虛擬環(huán)境中交互式工位規(guī)劃與裝配過程仿真技術(shù)研究.pdf

1、產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的主要過程，對產(chǎn)品的質(zhì)量、周期和成本有重大影響。 通用CAD系統(tǒng)中的裝配忽略了裝配過程，只能根據(jù)裝配的約束關(guān)系使零部件到達(dá)最終的裝配位置，對于裝配過程中的碰撞與干涉以及裝配路徑無法進(jìn)行驗(yàn)證和模擬。傳統(tǒng)的工位規(guī)劃是憑借工業(yè)工程師的判斷和經(jīng)驗(yàn)以及在實(shí)物模型上的反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)獲得優(yōu)化裝配工藝和工位布局。 為了減少實(shí)際的試裝次數(shù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立裝配線工位規(guī)劃與裝配過程仿真

2、的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，操作者能夠交互式的進(jìn)行工位規(guī)劃和裝配過程仿真，在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證產(chǎn)品在裝配工位環(huán)境中的幾何空間可裝配性、裝配操作順序、裝配工位設(shè)施選擇和裝配工位設(shè)施空間布局的合理性以及操作對象的可達(dá)性和操作者的舒適性。利用虛擬試驗(yàn)環(huán)境在產(chǎn)品實(shí)際制造之前對裝配工位規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證和評價(jià)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，減少成本，提高產(chǎn)品的競爭力。 主要的研究工作概括如下： 1．首先對虛擬試驗(yàn)環(huán)境中對象的類型以及之間的關(guān)系進(jìn)行

3、了分析，采用了面向裝配過程的建模方法表達(dá)虛擬環(huán)境中工位、產(chǎn)品裝配等模型。提出了虛擬環(huán)境中集多種功能(邏輯模型、顯示模型和碰撞模型)為一體的復(fù)合零件模型表達(dá)方法和表達(dá)裝配成員之間裝配層次的裝配樹模型、描述零部件之間裝配關(guān)系的約束模型以及面向裝配過程的復(fù)合工位模型，不僅描述了工位中的裝配操作內(nèi)容和操作過程，而且表達(dá)了所有對象在工位中的角色以及它們之間的關(guān)系。 2．然后對虛擬環(huán)境下用戶與虛擬對象的交互方式進(jìn)行了研究，提出了基于虛擬手的

4、對象操作邏輯與方法，用戶利于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器(FOB)等外設(shè)自然的和虛擬對象進(jìn)行交互；實(shí)現(xiàn)了工位布局和裝配操作過程中虛擬手與對象的交互方式與過程，用戶通過對操作對象的抓取、移動(dòng)和釋放三個(gè)過程交互式的完成工位布局和裝配操作任務(wù)；提出了虛擬環(huán)境中基于雙手操作的邏輯和方法，解決了雙手操作的沖突與協(xié)調(diào)性。 3．研究了基于幾何約束和自由度分析的虛擬裝配過程的實(shí)現(xiàn)方法。建立了裝配幾何約束的統(tǒng)一表達(dá)方法、約束與自由度的等價(jià)關(guān)系，采用運(yùn)動(dòng)自

5、由度的歸約方法獲得零件在約束作用下的運(yùn)動(dòng)自由度；提出了虛擬裝配過程中約束自動(dòng)識別算法、基于零部件位姿變化量最小原則的約束自動(dòng)定位求解算法和基于增量驅(qū)動(dòng)和自由度歸約原理的約束運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航解算等實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配過程中零部件的精確定位。 4．提出了基于幾何推理的虛擬工具表達(dá)模型以及基于幾何約束的工具裝配方法。能夠支持虛擬環(huán)境中工具信息的相互傳遞、查詢與更新；操作者根據(jù)操作對象選擇相應(yīng)的裝配工具，利用虛擬手在虛擬環(huán)境中操作工具，動(dòng)態(tài)建立工具與

6、操作對象的幾何約束關(guān)系，建立工具與操作對象之間的固聯(lián)關(guān)系；利用工具交互的驅(qū)動(dòng)操作對象，使其到達(dá)最終的裝配位置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬裝配。 5．給出了虛擬環(huán)境中操作者人機(jī)工程學(xué)評價(jià)和分析的方法。在交互式裝配過程中，以虛擬手為紐帶建立的虛擬裝配環(huán)境與實(shí)際操作者的映射關(guān)系，以此獲得操作者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對操作者的疲勞和能耗量進(jìn)行計(jì)算和分析，以評價(jià)工位布局對操作者的影響。 6．基于上述方法和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)了虛擬環(huán)境下基于交互的裝