基于虚拟现实的装配工艺规划系统

作者：北京理工大学机械与车辆工程学院 刘检华

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 一、引 言 九十年代中期，“虚拟产品开发（Virtual Product Development, VPD）”技术的出现，引起了人们的广泛关注。VPD的基本思想就是通过计算机虚拟模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等，在产品的开发过程中，人们可以在计算机的“虚拟”环境中构思、设计、制造、测试和分析产品，以解决产品在TQCSE方面存在的重大问题。 虚拟装配规划技术是VPD的核心关键技术之一。与传统的装配规划相比，虚拟装配工艺规划具有以下两个明显的特点：其一，设计者可通过三维输入设备，直接对零部件进行三维装配操作，因此非常直观，且具有较高的交互性，能最大限度地发挥人的创造力；其二，三维立体显示能让设计者像在真实世界中一样观察物体，因此能及时准确地发现装配工艺设计中存在的问题，从而提高产品装配工艺设计效率和质量。 二、系统研究背景分析 目前，虚拟装配规划技术的研究已经取得了一些进展[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，导致虚拟装配规划系统的工程实际应用程度不高，其原因主要集中在以下几个方面： （一）目前对虚拟装配规划的研究还局限于虚拟装配规划本身，如虚拟装配建模、装配顺序规划、装配路径规划等，没有考虑虚拟装配规划系统与其它系统的集成，而虚拟装配规划系统作为“VPD”的一部分，应该考虑与虚拟产品开发的其它部分的集成。 （二）目前的虚拟装配规划系统中，大多采用完全沉浸式的虚拟环境。在虚拟装配规划系统中，完全沉浸式的虚拟装配规划系统不一定很理想。因为在虚拟装配规划的过程中有很多文字信息（或数据）需要输入和显示。在完全沉浸式的虚拟环境中，处理大量的ASCII码信息比较困难。但另一方面，沉浸式虚拟环境在观察、体验、分析和评价装配工艺设计方面还是具有明显的优势。因此，如何将沉浸式和非沉浸式的装配环境相结合，在目前的技术条件下对提高虚拟装配规划系统的实用性显得非常重要。 （三）现行的虚拟装配规划系统大都采用多边形面片模型进行产品的信息表达，而采用多边形面片模型丢失了CAD模型中大量的工程语义信息，使得虚拟装配系统难以捕捉和维护产品的设计意图与产品设计约束等工程信息，同时也为表达和确定零件间的装配关系带来了困难。 （四）虚拟装配规划系统中的碰撞检测算法除了要具有实时性以外，还需考虑多边形模型表达对碰撞检测的影响。例如，圆柱孔中插入等半径的圆柱轴时，会检测到轴孔之间发生碰撞干涉（由于多边形表达中圆柱面已近似地表达为棱柱面），这就导致等半径的轴孔在虚拟装配环境中无法进行装配。因此，基于虚拟装配的实时碰撞检测给虚拟环境下的碰撞干涉检测算法带来了新的问题。 （五）目前虚拟装配系统普遍缺乏对装配公差进行分析与综合的手段，对于某些关键配合环节（如孔轴过盈配合），没有优化配合的手段，导致实际产品的装配精度不高。 （六）现有的虚拟装配规划系统大多只考虑刚体零部件装配工艺规划，很少考虑线缆等柔性体的装配工艺规划。而线缆类零件的装配在航空、航天、汽车、计算机、家用电器等产品中占有很大的比重。实际上，线缆装配过程的不规范及可靠性问题是影响机电产品装配质量的一个重要原因，甚至成为影响工程系统成败的关键。 笔者针对以上造成虚拟装配规划系统实用性不高的因素，并结合“十五”总装预先研究资助项目“数字化预装配技术”，以及国防某企业的合作项目“虚拟装配工艺与工装设计及其信息管理系统” 等项目的具体需求，以实用、集成为出发点，自主开发了虚拟装配工艺规划系统VAPP（Virtual Assembly Process Planning），该系统能够在产品设计阶段基于三维数字化实体模型实施数字化预装配，生动直观地规划与验证装配工艺过程，从而提高产品装配的一次成功率。 三、体系结构 虚拟装配规划系统是在一定的体系上构成和运行的，体系的优劣直接关系到虚拟装配规划系统开发的成败。系统的、合理的虚拟装配规划系统体系结构，不仅应把虚拟装配规划过程中的各个环节有机地集成起来，同时，虚拟装配规划系统作为虚拟产品开发的重要组成部分，也需要在产品数据管理系统（PDM）的统一控制下运行，从而实现虚拟产品开发全过程的信息、功能和过程集成。同时该体系应具有层次化的控制方法和“即插即用”的开放式结构，具有较好的可扩展性。 VAPP系统的体系结构如图1所示，它主要由4层组成，分别是人机交互层、应用层、核心服务层和数据层。 （一）人机交互层：人机交互层主要实现设计者与VAPP系统的信息交流，主要包括虚拟外设数据的读取，装配规划过程中装配操纵指令和参数的输入、虚拟场景的漫游等。 其中，命令解释器负责对用户指令进行解释，并调用应用层相应模块进行相关处理。通过命令解释器的转发，使人机交互层具有较好的可扩展性。 （二）应用层：包括CAD数据接口、装配顺序规划、装配路径规划、装配知识管理、零部件选择装配、装配工艺后处理、装配信息管理和装配现场动画浏览等模块组成。VAPP系统支持设计者进行面向过程的装配建模，并通过装配约束关系的自动识别来实现零部件的精确定位，同时实时干涉检测能够保证装配路径的有效性。另一方面，VAPP系统将虚拟装配建模的过程进行记录，并通过装配工艺后处理模块，形成对实际装配操作有指导意义的装配工艺卡片和装配过程动画。 （三）核心服务层：主要为应用层提供底层支撑。包括碰撞干涉检测、约束识别、装配知识辅助决策、运动仿真、场景管理和和行为控制。其中场景管理负责整个装配环境的显示控制（包括不同物体的方位设置，隐藏设置等）。行为控制负责装配环境中不同零部件行为的响应控制（如物体间发生碰撞时的行为），用户在虚拟装配环境中视点的控制以及环境中发生相应事件时的响应控制。 （四）数据层：系统的数据层主要包括装配过程数据存储区和装配知识库两个部分。其中：装配过程数据存储区保存了VAPP系统所有的装配相关数据信息，包括各零部件的几何数据、属性信息、管理信息、装配结构信息、装配工艺文件描述信息、装配约束信息、装配顺序、装配路径等所有装配过程信息。装配知识库保存经过整理的规范表达的装配知识，包括零部件装配优先规则，装配工艺知识（工具、夹具、工艺方法等）。在系统运行过程中，系统访问知识库，可以获得知识帮助并辅助用户进行决策。 作为虚拟产品开发的重要组成部分，VAPP系统是在PDM系统的控制下运行，通过PDM与虚拟产品开发的其它部分如工装夹具设计、CAPP等发生联系，产生的结果文件如工艺规划结果、装配设计反馈意见等也通过PDM发布出去。 VAPP系统采用半沉浸式的桌面虚拟环境，即沉浸式和非沉浸式的用户界面相结合，沉浸式界面和非沉浸式界面能够很容易地进行切换。非沉浸式的用户界面主要基于通常的二维菜单、二维鼠标和普通键盘。它一般用来完成零部件的管理属性查询、虚拟环境参数设置、装配工艺后处理等功能。而沉浸式的用户界面则主要基于数据手套、位置跟踪器、三维鼠标、立体眼镜和三维菜单。它能使用户沉浸到虚拟环境中，并为用户提供抓取零部件、移动抓取零部件、旋转抓取零部件、释放抓取零部件等直接交互装配操作功能。这种沉浸式和非沉浸式用户界面相结合的特点，能方便用户灵活处理虚拟装配规划中的各种活动或操作，同时也充分发挥了沉浸式和非沉浸式用户界面的各自优势。 四、系统主要关键技术 （一）CAD系统到VAPP系统的数据转换数据转换问题源于虚拟环境中与CAD环境中物体描述方法的差异。在VAPP系统中，零件实体是通过简化的多边形面片模型（通常为三角形面片模型）来描述的，而不是CAD系统采用的精确的几何描述。VAPP系统通过对CAD系统进行二次开发的接口程序，将VAPP系统所需的信息（主要包括装配体的几何面片信息、管理属性信息、几何特征信息和装配特征信息等）导出，并在VAPP系统中进行重构，实现外部CAD系统数据向VAPP系统数据的转换[3]。 （二）虚拟产品装配模型装配模型是整个VAPP系统的基础，其核心问题是解决如何在计算机中表达和存储产品装配信息。虚拟产品装配模型是一种集成化的信息模型，作为虚拟产品模型的子集，它支持广义产品设计中与装配有关的活动和过程，能有效地存取所需的各种信息。不仅要考虑装配零部件的几何特征、管理属性信息和物理特征信息，还要考虑装配工艺信息；不仅要能处理系统的输入信息，还应能处理设计过程中的中间信息和结果信息。因此，虚拟产品装配模型将随着设计过程的推进而逐步丰富和完善。VAPP系统的装配模型主要由管理、物体特征、几何、拓扑、工程语义和装配工艺等六部分组成[4]。 （三）装配过程中知识辅助决策虚拟装配规划系统利用虚拟现实技术提供的沉浸性和交互性为设计人员建立了一个高逼真度的多模式交互规划环境，使其能充分发挥自身的智慧和经验，但另一方面，由于人机交互操作的增加，可能降低产品装配规划的效率。因此，将虚拟现实技术与计算机辅助推理相结合，建立基于虚拟现实的人机协同规划环境，使装配工艺规划人员能够在关键和复杂问题上充分发挥自己的智慧和经验，而在常规问题又能充分利用计算机来代替人脑的重复思考，这对提高装配规划的效率具有实际意义。 VAPP系统提出了将事例性知识和规则性知识有机结合来辅助人在虚拟环境下进行装配序列规划的方法，并提出了装配顺序的递进分层推理模型（Progressive Hierarchical Reasoning, PHR），将计算机利用几何层和语义层知识的自动推理与人的主观决策相结合，人机交互地来解决装配序列规划问题，使装配规划人员在虚拟环境下可视化的、快速的进行装配工艺规划。与此同时将规划中产生的新的知识经验利用虚拟环境特有的模式加以记录、整理再利用，达到装配知识的良性循环使用，提高虚拟装配效率的目的。 （四）选择装配VAPP系统通过建立一种对实际加工尺寸的零部件按照加工误差进行选配的机制，建立相应的选配优化方法，通过选配，提高产品装配质量，获取比较稳定的较高装配精度。 （五）装配工艺后处理提供一个交互式的装配工艺卡片的生成环境，以虚拟装配工艺规划过程中形成的装配规划结果为主干，补充和完善产品的装配工艺，形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片。 （六）实时干涉检测提出一个面向VAPP系统的分层精确碰撞检测算法，该算法分为四层[5]：包围盒层、中间层、面片层、精确层。该算法不仅能满足虚拟装配实时性的要求，还能满足虚拟装配的精确性要求。 （七）线缆装配工艺规划线缆作为柔性体，其建模与装配规划过程与其它刚性零部件有很大的区别。根据虚拟环境的特点，VAPP系统提出了线缆离散控制点建模技术，将线缆简化成由一系列截面中心点（控制点）相连而形成的空间连续折线段，通过对控制点的操纵实现线缆的三维空间布线。 （八）装配现场可视化利用VAPP系统提供的动画制作功能，规划人员可以把零部件的装配顺序、装配路径以及特殊的装配操作技巧以动画的形式记录下来，并与相关装配工艺描述文档（如装配工艺卡）进行关联，提交到装配工艺部门的数据服务器上；现场装配人员通过安装在装配现场的客户端，利用局域网查询和浏览所需的装配工艺文档和装配过程动画。从而使现场装配人员更清晰的理解装配意图，提高装配效率，减少装配错误。 五、系统主要特色 装配是产品生命周期中的重要环节。VAPP系统通过构建一个半沉浸式的桌面装配工艺规划环境，使装配工艺设计人员能在可视化的环境下交互地对产品的计算机三维模型进行试装，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、装配过程中的动态干涉和装配空间的合理性，并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性和相互位置关系，以此形成装配工艺的主体内容，并通过装配工艺后处理，以及装配过程动画生成等手段，形成能直接指导工厂装配车间进行现场装配的可视化装配工艺。概括起来讲，VAPP系统具有以下功能特色。 （一）集成化VAPP的集成主要体现在两个方面：一方面体现在VAPP系统的信息集成、功能集成和过程集成。VAPP系统涵盖产品装配工艺设计中与之相关的多个方面，这些方面并不是孤立的，而是相互制约、相互影响的。VAPP系统所需的相关数据，包括零部件模型，工装、夹具模型等（主要包括模型的几何信息和属性信息）来源于不同的应用系统，数据格式各异；另一方面，虚拟装配产生的装配分析结果、装配工艺、装配过程动画等信息也要反馈给相关的设计环节和工程应用系统。VAPP系统通过统一的PDM平台，实现与其它应用系统的数据集成。同时，通过统一的PDM平台，也实现了VAPP系统中相应的信息流、权限等的控制。 另一方面，VAPP的集成也体现在其沉浸式和非沉浸式装配环境的集成上。在VAPP系统中，用户可以很方便地进行沉浸式和非沉浸式装配环境的切换，充分发挥沉浸式和非沉浸式装配环境的优势。 （二）面向工艺的装配建模过程传统的数字化预装配系统是在产品设计过程中，为了更好的帮助设计人员进行与装配有关的零、部件结构设计决策而对产品模型进行分析的系统，这种面向设计的系统本身是为零、部件的结构设计服务的，并没有考虑装配过程中零、部件的装配顺序和装配路径。而VAPP系统将使用户以直观的方式直接考察装配约束的施加过程、分析装配约束对零件运动的限制、检测装配过程中的碰撞干涉。装配建模的结果不仅建立了产品的装配模型，而且还生成了整个产品的初始装配序列和初始装配路径。同时VAPP系统通过对装配建模结果的局部修改等功能，实现了装配模型的优化。VAPP系统这种的面向工艺的装配建模过程，一方面能在产品设计早期阶段就及时地发现实际装配过程中的问题，减少了返工，从而提高装配的一次成功率，另一方面，装配建模的同时形成的装配工艺信息（如装配顺序、装配路径等）输入到装配工艺后处理模块，能够很方便地生成符合工厂要求的装配工艺卡片，大大减轻了装配工艺设计人员的工作难度和工艺编制时间。 （三）知识辅助决策和人机交互相结合VAPP系统中的知识库为装配知识提供了一种保存的机制。知识库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。同时系统还提供对知识库的各项操作，包括知识的扩充，修改等。由确定的知识引导人机交互的装配过程，减少无效的装配动作，从而能起到快速装配的作用。 （四）三维可视化的装配工艺文档现有的车间现场装配过程大多以纸质装配工艺文件为指导，装配工人理解困难，容易发生错装。而VAPP系统将装配顺序和装配路径以动画的形式输出，用于指导装配车间现场的装配，通过实时显示装配的顺序与路径，以及各装配阶段所用到的工装夹具，使装配工人更加明确装配的任务和过程，从而减少错装，提高装配的速度和一次成功率。 （五）完善的装配信息管理VAPP系统通过一套有效的管理机制，使用户在装配过程中实时、方便地浏览和编辑各零、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。此外，VAPP系统还能对装配完毕的零部件进行统计，并给出相关报告，以免漏装。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/8/2005)