现实概述 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , v 对兴起于国外8 0 年代初。它是利用计算机生成一 种高逼真的虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ，r e ) ，通过多种传感器接口，产生视觉， 听觉，触觉等效果，使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接“交 互”的技术。一个身临其境的虚拟现实系统是计算机图形学，图像处理与模式 识别技术，人工智能技术，传感器技术，多媒体技术，网络技术，并行计算技 术等多种技术的集成。其目标是实现一种和谐的人机交互，即克服物理条件的 局限，使用户在多种传感器的辅助下沉浸于虚拟环境中，并直接与之交互。目 前，虚拟现实技术己在科学可视化、飞行模拟、医学、c a d c a m 、教育娱乐等 领域获得广泛的应用。 1 2 2 虚拟现实特征 由于虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境( 如飞机驾驶舱、操作现场 等) ，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接 进行自然交互的技术。因此虚拟现实技术可以用三个“i ”来描述虚拟现实技术 的特性，图1 1 所示： 图1 1 虚拟现实系统的三“i ”特征 5 第1 章绪论 三个“i ”( 沉浸、交互、想象1 反映了虚拟现实的系统的关键特征。一个理想 的虚拟现实系统应能够达到这三个i 所体现的目标1 3 l 。 首先，参与者在这个环境中有“真实”的体验，这种体验就是“沉浸”或 者是“投入”( i m m e r s i o n ) ，即全身心的投入到虚拟环境中去，产生处在虚拟世 界中的幻觉。理想的虚拟现实系统应能够提供人类所具有的一切感知能力，包 括视觉、听觉、触觉，以及味觉和嗅觉等。 其次，系统能够提供方便的、丰富的基于自然技术的人机交互手段， 即：i n t e r a c t i o n ，这些人机交互手段使得参与者能够对虚拟坏境进行实时的操纵， 能从虚拟环境中得到反馈信息，也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、 变化等各种数据。 最后，虚拟现实系统要具有丰富的想象力( i m a g i n a t i o n ，。因为虚拟现实不仅 仅是一种媒体或者用户的高端接口，而且还是针对某一特定领域、解决某些问 题的应用，为了解决这些问题，不仅需要了解应用的需求，了解技术的能力， 而且要有丰富的想象力。作为虚拟世界的创造者，想象力已经成为虚拟现实系 统设计中关键的问题之一。 2 3 虚拟现实分类 通常，虚拟现实是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现 的一种三维现实，人们以自然的方式( 如头的转动、手的运动等) 向计算机送入各 种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉 及触觉等感觉世界，随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。目前，虚拟 现实内涵己大大扩展，像“人工现实( a r t i f i c i a lr e a l i t y ) ”、“虚拟环境”( v i r t u a l e n v i r 蚰m e n t ) ”、“电脑空间( c y b e r s p a c e ) ”等，都可以认为是虚拟现实的不同术 语或形式。 事实上，虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应 该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法，其目标就是达 到真实体验和基于自然技能的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系 统就称为虚拟现实系统。随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术出现了多样 化的发展趋势，根据“沉浸”程度的高低，可以划分出四种类型。其中桌面型 的虚拟现实技术非常简单，需要投入的成本也不高。因而，应用比较广泛。 6 第1 章绪论 1 桌面虚拟现实 桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作 为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充 分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入 设备，通过计算机屏幕观察3 6 0 度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但 这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚 拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，成本也相对较低，应用比较广泛。 2 沉浸的虚拟现实 高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之 中的感觉。它利用头盔式显示器( i i m d ) 或其它设备，把参与者的视觉、听觉和 其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、 数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投 入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影 式虚拟现实系统、远程存在系统。 3 增强现实性的虚拟现实 增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现 实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无 法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将真 实的仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可 以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或 导航偏差。 4 分布式虚拟现实 如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同 体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现 实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行 观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是 s i m n e t ，s i m n e t 由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练，通 过s i m n e t , 位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟 世界，参与同一场作战演习。 本论文是将虚拟现实技术应用到汽车冲压生产线的设计中，建立一个与真 实汽车冲压生产线高度类似的、功能类似的、具有“身临其境感”的桌面式虚 7 第1 章绪论 拟现实系统。以实现冲压线的设计、工艺规划、性能分析、质量检验以及企业 各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以提高人们的预测和决策水平， 使得冲压线设计技术走出主要依赖于经验的狭小天地。同时论文也采用了一定 虚拟现实外围硬件设备：三维立体数字投影仪、三维立体眼镜、投影屏幕等， 建立了一个沉浸的虚拟现实系统。 1 3 本论文研究内容 目前我国轿车车身冲压生产线整体设计调试水平较低，传统冲压线的设计 和调试还局限于对物理冲压机和整条冲压线进行目测估计和手动调节，这种方 法不仅浪费资源，精确度不高，而且也延长了设计的时间，不能满足汽车产品 的快速上市的要求嗍。基于虚拟制造原理，在计算机虚拟环境下对轿车车身冲压 线进行研究，对提高轿车冲压设计方法有着十分重要的意义。 本论文研究目的是在计算机虚拟环境下设计一个既能反映冲压生产过程， 对加工性能和存在的问题进行分析检测，又能降低制造成本，缩短设计时问， 提高设计效率、设计质量和一次开发的成功率的仿真系统。具体的研究内容为： 1 根据实际冲压生产线的基本任务研究虚拟仿真系统的设计原则和整体框 架： 2 根据实际冲压线的零部件特征，研究冲压生产线的建模技术； 3 根据零部件在冲压生产线中的相对位置和运动仿真关系，研究冲压生产 线的虚拟装配技术； 4 研究电子样机技术，根据实际冲压生产过程和运动节拍实现对冲压生产 线的虚拟运动仿真： 5 。对虚拟冲压生产线系统进行性能分析研究和改进； 6 对虚拟冲压生产线进行虚拟现实研究，建立冲压生产线的虚拟现实系统， 提高人机交互性能： 1 4 本论文研究框架和结构 8 第1 章绪论 9 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 2 1 引言 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，加入w t o 后，我国汽车工业特别是 轿车工业面临激烈的市场竞争，目前国内轿车市场不断推出新的车型，产品的 更新换代加快，这就要求不断要对原有生产线进行技术改造或建立新的生产 线。由于轿车车身生产批量大、质量要求高、工艺复杂、投资大，因此轿车车 身生产反映了汽车车身生产的水平，在冲压生产中，如何提高冲压生产效率、 降低生产成本，正确选取和采用新设备、新材料、新工艺等是冲压技术中的主 要课题。 本论文将虚拟制造技术运用于冲压生产线的设计中，以计算机支持的仿真 技术为前提，对冲压生产线的各元素和生产过程进行统一建模，在虚拟环境中， 实时地、并行地模拟出产品制造全过程，预测产品性能、产品制造成本、产品 的可制造性，从而更经济有效地、灵活地组织制造生产，使生产布局更合理和 有效，使工厂和车间的资源得到合理配置，降低投资的风险性。 2 2 汽车冲压生产线简介 2 2 1 汽车冲压生产线结构布局和特点 汽车冲压生产线是一类串行制造系统，本论文研究的冲压生产线的结构布 局如图2 1 所示。 l o 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 图2 1 冲压生产线结构布局 具有一定规模的轿车覆盖件冲压生产具有以下特点： 1 轿车覆盖件生产一般由3 5 道工序组成，第一道工序一般为拉，采用双 动压力机来完成，后续工序采用单动压力机来完成，工序间用传送带或机械手 来传递工件。单条冲压生产线所进行的生产是流水生产。 2 每条轿车冲压生产线在一个投料周期内以一定的批量生产多种冲压件， 通过更换模具实现轮番生产。全线冲压生产过程是成批生产。 3 在工序数量、设备吨位、工作台等允许的条件下，冲压件可在各条冲压 生产线之间相互转移。 2 2 2 我国汽车冲压生产线现状及与国外的差距 汽车车身冲压成形技术的关键是冲压工艺与模具技术。冲压工艺的合理与 否决定了模具调试的难易程度；模具设计决定了模具制造的难易程度及制造管 理过程，因而直接影响模具制造成本和周期。 国外汽车车身冲压自动线技术已经成熟，应用十分普遍。多工位压力机可 用于大型轿车覆盖件的冲压成形，以保证加工的精度和稳定性。国外汽车车身 冲压工艺c a d ( c a r p ) 和冲压件成形过程的计算机模拟技术应用较早，各种软件 几乎每年，甚至是半年，就要更新一个版本。相比与国外，国内自动冲压生产 线出现较晚，1 9 9 5 年第一条自动冲压生产线才正式投入使用，不过国内汽车车 身冲压工艺c a d ( c a p p ) 和冲压件成形过程的计算机模拟技术目前已经开始普及 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 推广，并已发挥出该技术的重要作用，在缩短生产准备时间，提高冲压件质量 方面发挥了明显的作用。与国际先进水平相比，我国冲压模具技术主要存在如 下几方面差距： ( 1 ) 国外已大量采用的一些模具设计、制造新技术，如成形过程模拟、高 速切削等，而我国还只有少数企业在初步尝试，虽从数学模型和技术能力上已 具备了技术创新和原始创新的能力，但总体上仍表现为跟踪性技术多，原创性 技术少，创新能力不足。 ( 2 ) 软件和技术的产业化、市场化周期长，回报低，难以吸引项尖人才长 期从事技术研发，也难以充分调动研发者的积极性和吸引风险投资。 ( 3 ) 虽然很多大学和研究所开发出许多模具设计和成形过程模拟软件， 其中大多软件通过了各级鉴定，但真正大量销售的却不多。原因是：目前国内的 c a e 软件仍只是一种“被动式”的计算工具，初始成形方案的选定、模拟结果的 评价、成形缺陷的诊断、优化方案的改进均需由设计者自行进行。另外，对c a e 软件的用户要求较高，需要用户了解或掌握较多的相关知识并提供较复杂的参 数。 ( 4 ) 因为需求是新技术产生和发展的根本动力，而我国企业、尤其是国有 企业还没有牢固地树立国际竞争的意识，所以对新技术的需求不旺，这是问题 的核心所在。 2 3 虚拟制造生产线的结构设计 2 3 1 虚拟制造生产线的体系结构 一个完整的虚拟生产线分为仿真管理、设备模型库、工艺布局、任务管理、 分析引擎、虚拟设备管理、报价系统、虚拟现实用户接口等模块【5 6 】，其组成如 图2 2 所示。 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 图2 2 完整虚拟制造生产线体系结构 仿真管理模块用于虚拟环境的管理与维护，接收虚拟现实接口的指令数 据，为功能模块任务的执行提供环境和协调机制，为各个模块之间提供公共通 信接口，处理各模块间的相互作用与交互。 工艺布局模块设计人员根据生产计划、生产能力以及厂房等约束条件， 确定生产线各个设备型号和数量。然后，将相应的几何模型与厂房模型转换到 虚拟环境中并进行布局设计。在虚拟环境中，设计人员可以对模型的光照和纹 理等属性进行设计以增加其真实感。 设备模型库模块是真实设备功能特性及其形状特性的信息体现，包括生 产线主机和三维几何模型两部分。真实设备的功能特征规定了虚拟设备的控制 属性，形状特征规定了其几何属性。几何模型是对真实设备几何特征的描述。 采用虚拟现实技术，生成设备的立体模型及虚拟场景，使用户产生沉浸感。当 主机设备执行一定功能时，虚拟设备位置及姿态发生相应的变化，给用户直观 展现虚拟生产线的工作过程，形成对物理生产线的直观评价。 任务管理模块是根据虚拟生产线的任务调度，处理生产线上对象的服务 与被服务的关系。把设备之间、设备和工件之间的相互作用定义为服务，服务 包括设备对工件的传送、加工、测量等。任务管理模块的输出数据使服务与被 服务虚拟对象按物理对象的方式进行运动和操作。 分析引擎模块用于对设备及工件的工作状态和系统状态进行测定。它有 两个目的- 其一是作为服务行为的触发条件，以某些对象的状态作为其它对象的 动作判别条件，确定该对象是否进行某种运动及操作，如检测工件是否到位以 1 3 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 启动主机对工件的加工；其二是系统故障检测，检测虚拟生产线上各对象的状 态，如果对象或系统行为与指定行为有差异后，通过比较计算控制变量与传感 器数据，确定误差量、故障对象。分析引擎是虚拟生产线运行是否正常的重要 保证。 设备管理模块用于管理虚拟环境中的设备，使设计人员可以清楚的了解 虚拟生产线中主机的性能参数及其运动状态。 报价系统模块当一条生产线在虚拟环境重组好之后，通过它能够迅速的 评估出这条件生产线设计的好坏，并通过相应的计算为设计和销售人员提供此 生产线组合的价格。 虚拟现实接口通过数据手套、空问球等虚拟外设能够提供操作与控制虚 拟对象的手段。通过立体眼镜等虚拟外设可以更直观、更生动、更精确的方式 给出仿真结果。利用虚拟现实技术构建人与虚拟系统的接口是虚拟生产线的重 要特征。 2 3 2 虚拟生产线的设计原则 制造环境由生产过程所必需的基本生产要素( 7 - 作人员、主机、运输小车、 仓库、传送带、缓冲器等) 单元构成，每个基本单元的协调活动完成一定的任务 并对外界具有响应性与自组织能力。虚拟生产线是真实生产线在虚拟环境当中 的映射，两者具有结构类似性和功能等价性1 7 。结构类似性：即虚拟生产线中的 模型与现实中的设备资源相似，能够反映出现实生产线当中各主机的实际工作 情况，使用户能够沉浸到虚拟环境中去。功能等价性：即虚拟生产线要能够真 实反映真实生产线的实际情况，如物流的运动、人员的配置，再现车间现场 要实现功能等价性和结构类似性，必须对生产线设备功能及其形状进行精 确的描述：要建模生产线及其对象的行为，就必须处理生产过程中的许多事件， 因而必然会面临许多复杂的问题和大量的计算。对开发过程中的任务进行模块 化、层次化是较好的选择。通过模块化、层次化可以使分组开发更方便，也可 使执行仿真时的并行处理更方便。 一个理想的虚拟制造系统应当实现如下目标：能够准确完整的反映制造系 统的本质规律，对产品及其制造过程进行仿真；仿真结果以一种直观，贴近真 实世界的方式展现出来，使用户产生沉浸感；提供一种利用现代技术成果解决 1 4 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 制造业所面临的问题( 如：快速重组生产线) 的方法。虚拟制造技术最大的优点在于 利用虚拟现实技术实现了数据的可视化，有助于人对制造规律的准确理解和直 观感受。 2 3 3 虚拟生产线的设计框架 根据目前虚拟制造生产线完整体系结构和虚拟冲压生产线的设计目标，作 者提出了如图2 3 所示的虚拟制造汽车冲压生产线的仿真设计框架。 i 设备模型库h 参数化建模 + 1 工艺装配l c a d 接口审 虚拟制造分析仿真环境 i 工艺检测及分析i 数据转换接口 r 冈。 i：l 7 人机协调三维布局设计m 沉浸式用户管理界面卜_ 1 二i j ! ! i 三二厂 。 倒7i一 圃一砉h 一真他巫寸回 运动模型库 可柳! 化虚拟现实环埯 图2 3 虚拟制造汽车冲压生产线仿真设计框架 通过对生产线的设备建模，工艺装配，运动仿真，建立三维立体生产线的 分析虚拟制造仿真环境( c a t i av 5 中实现) 。在此虚拟仿真环境中，整个冲压 运动仿真过程可以分三个阶段。首先是分析冲压生产线组成和零件的三维建模 1 5 第2 章虚拟汽车冲压生产线设计原则和框架 这个阶段的主要任务是确定冲压生产线零件组成，其次对这些零部件进行三维 建模。建模只需是简化模型即可，因为运动仿真是对整个冲压生产的示意，具 体的零部件细节对仿真没影响，且简化模型可以提高仿真速度。第二个阶段是 对零部件的虚拟装配，根据压机线的结构，利用约束装配机制，对整条线进行 组装。第三阶段是轿车冲压线的运动仿真和优化，利用已装配好的压机线，进 行生产线工艺检测和分析：如检验设备模具的装配关系是否正确、冲压生产过 程的运动设计是否合理、检测生产过程中是否出现的碰撞，生产过程中的各运 动设备的运动距离是否合理 然后通过c a d 接口进行数据转换导入到人机交互得可视化虚拟现实环境 ( e o np r o f e s s i o n 中实现) 中，在可视化虚拟现实环境下进行冲压生产流程的再 现设计，根据分析虚拟制造环境的研究结果实现虚拟冲压生产的全部生产流程， 进行动态仿真，同时记录设备运动轨迹路径存入设备运动模型库，实现方案的 优化设计。并利用立体眼镜和数据手套等虚拟外设来增加用户的临场真实感、 提高人机之间的交互能力。c a d 接口部分模型可以利用现成的商品化软件生成 生产线中的主机模型，如：c a t i a 、a u t o c a d 、p r o e 、3 d m a x ，然后通过数据 转换接口传入到可视化虚拟制造环境当中来。 2 4 本章小结 本章介绍了虚拟制造技术在汽车冲压生产线中的重要意义、论文所研究的 冲压生产线结构布局和特点及我国汽车冲压生产线现状及存在的问题。论述了 虚拟制造生产线的体系结构和设计原则，并据此提出了本论文所研究的冲压生 产线仿真设计框架。整个虚拟冲压生产线仿真系统是由分析虚拟制造仿真环境 和可视化虚拟现实环境两个子系统环境组成。 1 6 第3 章虚拟汽车冲压生产线的建模技术 3 1 引言 第3 章虚拟汽车冲压生产线的建模技术 上章分析了冲压生产线的设计原则和设计框架。本章在研究机械c a d c a m 建模技术的基础上，即三维几何建模技术和特征建模技