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)計是產(chǎn)品開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品功能實現(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行驗證和模擬。傳統(tǒng)的工位規(guī)劃是憑借工業(yè)工程師的判斷和經(jīng)驗以及在實物模型上的反復(fù)試驗改進獲得優(yōu)化裝配工藝和工位布局。 為了減少實際的試裝次數(shù)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立裝配線工位規(guī)劃與裝配過程仿真

2、的虛擬試驗環(huán)境，操作者能夠交互式的進行工位規(guī)劃和裝配過程仿真，在此基礎(chǔ)上驗證產(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性和操作者的舒適性。利用虛擬試驗環(huán)境在產(chǎn)品實際制造之前對裝配工位規(guī)劃進行驗證和評價，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．首先對虛擬試驗環(huán)境中對象的類型以及之間的關(guān)系進行

3、了分析，采用了面向裝配過程的建模方法表達虛擬環(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)合零件模型表達方法和表達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行交互；實現(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、移動和釋放三個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現(xiàn)方法。建立了裝配幾何約束的統(tǒng)一表達方法、約束與自由度的等價關(guān)系，采用運動自

5、由度的歸約方法獲得零件在約束作用下的運動自由度；提出了虛擬裝配過程中約束自動識別算法、基于零部件位姿變化量最小原則的約束自動定位求解算法和基于增量驅(qū)動和自由度歸約原理的約束運動導(dǎo)航解算等實現(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)動操作對象，使其到達最終的裝配位置，實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬裝配。 5．給出了虛擬環(huán)境中操作者人機工程學(xué)評價和分析的方法。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)境與實際操作者的映射關(guān)系，以此獲得操作者的運動數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對操作者的疲勞和能耗量進行計算和分析，以評價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