基于虚拟技术的装配工艺设计系统研究

1、第22卷第3期2006年6月机械设计与研究Machine Design and Research Vol .22No .3Jun .,2006收稿日期:2005-09-05文章编号:100622343(200603270205基于虚拟技术的装配工艺设计系统研究侯文君1,严耀琪1,姚福生2(1.北京邮电大学自动化学院,北京100876,E 2mail:W enjunh2113;2.北京航天航空大学机械工程及自动化学院,北京100083摘要:介绍了基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统,提出了3D -VAPP 系统的体系结构;并对C AD 模型的数据转换、可视化装配顺序和装配路径规划、装配过

2、程动态模拟验证、装配工艺知识维护、装配工艺文件管理等一系列关键技术及解决方案进行了论述;尤其提出了一种基于多层次面片机械模型的精确碰撞检测算法及装配过程多角度观察镜头自动切换算法流程。最后,给出了系统进一步研究的趋势。关键词:虚拟装配;CAPP;碰撞检测;工艺规划中图分类号:TP391文献标识码: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计算机辅助工艺设计(C APP 是企业信息化中的重要一环,它所产生的工艺数据是企业生产活动的重要依据。虚拟装配是虚拟现实技术应用研究的热点,它直接操作虚拟场景中的零件模型进行产品装配过程的动态模拟,对零件可装配性和装配路径有效性进行检查,有益于设计验证、产品装配顺序的求解,并为面向复杂产品的装配设计提供更好地支撑。随着三维CAD 技术在企业中的广泛应用以及虚拟装配技术的优越性,将虚拟技术应用于机械工艺设计,提出并设计基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统,具有重要的现实意义。目前,国内外学者从不同角度和应用领域对虚拟装配(V

7、 irtual A ssembly,VA 技术进行了研究,也取得了一定的进展1,2,但总的来说,将虚拟现实技术应用于产品装配规划的时间还不长,各种理论和方法还不成熟,不能实现与前端CAD 数据的资源共享,尤其大多虚拟装配都采用完全沉浸式的,其所需的输入输出设备(数据手套的精度和费用有限制,同时完全沉浸的虚拟环境中无法解决CAPP 的很多工艺文字信息(或数据需要输入和显示,所以导致虚拟装配的工程实际应用程度高,将虚拟技术与三维C AD 的装配工艺设计相结合,真正解决工艺规划成为企业需求的热点。1系统结构与功能设计111系统主要功能本文开发的3D -VAPP 系统具有如下功能:通过与CAD 系统的

8、数据接口,获取和建立VA 的装配模型;在可视化的虚拟场景中,交互式建立装配顺序与路径、动态分析装配干涉情况,得出最优路径和次序;装配过程中零部件位姿和视点变化矩阵的记录以及装配过程的反演,生成装配动画指导生产;在工艺知识库的支持下,结合装配顺序交互式定义、编辑与完善装配工艺卡片;通过Access 数据库对系统生成的工艺文件进行有效管理,对工艺知识库进行积累。112系统主界面及结构设计本软件系统采用OPE N I N VE NT OR +VC6.0并辅助Ac 2cess 数据库自行开发完成。系统主界面如图1所示。整个系统划分为装配工艺设计、虚拟装配和工艺管理三个部分,其详细功能模块划分如图2所示

9、。本系统各个模块的结构关系如图3所示,包括数据库、数据库管理、装配工艺设计、虚拟装配和外部装配体文件等。 图1 基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统图2 系统详细功能模块划分图3系统各个模块的结构关系图2系统关键技术和解决方案211机械模型信息提取在VR 系统中,由于碰撞检测及实时交互的需要,机械零部件模型一般为离散的多边形面片,其中仅包含顶点、颜色或纹理等图形信息,并用场景树对其进行管理;而C AD 系统则采用精确的几何描述模型,零件包含精确的拓扑与几何信息,装配体通常都由装配约束组织起来,由C AD 系统的内部数据库进行管理;由于C AD 系统和VR 系统的上述差异,在本系统17第

10、3期侯文君等:基于虚拟技术的装配工艺设计系统研究中要调用C AD 系统所建模型, 就要从中分别提取零件的图形信息和零件的参数与位置信息。并在VAPP 系统中进行重构,实现外部C AD 系统数据向VAPP 系统数据的转换。在本系统中,我们针对Solid Works 进行二次开发建立接口程序,将CAD 模型的图形信息经过转换写成VR ML 格式3。并将零部件的拓扑信息、零件的形状参数、零部件在装配体中的定位参数等信息写入数据库中。本系统与Solid 2Works 的模型数据接口关系如图4所示 。图4模型数据接口212可视化交互式装配工艺设计可视化交互式装配工艺设计模块给工艺设计人员提供一个虚拟的拆

11、卸/装配操作环境,在该环境中能够依照零部件三维装配视图,借助工艺人员的经验,同时结合产品零部件信息(包括部件三维装配视图和零件三维模型视图,对零部件装配模型进行精确的拆卸操作及路径规划,并以逆序输出,得到装配模型的装配序列和装配路径 。图5可视化交互式装配工艺设计的算法流程综合考虑各种装配顺序求解方法,并结合系统实施企业特点,本文采用分层次装配与拆卸法求解相结合的办法来规划装配顺序。其算法流程图如图5所示,包括如下步骤:针对具体的零部件模型,通过点选、平移、旋转、剖视、局部放大等操作,了解零部件的详细结构。在了解原始零部件装配关系的基础上,对子装配体的内容进行局部整合,形成符合装配需求的子装配

12、体,保存到数据库。对整合后的装配体进行拆卸。零部件模型拆卸后,得到初始装配顺序的逆序,并记录初始装配路径等信息,保存到数据库。拆卸过程中采用人机交互的方式,分为自由拆卸和精确拆卸两种形式。对装配顺序进行调整,调整后的装配顺序存入数据库。对装配路径进行调整,调整后的装配路径存入数据库。在后续的虚拟装配中,对装配顺序和装配路径进行可视化的验证,如果验证结果有问题,重新对装配顺序和装配路径进行调整,如果验证结果没有问题,得到装配顺序结果。进行静、动态干涉分析,可以计算零件间的距离并可以专门研究路径上有问题的区域。在整个过程中,系统可以用红色加亮干涉区、空间失调和近距离靠近,“遇到干涉则停止”拆卸。2

13、13虚拟装配过程的记录、编辑与反演虚拟装配过程的记录、编辑与反演是优化装配序列和装配路径、提高装配速度、验证装配工艺的正确性与可行性的重要方法。用户在虚拟环境中进行装配操作的同时,系统将自动记录整个装配过程,包括零件的移动过程、视点的变换过程和每个零件的装配路径。其中要验证装配顺序和路径的可行性,基于虚拟零部件的精确碰撞检测是必需的,同时,由于零件之间的遮挡关系,要动态观察不同方位的零部件装配细节,就必须考虑虚拟装配过程中的多镜头多角度自动切换。本文在这一方面做了大量的研究工作,提出了基于多层次面片机械模型的精确碰撞检测算法。在虚拟装配反演过程中,由于路径规划的失误,经常会发生当前移动的物体(

14、包括零部件、工具、夹具与静止物体(虚拟装配场景、已装配的零部件、工具、夹具发生动态干涉的情况,因此只有在零件装配过程中动态检测零件沿规划轨27机械设计与研究第22卷迹运行过程中的干涉情况,才能使装配顺序和路径的正确性 得到保证。同时,由于装配实时性的要求,在本系统中,碰撞检测算法既要能大大提高碰撞检测的效率,又要提高碰撞检测的精度4。基于上述原因,下面提出一种面向机械虚拟装配的分层精确碰撞检测算法,该算法分为四个层次:零件包围盒层、面片包围盒层,三角面片层5、特征剔除层,算法流程如图6 所示。图6分层精确碰撞检测算法装配过程多角度观察镜头自动切换算法在机械零件模拟装配过程中,由于零件之间可能存

15、在遮挡关系,必须考虑多个观察镜头的自动切换以避免某些装配细节被场景中的其他静态实体遮住。为此,一种动态装配过程多角度观察镜头自动切换算法是必要的,算法流程如图7所示 。图7装配过程多角度观察镜头处自动切换算法214装配工艺设计知识库的建立与工艺文件管理工艺知识库的好坏,直接影响着整个系统输出工艺文件的质量。在本软件系统中,曾针对上海路桥的产品特征,建立了装配工艺设计知识库,作为用户进行装配工艺设计的辅助支持。在装配工艺知识库中,总结了装配体装配工艺一般应该满足的通用化规则及典型工艺知识、包含了在长期的装配实践中形成的有关装配顺序、方式、装夹手段等经验。用户在进行装配工艺设计的时候,根据当前机械

16、零件的种类和装配体的种类,从装配工艺设计知识库中选择相应的条款,加入当前装配工序图中,如图8所示。工艺工序图中的内容会自动存储到工艺文件数据库中,用户可以通过提交报表的形式产生装配工艺卡片。如果工艺知识库中缺少某种工艺内容,用户可以在当前的工序图中加入该内容,同时该工艺也将自动扩充到工艺知识库中。对于CAPP 系统,工艺文件的管理是必需的,本系统的工艺管理模块使用户在装配过程中实时、方便地浏览和编辑零、部件的属性信息和装配工艺信息(包括装配工、夹具的选择,填写装配操作流程说明等。同时通过装配工艺后处理模块,生成装配工艺卡、工装清单和配套清单等符合工程实际要求的装配工艺文档以及装配动画与三维爆炸

17、图 。图8装配工序图37第3期侯文君等:基于虚拟技术的装配工艺设计系统研究3结论本系统实现了从模型输入、可装配性分析、装配顺序和装配路径规划、装配过程动态模拟验证、装配工艺知识维护、装配工艺文件管理等一系列功能。将计算机辅助工艺设计和虚拟技术有机结合起来,同时实现了CAPP与C AD的无缝衔接,对于企业提高工艺设计水平,实现企业信息化具有很好的辅助作用。但从广义上讲,装配工艺规划不仅包括产品零件装配顺序的选择,还必须综合考虑工作场地、工具和工人等物理因素。对此可以充分利用虚拟装配系统所能够提供的交互式可视化工具,对零部件之间的配合约束和运动路径关键点处的干涉进行检查,求解优化的零部件装配顺序和

18、可行的装配路径,并且对所求得的规划进行验证和调整,从而制订出一份完整的工艺规程。参考文献: 1刘阳,李艺,孙冲,崔展鹏.基于装配工艺规程的产品虚拟装配技术J.机械设计与制造,2005,3:9092.2杨润党,武殿梁,邓华林,范秀敏,严隽琪.虚拟环境下产品装配技术的研究与实现J.计算机集成制造系统,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吕秋灵,张珏.基于矢量的三角网面体碰撞检测方法J.计算机辅助工程,2002,4:6972.作者简介:侯文君(1964,女,北京邮电大学自动化学院副教授,博士研究生,主要研究方向:CAD/CAE、虚拟现实技术与人机交互研究。(上接第69页增加螺栓高度,同时注意结构变化处倒角。另外,在钻架的腹板末端与方钢接触部分有应力集中现象。对钻架结构进行改进,将腹板延伸到方钢管末端,以解决这一问题。图8钻架的应力和变形3结论针对某型号水平定向钻建立的机械、液压、强度和控制等各子系统模型,通过参数关联将这些模型集成为一体化的整机模型,并进行了耦合仿真,得到了水平定向钻的动

20、力学性能、液压系统性能、运动副的受载情况以及关键部件的应力应变。结果表明水平定向钻的强度能够满足要求,但部分结构需要修改优化。水平定向钻虚拟样机的仿真分析,为产品研发与优化提供了理论依据,有利于提高产品质量,降低设计成本,缩短开发周期。以上对虚拟样机控制系统的仿真还不够完善,有待于改进,以提高模型的准确度。参考文献:1熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术J.系统仿真学报,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刘静,潘双夏,冯培恩.挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真技术研究J.浙江大学学报,2004,38(11:3040.4Quang Ha,M