（机械制造及其自动化专业论文）虚拟维修的模拟仿真.pdf

摘要基于虚拟现实技术的虚拟维修系统，改变了传统维修中单一的现场作业方式。它是在虚拟现实的环境下，用虚拟技术解决产品故障的一种维修方式。虚拟维修系统采用虚拟现实的核心技术，在计算机上实现逼真的维修作业过程，预估维修状态，提高维修人员的实际操作能力，保证实际修理作业时具有较高的维修质量和维修效率。首先，本文对虚拟维修系统的体系结构和涉及的主要技术问题做了分析和介绍，对产品三维实体建模、装配序列、装配路径和故障诊断进行了理论研究。其次，在假定装配体的装配与拆卸互为可逆过程的前提下，分析了人机交互式的装配序列与路径规划，对产品进行拆卸过程仿真。建立完整的装配模型是整个虚拟维修系统实现的基础，本文在基于特征建模技术的基础上，详细研究了u n i g r a p h i c s 软件环境下的装配模型。最后，在u g 软件环境下建立减速箱的装配模型，对摸型维修空间进行预览及虚拟拆卸过程的仿真，为今后的进一步研发提供参考。图【2 8 】表【1 】参【5 4 】关键词：虚拟现实：虚拟维修；装配序列；装配路径：u n i g r a p h i c sa b s t r a c tv i r t u a lm a i n t e n a n c es y s t e m ，b 懿e do nv i n u a lr e a l i t yt e c h n o l o 鼢c h 盐g e st h ej o bm o d eo fc o n v e n t i o n a lm a i n t e n 柚c e i ti sah n do fm a i n t e n a n c em o d et h a tc a ns o l v ep r o d u c tf a n u f eb yv i r t u a lt 甜m o l o g yu n d e r t h ec n v i r o n m 嗽o f 妇ev i n u a lt e a l i t y n u a lm a j n t e n a c es y s t e ma d o p t st h ec o r et e c h n o l o g yo fv i n u a lr e a l i t y w ec a i li e a l i z et h ev i v i dr c p a i r i n gp r o c c s si nt h ec o m p u t e fs c r e e n ，e s t i m a t e ds t a t e m e mo fr 印a i n n g ，m u si m p r o v et h ea b i l i t yo fm a i n t e n a n c es t a f fmw o r k s i t e ，e n s u r et h a tw ec a i lg e tah i g h e rq u a l i t yo fm a i n t c n a i l c e 如de f f i c i e n c yo fm a i n t e n 孤c ew h e nt h em a c h i n eb r e a k d o w nh a p p e n s f i r s n y m i sp a p e ri n t r o d u c c sa l l da l l a l y z e st h eg c n e r a la f c h i t e c m t eo fv i n u a lm a i n t e n a n c es y s t e m 孤dt h ea s s o c i a t c dt e c h n o l o g i e si ni m p l e m e n t i n gar e a l i s t i cv i r t u a lm a i n t e n a l l c es y s t e m ，a 丑dp r o f o u n d l yr e s e a r c h e si n t ot l l em e o r yo ft h et h r e e d j m e n s i o n a lm o d e l j l l go ft h ep r o d u c t ，a s s e m b l ys e q u e n c e ，踮s e m b l yp a t ha n df a u hd i a g n o s i s s e c o n d ly ，i ti ss u p p o s c dt h a tt l l ea s s e m b l ya n dt h ed i s 弱s e m b l ya r eap a i ro fr e v e f s i b l co p e r a t i o n s ，s oa s s 哪l b l yp l a l l n i n gc a i lu s em em e t h o do fd i s a s s e m b l y t h ea s s e m b l ys e q u e n c ea n dt l l ep a t hp l 锄i n ga r ea l l a l y z e dt h r o u 9 1 lh u m a na n dc o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h ed i s a s s e m b l yp f o c e s so ft h ep r o d u c ti ss j m u l a t e dr o u d e da s s 啪b l ym o d e l i n 窟i st h eb a s eo ft l i cw h o l ev i m l a lm a i n t c n a n c es y s t e m id e t a i l e d l yr e s e a r c h e st t l ea s s e 山l ym o d e l i n gu n d e rt h ee n v i r o n m e n lo fn l eu l l i g r a p h i c ss o f 协a r e ，w h i c hb a s e so nf e a t u r e - b a s e dm 0 d e l i n g f i n a l ly ，m i sp a p e re s t a b l i s h e dt h ea s s e m b l ym o d d i n go fr e d l l c e rc a s 证gu n d e rt h ee n v i r 0 珊e n to ft h eu gs o f t w a r e ，p r e v e w e dt h em a i l l t e n a n c es p a c ea i l ds i m u l a t e dv i r t u a ld i s a s s e m b l yp r o c e s s 1 、h er c s u l t sw i l ls u p p l yr e f e r e n c e si nt h ef i l t u r e -f i g 【2 8 11 a b 【1 】r e f 【5 4 1k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；v i n u a lm a i n t e n a n c e ；a s s e m b l ys e q u c n c e ；a s s e m b l yp a t h ；u n i g r 叩1 l i c s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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塞徼墼王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。学位论文作者签名：朱堵签字日期：矽g 年岁月j 子日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塞筮垄王太堂有保留、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于安徽理工大学。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和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徵踅王盘堂可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。学位论文作者签名：棠屠导师签名：够签字日期：j 。口6 年岁月工g 日签字日期： 占年 月诱日引言引言现代设备广泛应用了最新的科技成果，性能更高级、技术更加综合、结构更加复杂。对宇航设备及需要快速修复的大、中型设备，传统维修技术难以满足现代产品复杂化、高技术化的要求。虚拟维修技术可以在计算机上提供一个实时的、三维的虚拟环境，维修人员可以在计算机上进行维修预处理，对设备的故障进行分析、维修处理。虚拟维修技术可以提高工人的实际操作能力和维修效率。近年来，国内外对虚拟维修技术的应用进行了大量的研究，虚拟维修已成为现代维修技术的发展趋势之一。在国内，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开展了虚拟拆卸过程中配合约束的解除的研究。合肥工业大学提出基于概率模糊认知图的产品拆卸序列生成算法，利用u g v l 8 进行二次开发实现产品虚拟拆卸，对产品的可拆卸性分析及自动化拆卸有重要的实用意义。国内关于虚拟维修的研究尚处于探索阶段，理论成果较为分散，还没有形成实用、完整的体系。“煤矿机械绿色维修的研究”( 项目号：2 0 0 3 k j 2 7 1 ) 是基于安徽省教育厅自然科学研究项目。本文在前人的研究基础上，讨论如何实现简单机械的虚拟拆卸，对设各的故障进行预分析和维修处理、模拟拆卸过程、预览维修作业所需的空间、预计维修费用。v 1 绪论1 1 现代维修技术1 1 1 维修的发展绪论我国国有企业机械设备拥有量都比较大，尤其机械设备总值占企业总资产的比例相当高，有的企业能占到6 0 以上。因此，抓好机械设备的管理和维修工作，直接关系到企业经营目标的实现和企业能否持续稳定地发展，意义十分重大。机械维修的目的是要保证生产需要，以最经济合理的寿命周期费用使设备维持良好的性能，从而促进企业提高经济效益和技术装备水平“3 。传统设备维修发展至今大致可分为四个阶段。1 ：1 事后维修阶段，资本主义工业生产刚开始时，设备简单，维修方便，一般在设备发生故障之后才进行检修。这一时代经历了兼修时代( 操作工又是维修工)和专修时代( 有专业维修工) ，它的特点是设备坏了才修，不坏不修。这种修理机制必然丧失设备的许多工作时间，生产计划被打乱，修理的内容、时间长短及安排等问题都带有很大的随机性，图1 表示了事后维修的情况。罐型巧互时间图l 事后维修f i 9 1c o r r e c t i o nm a i n t e n a n c e2 预防维修阶段，预防维修是对影响设备正常运行的故障采取预防为主的措施，如图2 所示，可以保证机器的完好率处于一定水平，减少维修工作量和停机时间，确保设备安全运行。但是它很难预防由于随机因素引起的偶发事故，同时也废弃了许多还可继续使用的零部件，而且增加了不必要的拆装次数，造成维修安徽理工大学硕士论文时间的浪费。耀赳图2 预防维修f i g 2p r e v e n 6 v em a i n t e n 柚c e3 生产维修阶段，以美国为代表的谣方国家多采用此维修管理体制，生产维修由四部分组成：事后维修；预防维修；改善维修；维修预防。这一维修体制突出了维修策略的灵活性，吸收了后勤工程学的内容，提出了维修预防、提高设备可靠性设计水平以及无维修和少维修的设计思想，把机器的设计制造与使用维修连成一体。4 预知维修阶段，这种体制着眼于每台设备的具体技术状况，一反定期维修的常规而采取定期检测，对设备异常运转情况的发展密切追踪监测，仅在必要时才进行修理。规范化的巡视检测可以早期发现初期故障及其演变情形，从而推算出来“什么时候达到允许的恶化程度? 什么时候必须停机修理? ”，此所谓趋向监测，它可使设备维修人员提前做好修理准备，在故障发生前进行适当的维修。亦称状态监测维修。在2 1 世纪的今天，随着科学技术的不断进步，可持续发展战略的提出，以绿色维修为代表的现代维修模式逐渐在机械维修领域崭露头角。1 1 2 绿色维修在生产力高度发展，物质产品极大丰富的今天，世界却面临着一系列令人担忧的问题：资源的过快开发、过量消耗，造成资源短缺，一些资源已面临枯竭；环境污染和自然生态破坏严重威胁到人类的生存条件。人们逐渐认识到人类赖以生存的地球遭到了日益严重的破坏，如再不采取有效措施，后果不堪设想。2l 绪论于是以“绿色”为主题的一系列技术应运而生”3 。我国机械设备在正常工作条件下，承受着极其严重的污染，特别是粉尘、噪音污染，不但影响着设备的使用寿命，还威胁着社会环境及人身健康。机械行业解决污染势在必行，大力发展“绿色”技术是重中之重。“绿色维修”的概念就是在这种背景下提出的。绿色维修“3 目前还没有一个统一的定义，其基本思想是设备在维护修理过程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害性较小，资源利用率最高，能源消耗最低的现代维修管理与维修方式，也就是说，绿色维修是以环境保护为核心的现代维修模式。绿色维修与传统维修既有联系又有区别：1 绿色维修与传统维修的共同点在进行设备维护与修理过程中，无论是采用传统维修模式还是实施“绿色”理念的现代维修模式，有些因素如设备本身的故障模式、维修的基本功能( 保持和恢复设备的固有可靠性) 以及维修的周期等都是不变的。2 绿色维修与传统维修的区别绿色维修与传统维修在研究内容、维修的目标、对产品设计人员的要求、对作业人员的要求、维修工艺、故障诊断仪器和维修工具、维修备件、作业方式等方面的区别。随着科学技术的不断进步，特别信息技术的飞速发展，大大推动了维修作业方式的不断更新。这为绿色维修的实施提供更广阔的发展空间。1 1 3 基于虚拟现实技术的绿色维修技术虚拟维修现代设备广泛应用了最新的科技成果，性能更高级、技术更加综合、结构更加复杂，对宇航设备及需要快速修复的大、中型设备，传统设备管理技术难以满足现代产品复杂化、高技术化的要求，急需新技术加以补充。此外，重点设备和动力设备的维修一直是设备管理的难题，对重点设备和动力设备的维修多年来采取以预防为主的维修方式。但是，设备一旦发生故障，对生产的影响非常大，可能导致全车间，甚至全厂停止生产，尤其是目前煤炭较为紧张，在大型煤矿中，设备一旦发生故障，一个小时就可能损失几十万乃至上百万，甚至会对矿工和维修人员的生命安全产生严重威胁。由于重点设备和动力设备本身较为复杂，一旦发生故障，生产上要求很快地修好，对维修人员的技术水平要求很高，由于设备成本相对较高，不可能让维修人员在平时使用实物进行培训，传统的维修管理手安徽理工大学硕士论文段难以解决这一难题。2 0 世纪8 0 年代，出现的虚拟现实技术“7 3 ( v i r t u a lr e a l i t y 简称v r ) ，即计算机模拟的三维环境。这是一个由计算机软硬件和各种先进的传感器所构成的三维信息的人工环境，v r 技术综合了计算机图形学、仿真技术和多种复杂的软硬件设备。虚拟现实具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视听、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。基于虚拟现实技术的虚拟维修系统“0 ”1 ，改变了传统维修的现场作业方式，它是在虚拟现实的环境下，用虚拟方法解决产品故障的一种维修方式。传统的维修管理手段难以解决的难题，利用虚拟维修技术则可以很容易实现。虚拟维修技术可以在计算机上提供一个实时的、三维的虚拟环境，通过生动的视觉、听觉、触觉等效果随着参与者的动作而变化的场景使人获得身临其境的感觉。通过该项技术工人平时可以在计算机上进行培训，对设备的故障进行分析、维修处理。在对设备进行“预作业”时，计算机可以模拟拆卸过程。虚拟维修技术还可以通过工人的操作，统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用。虚拟维修技术可以提高工人的实际操作能力，具有较高的维修效率。工人由于平时进行了大量的练习，一旦设备出现问题，可以很快的检查出故障，实施快速维修，保证有较高的维修质量。虚拟维修是虚拟现实技术在设备维修中的应用，这个更合乎人的感觉的维修辅助系统，可在对真实设备进行实际操作之前用于演练。它突破了空间、时间的限制，可以实现逼真的设备装配、故障维修操作，提取任何关于设备的已有资料、状态数据，检验设备性能。虚拟维修系统的硬件组成：图形工作站、数据头盔显示器、触觉力反馈系统、位置跟踪器、数据手套、空间球、立体声耳机等。虚拟维修系统包括了四大功能模块构成“1 ：1 产品维修信息输入模块，包括产品的几何模型信息、拆装约束关系和零部件信息( 材质、重量等) ；2 虚拟维修环境模块；3 交互的外设模块，即数据头盔、数据手套、立体声耳机等人与虚拟环境交互设备；4l 绪论4 系统的数据库模块，包括三维模型数据库、工具模型库、人体模型库以及维修仿真对象与维修人员之间的交互关系等。系统整体框架结构如图3 所示。图3 虚拟维修系统f i g 3v 眦u a lm a i n i e n 柚c es y s t e m基于虚拟现实技术的虚拟维修系统，使维修人员能够站在全局的角度，进行正确的维修决策，并且掌握维修的全过程和结果。这在保证了维修质量的同时，提高了维修效率，而且使得维修资源( 硬件资源和软件资源) 得到了最优的分配、减少了浪费、降低了污染。它在时间和成本上都优于现有维修方式，是一种以“绿色维修”为立足点的维修方式。1 。2 虚拟维修的国内外研究现状近年来，国内外对虚拟现实技术在维修领域的应用进行了大量的研究，v r 在设备维修方面最为典型的应用，当属美国哈勃望远镜( h s t ) 的虚拟维修系统。1 9 9 0年4 月，哈勃望远镜进入轨道不久，天文学家发现它的光学系统存在缺陷，因此5安徽理工大学硕士论文美国国家航空航天局( n a t i o n a la e m n a u t i c s 柚ds 口a c ea d m i n i s t f a t i o n 简称n a s a )为执行任务的宇航员建立了虚拟的太空环境，从中可完成备种模拟维修活动。经训练后，h s t 的维修任务于1 9 9 3 年1 2 月成功完成。这是第一次大规模应用虚拟维修技术完成实际任务，并取得了成功。至今虚拟维修己成为维修技术的发展趋势之一，国内外都积极开展了这方面的研究应用。现在n a s a 已经建立了航空、卫星维护v r 训练系统、空间站v r 训练系统。n a s a 的a m e s 实验室现在正在致力于一个叫“虚拟行星探索( v p e ) ”的实验计划，这一项目能使“虚拟探索者( n u a le x d l o r e r ) ”利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计算机系是进行v r 研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上u n c开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统“像素飞机( p i x e lp l a n e s ) ”。华盛顿州立大学开发的虚拟装配设计环境( v a d e ) 系统。1 ，该系统与沉浸式c a d 虚拟环境紧密结合在一起。利用这个系统，设计人员在设计工作的初期便可以方便、直观研究装拆问题，以避免这些方面的缺陷。另外，在产品的定型、生产阶段，可以利用虚拟装配辅助进行装配性验证工作以及进行装配训练。宾夕法尼亚大学人体建模与仿真中心( h m s ) 长期致力于人体建模与仿真的研究，维修仿真是其研究方向之一。他们研发的a v i s m s 系统：以提供可视图像和指示为支持的维修系统，如图4 所示。如今复杂化、专业化的军事平台系统封包图4a 啊s m s 系统f i g 4 爿订s m ss y s i e 】【l l增加了维修的困难，与此同时，可召集的具有多学科技能的熟练技术人员将会减少。在这个虚拟环境维修训练系统中，技术规程介绍和机场保养实际操作可以通过实时援助功能传达给受训者，受训者通过同步图像和指示来进行维修，而不需要6l 绪论具备多学科技能。这项技术将使用在美军的空军设备维护中。宾夕法尼亚大学还与n a s a 的迅速技术开发小组合作开发迅速交互式形象化延伸训练项目，其在虚拟维修技术方面位于世界领先水平。v r 技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，国内关于虚拟维修的研究起步较晚，尚处于技术与方法的探索阶段，理论成果较为分散，还没有形成实用、完整的体系。北京航天航空大学计算机系是国内最早进行v r 研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研究，并着重研究虚拟环境中物体特性的表示于处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。石家庄军械工程学院依托国家自然科学基金项目( 5 0 0 0 5 0 2 3 ) ，在虚拟维修中人体运动控制分类研究，拆卸序列的选择等方面取得了一定的成果。浙江大学的“虚拟现实的基础理论、算法及其实现”课题是国家重点基础研究发展规划项目，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室在虚拟拆卸过程中配合约束的解除、基于图像的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法的领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。合肥工业大学在国家自然科学基金资助重点项目( 5 9 9 3 5 1 2 0 ) 中提出基于概率模糊认知图的产品拆卸序列生成算法。利用u gv 1 8 二次开发，生成产品虚拟拆卸软件，实现产品拆卸序列、路径的自动生成及优化，对产品的可拆卸性分析及自动化拆卸具有重要的实用意义。1 3 课题来源本文的研究是基于安徽省教育厅自然科学研究项目：“煤矿机械绿色维修的研究”( 项目号：2 0 0 3 k j 2 7 1 ) 。1 4 论文主要研究内容1 如实反映产品部件的特征、维修环境及其实现过程；2 能较客观地反映维修作业所需的空间；3 通过人机交互生成装拆序列及路径；安徽理_ t 大学硕士论文4 应具有拆卸、装配自动仿真的功能。本课题要能实现简单机械的虚拟拆卸，还可以对设备的故障进行预分析和维修处理，模拟拆卸过程，并可对设备以后的维修、改造提供可靠的数据，有利于缩短新设备的研制周期，改善设备的运行环境，降低研制和使用、维护费用。通过虚拟操作，统计维修作业的时间、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用。一旦设备出现问题，可以很快检查出故障源，实施快速维修，保证有较高的维修质量，能对设备维修和技术保障的正确性进行评估。节约维修费用，缩短维修时间。82 虚拟维修的模拟仿真2 虚拟维修的理论研究2 1 虚拟现实系统的体系结构2 1 1 虚拟现实技术的定义虚拟现实技术( v j r t u a lr e a l i t y 简称v r ) ，即计算机模拟的三维环境。具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视昕、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。这是一个由计算机软硬件和各种先进的传感器所构成的三维信息的人工环境。v r 技术是计算机图形学、人机接口技术、传感技术、仿真技术等基础上发展起来的门综合性集成技术。它同一般的交互式三维计算机图形学不同。首先，它可以从这种虚拟空间的内部向外观察，而不是像通常那样只能作为一个旁观者由外部向内观察；其次，用户可以沉浸到虚拟空间中去，用户可以实时看到随视点而改变的细腻场景；用户还可以和外部环境隔离开来，并融合到虚拟现实中去，在视觉和听觉的感受上同现实世界一样，更自然、更真实地进行交互，使它同计算机仿真有很大的区别1 。2 1 2 虚拟现实的重要特征虚拟现实可以视为对现实世界进行多维时空的仿真，即除了对三维空间和维时间的仿真外，还包含对自然交互方式韵仿真。一个完整的虚拟现实系统包括一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人一机交互界面。虚拟现实技术是一项关于计算机、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术，它具有以下四个重要特征。3 ：1 多感知性对于一般的仿真系统而言，用户所获得的主要是视觉感知，比较成熟的仿真系统有听觉感知。所谓多感知就是说除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至应该包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。人们在现实世界中是通过眼睛、耳朵、手指等器官来实现视觉、听觉、触觉等功能的。人们可以通过视觉观察到色彩斑斓的外部环境，通过听觉感知丰富多彩的音响世界，通过触觉了解物体的形状和特征。总之，人们通过多种渠道与客观世界进行交互作用，安徽理工大学硕士论文并沉浸在客观世界中。理想的虚拟现实环境应该包含对人一自然交互方式的模拟，虚拟现实系统能提供给用户以视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉等多感知通道。由于技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种，从感知范围到感知的精确程度都还无法与真实环境相比拟。2 沉浸感它是指用户感到作为主角存在于模拟环境的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度( 例如可视场景应随着视点的变化而变化) ，如实现比现实更理想化的照明的音响效果等。对于一般的模拟系统两言，用户只是系统的旁观者，而在虚拟现实的环境中，用户感到自己成为了一个“发现者和行动者”。发现者和行动者利用他的视觉、触觉和操作来寻找数据的重要特征，并不是通过严密的思考来分析数据。通常思考可能既慢且吃力，而感觉则几乎可以无意识地、立即地表达结果。这更加符合人们的自然思维习惯。3 交互性它是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度( 包括实时性) 。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量( 其实这时手里并没有物体) ，视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。4 自主性它是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻到、或从桌面掉落地面等。用户可以沉浸在一种人工的虚拟环境里，通过虚拟现实软件及其有关外部设备与计算机进行充分的交互，进行构思；完成所希望的任务。但并不是任何一个虚拟现实系统都具有上述的所有特性。交互性、沉浸感和构想是3 个最突出的特性，即“虚拟现实技术三角形”“，如图5 所示。1 沉浸：又称临场感，是指使用者暂时脱离现实世界而融入到虚拟环境中去。使用者本人能亲身感受到并能参与到“真实”的虚拟环境中。2 交互：是指操作者对虚拟环境中物体的可操作程度和从该环境得到反馈的自然程度。系统必须对各类操作进行实时或近实时的响应。3 构想：虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口。而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识提高感性和理性认识从而产生新的构思。2 虚拟维修的模拟仿真圈5 虚拟现实技术三角形f 培5 n i l a lr e a l i t yt e c l l l l o l o g yt r i a n g j e2 1 - 3 虚拟现实系统的结构及分类阳1自1 9 6 5 年l v a ns u t l l e r l a n d 提出虚拟现实的概念以来，v r 技术始终是与a d 、3 d 图形和仿真同步发展的。随着实体建模、数据结构及隐藏面的消除等研究趋于成熟，在v r 中产生了使图形的反馈速度加快的方法。到了2 0 世纪8 0 年代出现了交互式手套控制和商品化的头盔显示的t 系统，v r 系统发展至今已日渐成熟，v r 系统结构如图6 所示。图6v r 系统翻g 6v rs y s l e l nl l安徽理工大学硕士论文根据对虚拟环境的不同要求和对于使用目的或者应用对象的不同要求，虚拟现实系统可分为三类“：沉浸式、桌面式和分布式。1 沉浸式v r 系统又称为配带型v r 系统，是用封闭的视景和音响系统将用户的视觉、听觉与外界隔离，使用户完全置于计算机生成的环境之中，计算机通过用户戴的数据手套和跟踪器可以测试用户的运动和姿态，并将测得的数据反馈到生成的视景中，产生人在其中的效果。有时，沉浸式v r 系统还提供触觉功能。配带型系统具有使参与者身临其境的沉浸感。但投资成本太高，使得一般的企业望而却步，因而限制了虚拟现实技术的应用范围。2 桌面式v r 系统( d e s k t o pv rs y s t e m ) 又称非沉浸式t 系统，用p c 机产生虚拟空间，采用标准的c r t 显示器和立体显示技术，通过手持式输入设备，如六自由度鼠标、三维操纵杆与系统交互，用户不需要戴头盔、耳机、数据手套和跟踪器。桌面式v r 系统由十对设备的要求不高，应用比较普及。3 分布式v r 系统( d i s t f i b u t e dv r ，d v r ) 指在沉浸式v r 系统基础之上，将位于不同物理位置的多个用户通过网络连接在一个共同的虚拟环境中，共享信息和协同工作。d v r 系统的技术优势十分明显，是未来虚拟现实技术发展的主要方向。2 1 4 虚拟现实的硬件组成虚拟现实系统与其它类型的计算机系统一样，必须利用硬件和软件才能进行仿真。个人计算机、工作站、超级计算机等都属于虚拟现实的硬件。输入和输出设备也属于虚拟现实硬件的范畴。目前，输入和输出设备主要实现视觉和听觉效果，而其它感知效果，如力觉、触觉等正在开发与研究，味觉、嗅觉则有待于研究。输入设备用来输入参与者发出的数据，使参与者可以驾驭一个虚拟境界，并与其交互“。1 常用输入设备：1 1 二维鼠标器：是一个二自由度的输入设备。2 1 三维鼠标器：三维鼠标能够感受用户在六个自由度的运动，包括三个平移参数和三个旋转参数。3 13 d 位置跟踪器：当用户运动时，计算机可以通过3 d 位置跟踪器实时获知用户移动的位置和方向。4 1 触觉和力反馈装置：当一个虚拟物体被抓取时，尽管用户能知道物体被触摸了，但由于没有感受，因此会使手穿过物体，这是非常不自然的事情。触觉和力反馈装置使用一种正的压力反馈系统来防止手穿过物体。2 虚拟维修的模拟仿真5 1 数据手套：可以探测手指问的相对运动。当手运动时，手套检测这些活动，并向计算机送出电信号，这些电信号可转换为虚拟手的动作，你可以看到虚拟手随着你的真手在虚拟环境中活动。数据手套允许手去抓或推动虚拟物体。6 1 数据衣：是一种穿在参与者身上，把他的整个身体中各个部位运动的数据输入到计算机的装置。它可以使虚拟环境中的虚拟人随参与者一起运动。7 ) 语音识别：是一种很有发展前途的虚拟现实输入技术。它允许参与者对着连接计算机的拾音器说话，而不需要键盘或其他手工操作的设备输入数据。2 常用输出设备：1 ) 立体声耳机：声音可大大增强虚拟环境中的真实程度，立体声耳机使得参与者在虚拟环境中有一种身临其境的感觉。立体眼镜：人的视觉在虚拟环境中起着重要的作用。为了增强虚拟环境的现实感，参与者在虚拟环境中所看到的物体和景物必须具有立体感。立体眼镜可以为参与者提供立体图像。3 ) 头戴式显示器：这是一种当前比较高级的虚拟现实系统。它包括一个立体图像显示器，一副立体声耳机和一个位置跟踪设备。位置跟踪设备用于将参与者的头部位羲及运动方向告诉计算机，计算机据此调整该参与者的图像，从而使得呈现的图像更富于真实感。2 1 5 虚拟现实的软件技术虚拟现实软件的主要任务是设计参与者在一种虚拟境界中会遇到的景和物。图形程序或计算机辅助设计( o d ) 程序可用来对虚拟境界中出现的物体建模。常用软件有建模类软件a u t o c a d 、s o l j d w b f k s 、u n i g r 印h i c s 、p r 0 e n 百n e e r ，语言类软件c + + 、0 p c n g l 、m l 、以及s e n s e8 的w b r l dt b o l 垴t 系统、s u p e r s c a p e 公司的v r t 系统、英国d i v i s i o n 公司的d e v i s e 软件包等。2 2 基于虚拟现实技术的虚拟维修2 2 1 虚拟维修的涵义虚拟维修就是在虚拟环境下，操作者借助于外部设备对虚拟环境中的产品进行维修的模拟它突破了空间、时间的限制( a i l yw h e r ca i l yt i m e ) ，可以实现逼真的设备装配、故障维修操作，提取任何关于设备的已有资料、状态数据，检验设备性能。虚拟维修技术可以在计算机上提供一个实时的、三维的虚拟环境，通过1 3安徽理工大学硕士论文生动的视觉、听觉、触觉等效果随着参与者的动作而变化的场景使人获得身临其境的感觉。人可以与虚拟环境发生交互作用，沉浸在计算机产生的三维仿真环境中，感觉到一切都是“真实”存在的。虚拟拆装环境可以加深人们对复杂拆装系统的理姆。通过该项技术工人平时可以在计算机上进行培训，对设备的故障进行分析、维修处理。在对设备进行“预作业”时，计算机可以模拟拆卸过程。虚拟维修技术还可以通过工人的操作，统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用。虚拟维修技术可以提高工人的实际操作能力，具有较高的维修效率。减少由于维修训练而引起的产品磨损，降低维修训练的费用。因此对开发的维修仿真系统。7 1 提出了以下要求：1 能够利用已有的产品设计数据，尤其是c a d 数据：2 能够仿真产品的运动学和动力学等特性；3 能够像在实际产品上一样对虚拟产品进行各种操作：4 能够对维修仿真过程中影响产品维修的事件或状态进行记录和处理；5 仿真必须具有实时性；6 仿真环境必须具有可信性。2 2 2 虚拟维修系统结构虚拟维修系统主要包括建模、运动仿真、虚拟装拆、故障诊断。其中建模、虚拟装拆和故障诊断是虚拟维修系统的重要组成部分，虚拟维修系统结构如图7所示。图7 虚拟维修系统结构f i g 7v i r t i l a lm a i n t e n 柚c es y s t e m 矗a m e2 虚拟维修的模拟仿真三维建模是虚拟维修系统设计的核心，实体模型的建立是整个虚拟维修训练系统的基础，实体模型在虚拟维修训练环境下的有效表达是构建整个虚拟维修训练环境的重要因素，而实体模型的维修装拆仿真和工作过程仿真是构建整个系统的关键。虚拟装拆是整个维修作业的重要过程，因此要建立一个支持d e a 仍( d e s j 跚f o ra s s e m b l y d i s 硒s e m b l y ) 全过程的虚拟装拆数据模型，该模型能够对维修过程中的拆装作业进行分解。虚拟环境中产品拆卸是虚拟装配的逆过程，并基于“装拆可逆”的假定，确定拆卸顺序与拆卸路径，规划出若干个可行的装拆顺序，并通过自动优化决策，得到最佳的装拆方案。虚拟装拆技术是利用虚拟现实技术，建立产品的虚拟环境，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分析和工程决策。故障诊断专家系统“”由知识库、知识获取系统、推理机、数据库、人机接口和解释系统组成，通过推理的方式来解决问题，并且得到与专家相同的结论。知识库和推理机是一个专家系统的核心部分。专家系统本质上是一个( 或一组) 计算机程序，它能借助人类的知识采取一定的搜索策略并通过推理手段去解决某特定领域的困难问题，故障诊断专家系统结构如图8 所示。图8 故障诊断专家系统f f g 8f a i l l l r ed i a g i i o s t i c i a ns y s t e m故障诊断系统启动后，检修人员能方便地使用本系统快速查找故障，根据屏幕提示的信息或提问来回答。计算推理控制部分根据给出的原始数据和推理系统得出的中问结果即可自动准确地推导出故障的最终结果。还可在原因窗口显示查蝤安徽理工大学硕士论文询检修的步骤过程。2 _ 3 三维实体建模技术呻”1实体模型的建立是整个虚拟维修训练系统的基础，实体模型在虚拟维修训练环境下的有效表达是构建整个虚拟维修训练环境的重要因素，焉实体模型的维修装拆仿真和工作过程仿真是构建整个系统的关键。2 3 1 实体建模虚拟维修实体建模是虚拟维修系统的基础，实体建模主要包括产品零件的建模及装配。本系统采用基于特征建模技术的实体建模方法，由于系统需实现维修的真实性和实时交互性，需对实体模型进行表面处理和简化。1 特征建模技术特征建模技术是产品建模技术的最新发展，它继承了二维绘图、三维线框和实体造型的所有几何描述功能，为产品的设计、工艺过程规划、加工、检测等整个生产周期提供完整的产品数字定义。特征建模技术是一种高层次上的几何抽象和语义描述；因而在零件设计上为设计人员提供了一种快速建模的方法。特征建模不仅面向几何建模，而且面向加工。特征建模的作用如下：1 ) 特征建模着眼于更好地完整地表达产品的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息和模型服务，其目的是运用计算机可以理解和处理的统一产品模型替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或产品的设计和生产准备各个环节可以并行展开、信息流畅。2 1 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条，而是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔、键槽、花键等。特征的引用为设计者提供符合人们思维的设计环境，模型容易为别人理解和方便地组织生产，将更多精力用于创造性构思上。直接体现了设计意图，使得建立的产品设计的图纸更容易修改，设计人员可以3 1 它有助于产品设计分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，实现信息共享，为开发新一代的基于统一产品模型的o d 、c a p p 、c a m 的集成系统鉴定基础。钔它有助于推动行业内的产品和工艺方法的规范化、标准化和系统化，使得2 虚拟维修的模拟仿真产品设计中及早考虑制造要素，保证产品结构有更好的工艺性。对于a 气d 应用，特征建模系统要求能方便地生成特征，进行删除、修改、变换、复制、查询等，并允许将尺寸、公差、加工要求等属性附加于其上；同时，又要求可以兼顾后续应用的需要。设计者可以全面周到地考虑设计对象，尽可能的将以后各种应用( 如分析、加工等) 所要用到的特征信息输入。2 基本特征分类一般说来，物体的特征是一组具有特定属性的实体，它反映的是物体特定几何形状和特定加工的功能等信息。按产品定义数据的性质分类，基本特征可分为h t 训一1 ) 形状特征：具有特定形状并且对应特定功能意义的零件局部形状在整体上的布局。2 ) 精度特征：在工程设计及加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面光洁度等信息。3 ) 材料特征：规定了材料类型、强度、延展性、热导性等。4 ) 装配特征：包括装配体中各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等。5 ) 分析特征：有关工程分析方面的特征，如有限元分析中的梁、壳和板件特征。各方面的信息有机地结合在一起，构成了基于特征地零件信息模型，如图9图9 零件信息模型f i g 9p a ni 疵h n a 0 nm o d e l零件级特征级属性级几何级安徽理工大学硕士论文所不。3 零件特征模型的构建步骤：1 1 据零件的几何形状创建轮廓特征；2 ) 轮廓特征进行处理，包括拉伸、旋转、3 1 重复步骤l 、2 ，完成所有的几何特征4 1 根据零件材料、精度等创建其他特征，2 3 2 虚拟装配的信息表达扫描、曲面裁减等操作；如材料的纹理特征。1 装配信息分类装配体是一组相互关系的零件的集合，描述一个完整的装配体，除各个零件的信息外，还需要零件问相互关联的性质和结构，因此，装配模型的完整信息0 1包括三个方面：零件信息；确定装配中零件位置和方向的装配关系信息；装配体中零件之间的层次关系信息。1 ) 零件信息零件信息主要指产品的属性信息，包括几何属性、工程设计属性、物理属性( 质量、材质、纹理等) 以及零件间的约束关系。这类信息部分从c a d 系统传入。装配关系信息装配关系也包括两个方面的内容：( 1 ) 确定装配体中零件相对位置和方向的定位关系。( 2 ) 形成装配体的各个零件参与装配的局部几何结构之间的配合关系。包括装配中产品的行为信息：零件的装配顺序、装配路径、装配过程中的零件的扫描体积等。这类信息主要在虚拟装配过程中建立。3 1 层次关系装配体可能分解成不同层次的子装配体，子装配体又可分解成若干子装配体和各个零件。装配体一般指机械产品，予装配体是指部件。通常将零件、子装配体、装配体之间的这种层次关系直观地表示成一装配树，如图1 0 所示。树的根节点是装配体，叶节点是组成装配体的各个零件，中间节点则是子装配体：装配树的层次关系体现了实际形成装配体的装配顺序，同时也表达了装配体、予装配体及零件之间的父、子从属关系。2 虚拟维修的模拟仿真图1 0 装目b 树f i g 1 0 a e m b l yt r e e2 零件信息层次模型针对具体零件，其信息表达模型可分为四层。：1 ) 产品层以零件为基本节点，零件节点信息包括零件的标识、名称、工程设计属性( 功能信息、技术信息等) 、物理属性( 材质、质量等) 以及行为信息。2 ) 特征层以特征为基本节点。特征节点描述的信息包括特征的类型、特征的方位以及特征的参数。特征节点间的关系主要体现为特征间的父子关系与约束关系。3 1 几何拓扑层以面为基本节点，面节点的关系主要体现为几何面之间的邻接关系以及约束关系。4 ) 显示层以三角形小面片为基本节点，记录了组成零件的各小面片的顶点坐标、顶点法矢、面片颜色以及纹理信息。显示层数据主要用于虚拟环境中模型的显示绘制与装配过程中的碰撞检测。3 零件装配建模零件装配建模过程的步骤如下：1 1 据装配体几何拓扑构型画出装配树关系图；2 1 定零件之间的关联，如同轴、同面、面对齐关系等；3 1 确定装配体的其他特征，如装配公差等级等。2 3 3 零件模型的图形表达虚拟维修环境运行主要有两个方面的要求：真实性和实时交互性。真实性是安徽理工大学硕士论文指虚拟维修运行环境要和现实世界相符，这就要求机电产品模型尽量细化，做到外观和功能上与物理模型一致；实时交互性是指虚拟维修环境计算要足够的快，使得用户的输入能实时地在输出上反映出来，如视点的变化