（机械制造及其自动化专业论文）基于delmia的虚拟装配技术研究及其在led分拣机中的应用.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于d e l mla 的虚拟装配技术研究 及其在l e d 分拣机中的应用 摘要 在现代的工业制造业中，装配设计是产品设计过程的重要环节， 也是产品获得整体性能的最后环节，虚拟装配为解决产品的装配问题 提供了新的低成本的快速手段，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了 广泛的应用。在此基础上，本文对虚拟装配技术进行了研究，并应用 到l e d 分拣机的装配过程中。 首先，通过分析零件加工过程中存在的误差现象及零件装配过程 中存在的过盈现象与可拓学中左、右侧距关联函数间的联系，本文建 立了几种典型联接方式的关联函数表达式，并以此为据提出了一种新 的模块划分方法，实现了l e d 分拣机传动测试部分模块的划分。 其次，本文利用粒子群智能优化算法进行了装配模块的序列规 划，采用整数编码方法对装配零部件进行了编码，结合装配体的稳定 性分析、零部件间的联接函数值及装配序列的可行性判断三个方面建 立目标函数，并根据算法的规划结果在d e l m i a 软件中实现虚拟装 配，模拟各模块的装配过程。 然后，简单介绍了可拓学的五种基本变换，通过分析干涉现象产 生的原因将可拓变换分为零件设计的物元变换、装配序列的换位变换 和模块划分的增删变换三种，提出了装配干涉问题的可拓变换方法， 浙江工业大学硕士学位论文 给出了变换过程。 最后，在d e l m i a 环境中，对l e d 分拣机进行了整机装配的仿 真，并用影片文件格式记录了装配过程，实现了可视化装配，得到了 切实可行的结果。 关键字：虚拟装配，关联函数，装配序列规划，干涉解决，d e l m i a 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c hi nv l r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y b a s e d o nd e l m i aa n dt h ea p p l i c a t l 0 n i nl e ds o r t l n gm a c h l n e a b s t r a c t i nm o d e mi n d u s t r i a l i z a t i o n ，a s s e m b l yi sa ni m p o r t a n t s t a g e i n p r o d u c td e s i g n ，a n daf i n a ls t a g et og e tb e t t e rp r o d u c tq u a l i t y v i r t u a l a s s e m b l yp r o v i d e san e wl o w c o s t ，q u i c km e a n st os o l v et h ep r o b l e mo f p r o d u c ta s s e m b l y ，s oi tc a nb ew i d e l yu s e di nv i r t u a lt e c h n o l o g yf ie l da n d s i m u l a t i o nf i e l d b e c a u s eo ft h a t ，v i r t u a l a s s e m b l yt e c h n o l o g y i s r e s e a r c h e d ，a n da p p l i e di nl e ds o r t i n gm a c h i n e f i r s t l y ，i t sk n o w nt h a tt h e r ee x i s t se r r o ri np r o d u c t i o np r o c e s sa n d i n t e r f e r e n c e f i t t i n g i n a s s e m b l yp r o c e s s t h ec o e l a t i o n f u n c t i o no f s e v e r a lt y p i c a lc o n n e c t i n gw a y si se s t a b l i s h e di nt h ep a p e rb yr e v e a l i n g t h ei n t r i n s i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w op h e n o m e n aa n dl e f t ( r i g h t ) s i d e - d i s t a n c ec o r r e l a t i o nf u n c t i o ni ne x t e n s i o nt h e o r y b a s e do nt h a t ，a n e wm o d u l a rd i v i s i o nm e t h o di s p r o p o s e d a n d p u tu s e d i n t ot h e d r i v e t e s t i n go fl e ds o r t i n gm a c h i n e s e c o n d l y ，t h ea s s e m b l ys e q u e n c eo ft h em o d u l ei sp l a n n e db y p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) ，a n dt h ec o m p o n e n t sa r ee n c o d e d t h r o u g hi n t e g e rc o d i n g t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sc o n s t r u c t e dw i t ht h e a s s e m b l ys t a b i l i t y ，t h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o nb e t w e e np a r t s ，a n dt h e 浙江工业大学硕士学位论文 a s s e m b l ys e q u e n c ef e a s i b i l i t y t h ep s op l a n n i n gr e s u l ti sf e a s i b l et e s t e d b yt h es i m u l a t i o no fa s s e m b l yp r o c e s s e so f e a c hm o d u l ei nd e l m i a t h i r d l y ，t h ef i v e b a s i ce x t e n s i o n t r a n s f o r m a t i o n sa r ep r e s e n t e d s i m p l y b a s e do ft h er e a s o n s t h a tb r i n gt h ei n t e r f e r e n c e s ，t r a n s f o r m a t i o n s a r ec l a s s i f i e di n t ot h r e ek i n d s ：t h em a t t e r e l e m e n tt r a n s f o r m a t i o no fp a r t d e s i g n ，t h et r a n s p o s i t i o n o fa s s e m b l y s e q u e n c e ，a n dt h e a d d d e l e t e t r a n s f o r m a t i o no fm o d u l a rd i v i s i o n t h e nt r a n s f o r m a t i o nm e a n sa n d p r o c e s s e so fe x t e n s i o na r ep r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fa s s e m b l y i n t e r f e r e n c e f i n a l l y ，t h ea s s e m b l yp r o c e s so ft h ew h o l el e ds o r t i n gm a c h i n ei s s i m u l a t e di nd e l m i a ，a n dr e c o r d e db ym u l t i m e d i af o r m a t s ot h ev i s i b l e a s s e m b l y i sr e a l i z e d r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h e f e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d k e yw o r d s ：v i r t u a l a s s e m b l y ，c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，a s s e m b l y s e q u e n c ep l a n n i n g ，i n t e r f e r e n c er e s o l u t i o n ，d e l m i a 浙江工业大学硕士学位论文 足= ( n ，c ，v ) n c v 4 = ( d ，h ，甜) 胙( s ，口，z ) k ( x ) p ( x ，x o ) d ( j ，凰，z ) p ，( 工，凰，彳) p ，( 了，知，x ) 9 k ( x ) m 驴【啪n 。n 砌 f ( s ) r t f = r t 1 f = f o f l t 2 f = f e f i t r = d c t f = f l ，f 2 ，n ) t f 宰= r ，r 毒) 符号说明 物元 事物的名称 事物的特征 相应于特征的量值 事元 关系元 联接方式的关联函数 点x 与区间之距 点x 与凰的区间套位置关系 x 关于点和区间x 的左侧距 x 关于点和区间x 的右侧距 装配难易程度 零件间的联接函数 联接件的数量 几何约束矩阵( d = + x 、+ l ，、+ z ，n 为零件总数) 装配序列的联接次数 装配方向最小改变次数 粒子群算法的目标函数 可拓变换类型 置换变换 增加变换 删减变换 扩缩变换 分解变换 复制变换 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 唧錾 日期：如。释r 月 o 日 u ) 学位论文版权使用授权 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 。 研弼日期乃以年，月；o 日 日期：年月日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 目前，全球化市场竞争和经济竞争是世界各国竞争发展的焦点和世界发展的 重要推动力。对制造业而言，每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球 化市场竞争，竞争的核心是以知识为基础的新产品的竞争。随着计算机在设计中 的应用发展，以计算机技术、仿真技术和信息技术为支撑的虚拟产品设计，使新 产品开发的设计与制造流程向着数字化、集成化的方向发展。 在产品开发设计的过程中，装配设计是重要环节，也是产品获得整体性能的 最后环节。据统计，在工业化国家1 0 - 3 0 的人力从事有关装配的活动，装配工 作量占整个产品生产工作量的2 0 7 0 ，平均百分比为4 5 ，装配时间占整个产 品制造时间的4 0 - 6 0 ，装配费用占制造总费用的2 0 3 0 ，在装配中发生问题， 会增加5 0 的费用【。所以，如何提高装配质量和装配效率，降低装配成本是企业 所面临的重要问题。 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 技术为解决产品的装配问题提供了新的低 成本的快速手段。它通过计算机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评 价和预测产品模型，做出与装配相关的工程决策，不需要实际产品作支持，在虚 拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。 虚拟装配采用虚拟现实技术，在虚拟环境中结合工具工装模型、人体空间运 动模型进行预装配和装配性能分析与评价，对不合理的结构进行改进，完成装配 方案和装配计划的优选，确定装配方案后，在虚拟环境中进行装配人员培训，最 后进行实际装配。采用虚拟装配技术可以缩短产品研制开发周期、降低产品开发 成本，具有重要的理论意义和广阔的应用前景【船。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 虚拟装配技术研究现状 虚拟装配是虚拟现实技术在设计与制造领域的重要应用之一。虚拟装配的实 现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生 产所出现的诸如设计不合理和装配干涉等技术问题，以达到缩短产品开发周期、 降低生产成本以及优化产品性能等目的，虚拟装配技术因此越来越受到许多国家 的高度重视，成为当前国内外研究的热点之一。 1 2 1 基本概念 迄今为止，国内外许多学者从不同的角度阐述了自己对虚拟装配的理解。归 纳起来有代表性的主要有以下三个： ( 1 ) 虚拟装配 3 1 是利用计算机工具，而不需要产品或者支持过程的物理实现， 通过分析、预建模、可视化以及数据表示等进行或者辅助进行装配相关的工程决 策。该定义侧重于从整体上描述虚拟装配，是现在能够被广泛接受的一个定义。 ( 2 ) 虚拟装配【4 】是在虚拟环境中使用虚拟现实交互方式( 如直接操作和自然 语言命令) 构建虚拟产品原型。与传统c a d 的装配相比，虚拟装配的重点在于直 观的人机交互，并基于这样一个思想，即在虚拟环境中，应当通过直接操作零件 和自然语言命令从而直接完成装配操作。这一定义侧重于从具体的表现形式上刻 画虚拟装配。 ( 3 ) 虚拟装配【5 】是指利用虚拟现实技术、计算机图形学、人工智能技术和仿 真技术等构造虚拟环境以及产品虚拟模型，从而在产品装配过程中进行交互分析 以及仿真产品装配过程和装配结果。它不仅能够检验、评价以及预测产品的可装 配性，并且能够面向装配过程提供直观的、经济合理的规划方法。这个定义侧重于 从技术层面刻画虚拟装配及其相关功能。 1 2 2 虚拟装配的关键技术 ( 1 ) 零部件建模以及数据交换与集成技术 在虚拟装配系统中，为了减少计算量提高实时性，零件实体通常通过简化的 多边形面片模型来描述。采用三角形面片模型进行零件信息的表达能够减少计算 浙江工业大学硕士学位论文 量，提高虚拟装配系统的实时性；为虚拟装配系统处理异构c a d 系统的零件对 象提供了可能。但与此同时，采用三角形面片模型进行零件表达也带来了许多问 题，如损失了精确几何信息与拓扑信息以及大量工程设计信息等问题。 从虚拟装配技术发展以来，这方面所做的研究主要有：刘振宇等人【6 】提出了 将虚拟装配中的产品属性与行为信息分为产品层、特征层、几何拓扑层以及显示 层方法，通过产品层次信息模型中的数据映射与约束映射，实现产品信息的层次 间关联。y o n gw a n g 等人【7 】提出虚拟装配中基于物理属性建模( p h y s i c a l l yb a s e d m o d e l i n g ) ，他们把基于物理属性建模与约束运动仿真相结合，建立虚拟装配系统 中单纯化的基于物理属性的模型。万华根等【8 l 提出了将虚拟设计与虚拟装配环境 集成，开发了虚拟设计与虚拟装配系统v d v a s ( v i r t u a ld e s i g na n dv i r t u a l a s s e m b l ys y s t e m ) ，可以直接在虚拟设计与虚拟装配集成环境中修改零件设计。 ( 2 ) 装配模型表达 国外学者对产品装配模型进行了深入的研究，提出了对装配体静态结构进行 描述的图结构模型、树表达的层次结构模型和基于虚链结构的混合模型。 图结构模型是以图的形式描述装配体中各种不同实体间的相互关系，以 b o u l j a u l t 的连接图模型【9 】为代表。图结构模型的特点是关系表达比较直观，但与 产品的实际结构不一致，不能表达零件间的层次关系。 层次模型【lo 】是根据零部件的层次关系以树的形式表达装配并组织产品，能体 现设计意图和产品结构，但各零件之间的装配关系的描述不够直观。如姚瑶【1 l 】提 出的基于架构的动态装配模型等。 虚拟链模型【1 2 】结合了图结构模型和层次模型的优点，以层次模型为基础，各 子装配级别的零件间的装配关系通过虚拟链表达，这种表示结构的缺点是一致性 维护比较困难。白山、程成【1 3 】总结出装配结构的聚合关系和约束依赖关系，通过 时序关系的构造来反映交互的过程，由此表达装配体模型。张帆等【1 4 】提出基于 x m l 的可重构装配模型，在装配模型数据存取机制以及开放性方面有所进展。 ( 3 ) 装配工艺规划技术 装配工艺规划技术包括装配序列规划与装配路径规划，它是虚拟装配技术中 的重要内容。长期以来，国内外许多学者在装配工艺规划方面做出了大量的研究， 将在1 3 节中详细介绍。 ( 4 ) 干涉碰撞检测技术 浙江工业大学硕士学位论文 虚拟环境中的几何模型都是由成千上万的基本几何元素( 通常为多边形而片) 构成的，具有比较高的几何复杂性。精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性， 增强虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用。该项技术在1 4 节中进行详细的介 绍。 ( 5 ) 装配评价与验证技术 装配评价涉及到的内容比较多，主要包括可装配拆卸性评价、装配结果评价 以及与装配相关的人机工程学分析等内容。其首要任务是零部件的可装配性评价， 验证零部件设计的合理性。现有的虚拟装配研究都实现了装配过程仿真，在零部 件装配仿真过程中可以通过人机交互实现可装配性评价。 单鸿波等人【1 5 】采用j a v a 和w e b 技术建立了w r e bd f a 原型系统，通过获取零 部件的三维几何信息和对零部件的定性描述信息，可以得到整个产品的估计装配 时间和装配成本，进一步估算装配效率，提供了产品装配分析和评价手段。宋丽 萍等人【l6 】提出了应用虚拟现实技术解决装配序列规划问题的方法，确定了零件重 量、装配时间、装配稳定性和装配过程难度等面向手工装配的评价指标。俞斌、 刘继红等1 1 刀提出一种以定性的位置和形状为基本信息的可装配拆卸性分析方法， 并通过分析零件的可移动性和移动方向，进行零件的装配拆卸性分析。 1 3 虚拟装配序列规划技术研究进展 虚拟装配规划技术是现实中装配规划技术的仿真和优化过程。产品装配体中 的零部件之间存在装配操作的先后顺序，装配体中所有零件的装配序列形成产品 的装配序列规划。装配序列规划是虚拟装配研究的前提，是产品装配工艺信息的 载体，是对装配工艺进行分析和评价的基础。装配顺序的好坏直接影响到产品装 配的操作难度、操作时间、工夹具数目、劳动强度等。 目前，对装配序列规划的方法研究主要有以下几类： ( 1 ) 优先关系集方法 在8 0 年代初，b o 删a u l t 1 8 】在装配序列规划方面进行了开拓性的研究，提出了优 先关系集方法，即用关联图模型描述零件之间的装配关系，通过人机交互的方法 产生优先关系，根据规划者的回答结果推导装配关联图连接关系之间的优先关系 集，最后依据这些优先关系生成该产品的合理装配序列。w h i t n e y 等人【1 9 】改进了 浙江工业大学硕士学位论文 b o u r j a u l t 的方法，降低了人机交互的次数。随后h o m e md em e l l o 等人【2 0 】引入了 割集分析方法，并提出使用与或图表达所有可能的装配分解方式，然后通过搜索 与或图生成所有可行的装配序列。z h o u ，x m 等【2 1 】通过零部件间的装配关系模型和 装配工艺模型，建立了自动进行序列规划的装配系统，并举例验证了该方法的可 行性。w e n c h i nc h e n 2 z l 等运用神经网络的三步集成法对装配序列进行了规划。 韩水华f 2 3 】提出与或图表达装配体拆卸序列解空间，通过求解拆卸序列与或图 的解空间，得到装配体的拆卸序列，将拆卸序列反向得到装配序列。付宜利、田 立中f 2 4 】提出了利用有向割集分解生成装配序列的方法，进一步减少了生成序列的 数量，使得这类方法能够规划的零件数量得到进一步提高。 基于装配优先顺序直接求解方法的最大困难在于装配优先关系的获取，采用 人工交互方式，工作量大，对操作人员要求很高，且容易出错。因此，利用装配 连接图自动产生装配序列逐渐成为研究的热点。由于采用装配优先顺序来求解装 配序列非常的困难，目前国内基本上没有这方面的研究。 ( 2 ) 智能优化算法 随着计算机技术的发展，各种智能优化算法也得到了快速发展，如遗传算法、 蚁群算法、模拟退火算法等，它们的出现为解决n p 困难问题提供了一条新的途径。 有的学者借鉴了这些算法解决其他组合优化问题的思路，将它们应用到装配序列 规划之中。 b l a z z e r i n i 等【2 6 1 将遗传算法用于装配序列规划，以装配序列所需工具更换次 数最少、重定位次数最少以及相似装配操作连续执行作为优化目标，将这些规划 目标同装配序列一同编入染色体，然后利用交叉、变异等算子让种群进行随机进 化，根据适应值进行优胜劣汰，求取近似最优的装配序列。d s h o n g ，h s c h o 等口7 】利用模拟退火算法进行了装配序列规划的研究，他们以满足装配连通性作为 约束条件，以稳定性、最小重定位次数作为优化目标。约束条件和优化目标都被 计入能量方程，以一个随机产生的装配序歹l j 开始，随机挑选两个零件进行交换作 为算法的邻域搜索策略，利用b o l t z m a n n 分布决定随机搜索结果的取舍。宁黎华、 古天龙【2 8 】给出了一种解决装配序列规划问题的遗传和蚂蚁混合算法，利用蚂蚁的 每一次周游，快速生成问题的一组可行解，用遗传算法对得到的可行解进行快速 优化，并根据优化解的质量，生成路径上的信息素分布，以加速蚂蚁最优路径上 信息素的积累。此外，宁黎华1 2 9 还针对装配序列规划问题提出了一种模拟生物免 浙江工业大学硕士学位论文 疫系统的免疫算法，充分体现了免疫系统的多样性、免疫自我调节、免疫记忆和 分布式并行等特点。 从以上的分析可以看出，不论是优先约束方法还是基于割集理论方法都具有 一个巨大的可行装配序列搜索与评价空间，搜索效率低，对于具有复杂产品结构 的复杂装配体则无能为力，这正是这些方法的致命弱点1 2 5 1 。由于装配序列的搜索 与优化可以被看作是一个难以确定的描述性的组合( 所有可能的装配序列的集合) 优化问题，而智能优化算法，如遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h ms o l u t i o n ，g a s ) ，在解 决n p h a r d 问题方面十分有效。因此，应用优化算法来解决上述优化问题的研究逐 渐受到了重视。 ( 3 ) 专家系统法 运用专家系统进行装配序列规划的研究开展也比较早，比较典型的有：h k t o n s h o f f 3 0 1 利用启发规则生成装配序列及h e e m s k e r k 【3 l 】等人利用成组技术生成 装配序列，k a i h s i n gc h a n g 、w g w e e 和周西苓等【3 2 j 【3 3 】使用专家系统进行装配 序列规划方法。但如何建立完备的装配工艺知识库和专家系统是个关键问题，这 一类方法目前基本上只适用于特定结构的产品，如回转类组件、轴类产品或单自 由度产品，具有较大的局限性。 ( 4 ) 虚拟装配系统开发 由于自动装配序列规划在解决装配序列规划问题上具有先天的不足之处，研 究人员提出了采用v r 技术构建虚拟装配环境来进行装配序列规划，在虚拟装配环 境中，设计者可以像操作真实的零件一样对虚拟零件进行装配操作，构建产品模 型，进行产品规划，检查装配规程中的干涉情况，验证与分析产品的装配性能， 从而提高产品装配的一次成功率。因此，虚拟装配规划得到了国内外广泛而深入 的研究。 德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所( i a o ) 较早地进行了基于v r 的装配规划系 统的研究与开发【3 4 】。系统通过虚拟人体模型在虚拟环境中进行装配操作，交互地 装配和拆卸。在用户交互的基础上产生装配前趋图，进行装配时间与成本分析。 美国华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所n i s t 合作开发的虚拟装配设计 环境( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ，v a d e ) 是一个具有代表性的虚拟装配 系纠3 5 】【3 6 1 。j a y a r a m 等通过构建用于装配规划和评价的虚拟装配环境来探索在产品 设计装配过程中，应用v r 技术的可能性。 6 浙江工业大学硕士学位论文 德 b i e l e f e l d 大学j u n g 等1 3 7 】致力于将v r 交互技术与人工智能技术的结合， 开发了基于知识的虚拟装配系统c o d y 虚拟构造器( v i r t u a lc o n s t r u c t o r ) 。美国 亚利桑那州州立大学的n o n gy e 等对v r 技术对装配规划的支持能力进行了深入的 研究删。他们分别建立了传统工程环境( t r a d i t i o n a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，t e ) 、 非沉浸v r 环境( n oi m m e r s i v ed e s k t o pv r ，n d v r ) 和沉浸式虚拟环境( c a v e ) 。 国内学者也在虚拟装配及相关领域进行了卓有成效的研究。清华大学的自动 化系c i m s 研究中心的曾理等【3 9 1 自主开发了虚拟装配支持系统( v i r t u a la s s e m b l y s u p p o r ts y s t e m ，v a s s ) ，对系统的关键技术，如装配模型、装配序列规划、干涉 检查等进行了研究，目前该系统已经在实践中得到了实际的应用。 田丰【4 0 j 构建了面向虚拟装配的交互平台( v i r t u a la s s e m b l yt o o l k i t ，v a t ) 。 v a t 定义和封装了在装配领域中常用的三维交互原语，提供了原语的解释器、相 应的语义处理函数、装配限制机制和碰撞检测功能。 东南大学的殷晨波等【4 l 】也对在虚拟装配环境中的装配序列规划进行了研究。 他们提出了装配规划的总体结构，引入装配自由度的概念，设计了装配可行性分 析算法，将该算法与基于知识的方法有机地结合起来，得到了较完整的装配序列 的生成方法。 1 4 干涉检测技术的研究现状 干涉检测是虚拟装配的重要组成部分，也是虚拟装配研究的关键技术和重要 内容。近十年来国内外学者对虚拟环境下的碰撞检测进行了深入的研究，并做了 大量富有成效的工作，提出了层次包围盒法和空间分解法等两类主流碰撞检测算 法【4 2 1 。 层次包容盒法是当前比较通用的方法，这种方法通过使用体积略大但几何特 性简单的包容盒来近似描述复杂的几何对象，通过对包容盒间的相交测试来进行 几何对象的碰撞检测，这种方法比较典型的例子有轴向层次包容盒a a b b ，方向层 次包容盒o b b 等。国内张建民等【4 3 】在基于包容盒层次的碰撞检测基础上引入了多 感知机制和组件技术，通过对虚拟场景中不同的装配情景和装配阶段进行分析， 采用层次检测思想，实现了快速检测。刘检华等m 】提出了面向虚拟装配的分层精 确碰撞检测算法。张林煊，童秉枢等【4 5 】采用干涉检查的分级递进，共分“包容盒 浙江工业人学硕士学位论文 级、半包容盒级、精确实体级”三个级别的干涉检查模式，由粗到精地进行路径 可行性检验，能在很大程度上提高干涉检查效率。 空间分解法是将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元立方体，只对占据了 同一单元立方体的几何对象进行碰撞检测，k d 树、八叉树、b s p 树等是这种方 法比较有代表性的例子。m o o r e ，w i l h e l e m s l 4 6 l 根据c y r u sb e c k 裁剪算法提出一种凸 多面体碰撞检查算法，即通过检测多面体顶点是否相互包含来判定它们是否发生 碰撞，对于凹多面体则分解为多个凸多面体来处理。任世军等人【4 7 】提出一种判断 两个凸多面体是否相交的一种快速算法。其思想是取一种从一个多面体指向另一 个多面体的向量，根据两个多面体中的面与这一向量的相对位置关系来寻找相交 的平面，即有两个多面体的交点位于这一平面，若能找到一个相交平面则可以判 定两个多面体相交。 综合国内外的研究内容和研究方法，干涉检查的关键技术是如何提高效率， 减少计算量。现存的大部分方法目的是在特殊情况下减少计算时间。在实际应用 中很多建议的方法并没有足够的快。实际上，干涉检查通用的分析非常复杂，因 为这种分析本身只适用于一些特殊的场合。 1 5 装配模块划分技术介绍 模块就是可组合成系统的、具有某种功能和接口结构的、典型的通用独立单 元。模块的分类如下：按外在表现形式可分为硬件模块和软件模块；按互换性特 征可分为功能模块、( 机械) 结构模块和单元模块；按在系统中的层次可分为一级 模块、二级模块、三级模块等。在复杂产品的装配规划中，通常将产品划分为各 级模块( 也叫子装配体) ，以便高效地组织装配生产。 目前模块划分方法主要包括三类：一类是功能分析法【4 8 】【4 9 1 ，即根据产品的子 功能及其相互间的关系来划分设计模块，强调模块的功能独立性，一般用于需求 分析和概念设计阶段；另一类是零部件分析法【5 0 1 ，即根据产品的零部件及其相互 之间的依赖关系来划分模块，考虑模块的几何和物理独立性，更多应用在一般工 业产品族设计中；还有一类是物理流分析法，即零部件之间存在着能量流、信息 流或物料流的传递等物理关系【5 1 】。 装配模块划分结构的优化【5 2 】：第一种是自底而上的生成测试( g e n e r a t i o na n d 浙江工业大学硕t 学位论文 t e s t ) 方法，主要指从某一设计组件出发，通过与其他组件的装配，生成若干候选 装配件，它们都将满足结构约束。然而生成的候选解决方案的复杂性取决于联接 件之间的装配关系。所以这种方法只适合应用在联接件较少和装配关系不太复杂 的情况。 第二种是自顶而下的混合策略方法( m i x e ds t r a t e g y ) ，这种方法首先选择能够 满足功能需求的一系列组件，并把它们划分到相应的子集中。然后通过一些干涉 检查或装配模拟来确认这些子集能否装配到一起。 本文参照第二种方法，主要针对产品装配过程中的结构相关性展开模块划 分，然后通过应用可拓关联函数方法计算零部件间的联接紧密程度，依据各联接 关系的关联函数值的大小，把总装配体划分成若干个模块，从而实现复杂产品的 便捷装配。 1 6 本文的课题来源及主要研究内容 本论文的研究受到浙江省重点科研工业项目“全自动大功率l e d 分光分色机 研制”( 2 0 0 5 c 2 1 0 9 0 ) 的资助。 目前l e d 灯具在照明领域异军突起，用途日益广泛，已经抢占了汽车电子、 室外装饰等一系列的市场。l e d 分拣机作为对l e d 的光、电参数进行检测的专 用仪器，其各种性能和工作效率就变得极其重要。针对这一现状，本文对l e d 分 拣机的虚拟装配技术进行了研究，提出了一种基于可拓逻辑的l e d 分拣机的虚拟 装配方法。以可拓关联函数知识为基础，将l e d 分拣机的所有组成零件划分成若 干个装配模块，然后利用粒子群智能优化算法对各个模块进行装配序列规划，在 装配过程中出现的干涉问题采用可拓变换知识进行更改消除。 本论文共有六章，各章的关系如图1 1 所示： 第一章绪论 说明了本文的研究背景和意义，简要介绍了虚拟装配技术的基本概念及关键 技术，深入分析了装配序列规划技术的研究现状及各种规划方法，介绍了干涉检 测处理技术及装配模块划分技术的方法，并在此基础上提出了本论文的主要研究 内容。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基于可拓关联函数的l e d 分拣机虚拟装配建模 本章引入了可拓理论的相关概念，建立了l e d 分拣机零部件的基元模型，分 析了分拣机零件问的配合关系和联接关系，结合可拓理论中左、右侧距关联函数 的建立方法，建立了典型联接方式之间的关联函数式，由此计算出各零部件间的 联接函数值，参照绘制出的l e d 分拣机传动测试部分的联接图模型，实现了装配 模块的划分。 第一章绪论 上、r上 第二章第三章 第四章 基于可拓关联函数的 l e d 分拣机装配序列规划基于可拓变换的 l e d 分拣机虚拟装配建模的粒子群求解方法干涉解决方法分析 1r 第五章 基于d e l m i a 的l e d 分拣机 整机虚拟装配实现 上 第六章总结与展望 图l - 1 论文的体系结构 第三章l e d 分拣机装配序列规划的粒子群求解方法 本章对粒子群算法的基本理论及特点做了简单的介绍，运用算法的整数编码 方法对装配零部件进行了编码，并根据装配体的稳定性分析、零部件间的联接函 数值计算及装配序列的可行性判断三个方面建立目标函数，对装配序列进行了规 划，并在d e l m i a 软件中根据得出的装配序列进行了仿真，证明了规划结果的合 理可行性。 第四章基于可拓变换的干涉解决方法分析 本章简单介绍了可拓变换的基本概念，分析了产生干涉现象的三种主要原因， 并根据原因将可拓变换分成了零件设计的物元变换、装配序列的换位变换和模块 化分的增删变换三种，最后通过l e d 分拣机模型中的实例验证了方法的可行性。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 第五章基于d e l m i a 的l e d 分拣机整机虚拟装配实现 本章首先对d e l m i a 软件做了简单的全面的介绍，然后对l e d 分拣机的用 途及结构组成做了说明，按照模块划分的结果装配完成了各个模块，最后实现了 整个分拣机模型的装配。通过d e l m i a 软件的干涉检测功能进行检查，对存在的 干涉现象进行了分析，零部件间的正常干涉现象不需处理，对其他的干涉现象进 行了可拓变换，以便消除这些现象。装配仿真的结果证明了本文所用方法的正确 可行。 第六章总结与展望 对本文的工作进行了系统的总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基于可拓关联函数的l e d 分拣机虚拟装配建模 2 1 可拓知识相关简介 可拓学是由我国著名学者蔡文提出的物元分析法，是经过广大科技工作者2 0 多年的研究而发展起来的一门新兴的学科。近年来，对可拓学的研究己逐渐从单 一的理论研究转移到应用研究，并取得了相当的成果。杨春燕教授将可拓学引入 产品创新设计，提出了三个创造法。赵燕伟教授将可拓学理论引入机械产品的概 念设计，有效的利用了可拓学中的菱形思维方法，系统的研究了基于可拓的机械 产品概念设计，使概念设计更加接近人类专家的创造性设计过程。可拓学理论为 新型智能系统中创造性思维的产生提出了一条全新的研究途径。 可拓学是研究事物的可拓性以及开拓的规律与方法，并用以解决矛盾问题的 学科，它把客观世界看成是一个物元世界，引入了物元的概念，以定性和定量相 结合的方法来综合考虑事物的量变和质变，把处理客观世界的矛盾问题看成是处 理物元之间的关系问题。 2 1 ，1 基元介绍 在可拓学中，建立了以物元、事元和关系元为基元【5 3 1 的形式化描述体系，物 元尺= ( ，c ，v ) ，事元彳= p ，h ，“) 和关系元日= g ，口，z ) ，就构成描述千变万化的大 干世界的基本元，统称为可拓元。它们可以简洁地描述客观世界中的事和物，也 可以为计算机所接受。基于这种表示体系来描述信息、知识和问题等的模型，称 为可拓模型。可拓模型把世界看成一个物元网。事元看成物元网中物元的相互作 用。关系元实质上是物元和物元，物元和事元，事元和事元之间的相互联接。可 拓模型不仅描述了事物的数量关系，还考虑事物的质的方面。 ( 1 ) 物元 设给定事物的名称，它关于特征c 的量值为1 ，以有序三元组 浙江工业大学硕士学位论文 r = ，c ，v ) ( 2 - 1 ) 作为描述事物的基本元，简称为物元。事物的名称朋特征c 和量值y 称为 物元的三要素。 一个事物可以有多个特征，如果事物以刀个特征c 。，c ：，c 。及其相应的量 值y ，1 ，：，v 。描述，则表示为 r = n ，c l ，v l c 2 ，v 2 c ，v 月 r l r 2 r 。 ( 2 - 2 ) 称r 为胛维物元，其中r = ( ，c ，) ( f = 1 ，2 ，n ) 称f f 9r 的分物元。 ( 2 ) 事元 物与物的相互作用称为事，事以事元来描述。 把动词、动词的特征名及相应的量值构成的有序三元组作为描述事的基本元， 称为一维事元，记作a = 0 ，h ，“) 。 对动词而言，它的基本特征名有：支配对象、施动对象、接受对象、时间、 地点、程度、方式、工具。 在事元a = p ，h ，“) 中，若d 和”是参数f 的函数，则称a 为参变量事元，记 作 么( f ) = p ( f ) ，办，钍o ) ) ( 2 3 ) 在事元概念中，“o ) = 庇p ( f ) ) = “p o ) ，办) 反映了动作和量值的关系。为书写方 便，在不致引起混淆的情况下，记为甜= 力p ) 。 在事元4 = p 。，“。) 中，若甜。= a ：= 0 ：，h ：，“：) ，则称么。= 瓴，啊，：) 为复合 事元。 在物元尺= ( ，c ，v ) 中，若n = a = p ，h ，甜】，则称r = 0 ，h ，“) = r 0 ) 为物事元。 类似地，如果事元彳= 0 ，h ，“) 中，”= r = ( ，c ，v ) ，则称彳= p ，h ，r ) = 彳伍) 为事物 元。 ( 3 ) 关系元 为了描述物与物，事与事的关系引进了关系元。 以关系前项j ，关系词或关系符e ( 简称关系名) 和关系后项z 构成的有序三 浙江工业大学硕士学位论文 元组 h = s ，e ，z )( 2 4 ) 作为描述关系的基本元，称为关系元。 例如，关系元 h l = ( 齿轮副，c ，传动副) 表示“齿轮副为传动副所包含 或“齿轮副是传动副”，其中“c 是被包含符， 表示被包含关系。 聆维关系元 以关系前项j ，n 个关系名e i , e ：，e 。和相应的关系后项 z 1 ，z 2 ，z 。构成的n 维阵列 作 z l z 2 z 打 = g ，e ，z ) = 日 ( 2 5 ) 来描述s 的n 个关系，称为，z 维关系元，其中 e= z = 在关系元日= g ，p ，z ) 中，若j 和z 是某参数f 的函数，称为参变量关系元，记 h o ) = g o ) ，p ，z o ) ) ( 2 - 6 ) 在h = g ，e ，z ) 中，若s = h = g ，e ，z ) ，称日= 。，e ，z ) 为复合关系元。 2 1 2 左( 右) 侧距关联函数 在可拓集合中，建立了关联函数酬的概念。通过关联函数值可以定量地描述 论域u 中任何元素属于正域、负域和零界三个域中的哪一个，就是属于同一个域 中的元素也可以由关联函数值的大小区分出不同的层次。 ) = 蚓 p 7 ) 式中x 。cx 为实数域，p ( x ，托) 为点x 与区间x 。= ( 口，6 ) 之距；d ( x ，x 。，x ) 表 印吃 j 浙江工业大学硕士学位论文 示x 八a w 于区间x 。和x 组成的区间套位置关系；当局和x 取相同的区间时，k ( x ) 在( 0 ，1 ) 间取值，这时的关联函数表征着x 与标准取值区间的关联程度。 关联函数值表示关联程度的大小，本文将左右侧距关联函数值定义为零件联 接关系中的紧密程度。在产品设计中，有很多最合适的量值位置不是在合格区间 弱的中点。例如，要求装配产品完成的时间范围为7 8 小时，而7 小时是最好的。 计算某机械零件的成本时，预定在3 8 元5 6 元之间，以3 8 元为最优。再如，热 水器提供水温合格范围为 ，而人感到最适宜的是4 4 。c 。对于这类最 优点不在区间的中点的现象，计算k ( x ) 时就必须使用“左侧距”( 式2 8 ) 和“右侧距”( 式2 9 ) 这两个概念。 定义1 ：( 左侧距) 给定区间x = ( 口，b ) ，若x o = ( a ，( a + b ) 2 ) ，称 p = a x ， x 口 x - - b ， x x o b - x o ( x 一口) ，口 x a 一而 为x 关于点j c 0 和区间x 的左侧距；记为岛( x ，x 。，x ) 。 定义2 ：( 右侧距) 给定区间x = ( 口，b ) ，若= ( ( a + b ) 2 ，b ) ，称 p = a x ， x x b x o x b 为x 关