（机械制造及其自动化专业论文）动车组转向架虚拟装配技术的研究与应用.pdf

摘要 摘要 论文首先分析了虚拟制造、虚拟装配的具体内容，介绍了动车组转向架装配工艺的 现状。结合工厂装配工艺，有针对性地对动车组转向架虚拟装配进行了研究与实现。 论文对虚拟现实和虚拟装配的概念、特点、组成、分类及其关键技术做了进一步研 究，讨论了当前虚拟装配技术的发展和应用现状。在此基础上，本文提出了虚拟装配系 统在动车组转向架装配中的应用，以及各个功能模块的实现原理和方法： 一、结合v i s u a lc + + 2 0 0 5 、o s g 以及q t 建立了虚拟装配系统的虚拟现实环境； 二、利用p r o e 建立三维零件装配实体模型；利用g o o g l es k e t c h u p 和3 d sm a x 相 结合的方式对转向架装配车间建模，为虚拟装配系统营造真实装配环境。最后实现系统 对模型的读取。 三、在虚拟环境中实现了用户利用鼠标和键盘与装配视口和产品模型进行交互并对 动车组转向架进行虚拟拆装的功能。 最后，本文以动车组转向架的空气弹簧为例实现了在虚拟装配环境中的虚拟装配过 程。用户可以通过鼠标和键盘相结合的方式对零件进行拆装，系统会记录拆装的过程并 按用户需要进行回放，用户可从各个角度观察装配的过程，提高了用户对装配操作的感 性认识，大大降低了装配人员培训的成本。 关键字；虚拟现实；虚拟装配；o s g ；q t a b s t r a c t t h ep r e s e n ts t a t u so fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n dv i r t u a la s s e m b l yi si n t r o d u c e da n d a n a l y z e di nt h i sp a p e r , a n dp u tf o r w a r dt h ec r h 3b o g i ev i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nc o m b i n i n gw i t ht h ef a c t o r ya s s e m b l yp r o c e s s t h et h e s i si n t e n s i v es t u d i e st h ec o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i c ，c o m p o n e n t ，c l a s s i f ya n dt h ek e y t e c h n i q u eo fv i r t u a lr e a l i t ya n dv i r t u a la s s e m b l y ；a n a l y z e dt h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo fv i r t u a l a s s e m b l y ；i n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c s ；b a s e do nt h i sf o u n d a t i o n ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fc a r r y i n go u te v e r yf u n c t i o nm o d u l eo ft h ec r h 3 b o g i e sv i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ： f i r s t ，u s e dv i s u a lc + + 2 0 0 5 ，o s ga n dq tb u i l du pt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t s e c o n d ，u s i n gp r o em o d e l i n gc r h 3b o g i e s3 dp a r t sa s s e m b l ye n t i t ym o d e l ； c o m b i n i n gt h eg o o g l e s k e t c h u pa n d 3 d sm a xm o d e l i n gt h ec r h 3b o g i ea s s e m b l y w o r k s h o p r e s e a r c ht h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ff i l el e a d i n g i n t h ev i r t u a la s s e m b l y s y s t e m t h i r d ，i n t r o d u c e dh o wt o a c h i e v et h e m u t u a l i t y o ft h eu s e ra n dt h ev i r t u a l e n v i r o n m e n t a n dv i r t u a la s s e m b l i n gt h ec r h 3b o g i ei nt h es y s t e m f i n a l l y ，t a k i n gt h e a i r s p r i n go ft h ec r h 3b o g i ef o rv i r t u a la s s e m b l i n gi nt h e e n v i r o n m e n to fv i r t u a la s s e m b l yp r o c e s s 弱a ne x a m p l e u s e r sc a nt h r o u g ht h em o u s ea n d k e y b o a r dc o m b i n a t i o nt oa s s e m b l i n go rd i s a s s e m b l i n gi nt h es y s t e m ，a n ds y s t e mw i l lr e c o r d t h ep r o c e s sa n da c c o r d i n gt ou s e r sr e q u i r e m e n t s ，t h eu s e rc a np l a yf r o mv a r i o u sa n g l e st o w a t c ht h e a s s e m b l yp r o c e s s ，i m p r o v e u s e r s p e r c e p t u a la c k n o w l e d g m e n tt oa s s e m b l y o p e r a t i o n ，a n dg r e a t l yr e d u c et h ec o s to ft h ea s s e m b l yp e r s o n n e lt r a i n i n g k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；v i r t u a la a s s e m b l y ；o s g ；q t ； i l l 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：谬松 嘲： 驴彳年i 及月f 乡日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解大连塞适大堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为大连交通大堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权一太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者张胁 日期： 。了年f 月侈日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 足污朋 绪论 第一章绪论 1 1 引言 在竞争日趋激烈的今天，企业不断的需求新技术和手段来缩短生产时间( t i m e ) 、 提高产品的质量( q u a l i t y ) 、降低生产的成本( c o s t ) ，并以最佳的售货服务( s e r v i c e ) ， 即在“t q c s 最优化的条件下去赢得用户，并在第一时间内来响应市场的需要。 而现在的生产关系和生产手段都不能满足企业的需要，这就使得我们不得不寻求更 新、更有利的生产手段来满足社会的需要，在这种条件下虚拟制造应运而生。虚拟制造， 虚拟检修、虚拟装配等相关技术一经提出就成了制造业的焦点。用于指导实践的虚拟装 配技术其基本思想就是从装配工艺的角度，利用计算机仿真技术和虚拟现实技术，建立 一个高逼真度的装配工艺仿真环境，用户可以在虚拟环境中直观的了解装配工艺，确定 装配顺序、工件使用和装配操作方法，最终用于指导生产实践。 c r h 3 动车组为动力分散型高速动车组，最高运行速度为3 5 0 k m h ，固定8 辆列车 编组分别为：动车端车( e n dc a r ) e c0 i 0 8 、动车逆变电车( i n v e r t e rc a r ) i c0 3 0 6 、 拖车变压器车( t r a n s f o r m e rc a r ) t c0 2 0 7 、拖车吧台车( b i s t r oc a r ) b c0 4 、拖车一等 车( f i r s tc a r ) f c0 5 。其中，动力转向架和非动力转向架各占5 0 ，所有转向架的主要 模块相同，通过对每辆车重心和重量的个别调整以及对悬挂系统弹簧的个别调整，可以 获得最佳运行特性。转向架是保证动车组运行安全的重要组成部分，零部件数量多，结 构复杂，装配关系复杂。转向架占整个动车组成本的1 5 ，在维修成本中则占到4 0 以 上( 全生命周期) ，在高速动车组5 级修程中，转向架的检修工作量最大。独特的结构 设计和复杂的装配关系，使得传统的工程图、装配工艺文件、检修工艺卡等形式不利于 人们快速、清晰、准确地理解产品的性能、结构、装配要求、日常维修维护以及检修等 相关要求。在五级检修计划中，大量必要的检修和维护作业是利用动车组停车、入库的 短暂时段内进行的，这就更加大了作业难度和保证质量的难度。面对高速动车组转向架， 只有更新传统的装配检修模式，才能使高速动车组在制造与检修的过程中，装配出错机 会最小化，工作效率最大化。 因此，借助计算机仿真技术、建模技术、虚拟现实技术等，开发面向c r h 3 动车组 相关人员的动车组转向架虚拟装配系统具有重大意义。 大连交通大学r 学硕+ 学位论文 对此，本课题用c + + 作为开发工具，o s g 为底层图形库a p i 的方法来研究，除了用 这一方法研究有一定的可行性之外，其主要原因在于它广阔的前景和可发展的空间比较 大。 1 2 目的和意义 在现代制造业中1 3 左右的人力仍然在从事装配有关的活动，4 0 以上的生产费用 于产品的装配和调试【5 3 1 。对虚拟装配技术的进一步发展将会使正在从事装配活动的他们 从繁重的劳动中解放出来，去从事研制和开发工作，他们将是我国的又一批生力军。而 且拥有丰富劳动经验的他们融入到设计人员的队伍之中可以提高设计人员的技术水平 和新产品开发的能力，从而进一步争强机械制造业的竞争能力，加快其发展的步骤。因 为虚拟装配技术用于实际装配将会大大的降低装配的成本，提高装配的质量，缩短产品 开发周期，获得最大的经济效益。 现代工程的每一个环节都广泛的应用到计算机。随着计算机在制造业中的广泛应 用，设计产品的自动化也在进一步加深，与此相比装配技术自动化程度就低了很多，大 部分还是要靠人工来完成。要想改变这种不协调的状况，就必须大力发展装配的自动化 技术虚拟装配技术。 c r h 3 动车组为我国运营级别最高的动力分散性动车组，代表当今轮轨技术的最高 水平，是未来中国高速客运专线的主力机型。在长达2 5 年的生命周期中，大量的设计、 工艺、运用、维修维护、检修人员将围绕高速动车组的运行安全工作。动车组转向架虚 拟装配技术的实现有助于高速动车组技术的引进、消化、吸收和再创新，有助于全面提 高中国高速铁路的运营安全和可靠，提高企业核心竞争力，由此而产生的联动社会效应 不可估量。 本课题来源于铁道部计划项目：动车组装配检修用虚拟技术研究( 2 0 0 8 j 0 1 2 c ) ， 2 0 0 8 。课题从动车组转向架虚拟装配出发，以高速动车组转向架虚拟装配为研究对象。 先对其整体进行分析，然后采用优化后的装配方案进行装配，在装配过程中进行碰撞检 测，规划出其装配的可能范围，在校验冲突之后就可以形成整个产品的装配文件，生成 装配结果。从而实现真正意义上的高效、高质量、短时间、低成本的装配。本课题完成 后，一方面在铁道部已规划的四个动车组检修基地将会有很好的应用需求。同时也可作 为装配、检修人员一个很好的培训教材。另一方面还可以大大的减轻装配的劳动强度， 加快装配的速度和效率。 2 绪论 1 3 国内外研究现状与应用 1 3 1 国内外研究现状 虚拟装配技术是虚拟现实技术在工程领域的一个全新的应用，还处于萌芽阶段，与 虚拟装配技术相关的一系列标准还没有完善【1 1 ，所以国内外的研究人员都在不断的对虚 拟装配技术进行理论探索。 ( 1 ) 国外的研究现状 国外对虚拟装配的研究起步较早，其中以美国华盛顿洲立大学开发的“虚拟装配设 计环境”系统较成熟，并已成功开发出了第二套原型系统。而且在理论上国外的研究也 较丰富，涉及的面比较广，包括虚拟装配环境中人机交互、虚拟拆卸的推理框架和基于 网络的协同虚拟样机技术等很多技术与理论。 华盛顿州立大学开发研制了一个名为“虚拟装配设计环境 ( v a d e ) 的虚拟装配 设计系统【1 0 1 ，利用这个系统，设计人员在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问 题以避免这些方面的设计缺陷。在进行虚拟装配时，设计人员首先将在c a d 系统中建 立的零件模型导入虚拟装配系统，然后在虚拟装配系统中设计人员直接操作虚拟零件进 行装配，有关产品可装配性的问题得到了验证，同时设计人员可以获得许多有关产品的 设计和制造工艺信息。 h a r is r i n i v a s a n 等提出了由各设计模块构成的拆卸框架【1 1 】。这些模块包括知识库创 建，拆卸方法选择，拆卸分析和设计分析。同时h a r is r i n i v a s a n 根据不同的分类方法将 零件的拆卸类型分为并行拆卸和串行拆卸、直接拆卸和间接拆卸、完全拆卸和选择性拆 卸、单调拆卸和非单调拆卸、破坏性拆卸和非破坏性拆卸等。根据以上提出的拆卸框架 和拆卸类型可以实现：选择适当的拆卸方法；生成优化的拆卸路径；对拆卸顺序进行成 本分析；提出设计更改建议等。 n s h y a m s u n d a r 和r a j i tg a d h 研究了基于网络的协同虚拟样机【l 引，提出一种新的几 何体表示方法一a r e p ( 装配体表示方法) ，a r e p 包含4 类信息，分别是( 1 ) 有向图， 表示装配体的层次关系，( 2 ) 关系图，( 3 ) 装配层次信息以及( 4 ) 与单个装配部件相关的 信息。并且采用a r e p 方法实现了虚拟样机系统，该虚拟样机系统可以实现基于网络的 协同装配设计。 g a d h r 等提出一种产品拆卸和维护的软件工具f 1 3 l 【1 4 l 。这种工具用几种拆卸方法对 产品的可拆卸性进行分析。然后对产品的易拆卸性、拆卸顺序及拆卸和维护成本进行评 估。 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 d e w a r r g 等提出了在虚拟环境中辅助进行手工装配的方法f 1 5 】。在该方法中，当操 作人员在虚拟环境中装配虚拟部件时，系统自动记录操作人员的动作，而且当操作人员 进行装配时，系统辅助操作人员自动进行装配并且询问操作人员装配时的装配方法，同 时生成装配计划。 s i d d i q u e 提出了基于虚拟现实的系统用来研究零件的拆卸方法1 1 引。为了生成拆卸工 艺，该系统首先将产品模型载入虚拟现实环境，并且自动计算每个部件及连接件的局部 拆卸方向。用户拆卸产品时，系统自动记录拆卸活动形成产品的拆卸工序。同时系统还 支持在虚拟装配环境中使用虚拟装配工具( 如扳手、螺丝刀等) ，并且装配工具相对于 虚拟手的定位和装配工具相对于连接件的定位都可以半自动的实现。 s i d d i q u e 等还提出在虚拟环境中利用自动和交互技术相结合的方法1 1 7 】，研究了虑拟 环境中原型产品的可拆性。 d r e w s p 研究了“虚拟工作台 ，【1 8 j 设计人员可以在利用虚拟现实技术构建的工作 台上，借助各种虚拟外设对产品的装配进行分析，该系统还可以对简单机构的动力学进 行仿真。 u m a j a y a r a m 研究了基于c o r b a 的分步式虚拟装配系统的设计与实现方法【1 9 j 。 b r i a na n t o n i s h e k 研究了使用双手进行虚拟装配的技术【硎。 t o mc 研究了虚拟装配环境中的碰撞检测技术【2 1 1 。 q i n r h u iw a n g 探讨了复杂动态虚拟环境在工业装配中的交互式应用【2 2 1 。 s k o n g 提出了一种将p d p 和w d p 结合的方法【2 3 1 ，提高了设计初级阶段的效率和 质量。 r u n - - d a n g y a n g 研究了基于约束和自由度分析的虚拟装配技术 2 4 1 。 c h u l h oc h u n g 研究了基于网络的虚拟制造环境的动态任务计划陋j 。 ( 2 ) 国内的研究现状 在国内，虚拟装配的研究起步比较晚，而且由于虚拟装配技术所需硬件价格昂贵， 大多数研究机构都是在进行理论探索与研究。近年来国内各高校对虚拟装配技术的研究 比较活跃，并且取得了阶段性的理论成果和初步的应用。 清华大学在国家8 6 3 重大攻关项目中，未来从可视化角度解决产品的可装配性问题， 结合d f a 课题研制了一种装配仿真系统a s m 比，该系统可有效验证装配工艺规划结果， 在一定程度上改进和完善装配工艺，并在此基础上生动直观地进行产品的虚拟装配，提 供装配顺序规划及评价等功能。张林煊、童秉枢，提出并行工程中的装配仿真系统及其 关键技术f 2 】，在商用c a d 软件p r o e n # n e e r 的基础上，以p r o d e v e l o p 和c 为开发工具， 4 绪论 实现了一种寄生式的装配仿真系统。其装配仿真，能够完成装配环境设置、装配路径初 始化、基体位姿调整、关键点的定义与调整以及路径可行性检查。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室设计的虚拟装配设计系统( v i r t u a ld e s i g na n d v i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ，v d v a s ) 1 3 】，实现了在同一虚拟环境中修改尚未满足装配条 件的零件的几何尺寸或外形，而无需在虚拟环境c a d 系统间进行数据转换和传输，提 高了系统的可靠性；并对基于语义的产品装配设计技术进行了研究，实现了基于语义的 产品装配操作，对进一步提高产品装配效率与质量具有重要意义。 哈尔滨工业大学的姬舒平中提出了在桌面虚拟环境下设计质量保证技术【4 j ，把产品 的设计工作置于一个虚拟的设计、分析和仿真环境中，为产品的设计过程提供了一个强 有力的支持环境。 北京航空航天大学的隋爱娜指出目前虚拟装配技术主要存在的问题【5 j 包括：虚拟装 配技术没有统一的标准和方法，迫切需要制定统一的标准或方法以使虚拟装配技术在上 业中得到普遍应用：装配模型系统要精确的表示产品的装配过程信息，如部件盼层次关 系，零件的装配轨迹等：虚拟装配中的干涉检验应该包括静态检测和动态检测，静态检 测检验零件的可装配性，而动态检测检验零件的可达性。 上海交通大学的庄晓等提出虚拟环境中“堆积木 式的快速产品装配建模方法【6 j ， 使设计人员可以方便地进行结构设计、修改，专注于产品功能的实现；介绍了与此方法 相适应的配合约束的识别方法，提出“零件偏置体 的概念提高识别效率，并以关系图 的方式记录识别到的配合约束关系，最终形成约束驱动的产品装配模型。 华中科技大学的周炜从产品可装配性分析的角度出发，提出了在虚拟环境下进行人 工装配( 拆卸) 的方法【7 j ，借助数据手套、头盔显示器等输入设备，在虚拟环境下操作 者可以对装配体中的零件进行抓取、移动，并记录装配体拆卸顺序与各零件的拆卸路径。 在装配过程中系统通过对虚拟环境下零部件之间的相互位置和几何关系进行分析、推 理，经过约束规则库的匹配，自动提取装配约束，从而为产品的装配分析提供依据。 西北工业大学的梁海奇等从虚拟样机的角度出发，结合流行c a d 软件的点，提出 了在大装配的环境中快速有效地进行产品装配建模的四种方法1 8 j ：引用集方法、部件过 滤集方法、小平面模型方法、以及特征简化方法。引用集方法按照一定的方式将部件的 内部数据分类并以一个有意义的名字作标识，在装配设计时各设计人员按照统一的规则 调用引用集方法中定义的标识。部件过滤集方法按照一定的方法将产品中的部件进行归 类，在使用时根据部件不同的属性对部件进行调用。 5 大连交通大学r 学硕十学位论文 中国科学院的田丰等提出了一个面向虚拟装配的三维交互平台1 9 l 。该平台采用了虚 拟现实技术中常用“工具隐喻 ，用户可以在虚拟装配环境中漫游，并且与虚拟对象进 行交互，在文中作者定义了装配领域中常用的三维交互原语实现了交互原语的捕捉、解 释和处理。同时封装了三维图形构造、零件问的约束和碰撞检测功能。 1 3 2 虚拟装配技术的应用 虚拟装配技术带来了全新的设计和制造理念，改变了传统的产品开发从设计到生产 的反复修改，不断试制的过程。为企业节约了大量的成本，缩短了新产品投放市场的时 间。尤其是虚拟装配技术在汽车和航天工业的应用，取得了明显的经济效益。 通用汽车公司在应用虚拟样机方面处于世界领先地位i 冽。为了以更快的速度和更低 的成本开发新型汽车，通用公司的全球q 洲和可视化技术中心的技术人员已经开 发出了洞穴式沉浸虚拟现实系统和墙壁式投影系统，在g m 的汽车产品开发中从造型到 装配过程中广泛应用先进的虚拟现实技术。应用虚拟现实技术不仅可以使设计人员在虚 拟的环境中检查汽车车身的光顺性，而且可以验证汽车的装配工艺，由于在新车的开发 中采用了虚拟现实技术，新车的开发速度大大提高。 1 9 9 5 年福特汽车公司启动了c 3 p 项目，该项目广泛应用先进的计算机技术。其中 虚拟装配技术被用于福特轿车的装配设计，使得福特汽车的设计改动减少多达2 0 ，将 新车的开发周期周期从3 6 周缩短到2 4 周，每年为公司节约2 亿美元成本。 在宝马汽车公司，虚拟装配被用于验证整车装配【2 7 1 ，在整车总计8 0 6 个装配操作中， 有4 9 4 个操作得到评估，并且据此制定了标准的操作规程。 美国国防部初步估计在一种新型军舰的开发上由于采用了虚拟装配技术节约开发 成本6 0 万美圆，减轻船体重量1 0 0 吨。将新型军艇的开发时间从1 4 年缩短到7 年。 美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统帮助新型号发动机的设计【2 8 1 。这个虚 拟装配系统用来研究发动机的拆卸过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机是否有可能 与其他零部件发生干涉。 罗尔斯一罗伊斯公司在设计飞机发动机时也采用虚拟装配技术。 c a t e r p i l l a r 的研究人员将虚拟装配技术应用于改善重型设备的工艺设计【2 9 1 ，他们的 系统允许他们在一个协作的虚拟环境中快速将车轮组装到车身来对新设计进行可视性 评估，而且工程师可以模拟设备的操作。 相比国外的虚拟制造技术已经基本从应用基础技术的研究向实际应用过渡，国内的 虚拟制造技术还处于基础技术的研究，国内的研究主要集中在四个方面：1 虚拟制造基 础研究；2 产品虚拟设计技术；3 产品虚拟加工技术；4 虚拟制造系统。 6 绪论 其中以清华大学国家c i m s 工程技术研究中心为代表，研发的虚拟装配支持系统 ( v a s s ) 是在商品化c a d 软件p r o e n g i n e e r 基础上二次开发而成的一个工具软件 系统，现已向国家版权保护中心申请软件注册，系统的修改完善及产品化研发工作正在 进行之中。该系统已先后在经纬纺机公司g 1 7 2 6 剑杆织机的虚拟产品开发、徐工集团 z l 5 0 g 智能化装载机的数字化预装配中得到初步应用。 1 4 课题研究内容 本课题的主要研究内容是：在虚拟装配的基本理论基础上，针对虚拟装配的关键技 术开发c r h 3 动车组转向架虚拟装配系统，用户在此系统中能够完成虚拟装配、拆卸的 任务，并可以从各个角度对装配过程进行观察。其主要任务如下： ( 1 ) 利用v i s u a lc + + 2 0 0 5 、o s g 以及q t 建立动车组转向架虚拟装配环境。 ( 2 ) 结合p r o e 建立转向架三维实体模型，并提出模型导入系统的实现方法。 ( 3 ) 应用s k e t c h u p 和3 d sm a x 相结合的方式对转向架装配车间建模，并实现模型导 入系统。 ( 4 ) 通过v i s u a lc + + 2 0 0 5 、o s g 实现虚拟装配系统的各个功能模块：模型导入模块、 显示模块、交互模块、过程记录模块等。 1 5 小结 本章主要介绍了目前虚拟装配技术现状与发展趋势，并说明了本课题的主要工作内 容及意义。 7 绪论 第二章动车组转向架虚拟装配系统的设计技术基础 2 1 虚拟装配系统的技术基础 2 1 1 虚拟装配的概念 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 是最近几年才提出的一个全新的概念。狭义的虚 拟装配就是在虚拟环境中快速的把单个零部件或部件组装形成产品的方法。广义的虚拟 装配是指在虚拟环境中，如何使设计人员方便地进行结构设计、修改，让设计人员专注 于产品功能的实现。 虚拟装配是虚拟现实( 又称临境技术) 3 0 】在c a d c a m 中应用的一个重要领域。同 时虚拟现实也是虚拟制造的关键部分。目前人们对它还没有一个共同的认识，在文献l 孔j 中它被描述为：“利用计算机的工具，而不是建立一个产品的实际模型，通过分析、可 视化、数据表示等技术帮助工程师进行装配关系的工程决策。”在文献1 3 2 j 中它有如下的 定义：“虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策， 在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术。 由以上的定义可以看出虚拟装配横跨多个学科领域，是几门技术的综合应用，这些 技术主要包括：虚拟现实技术、高级可视化技术、仿真技术、决策技术、装配制造工艺 及工具的开发等。 2 1 2 虚拟装配系统的类型 虚拟装配系统是以计算机辅助设计( c a d ) 为基础，利用虚拟现实技术发展而来的 一种新的设计系统。这种设计系统按应用情况可分为增强的可视化系统和基于v r 的 c a d 系统【3 2 州】。 增强的可视化系统：利用现行的c a d 系统建模，在对数据格式进行适当的转换后 输入v r 系统。一旦物体输入到虚拟环境，通过三维交互设备和显示设备( 如：数据手 套，三维显示监视器等) 对物体模型进行检查，对物体进行操作。增强的可视化系统通 常采用空间球、飞行鼠标等进行导航，并采用带有光闸眼镜的立体监视器来增强产品模 型的真实感。由于基于v r 的建模技术系统还不够完善，而现行的c a d 建模技术比较 成熟，因而目前投入使用的虚拟装配设计系统大都属于增强的可视化系统。 基于v r 的c a d 系统：利用这样的系统，用户可以在v r 环境中进行设计活动。 与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用传统的二维交互手段进行建模，而直接进 行三维设计。这类系统使用各种输入设备( 如：数据手套、三维导航设备等) 给用户提 供三维设计和交互界面。另外，还可用语音识别、手势及眼球跟踪等进行交互输入。这 大连交通大学丁学硕十学位论文 种虚拟装配设计系统不须进行系统的培训便可掌握，一般的设计人员略加熟悉便可利用 这种系统进行产品设计。研究表明，这种虚拟装配设计系统比现行的c a d 系统的设计 效率高5 1 0 倍。 2 1 3 典型的虚拟装配系统 v r 在c a d c a m 中的应用是一个2 0 世纪9 0 年代出现的新领域。虽然许多国内外 学者展开了不少研究工作，总体来说，研究工作还刚起步。现在主要有两种虚拟装配系 统：一种是j a v a r a ms 等人开发的一个“虚拟装配设计系统 蛐e ( av i r t u a l a s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ) 系统【3 5 l ；另一种是g u p t ar 提出的利用多模式虚拟环境 的装配分析设计原型方法【3 6 】。 v a d e 系统首先由参数化c a d 系统( 如p r o ，e ) 生成装配模型；然后，v a d e 预处 理器处理这些模型：零件的视觉属性( 如颜色、纹理等) 及零件的几何信息和装配信息 自动提取；零件的公差、位置、方向及装配的零件集、装配约束一同提取给v a d e 系统。 这样，用户就有了一个“预规划”装配方法。进入沉浸式的装配环境后，用户可以进行 装配设计。在装配过程中，用户可选择、生成、修改装配轨迹或进行重装配。碰撞检测 警告用户干涉和公差配合方面的问题。由v a d e 产生的轨迹信息、装配顺序信息、干涉 信息等自动被q m 系统设计者利用。 图2 1 多模式虚拟环境的装配分析设计框架 f i g 2 1t h ea s s e m b l ya n a l y s i sd e s i g nf r a m e w o r ko fm u l t i m o d ev i r t u a le n v i r o n m e n t 多模式虚拟环境的装配分析设计原型方法：它的基本框架如图2 1 所示。这种方法 不同于传统的基于表( 如：b o o t h r o y d 和d e w h u r s t 表) 的装配方法，而是通过装配分析 2 绪论 对装配方法进行评价，然后从多种方法中择优选择。先在这个系统中建立统一的物理模 型，这个模型为环境中的“真实物体提供动态交互，为用户和“真实 物体提供触觉 交互。这个模型可以被处在面向装配设计的虚拟环境( v e d av i r t u a le n v i r o n m e n tf o r d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 中的听觉事件扩大。在这个系统中，设计者可以看到物体，听到 物体相撞的声音，也可以通过触觉交互设备和力反馈感觉来操作物体。这个模型既可以 仿真物体的重量、形状、大小和公差配合，还可以仿真摩擦力等物理特性。 2 1 4 虚拟装配的关键技术 虚拟装配的关键技术主要可归纳为下列五个方面： ( 1 ) 虚拟装配环境的构建，研究虚拟环境的描述与管理；装配动作与感觉信息之间 相互关系；感觉信息的综合方法以及输入、输出的驱动规则等。 ( 2 ) 虚拟装配过程中由约束关系形成的作用力分析，在虚拟环境中对装配的零件赋 予机械、物理特性，并由此形成装配过程的作用力：使微观和瞬态的分析数据在虚拟空 间中展现为可视的宏观和慢动作过程。 ( 3 ) 装配规划的生成技术，装配规划就是寻求一条最优的零件装配顺序序列，由于 创成式自动生成装配规划需要高度的智能化难度较高，因此在虚拟的环境应重点解决： 如何更形象地表现装配规划过程中信息的动态流动及其可视化；如何在生成装配规划过 程中通过人机交互加入启发性知识和融入人的智能。 ( 4 ) 虚拟环境中人的知识和技巧的映射，为了使人的智能融入装配规划的生成，需 要研究人手模型在虚拟环境中的映射；正确检测和处理人的装配动作的信号，使与虚拟 环境下的装配作业进行实时交互。 ( 5 ) 虚拟装配系统的建立，非沉浸式虚拟装配系统由虚拟装配样机建模与仿真、装 配人员与资源建模、虚拟装配仿真应用、用户界面与虚拟装配环境、集成的产品虚拟信 息模型和装配数据管理系统等六个子系统组成，研究其信息的集成以完成虚拟装配全过 程的实施。虚拟装配系统的结构框图如图2 2 所示，它的子系统的主要功能综述如下： 虚拟维修样机建模与仿真 对于一个确定的虚拟装配任务，建立其虚拟装配样机不一定要创建整个装备的几何 模型，只需要相关的组成部分就够了，如将被拆卸的零部件，与拆卸部件相关的其他部 件，装配人员视域内的组件等。为一便于建模与仿真，首先在c a d 环境下对装备的装 配模型进行重新组织；然后将这些几何模型导入虚拟装配环境，建立装备的虚拟装配样 机几何模型；最后在虚拟样机上建立其交互特征，以支持后而的虚拟维修仿真，通过维 3 人连交通大学- t 学硕十学伶论文 修工艺规划，确定故障维修的过程与技术特点，对维修过程仿真进行约束。虚拟维修样 机和虚拟人、维修工具、设施设备等一起构成一个完成特定维修任务的虚拟维修场景。 用户界面与虚拟装配环境 g 、 多 弓 虚拟装配样机建模与仿真装配人员与资源建模虚拟装配仿真应用 装 样虚 工 配 装机装装 虚 拟具 模 装装过 模 配 交配配拟装设 型配配程型 模 互工过 人配施 维性性核维 型 特 艺程 体动 设 护分演查护 建征规仿建 作 备 与析 一 不与与 立 建 划真模建建 管评验规管 k 理价证 程 理 且模模 生 成 5 ； | 集成的产品装配性信息模型 p j 气f 。， ? 。0t | ? y ? 。t ：，t ，：? ! 。 一ia 电一：， 1， 一- 峙? j ：in 多 产品数据管理系统( p d m ) 罄 r i ：i ”? ，i ? ? ii ，m 、t ?、if7 ，t ?：? * ? 日 ? ?t ，tm ； 图2 2 虚拟装配系统的结构框图 f i g 2 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f v i r t u a la s s e m b l ys y s t e m 装配人员与资源建模 虚拟装配人员与相关装配资源是虚拟装配仿真的另一个组成部分。人体建模为虚拟 装配场景提供一个满足运动学和动力学要求的逼真的虚拟装配人员。为了实现虚拟装配 拆装的过程，需要为其建立通用的装配动作模型。另外还有装配工具、设施设备等的建 模。这些模型是虚拟装配仿真系统中公共的组成部分，所以有必要对其进行独立的模型 管理与维护。 虚拟维修仿真应用 虚拟装配仿真的应用主要有以下几个方面：装配性分析评价，利用虚拟装配仿真 过程与结果进行装配性分析评价，如可达性、可视性、装配时间等； 装配性演示验证， 通过仿真，对装备的装配性设计要求( 通常为定性要求) 进行核查，以便验证装配性设 4 绪论 计是否达到设计要求，如可更换单元拆装是否方便，机构设计是否符合装配性设计原则 等；装配过程核查与规程生成，针对装备故障，利用虚拟装配仿真检查其装配过程是 否存在问题，将合理的装配过程输出，在此基础上生成装备的装配规程，进行发布。 以上三个功能单元均在集成化装配性信息模型支持下工作。该模型采用了一种层 次化多视图的结构，上层为抽象的概念模型，提供不同功能单元的信息存取机制；下层 为具体的几何模型及交户特征模型，对应于零部件的三维实体描述和交互过程描述。 2 1 5 虚拟装配中装配关系的定义及分判3 7 】 产品中零、部件的装配设计往往是通过相互之间的装配关系表现出来，因此，描述 产品零、部件之间装配关系是建立装配模型的关键。装配关系是零部件之间的相对位置 和配合关系，它反映零件之间的相互约束及相对运动。从不同的应用角度、，装配关系 有不同的分类。根据机械装配的有关知识，零件的装配关系不仅取决于零件本身的几何 特征，如轴孔配合有无倒角，还部分地取决于零件的非几何特征( 如零件的质量、精密 程度) 和装配操作的有关特征( 如零件的装配方向、装配方法以及装配力的大小等) ； 对特殊零部件如螺纹连接件，可采用直接连接等。 一般而言，产品零部件之间一般具有四类基本的装配关系：位置关系、配合关系、 连接关系、运动关系。 配合关系：专门用于描述产品零、部件之间配合关系的类型、代码和精度。配合关 系中包含有：配合特征几何元素一零件间的配合点、线、面称为零件的配合特征几何元 素； 配合类型：配合类型属性描述配合特征几何元素之间的联接类型包括间隙配合、过 渡配合、过盈配合等。根据零部件本身的几何特征，考虑零部件之间的约束关系，通过 对实际装配体设计的考察，可以概括出四类基本的几伺约束：贴合关系、对齐关系、定 向关系和插入关系。 连接关系：描述产品零、部件几何元素之间的直接连接关系，如螺钉连接、键连接 在占 守； 运动关系：描述产品零、部件之间的相对运动关系和传动关系，如绕轴旋转等。 2 1 6 虚拟装配和自动装配 ( 1 ) 自动装配设计 传统的自动装配设计是一种学习拆卸的方法，这种方法假设“如果你能拆卸一个零 件，你就能装配它，反之亦然 ，即用拆卸序列和路径的逆序列确定产品的装配序列和 路径。这种方法尽管能够根据某些产品装配模型产生可行的装配序列和路径，但它存在 5 大连交通大学r 学硕十学位论文 缺点：第一，对拆卸来说是最佳的方案并不代表对装配也是最佳的方案。第二，当产品 的结构较为复杂时，装配模型中的几何实体信息、三维几何配合约束信息、设计约束信 息都将急剧膨胀，不可避免地会导致装配规划的组合爆炸，甚至可能导致后续的装配序 列和路径规划难以完成【3 8 l 。 ( 2 ) 自动装配与虚拟装配的不同剧3 9 1 i 删 在自动装配设计系统中，用拆卸序列和路径的逆序列来确定产品的装配序列和 路径。而在虚拟装配设计系统中，工程师可以直接获得装配序列和路径。 在v a d e 中，用户将生成有价值的设计信息和进行决策分析，并将这些信息反 馈到c a d 建模系统。而自动装配设计只是探索一种适合机器人装配的装配序列和路径。 虚拟装配设计系统是一种学习、分析、评价并提高装配设计和操作过程的实际 工具：自动装配设计系统可被用来寻找一些可行的装配过程设计。 虚拟装配设计系统适合有人参加的复杂装配操作，不适合大量零件的配。自动 化装配设计系统适合有许多零件的装配模型，而装配操作比较简单，且通常由机器人完 成。 ( 3 ) 虚拟装配的意义【4 1 l 通过装配分析，技术人员可以在虚拟环境中对机构的各个零件进行运动分析。 这样无须付出昂贵的代价，就可以得到产品生产的可行性，从而降低费用。 用廉价的数字模型，设计人员可以从多方面对产品进行观察和分析，而得到重 要的结论，并预见生产和装配的问题，同时可节省实物样机的制造费用。 利用虚拟装配设计系统也能分析维修过程中的问题，可以考虑所需工具的安全 性、视线以及拆卸等，这样有利于提高产品的质量、可靠性等。 从设计到生产，更加周密的计划对减少材料和产品库存非常有利，降了产品成 本。 借助虚拟装配设计系统，设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工对设计的 机构进行检验，可以预见装配系统的完善性。这样将有效地缩短产计周期、减轻设计返 工的负担。 虚拟环境与c a d c a m 的集成有利于快速引入高级设计方法和技术。 2 2 装配建模 面向对象的建模方法是一种对应于真实世界概念的抽象思维方式，它按照问题领域 的基本事物实现自然分割，按人们通常的思维方式建立问题领域的模型。这样，从问题 6 绪论 空间到求解空间是一种自然的映射，相互间有着直接的对应关系。面向对象建模方法关 心的是系统涉及的对象及其相互间的联系，围绕组成问题领域的事物进行分析，将这些 对象进行一般化处理，抽象成类，建立类之间的关联，并确定多阶性。面向对象的建模 方法采用功能模型、对象模型和动态模型来建立系统模型。在实际应用中，面向对象建 模方法根据其抽象方向可分为自底向上方法、自顶向下方法和混合方法。自底向上方法 通过用户需求文档中的每个句子来建立对象模型或动态模型，具有强调可追踪性的优 点；自顶向下方法则通常使用判断从问题领域中选择重要信息，抽象出需求模型，然后 再对其进行细化，最后得出比较详细的系统模型。在实际中，单独采用自顶向下方法或 自底向上方法都是比较困难的，因而往往是把两种方法结合起来使用，即混合方法。 2 2 1 基本装配建模元素 产品装配模型主要描述产品零、部件之间的层次关系、装配关系以及不同层次装配 体中的装配设计参数的约束和传递关系。 ( 1 ) 层次关系：产品的零、部件之间的关系是有层次的。一个产品可以分解成若干 模块和若干零件，一个模块又可以进一步分解成若干部件和若干零件。这种层次关系可 以直观地表示成配置表或装配树。 ( 2 ) 装配关系：产品中零、部件的装配设计往往是通过相互之间的装配关系表现出 来的，零、部件之间装配关系是建立装配模型的关键，产品零、部件之间的装配关系主 要分为以下四类： 位置关系描述产品中两个零、部件几何元素之间的相对位置关系，如贴合 ( m a t e ，m a t eo f f s e t ) 、对齐( a l i g n ，a l i g no f