虚拟装配技术的研究综述_图文

1、第 21卷第 8期 系统 仿 真 学 报 V ol. 21 No. 82009年 4月 Journal of System Simulation Apr., 2009 2267虚拟装配技术的研究综述夏平均 1,2,陈 朋 2,郎跃东 2,姚英学 2,唐文彦 1(1. 哈尔滨工业大学电气学院,哈尔滨 150001; 2. 哈尔滨工业大学机电学院,哈尔滨 150001摘 要 :虚拟装配是虚拟现实技术在制造业的典型应用。 从虚拟装配环境、虚拟装配关键技术、虚拟装配应用系统三个方面对虚拟装配技术的研究状况进行了分析和综述。探讨了现有虚拟装配 环境系统的不足,研究了两种考虑人体活动的新型虚拟装配环境系统

2、。 总结了虚拟装配各关键技 术的研究和应用概况,重点分析了虚拟环境下的装配建模、约束定位、工艺规划、人机因素等技术 研究状况,指出了目前面临的主要问题。最后介绍了几种最近几年出现的典型虚拟装配应用系统, 并指出了将来的发展方向。关键词 :虚拟装配;虚拟环境;人体活动;综述中图分类号 :TP391 文献标识码 :A 文章编号:1004-731X (2009 08-2267-06Study on Virtual Assembly Technology: a SurveyXIA Ping-jun1,2, CHEN Peng2, LANG Yue-dong2, YAO Ying-xue2, TANG

3、Wen-yan1(1. School of Electrical Engineering and Automation, HIT, Harbin 150001, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, HIT, Harbin 150001, ChinaAbstract: Virtual assembly is the typical application of virtual reality technology in design and manufacturing. Virtual assembly techn

4、ology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems considering human activitie

5、s were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning, assembly process planning and human factors evaluation were studied c

6、omprehensively. At last, the typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced and the research directions in future were pointed out.Key words: virtual assembly; virtual environment; human ergonomics; survey引 言虚拟装配是虚拟现实技术在制造业的典型应用, 它从产 品装配设计的角度出发, 利用虚拟现实技术建立一个具有听

7、觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境,借助于虚拟现实的输入 输出设备, 设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆 卸操作, 检验和评价产品的装配性能, 从而生成经济、 合理、 实用的装配方案。 虚拟装配对优化产品设计、 避免或减少物 理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本,提高装配操作 人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。1 虚拟装配的主要研究方面本文将虚拟装配的研究分为三个方面:虚拟装配环境研 究、 虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统的研究, 如 图 1所示。 虚拟装配环境的研究是基础和前提, 一个良好的 虚拟环境平台能使虚拟操作能符合实际装配过程, 仿真结果 对实际生产更具有指

8、导意义。 虚拟装配关键技术的研究是核 心, 着重解决虚拟装配过程中的各项关键使能技术。 两者相 收稿日期:2007-08-31 修回日期:2008-01-09基金项目:总装 “ 十五 ” 计划预研 “ 数字化预装配技术 ”(41318.1.1.2; “ 十 一五 ” 计划预研 “ 卫星虚拟装配技术及其应用 ”(513200203作者简介:夏平均 (1978-, 男 , 湖北黄冈人 , 博士 , 讲师 , 研究方向为数 字化设计与制造、虚拟现实技术及其应用 ; 陈朋 (1981-, 男 , 黑龙江人 , 博士生 , 研究方向为虚拟装配。结合决定着虚拟装配应用系统是否成功和有实际意义。2 虚拟装配

9、环境的研究虚拟装配离不开虚拟现实环境, 现有的虚拟装配环境可 分为如下几类:桌面式系统、头盔式系统、 CAVE式系统和 大屏幕投影式系统。 桌面式系统采用普通计算机或低端图形 工作站来产生三维虚拟场景, 并把计算机的显示器作为用户 观察虚拟场景的窗口, 参与者通过佩戴立体眼镜可以看到三 维立体图像。这种方式成本低廉、使用简单、操作方便,缺 点是沉浸感比较差。 头盔式系统利用头盔显示器和数据手套 等交互设备把用户的视觉、 听觉和其它感觉封闭起来, 从而 使用户真正成为系统的一个参与者,产生的沉浸感比较强。 但由于现有虚拟现实硬件能力的不足, 导致目前头盔式显示 器存在约束感较强, 分辨率偏低等问

10、题, 长时间易引起疲劳图 1 虚拟装配研究的主要方面2009年 4月 系统 仿 真 学 报 Apr., 2009 2268等。 CAVE 系统的主体是一个房间,房间的每一面墙、天花 板、 地板均由大屏幕组成, 高分辨率的投影仪将图像投影到 这些屏幕上,用户戴上立体眼镜便能看到立体图像。 CAVE 系统实现了大视角、 全景、 立体且支持多人共享的一个虚拟 环境,但其价格昂贵,要求更大的空间和更多的硬件设备, 同时参与者仍被限制在一个有限的狭小空间内, 受现实世界 强的限制, 不能大距离行走。 大屏幕投影系统通常将多台投 影仪拼接起来形成一个逻辑上统一的大屏幕, 从而实现大面 积、高分辨率的显示,

11、可以产生大视角、高亮度和高分辨率 的立体图像, 可提供几十人沉浸其中, 参与人员佩戴立体眼 镜即可感受到周围的虚拟场景, 使参与者仿佛置身于真实的 客观世界中, 因此可以产生很强的沉浸感。 大屏幕式投影系 统目前主要包括平面式系统和柱面式系统, 主要缺点是成本 太高,技术难度大,边缘融合、曲面校正、图像拼接等关键 问题需要解决。以上几种虚拟装配环境存在的共同问题是操作人员或 者被限制在原地不动, 或者只能在有限的空间内行走, 而现 实世界中, 人应该能够在更广阔的空间内活动, 现有虚拟装 配环境与之相比存在较大差距。 特别是在大型复杂产品 (如 飞机、火箭、卫星等的装配规划与训练中,这一问题更

12、加 突出。 在大型产品的装配过程中, 产品的主体框架并不能随 意移动, 而要求工作人员在不同工作位置和设备之间往返或 进入产品内部以完成相应零部件的装配工作。 传统形式的虚 拟装配环境很少考虑参与人员的实际活动范围, 忽略了操作 人员在虚拟环境中的运动感知问题, 操作人员或者只能限制 在固定位置不动, 如头戴立体眼镜坐在显示器前进行虚拟操 作;或者只能在有限范围内活动,如进入 CAVE 环境中, 只能在有限的房间大小范围内活动。为了解决上述问题, 英国 Warwick 大学研制了一种新型 的虚拟装配环境系统 Cybersphere 2。 采用半透明的球体 作为显示装置, 放置在可以自由旋转的支

13、架上, 操作者处于 球体内部,直接与球内表面接触,完成自由行走的功能。计 算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像, 并通过投 影系统显示在球体表面,操作者通过立体眼镜看到立体图 像。这种方式虽然实现了操作者在虚拟环境中的自由行走,图 2 虚拟装配环境 CyberSphere但存在如下缺陷: 由于球体完全封闭,操作者与外界联 系的各种交互设备必须采用无线连接方式,需要单独开发; 操作者要背负如电源之类的设备,增加了负担; 由于 球体要承受人的重量并且在支架上不断旋转,同时还需要 在上面投影,故材料强度和光学性能要求高,制作难度较 大。哈尔滨工业大学也设计了一种可实现操作者自由行走 的新型虚拟

14、装配环境系统 2,如图 3所示,也采用球形幕作 为显示装置, 操作者的自由行走通过专门设计的全方位反行 走机构完成。 操作者头部、 手部与双脚分别装有 3-D 位置跟 踪器反映其位姿变化, 通过佩戴立体眼镜、 数据手套与虚拟 环境交互。操作者在该平台上可以实现直线行走和转向动 作, 计算机系统根据接收到的 3-D 位置跟踪器信号, 控制全 方位反行走机构的运动, 并生成不断变化的三维图像, 通过 投影系统显示到球形幕上,从而生成沉浸感较强的虚拟环 境, 为大型复杂产品的装配设计、 规划和训练提供高逼真度 的仿真平台。1地基; 2墙壁; 3天花板; 4投影仪; 5球形显示屏;6操作者; 7运动感

15、知器; 8运动控制计算机; 9曲面投影校正单元;10图形工作站; 11虚拟场景 图 3 考虑人体活动的新型虚拟装配环境3 虚拟装配关键技术的研究作为新兴的研究领域, 虚拟装配技术的发展与虚拟现实 技术、计算机技术、人工智能技术、工艺设计技术等多学科 紧密相关,涉及的关键技术包括装配建模、约束定位、评价 决策、人机功效等多个方面,如图 4所示,我们将其分为三 类,第一类关键技术主要包括仿真与可视化、装配建模、约 束定位、碰撞检测、路径规划等,这类技术目前基本成熟, 在工业生成中得到广泛应用。 第二类关键技术包括公差质量 分析、工装夹具设计、工艺规划、人机交互等,这类技术目 前只能说初步成熟, 在

16、工业生产中还未获得大量应用。 第三 类技术主要包括过程控制与优化、 产品设计改进、 人机功效 分析、装配知识与智能等方面,这类技术目前还不成熟,在 工业实际中未获得应用。表 1为目前各关键技术研究概况。根据对虚拟装配的影响程度, 下面对几个重要的关键技 术分别来进行论述。32145678911102009年 4月 夏平均, 等:虚拟装配技术的研究综述 Apr., 2009 2269图 4 虚拟装配涉及的关键技术 表 1 虚拟装配关键技术的研究概况关键技术重要程度研究数量 技术成熟度 应用情况 仿真可视化 + +装配建模+ + +约束定位 + + + + 碰撞检测 + + + + 路径规划 +

17、+ + +评价决策 + + + + 公差质量 + + + + 工装夹具 + + 工艺规划 + + + + 人机交互 + + + + 过程优化 + + + 设计改进 + + + 人机功效 + + + 知识智能 +(1 虚拟环境下的装配建模技术 装配建模是虚拟装配 的基础和信息来源,虚拟环境下的产品装配建模和 CAD 系 统存在很大不同, 国内外很多学者进行了研究。 美国芝加哥 Illinois 大学 Banejnee 等 3最早提出面向虚拟装配的基于场 景图的装配信息模型, 将零件的优先约束关系、 事件控制等 约束信息封装在场景图的零件节点中, 在进行交互式装配序 列规划时, 通过检查零件节点的

18、约束状态来避免不可行的装 配操作。 该方法实现起来便于与虚拟环境软件集成, 但用户 需要预先定义大量装配优先关系, 前期工作量十分繁琐。 浙 江大学刘振宇等 4提出了面向虚拟装配的层次信息模型,将 CAD 系统的零件设计信息以中性文件的形式进行存储,在 虚拟环境中通过读取中性文件获取零件设计信息, 并将零件 信息分为零件层、特征层、几何层与显示层,通过数据映射 和约束映射, 实现零件信息的层次间关联。 南洋理工大学的 Wang Q. H.等 5在其开发的工业应用虚拟培训系统中开用 BSP-Tree 组织虚拟环境中的几何对象模型,并用 vml 文件 进行存储和表达, 对虚拟环境中成千上万的三角面

19、片进行有 效分割和组织,这种方法主要侧重表达零件的几何外观信 息, 没有考虑零部件之间的装配约束关系。 为了在虚拟环境 下更全面表达产品装配相关的信息,一些学者采用与 CAD 系统类似的 Brep 或 CSG 方法。香港城市大学 Ma 等 6采用Brep 和 CSG 相结合方法来描述相关几何信息和拓扑信息, 支持精确的模型表达和几何层次抽象,从而支持直接的 3D 操作和虚拟装配。目前虚拟装配建模方面存在的主要问题是: 尽管许多 研究者针对不同的虚拟装配应用提出了许多类型的装配模 型, 但大多以几何信息为中心, 缺乏工程设计信息和装配约 束信息; 一些装配模型采用类似 CSG 或 Brep 的精

20、确表达 方法,虽然满足了信息完备性的需求,但模型表达复杂,很 难满足虚拟现实的实时性要求; 虚拟装配模型应方便与 CAD 系统和虚拟环境系统集成,目前的研究者对这方面考虑较少。(2 基于几何约束的操作定位技术 虚拟装配过程中零 件之间依靠几何约束进行精确定位, 由于虚拟环境缺乏像现 实环境中那样存在的各种物理约束和感知能力, 几何约束定 位仍是主要的实现手段。华盛顿州立大学的 S.Jayaram 等 7首先提出利用约束定位的思想, 通过零部件受约束运动以及 约束求解,来达到虚拟装配过程中待装配零件的精确定位, 并在开发的 VADE 系统中研究了几何约束识别、确认和解 除等问题。英国 Herio

21、t-Watt 大学 Richard 等 8提出近似捕捉 (proximity snapping和碰撞捕捉 (collision snapping的方法来 解决虚拟环境中零部件的精确定位。 这两种方法都是一次性 地自动将零部件放置到目标装配位置, 从而忽略了约束施加 的中间过程。英国 Salford 大学虚拟环境中心的 Fernando 等9研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作,探讨了“ 可行运动 (allowable motion” 和 “ 自动约束识别 (automatic constraints recognition” 等关键技术,开发了几何约束管理 器, 用来支持虚拟环境下装配和

22、维修任务。 浙江大学刘振宇、 谭建荣等 10在语义识别的基础上,提出了基于语义引导的几 何约束识别方法, 通过语义和约束识别来捕捉虚拟装配过程 中用户的操作意图,从而提高了约束识别速度和准确性。约束定位方面目前面临的主要困难是自动约束识别的 效率和准确性问题, 虚拟装配过程中根据几何信息系统会识 别到大量的无效约束或冗余约束, 如何对它们进行过滤和筛 选是必须解决的问题。(3 基于虚拟现实的交互式装配工艺规划与评价技术 设计人员在虚拟环境中根据经验知识人机交互式对产品的 三维模型进行试装, 规划零部件装配顺序, 记录并分析装配 路径,选择工装夹具并确定装配操作方法,最终得到经济、 合理、实用的

23、装配方案。加拿大 Yuan 等 11提出了一个虚拟 环境中交互式装配序列规划的方法。 首先, 设计者在虚拟环 境中交互定义初始装配序列。 然后, 根据初始装配序列与零 件间的约束关系, 利用遗传算法推导产生所有可行的装配序 列。最后,设计者交互地进行装配序列评估。该方法有效地 利用了初始装配序列蕴含的设计者的知识与经验, 但对零件 间的装配顺序约束以及用户意图调整等因素考虑不足, 通过2009年 4月 系统 仿 真 学 报 Apr., 2009 2270初始装配序列自动推导出所有可行的装配序列存在求解空 间太大的问题。浙江大学 CAD/CG国家重点实验室的万华 根、 高曙明、 彭群生等人12在

24、基于虚拟现实的 CAD 系统中,提出用户引导的拆卸的方法,基于 “ 可拆即可装 ” 的原理,将 拆卸顺序和拆卸路径进行反演, 即可得到产品的装配顺序和 装配路径。上海交大的 Z. P. Yin等 13开发了基于虚拟原型 的装配序列规划及评价系统 VPASPE(VP-based assembly sequence planning environment,在所建立的虚拟装配环境 中, 借助于虚拟拆卸产生优先约束和初始装配序列, 应用几 何推理的方法生成所有可行的装配序列, 再根据虚拟环境下 人机交互式仿真得到优化的装配序列。 该方法存在类似的可 行装配序列选择空间过大的问题, 而且没有考虑装配过

25、程中 工装工具的影响。虚拟装配工艺规划方面目前面临的主要问题是缺乏装 配过程的智能引导和优化。 产品装配过程是一个经验性很强 的活动, 需要大量的经验和知识。 虚拟现实技术虽然为充分 发挥人的经验知识提供了一种新途径, 但是完全依靠经验进 行搭积木式组装具有盲目性和不确定性, 缺乏必要的智能引 导, 生成的装配规划结果受多种人为因素的影响, 具有不稳 定性, 主要表现在: 大多数研究者采用虚拟环境下用户引 导的拆卸的方法, 通过拆卸序列的反演来得到可行的装配顺 序, 但产品的拆卸和装配可能不完全互逆; 一些研究者采 用搭积木组装的方法来建立产品的装配顺序, 但对大型复杂 产品而言, 由于装配工

26、艺本身的复杂性, 这种方法获得的只 能是可行的装配顺序, 而不一定是最优的装配顺序; 工装 工具是装配规划中的重要内容, 目前的研究者很少考虑工具 操作对装配顺序的影响。(4 装配过程中人机因素分析技术 通过虚拟现实技术, 开发人员可以在产品开发阶段就对装配过程中涉及的人机 因素(如装配所需时间、装配操作的舒适程度、安全性进 行分析。 Allen 等 14也采用虚拟现实技术定量评估人工装配 中操作者的装配力与装配姿态, 并分析装配所需的最大装配 力以及每个装配循环过程中的平均装配力, 以避免装配工人 肌体的重复性劳损。 George Chryssolouris等 15在所创建的虚 拟环境中,

27、利用人机工程学模型 NOISH 和 GARG 分析了装 配工位空间布局对人操作强度的影响,以获得最优装配工 位。华盛顿州立大学 Jayaram 等 16采用虚拟现实和 Jack 软 件相结合的方法来定量分析和评价人机功效问题。美国 Wichita 州立大学的 Rajan 等 17开发了基于虚拟现实的产品 装配与夹具设计分析系统 JIGPRO ,将 CAD 系统中的产品 装配模型、装配顺序约束、夹具模型、手模型导入到虚拟环 境中,进行装配过程的仿真,检查零件与夹具之间的干涉, 并进行人机工程分析, 以确保产品装配工夹具设计具有良好 的装配性能与人机性能。虚拟装配中的人机功效问题目前国外研究的比较

28、多, 国 内研究的比较少,离实用还有一定距离。 4 虚拟装配应用系统的研究虚拟装配技术自从出现以来, 开发了多种典型的应用系 统。早期的虚拟装配应用系统主要包括:1995年美国华盛 顿州立大学与美国国家标准技术研究所合作开发的虚拟装 配设计环境 VADE 18, 这是世界上第一个具有代表性的虚拟 装配系统; 1996年德国 Fraunhofer 工业工程研究所开发出 了一个虚拟装配规划原型系统 19, 并获得了该年度慕尼黑计 算机展览会的最佳系统奖,该系统可通过虚拟人体模型 VirtualANTHROPOS 在虚拟环境中执行装配和拆卸操作; 1997年德国 Bielefeld 大学将虚拟现实技

29、术和人工智能技术 相结 合 ,基 于 结 构 工 具 箱的 概念 建 立了 虚 拟 装 配 系 统 CODY 20, 它是一个基于知识的、 三维交互式虚拟装配系统, 允许设计者在虚拟环境中通过直接三维操作或简单的自然 语言命令与系统交互; 2000年希腊 Patras 大学开发了虚拟 装配工作单元 (Virtual Assembly Work Cell 15,并以快艇的 螺旋桨装配为例, 对影响装配时间的因素 (如装配者的力量、 工作单元布局等 进行了分析和评价。近年来, 随着虚拟装配技术的发展, 又出现了多种典型 的虚拟装配应用系统,下面分别进行介绍。(1 2002年, 英国 Heriot-

30、Watt 大学机械与化学工程系在 早 期 开 发 的 虚 拟 装 配 规 划 系 统 UVAVU (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units21的基础上,针对现代产 品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题, 开发了基于虚 拟现实的管线设计与规划系统 CHDP(Cable Harness Design and Planning。 该系统充分利用了虚拟现实人机交互的特点, 设计者在虚拟环境中可以充分发挥已有的装配经验和知识, 根据周围环境进行快速、直观地布线。他们指出,虚拟现实 技术为解决管线装配问题提供了一种新的行之有效的方法, 图 5为虚拟

31、环境下管线布置的场景图 22。图 5 CHDP系统中管道和线缆布置的场景(2 2003年,新加坡南洋理工大学机械与产品工程系开 发了基于 CAD 的桌面式虚拟环境系统 V-REALISM 23,可 用于虚拟装配、 拆卸与维修。 该系统具有三大特色:可视化、 交互性和自由导航; 系统能实现三个基本功能: 提供产品 工程师近似优化的装配 /拆卸序列; 提供产品工程师三维 虚拟环境进行操作和导航; 将智能装配 /拆卸序列规划算 法和虚拟现实技术集成到一起。 图 6为应用该系统进行虚拟2009年 4月 夏平均, 等:虚拟装配技术的研究综述 Apr., 2009 2271装配与拆卸的场景图。 操作者交互

32、输入需要维修的零件, 拆 卸序列规划模块基于用户输入信息和拆卸约束图信息生成 近似优化的拆卸序列,该序列输入虚拟环境中,在 STL 几 何模型的支持下进行交互式仿真。图 6 V-REALISM进行虚拟装配与维修的场景图(3 2003年,美国纽约州立大学机械与航空工程系虚拟 现 实 技术 实 验 室 开 发 了 基 于 虚 拟 原 型 的 装 配 验 证环境 VPAVE(Virtual Prototype Assembly Validation Environment24。 传统的面向装配设计系统中, 由于对实际制造过程因素考虑的不足, 导致最后加工出来的零件装配不上或装配性能 不能满足要求。

33、这是因为实际生产过程中, 加工过程的变形、 机床刀具与夹具的磨损、以及其他技术与成本因素的限制, 对零件最后的尺寸和形状误差有很大影响。 他们提出, 解决 上述问题的有效途径是采用虚拟原型, 通过提取实际加工过 程影响参数, 建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模 型, 利用有限元软件分析零件的受力、 变形及残余应力情况, 在虚拟环境下进行可装配性分析和评价。 VPAVE 在 SGI 图 形工作站上采用 WorldToolKit(WTK软件包编程实现, 目前 处于初级开发阶段, 在有限元模型和虚拟环境的集成, 零件 受力与几何变形模型等方面还有待进一步完善。(4 2004年,美国爱荷华州立大

34、学虚拟现实技术应用中 心将触觉反馈装置 PHANToM 应用于虚拟环境中,并以安 装方向舵踏板制动器(图 7到飞行器前端的装配过程作为 应用实例进行了研究。 PHANToM 的触觉反馈为设计者判断 装配任务是否能够完成提供了快速直观的方法, 他们在此基 础上开发出了面向通用装配仿真的虚拟环境 VEGAS(a virtual environment for general assembly25。VEGAS 使用VR图 7 VEGAS系统安装制动器的场景图Juggler(一个虚拟现实应用开发框架 进行虚拟环境管理,使 用 Boeing 公司的 Voxmap PointShell(VPS软件进行碰撞

35、检 测。 VEGAS 中的模型数据通过嵌入式程序从通用 CAD 软 件中导入并转化成面片,通过 “ 环境 零件组 零件 面片 顶点 ” 的层次结构处理数字化模型。目前他们正在开发网 络化触觉环境 (networked haptic environment, NHE,其目标 是研究网络化虚拟环境下使用力反馈和触觉设备的方法, 从 而促进协同设计的发展。(5 2005年,意大利 Bologna 大学利用增强现实技术开 发了基于 CAD 的装配规划与验证系统 PAA(Personal Active Assistant 26。增强现实是指用户在观察现实世界的同时, 将 虚拟图像叠加现实世界之上, 从而

36、实现虚拟模型和真实模型之间的合成。 PAA 系统的主要组成部分包括计算单元、微 型相机、无线连接卡和便携式显示设备(图 8。 PAA 实现 了 CAD 装配系统和增强现实系统之间集成,从而提高工程 设计模型和真实物理模型之间的集成。 PAA 系统利用 CAD 工具来有效提高对象识别能力, 生成优化装配序列和产生装 配操作指令; 另一方面, 基于增强现实的装配评价工具允许 装配设计人员和装配操作人员之间的直接交互, 装配设计人 员的意图和信息通过看穿式头盔直接显示到真实场景中, 指 导操作人员的装配。 PAA 可用来对复杂的装配过程进行指 导,或者对混合样机(部分为已经实现的物理部件,部分是 尚

37、未实现的虚拟部件的样机 的装配可行性、 成本和装配规 划等进行评估。处理单元微计算 头盔看穿式视频相机图 8 PAA系统的组成5 结论与展望虚拟装配作为虚拟现实技术在设计与制造领域的重要 应用, 具有重要的理论意义和实用价值。 近年来国内外许多 学者进行了研究,并取得了很大进展 , 某些虚拟装配系统已 经开始初步应用。 但总的说来, 虚拟装配技术目前并不十分 成熟, 在工业界的实用化程度不高, 一些关键技术还需要亟 待解决。因此,离在工业界的推广应用还有很长的距离,将 来重点的发展方向主要体现在如下几方面。1 CAD接口标准化。 虚拟装配系统应能接受 CAD 系统 的模型信息,实现与主流 CA

38、D 系统的无缝集成。目前各单第 21 卷第 8 期 2009 年 4 月 Vol. 21 No. 8 系 统 仿 真 学 报 Apr., 2009 位开发的虚拟装配系统，都是根据自己的情况来定制 CAD 接口，实现信息转换，在数据的提取和表达、信息的存储和 管理等方面没有统一的标准和规范。 2 虚拟装配/拆卸过程中人的合理性参与。人是产品装 配/拆卸过程中的重要因素，充分发挥人的主观能动性、积 极性和创造性，真正体现以人为中心的设计，是提高产品装 配质量和效率的关键。 人机工效等技术和虚拟装配技术的结 合是现阶段研究的热点， 可以解决自动化装配中不能解决的 技术难题。 3 管路、 线缆的布置与

39、装配。 在工业级复杂产品中 （如 飞机、船舶、火箭发动机等），由于空间狭小、结构紧凑， 各种刚性管路和柔性电缆、线缆等交错缠杂在一起，给装配操 作带来很大难度，成为影响产品装配质量的关键。现有虚拟装 配系统缺乏这方面的有效工具，限制了在工业生产中的应用。 4 考虑加工和使用环境的装配过程建模。目前的虚拟 装配系统都以理想的零件模型为基础， 没有考虑具体的加工 和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响， 导致实际生 产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。例如，实际 加工中由于机床、刀具和残余应力等因素的影响，零件的形 状精度和设计尺寸并不完全一致，装配过程中由于环境温 度、装配受力等因素，零

40、件也会发生弹性变形，这些因素都 会对产品装配精度和装配性能产生影响。 11 X B Yuan, S X Yang. Virtual Assembly with Biologically Inspired Intelligence J. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybermetics Part C: Applications and Reviews (S1094-6977, 2003, 33(2: 159-167. 12 万华根. 基于虚拟现实的 CAD 技术研究D. 浙江大学博士学位 论文, 1999. 13 Z P Yin, H Ding

41、, Y L Xiong. A Virtual Prototyping Approach to Generation and Evaluation of Mechanical Assembly Sequences J. Proc Instn Mech Engrs Part B (S0954-4054, 2004, 218(4: 87-102. 14 C Allen, K Z Karam, C P Le, et al. Application of Virtual Reality Devices to the Quantatitive Assessment of Manual Assembly F

42、orces in A Factory Environment C/ Proceedings of the 1995 IEEE 21st International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation (IECON. London, UK: John 1048-1053. 15 George Chryssolouris, Dimitris Mavrikios. A Virtual Reality-based Experimentation Environment for the Verificatio

43、n of Human-related Factors in Assembly Processes J. Robotics and Computer Integrated Manufacturing (S0736-5845, 2000, 16(3: 267-276. 16 Uma Jayaram, Sankar Jayaram, Imtiyaz Shaikh, Young Jun Kim, Craig Palmer. Introducing Quantitative Analysis Methods into Virtual Environments for Real-time and Cont

44、inuous Ergonomic Evaluations J. Computers in Industry (S0166-3615, 2006, 57(9: 283-296. 17 Venkat N Rajan, Kadiresan Sivasubramanian, Jeffrey E Fernandez. Accessibility and Ergonomic Analysis of Assembly Product and Jig Designs J. International Journal of Industrial Ergonomics (S0169-8141, 1999, 23(

45、5: 473-487. 18 Sankar Jayaram, Uma Jayaram, Yong Wang, Tirumali H., Lyons K., Hart P. VADE: A Virtual Assembly Design Environment J. IEEE Computer Graphics and Applications (S0272-1716, 1999, 19(6: 44-50. 19 H J Bullinger, M Richter, K A Seidel. Virtual Assembly Planning J. Human Factors and Ergonom

46、ics In Manufacturing (John Wiley & Sons Inc, (S1090-8471, 2000, 18(3: 331-341. 20 B Jung, M Hoffhenke, I Wachsmuth. Virtual Assembly with Construction Kits C/ Proceedings of 1997 ASME Design Engineering Technical Conference. Sacramento, USA: John Wiley & Sons Inc, 1997: 14-17. 21 Ritchie J M, Dewar

47、R G, Simmons J E L. The generation and practical use of plans for manual assembly using immersive virtual reality J. Proc Inst Mech Engrs Part B (S0954-4054, 1999, 23(6: 461-474. 22 Holt P O B, Ritchie J M, Day P N, Simmons J E L, et al. Immersive Virtual Reality in Cable and Pipe Routing: Design Me

48、taphors and Cognitive Ergonomics J. Journal of Computing and Information Science in Engineering (S1530-9827, 2004, 4(9: 161-170. 23 Li J R, Khoo L P, Tor S B. Desktop virtual reality for maintenance training: an object oriented prototype system (V-REALISM J. Computers in Industry (S0166-3615, 2003,

49、52(9: 109-125. 24 Deviprasad T, Kesavadas T. Virtual Prototyping of Assembly Components Using Process Modeling J. Journal of Manufacturing Systems (S0278-6125, 2003, 22(1: 16-27. 25 VRAC. VEGAS: a Virtual Environment for General Assembly Simulation 2004-10-25. 26 Liverani A, Amati G, Caligiana G. A CAD-augmented Reality Integrated Environment for Assembly Sequence Check and Interactive Validation J. Concurrent Engineering: Research and A