（机械电子工程专业论文）虚拟装配关键技术研究.pdf

东南人学硕士学位论文 摘要 随着现代信息技术和网络技术的毪速发展与应用，产品设计不再是一个小范围设计实体的内部 任务，而是需要多学科团队协作来共同完成。虚拟装配技术己经成为大型复杂产品开发研制的有效 手段之一。在现代t 业制造中，装配是产品生命周期的一个重要环节，是产品功能实现的主要过程。 由于装配设计任务的复杂性，当一个企业难以完成任务时，人们希望通过企业联盟之间的协调与合 作来实现。由于装配的企业联盟动态形成，各企业的设计开发环境不尽相同，如何提高企业联盟间 协调与合作的效率，通过计算机仿真实现虚拟装配已成为研究的热点和方向。 本文研究跟踪产鼎设计领域中装配技术的最新发展方向，在虚拟装配关键技术方面进行了深入 研究，具体工作如r ： 1 、论文总结了虚拟装配的特点及基本设计思想，国内外研究现状与发展趋势。 2 、在虚拟装配研究领域引入了a g e n t 的概念，研究了a g e n t 技术在虚拟装配系统中的应用，基 于a g e m 的虚拟装配规划与任务规划。 3 、分析讨论了用宽度优先搜索策略、固定装配序列判据法，实现对减速器主动轴系装配序列 的推理过程。 4 、利用三维c a d 软4 ：s o l i d w o r k s ，研究了零件的建模的基本方法，完成了减速器的虚拟装配 设计及其动态模拟。 5 、结合a g e n t 技术和w e b 技术，提出了解决虚拟装配系统中图形信息的共享与实现的措施。 关键词： 虚拟装配 a g e n t s o l i d w o r k s减速器 i i 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na tf u l l s p e e do ft h em o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c td e s i g ni sn o ta ni n s i d et a s ko fd e s i g n i n gt h ee n t i t ya m o n gas m a l lc i r c l e a g a i n ，b u td e m a n dm a n yt h ec o u r s et e a mh e l p st om a k et oc o m p l e t et o g e t h e r t h ev i r t u a la s s e m b l y t e c h n o l o g yt h r o u g hb e c o m et h el a r g ec o m p l i c a t e dt h eo n eo ft h ev a l i dm e a n st h a tp r o d u c td e v e l o p m e n t r e s e a r c ht om a n u f a c t u r e i nm o d e r ni n d u s t r i a l m a n u f a c t u r i n g ，i ti s al i f eo fp r o d u c t st oa s s e m b l ea l l i m p o r t a n tl i n ko fc y c l e i ti st h em a i nc o u r s et h a tt h ef u n a t i o no ft h ep r o d u c t sr e a l i z e sl si td e s i g n c o m p l e x i t yo ft a s kt oa s s e m b l e ，a so n ee n t e r p r i s ea tt h ed i f f i c u l tt a s ko ff i n i s h i n g ，p e o p l eh o p et or e a l i z e t h r o u g ht h ec o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o nb e t w e e nt h ec o a l i t i o n so fc o m p a n i e s b e c a u s et h ec o a l i t i o no f c o m p a n i e sa s s e m b l e dt a k e ss h a p ed y n a m i c a l i y , t h ed e s i g nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fe v e r ye n t e r p r i s ei s n o tt h es a m e h o wi m p r o v ee 币c i e n c yo f c o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o nu n d e rc o a l i t i o no f c o m p a n i e s r e a l i z e t h r o u g hc o m p u t e re m u l a t i o nv i r t u a la s s e m b l ya n db e c o m ef o c u sa n dd i r e c t i o ns t u d i e d t h i sa r t i c l es t u d i e so nt h em o s tr e c e n td e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h et r a c kp r o d u c td e s i g nd o m a i n ，h a s c o n d u c t e dt h et h o r o u g hr e s e a r c hi nt h ek e yt e c h n o l o g yo f v i r t u a la s s e m b l y t h ew o r ki n c l u d e ： 1 t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h eb a s i cd e s i g n i n gt h o u g h t so f v i r t u a la s s e m b l y , a n d a l s ot h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h 2 t h es t u d yh a si n e d u c e dt h ea g e n tc o n c e p ti nt h er e s e a r c ho fv i r t u a la s s e m b l y , s t u d i e dt h e a p p l i c a t i o no f t h ea g e n tt e c h n o l o g yi nt h es y s t e mo f v i r t u a la s s e m b l y ，v i r t u a la s s e m b l yp l a na n dt a s kp l a n b a s e do na g e n tt e c h n o l o g y 3 t h et h e s i sd i s c u s s e dr e a l i z e di n i t i a t i v es h a f t i n ga s s e m b l ys e q u e n c ei n f e r e n c ep r o c e s sa tt h eg e a r b o x w h i l eu t i l i z e dt h et w om e t h o d st h a tt h eb r e a d t hf i r s ts e a r c hs t r a t e g ya n dt h ef i x e da s s e m b l ys e q u e n c e 4 t h er e s e a r c hh a ss t u d i e dt h eb a s i cm e t h o do ft h ep a r tm o d e l i n gu s i n gt h es o f t w a r eo fs o l i d w o r k s ， a n dh a sc o m p l e t e dt h ev i r t u a la s s e m b l yd e s i g no f t h eg e a r b o xa n di t st h ed y n a m i cs i m u l a t i o n 5 u n i f i e st h ea g e n tt e c h n o l o g ya n dt h ew e bt e c h n o l o g y , p r o p o s e di nt h em e a s u r ef o rt h es o l u t i o n g r a p hi n f o r m a t i o ns h a r i n ga n dr e a l i z a t i o ni nt h es y s t e mo fv i r t u a la s s e m b l y k e vw o r d s ： v i r t u a la s s e m b l y a g e n t s o l i d w o r k sg e a r b o x i 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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谓f 的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名： 名 勿 譬绗 日期：型二二_ 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：师签名：兰壁垒：丕日期： 东南大学硕j ：学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着信息技术、网络技术的b 速发展利世界经济一体化时代的到米，各国制造业都面临着市场 全球化、制造国际化、品种需求多样化的新挑战。它主要表现为采购、生产、销售乃至研发都在整 个世界范围内进行。借助先进的现代信息技术，仅通过技术集成、零部件集成、营销集成就能达到 世界范围的生产制造与销售。全球制造企业之间的竞争越米越激烈，决定制造企业全球竞争能力的 主要指标，是产品的开发时间( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) 以及相应的服务( s e r v i c e ) ， 卧j t q c s ，并正在从质量第一向快速响应市场的竞争策略转变，从单纯竞争向竞争合作并存的双赢策 略转变。在市场持续、高速变化的2 l 世纪，企业不仅需要有对变化市场的快速响应能力( 即能针对 市场的变化迅速进行必要的调整包括组织上和技术上的调整) ，而且需要有不断通过技术创新和 产品更新来开拓市场、引导市场的能力，只有这样才能及时抓住转瞬即逝的市场机遇立于不败之地。 近年来，世界各国都越来越重视先进设计、制造技术的研究和应用，正朝着柔性化、集成化、 信息化和智能化的方向发展，先进制造技术和先进制造模式不断产生，如柔性制造系统( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) 、计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， c i m s ) 、准时制造( j u s t i n t i m e ，j i t ) 、精益生产( l e a n p r o d u c t ，l p ) 、并行：l ：程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ， c e ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 等。在强调柔性和快速的前提下，2 0 世纪8 0 年代美国 首先提山虚拟制造( r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 的概念，随着计算机技术和信息网络技术的发展， 虚拟制造技术在9 0 年代获得了迅速的发展，现已成为先进制造技术的研究热点之一。 虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，v m t ) 是以虚拟现实和仿真技术为基础， 对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生 命周期的模拟和仿真。 虚拟制造技术是一种软件技术，并不直接制造产品，真l e 的产晶还是需要在车间内用机床制造 出来。虚拟制造技术只是填补了c a d 、c a m 和生产过程及管理之间的鸿沟，通过仿真过程，及时地 发现产品设计和_ l = 艺过稃可能的缺陷和错误，进行产品性能和上艺的优化，在产品的设计阶段就模 拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划， 以达到产品开发周期和成本的蛙小化，产品设计质量的晟优化和生产效率最高化，从而形成企业的 市场竞争优势。 虚拟装配技术是虚拟制造技术的重要组成部分。众所周知，在现代l = 业制造中，装配是产品生 命周期的一个重要环宵，是产品功能实现的主要过程。装配作为产品制造过程中的最后一道工序， 是检验零部件设计尺寸、形状外观和结构性能的关键技术，也是决定机械产品质量、品质的重要环 节。传统的c a d c a m 通常不是面向装配的，这使产品装配成为制造业最为薄弱的环节之一。据统计， 在1 一业发达国家中，产品的生产过程中，产品装配所需 时占产品生产制造总工时的4 0 v 一6 0 ，大 约l 3 左右的人力在从事产品装配有关活动，4 0 以上的生产费用用于产品的装配和调试。由于装配 在整个制造过程中的t 作量消耗、时间占用等方面都占有很大比例，如何缩短装配时间、提高装配 效率、减少装配费用成为虚拟制造中研究的重点之一。 变塑盔堂堕尘兰堡堡皇 1 2 虚拟装配技术及国内外研究现状 1 2 1 虚拟装配 装配是指在生产中，按照确定的精度标准和技术条件，将一组相关的零件通过合理的t 艺流程 及各种必要的连接方式绢台成部件，或将零、部件组台成为完整的、可以完成某种特定功能产品的 生产过程。 当前主要有人工装配、机械的自动化装配、柔性装配或机器人装配三种方式。装配的组织形式 主要随生产规模而不同，不同的生产规模的装配j 二作也各有特点。装配的生产规模根据生产纲领及 投入批量的大小划分为大批量生产、成批生产和单件小批生产三种生产类型。不同类型的装配生产 中，其装配1 艺方法和工艺装备差别较大。 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 是在产品设计过程中，通过计算机对零部件装配过程的仿真模 拟，检查产品零部件之间的正确装配关系，包括可达性、顺序性、方向性、干涉情况以及公差配合 等方而的内容。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，有助丁解决零部件 从设计到生产所出现的技术问题，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。 1 2 2 虚拟装配的基本设计思想”3 1 、以设计为中心的虚拟装配 以设计为中心的虚拟装配( d e s i g n - - _ c e m e r e dv i r t u a la s s e m b l y ) 是指将产品三维数字化定义应 用于产品研制过程中，结合产舳研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想。 ( 1 ) 面向装配设计( d f a ) 产品研制过程是一项复杂的跨学科、跨部门的系统工程，需要在产品研制初期即设计阶段进行 总体的协调，主要是对产品协同工作进程的r q , 7 性与合理性分析，并且进行产品主体结构物理装配 方案评价。传统的设计过程与装配过程严重脱节，现采用面向装配设计( d f a ) 方法，即在设计初 期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度米保证产品的可装配性。引入面向产品 装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行物理装配，能在产品研制初期 使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。 ( 2 ) 自顶向下( t o p d o w n ) 的并行产品设计( c p d ) 基于并行产品设计的装配技术，支持自顶向r 的设计方法，通过白顶向f 的并行产品设计，可 以分层次地建立统一的产品动态电子样机。并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行 设计，强调开发人员从一开始就考虑产品从概念设计商至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的 影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及甲发现，以缩短产品开发周期，降低产品成本，提高 产品质量。并行产品设计的重点是多个产品开发组( i n t e g r a t e dp r o d u c tt e a m ，简称i p t ) 协同地并行 设计，要求分布在不同地点、不同部门的产品设汁工程师突出以产品为核心的设计思想，从不同角 2 东南大学硕士学位论文 度、不同需求出发进行并行设计。 2 、以过程控制为中心的虚拟装配 以过程控制为中心的虚拟装配( p r o c e s s - - - c e n t e r e dv i r t u a la s s e m b l y ) 主要包含以下两方面内容 ( 1 ) 实现对产品总体设计进程的控制 在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点， 并划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段、 实现对产品总体设计进程的控制。 ( 2 ) 过程控制管理 人为地将虚拟装配技术应用丁产品设计过程 详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制 过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作等方面内容。希望通 过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产晶设计结果和加工工艺等产品相关信息的 管理，从而实现优化产品开发过程的目的。 3 、以仿真为中心的虚拟装配 以仿真为中心的虚拟装配( s i m u l a t e - 4 2 e n t e r e dv i r t u a l a s s e m b l y ) 是在产品装配设计模型中溶入 仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要目标是评价产品可装配性。 ( 1 ) 优化装配过程目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能 并行地进行装配。 ( 2 ) 可装配性评价主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设 计是否需要修改。 1 2 3 虚拟装配的特点 虚拟装配与其它先进制造技术相比具有如下特点 1 、极大的改进了装配过稃。传统的装配过程对人_ r 的依赖性高，成为制造行业的瓶颈。在传统 制造过程中装配时间约一n 总生产时间的一、h 装配费剧 l 总费用的l 5 - l 3 ，如果发生装配上的问题 则会增女h 5 0 的费用。相反如果实施虚拟装配不仅缩短了装配过程，还可极大的改进虚拟制造过程 和提高生产效率。 2 、可得到一个更有效的装配。堤配模型的建立过程中需要并行的考虑装配过程的每个环节，包 括形状、位置、尺寸、配合类型、装配干涉和装配公著等。由于这种研究是在产品设计完成以前进 行的，所以在产品早期开发阶段设计修正的基础上，整体设计、装配时间将缩短，可得到一个更有 效的装配。 3 、集成度商。由于装配的实现过程都是在计算机上完成的，建立的装配模型都存储在计算机中， 装配操作也都是在计算机上实现的，包括装配模型的建立、装配干涉的检测、装配路径的规划和装 东南大学硕士学位论文 配效果的检验等等。而无需生产山实际的虚拟样机，故缩短了生产周期，节省了研究费用，成倍的 提高了生产率。 4 、是一个并行、敏捷的装配过程。参与虚拟装配的人员可以是跨地域的、跨行业的不同行业的 人员。由于参与虚拟装配的人员可以根据本行业的实际情况评测装配设计，进而改善当前的设计。 因此虚拟装配为不同行业的人员提供了一个相互交流的平台。同时虚拟装配过程也可以与零部件设 计并行的展开，冈而可以达到快速响应的目的。 1 2 4 虚拟装配技术的研究现状 传统的装配体设计采用自底向上的方式，需要将零件制造出来后进行装配，往往会造成装配体 各部件的干涉以及与设计目标不符等缺陷。如此反复，导致设计成本增加，开发周期延长。虚拟装 配借助虚拟现实技术可以在设计阶段进行装配仿真，在虚拟环境中设计者可以像操作真实零件一样 对虚拟零件进行装配操作，建立产品装配模型，进行装配规划，检查装配过程中的干涉情况，验证 与分析产品的装配性能，从而克服传统装配设计的缺陷。换言之，产品设计质量可以通过验证和改 进产品的可装配性体现出来的。对于尚处在设计阶段的产品来说，可装配性好坏最直观的效果，莫 过于在计算机上仿真运行产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一虚拟的装配 过程，是产品虚拟装配的主要任务。 面向虚拟装配技术的研究人体上可以分作两个层次：一是采用装配过程可视化手段和干涉检查 工具，直观地展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，并提供装配序列的性能及其 优化结果。一二是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境，操作人员有身临其境的感觉，并能通 过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配顺序和效果。在虚拟环境中，设计者可以像操作真实零件一 样对虚拟零件进行装配操作，建立产品装配模型，进行装配规划，检查装配过程中的干涉情况，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。目前，国内外学者在这两方面对虚拟 装配技术进行了积极的研究，取得了许多卓有成效的成果。 在美国由政府支持的研究项目主要有t e a m ( t e c h n o l o g i e se n a b l i n ga g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、 n a m t ( n a t i o n a la d v a n c e dr a n u f a c t u r i n gt e s t b e d ) 、f t p ( f a s tt r a c kp r o g r a m ， u sa i rf o r c e ) ， 具有代表性的有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 a d e 。开发v a d e 的目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境，探索产晶设计制造中运用 虚拟现实技术的可能性。v a d e 由虚拟现实的软硬件组成，它将c a d 系统与沉浸式的虚拟环境结合在一 起，以保证设计人员沉浸于虚拟环境之中开展t 作。头盐式显示器提供高质量的三维图形，电磁跟 踪装置跟踪探测用户的头部运动，头盎的显示可根据用户的头部白动刷新。配有手位利手势跟踪装 置，数据手套随时监视手指和手腕的动作。v a d e 的突出特点包括用户与虚拟环境的逼真交互、逼真 的装配环境、在虚拟环境中利用工程师的装配设计意图实现产品的装日酗哽序规划等。 v a d e 的主要功能特征为：( 1 ) 从c a d n v r 的自动数据转换：v a d e 自动将参数化c a d 系统( 如 p r o e n g i n e e r ) 中的产品装配树( 包括整个装配体的层次关系) 、零部件的几何形状传递n v r 系统 中。( 2 ) 从c a d 系统捕捉装配意图并应用于虚拟环境：v a d e 通过对c a d 系统中装配约束的捕捉，实现 对零件运动的引导与装配序列的生成。( 3 ) 零件的交互式动力学模拟：在物理建模的基础上进行实 时碰撞检测，模拟用户、零件、装配l 一具以及装配环境之间的动力学作用。( 4 ) 扫掠体积生成与轨 迹编辑：v a d e 允许川户记录、编辑零件的装配轨迹，并在虚拟环境中生成与显示零件的扫掠体积。 4 东南大学硕士学位论文 ( 5 ) 虚拟装配环境中对零件结构参数的修改：首先v a d e 将c a d 系统中标识的零件模型的关键参数提 取出来，供用户在虚拟环境中进行修改：然后c a d 系统根据用户的修改意图对零件进行参数化修改： 最后将修改后的零件重新装入v a d e 。其中，参数传递与c a d 系统对零件结构的参数化修改在斤台进行， 无需_ = | j 户干预。( 6 ) 装酉己环境与零部什初始位置的生成：整个装配环境可以在c a d 系统中定义，同 时，用户可毗指定零部件与装配工具的初始位置。( 7 ) 双手装配与灵活操作：v a d e 同时支持单手操 作与双手操作，并通过物理建模模拟和实现零件抓取。( 8 ) 支持虚拟装配工具：虚拟装配上具是装 配环境的重要组成部分，v a d e 提供“手工具”与“工具零件”两种交互方法，并通过这两 种方法的协同，进行虚拟环境中零件运动的控制。 美国亚利桑那州立大学y e 等，对传统交互方式与虚拟现实交互方式中的装配规划进行了对比实 验。实验对象分别在传统环境( t e ) 、非沉浸式桌面虚拟环境( d v r ) 、沉浸式c a v e 环境( c v r ) 中 进行装配序列规划。实验表明，虚拟现实交互方式能显著地提高装配规划的质量与效率。美国w i c h i t a 州立大学r a j a h 等开发了基于虚拟现实的产品装配与夹具没计分析系统j i g p r o ，将c a d 系统中的产品 装配模型、装配顺序约束、夹具模型、手模型导入到虚拟环境中，进行虚拟过程仿真，检查零件与 夹具之间的干涉，并进行人机工程分析，以确保产品装配工夹具设计具有良好的装配性能和人机性 能。美国g e o r g i a 技术研究所s i d d i q u e 等利用自动和交互相结合的方法，进行虚拟环境中产品的可拆 性分析，首先通过自动推理的方法确定产品的部分拆卸序列，然后在用户的参与下生成产品的完全 拆卸序列。a 1 l e n 等采用虚拟现实技术，定量评估人工装配中操作者的装配力与装配姿态，并分析装 配所需的最大装配力以及每个装配循环过程中的平均装配力，以避免装配工人肌体的重复性劳损。 德国f r a u n h o f e rt ：业工程研究所( i a o ) ，较早地进行了基丁虚拟现实的装配规划系统的研究与 开发。系统通过虚拟人体模型v i r t u a la n t h r o p o s 在虚拟环境中执行装配操作，交互地装配和拆卸零 部件。在用户交互的基础上产生装配前趋图，进行装配时间与装配成本分析。通过对真实装配环境 的模拟，规划者在进行产品装配规划时，能够综合考虑装配特征和其他装配条件( 如装配空间的制 约、装配零件的供应以及必须的装配工具) 对产品装配操作的影响。系统的具体功能为；( 1 ) 通过 与c a d 系统的数据接口，获取和表达c a d 设计模型； ( 2 ) 实际装配工作环境仿真；( 3 ) 通过交互产 生装配前趋圈；( 4 ) 为装配规划人员提供装配规则与知识： ( 5 ) 装配稳定性分析；( 6 ) 自动产生 装配过程文档等。德国信息技术国家研究中, 0 f r o h l i c h 等，采用水平显示设备r e s p o n s i v ew o r k b e n c h 开发了一个虚拟装配系统，其特点是支持用户通过双手或多用户同时对同一虚拟物体进行装配操作， f r o m i c h 等通过物理仿真软件c o r i o l i s 计算虚拟物体的行为。 许多大学和研究机构通过相互问的合作并联合企业进行虚拟装配技术的研究 作，女h b a t h 大学 的av i r t u a lw o r k s h o pf o rd e s i g nb ym a n u f a c t u r i n g 研究。在英国t e c h n o m a t i x 公司开发的一个虚 拟装配系统，可以应用于农机产品的制造，实现装配阶段的干涉性问题检测。n o r t h r o p 的研发工程 师开发了一种交互装配模块，它允许用户在三维虚拟空间对具有装配关系的零部件进行序列推理和 检测。h e r i o t - - w a r t 大学在应h j 虚拟现实技术丁二产品虚拟装配以及顺序规划方面做了很多研究工作。 t e c h n o m a t u x 还发布了一个虚拟装配软件d y n a m o ，这个软件能使上程师动态地模拟装配过程并生成产 品的装配序列。k u e h n ea n do l i v e 建立了一个简单的虚拟装配系统，可以通过导入c a d 模型和装配层 次结构来产生装配顺序，但它没有碰撞干涉检测和触觉反馈。j m r i t c h ie 、g u p t a 、a c b o u n d 等人 通过虚拟装配和现实装配的对比实验，验证了虚拟装配规划与分析的有效性和可行性，表明与传统 方法相比能够更快、更直观、更有效的产生装配顺序，使t | = j 户能够对装配进行更全面、精确的分 析。g e o r g ec h r y s s o l o u r is 等人在所创建的虚拟环境中，利用人机工程学模型n o i s h 和g a r g 分析了装 配1 _ 位的空间布局对人的操作强度的影响，咀获取最优的装配1 _ 位。日本n a b e 等人开发的机械零件 东南大学硕+ 学位论文 装配性验证和装配机器可视化系统，以及发现初学者在装配虚拟机器时错误操作的训练系统等。 在装配建模方面，法国学者b o u r j a u l t 于1 9 8 4 年提山了联系图模型，将零件之间的物理接触关系 定义为联系即装配关系。随后，s u k h a n ，l e e 等人在此基础上提出了增强联系图模型，增强联系图模 型在联系图模型的基础上增加了信息力量。 在装配序列推理方面 8 0 年代后期，b o u r j a u l t 、s a n d e r s o n 和h o m e md em e l l o 等奠定了计算 机辅助装配序列规划研究的基础。这一时期的装配顺序规划研究主要集中在装配序列的几何可行性 分析队及几何可行装配序列求解。 b o u r j a u l t 提出了装配优先关系的概念，所谓装配优先是指装目a 体中某组零件之间的装配先后顺 序关系，这种关系是随着装配体结构设计而确定的，是一种内在的几何约束关系。因此，装配顺序 规划实质上就是对装配结构设计内在的装配优先关系的分析、提取和满足的过程。 随后，h o m e md em e l l o 和b o u r j a u l t 在此基础上引入了割集分析方法。在该方法中，输入信息 为装配联系图。首先利用割集生成算法对联系图进行处理，产生所有的装配割集；然后针对每个割 集的分解可行性进行人机交互式推理，根据用户回答进行自动推理，得到装配割集的分解可能性 最后，由可能性搜索山所有几何可行装配序列。 多年来，国内的高等学校以及科研院所，也在积极进行有关虚拟装配方面的课题与项目研发j 二 作，并取得了大量的研究成果。清华人学在国家“8 6 3 ”重大攻关项目中，为了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 l s ，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1 ：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。张林筵、童秉枢等通过装配过程可视化与干涉检查工具，在产品设计阶 段进行数字化预装配，验证与改进产品的装配工艺，并在商用c a d 软件p r o e n g i n e e r 的基础上用c 与 p r o d e v e l o p 进行了系统实现。 中国科学院软件研究所程成、陈由迪、戴国忠从人机交互的角度，提出了一个基于场景的虚拟 环境用户界面模型，以虚拟装配为麻用实例进行了验证与实现，并给出了装配车间场景的五个情节： 零件进入装配车间、零件匹配、装配特征匹配、约束识别与装配。基于场景的虚拟环境用户界面模 型的一个突出优点是，使交互不仅仅是计算机用户输入的简单反映，而且融进了场景环境因素，因 而更能反映崩户的真实意图。 北京航空航天大学吴威、隋爱娜等采用力位置混合控制的方法，将力和位置的控制模型分别转 换为约束模型和自由移动模型，并通过具有力反馈的数据手套使操作者在虚拟装配过程中感受到力 反馈，从而实现虚拟装配过程中力觉临场感。 浙江大学c a d c g 国家重点实验室万华根、高曙明、彭群生在基于虚拟现实的c a d 方法研究中， 提出通过“用户引导的拆卸”进行拆卸过程仿真，得到零部什的拆卸顺序和拆卸路径，从而确定产 品的装配序列。在此基础上，浙江大学c a d c g 国家重点实验室在四面投影虚拟环境c a v e 中，开发了 完全沉浸式虚拟装配原型系统i v a s 。在i v a s 中，装配规划人员可以通过直接三维操作选择零部件并 进行拆卸规划，系统通过实时碰撞检测机制自动保证拆卸过程的有效性。 西北t 业大学种永比、杨海成提出采用基于约束的装配操作进行虚拟装配造型，通过自动识别 东南人学硕士学位论文 装配元素之间的日a 台约束，以及配台约束的自动满足，有效地简化了装配过程。肖田元等在虚拟制 造技术研究中，以高速剑杆织机为例，采用e m 公司的 ：程数据可视化软件，动态仿真零部件的实际 装配过稃，从而发现装配过程中的干涉问题。西安b 机制造公司于1 9 9 6 年开始数字化产品设计制造 系统的研制t 作，并丁1 9 9 8 年研制完成。该系统能实现产品零件的三维模型设计、虚拟装配、装配 序列检奇等功能。上海交通大学建立了分布式虚拟制造系统的框架体系d v m s 。东南人学在“基于s t e p 数据库实现形式建立装日g c a d c a p p 集成系统研究”，“敏捷制造环境f 装配c a p p 与虚拟装配技术研 究”，“基丁网络化制造的装配c a p p 技术的研究”等论文中，也对虚拟装配进行了深入的研究。 1 2 5 虚拟装配技术的发展趋势 虚拟装配理论的研究方法主要体现在虚拟装配的体系结构、虚拟装配建模、虚拟现实装配顺序 规划和装配分析与评价四个方面。尽管虚拟装配技术发展迅速，但对于虚拟装配系统的研究，在结 合新技术的基础上，可以在以f 几方面进行进一步的探讨”。 ( 1 ) 基于集成的产品模型技术。目前的c a d 模型中的产品信息含量太低。虚拟装配中的模型 需要从c a d 模型抽取相麻的信息，可是目前c a d 模型主要是从儿何实体的角度描述产品的，尽管一些 c a d 模型加入了形状特征和材料及公差等信息，但还远不能全面地描述产品，能够共享的产品信息还 是太少，尤其是非几何的产品信息。现有, j 勺c a d 模型无法支持产晶的概念设计，只能支持产品的详 细设计。缺乏良好的产品信息重用机制。目前各应用软件间的产品数据交换主要是通过专用的接 口来实现的，而这种转换必须是同一问题域( 如几何) 数据的简单映射，这势必增加了虚拟装配系 统的复杂度，而且无法实现模型间数据的自动转换和衍生。 ( 2 ) 装配过程仿真建模方法年技术。基于物理学模型的仿真技术尽管已经得到了广泛的应用， 但其建模方法及建模技术仍未有突破性的进展。面向对象的集成化装配建模的研究。国际上关于 虚拟装配的研究虽不少见，但在装配建模方面，采用面向对象的装配建模将是一种潮流，集成化是 装配建棋的必然趋势。装配_ l 艺规划的进一步研究。装配工艺规划目前还处于研究阶段，局限性 主要表现在四个方面：a ) 组合爆炸或人最的交互问答，限制了目标产品的元件个数；b ) 仅考虑沿 坐标轴方向的平移，装配运动方式过于简单。c ) 偏重于几何计算，：i ：程语义知识的利用有待加强。 d ) 装配顺序的选择标准不够j 1 泛和统一。虚拟装配的基础理论研究。虚拟装配中的公差分析与综 合技术还缺乏理论基础。已有的公差分析和综合的软件在模型的生成以及对i s o 公著标准的支持、对 形位公差的支持方面还有很多问题，迫切需要进行研究。 ( 3 ) 虚拟装配的数字化技术：产品数据管理与其它应用软件的集成问题。在虚拟环境下，各 专业、各部门人员基于同一产品模型协同工作，必须解决产品数据管理与其它应用软件系统女h m r p i i 、c a d 、w e b 浏览器等的集成问题。虚拟产品开发的产品数据组织体系。虚拟产品开发方式生成 的产品数字样机的产品结构树，不仅要反映产品设计阶段的构造层次结构，而且还要反映产品的装 配顺序以及生产流程，所以研究适台虚拟产品开发的产品数据组织体系是切实必要的。与数字化 产品模型相关数据的组织和管理。 ( 4 ) 网络信息共享技术。采用通用分布式请求对象代理机制( c o r b a ) 、基于网络的通讯协议、 统一的产品数据信息、适应网络技术的s t e p i x m l 技术等，实现新的软件结构，结台v r m l l i j a v a 技术、 a g e n t 技术，真正实现多c a d 系统之间的平滑连接，使c a d 系统和非c a d 系统之间信息的完全共享，使 之有效适合虚拟装配的需要是目前国内外研究的热点。 东南大学硕士学位论文 1 3 课题来源及主要研究内容 l _ 3 1 课题来源 目前，国内有关制造技术领域的研究工作方兴未艾，随着先进制造技术的应用，传统c a d c a m 技术面临挑战。基于虚拟环境的装配技术，正在成为改进产品设计过程的有效手段。 东南人学机械上程系先前开展的装配c a p p e d 虚拟装配技术研究中，采用寄生t - c a d 环境的虚拟装 配系统，对装配c a p p 系统主成的装配工艺进行可视化装配验证。但由于不能脱离c a d 环境，对于在网 络环境下进行虚拟装配验证和装配顺序动画演示的发布带来了一定的困难，异地的用户必须具备相 同的c a d 环境才能对虚拟装配的过程进行再现，而这一点对于敏捷制造环境下的企业来说通常不能保 证。 本论文在汤文成老师的悉心指导下，针对“虚拟装配关键技术”进行了深入研究，此项研究是 对由清华大学与东南大学合作承担的，国家自然科学基金重点项目“机电产品敏捷制造使能技术研 究”的延续。 i 3 2 主要研究内容 虚拟制造模式r 虚拟装配的特点是：虚拟装配系统是典型的分布式系统。各c a d 软件是独 立的任务执行实体，拥有各自的知识和目标，可以通过编程独立地执行给定的任务。虚拟装配系 统要实现协同装配，各个c a d 软件之间存在着复杂的信息交互，包括不同层次的通讯及同一层次上 不同内容的通讯。虚拟装配系统的协作机制是装配合作的关键问题，也是虚拟装配系统研究的主 要内容。 由于虚拟装配的企业联盟动态形成，各企业的设计开发环境不尽相同，因此构建的虚拟装配系 统，具有不同的软硬件平台和c a d 环境。如果采用基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境，由 于具备沉浸感和多感官交互的虚拟现实系统造价非常昂贵，要求盟员企业都具备这样的技术装备， 在当前的国情下显然并不适合。 目前，通过计算机仿真实现虚拟装配正成为研究的热点和方向。本课题研究跟踪产品设计领域 中装配技术的最新发展方向，在广泛查阅国内外有关文献的基础上，掌握虚拟装配技术研究工作的 最新进展情况，在虚拟装配关键技术方面进行了深入研究。 论文共分为八章，论文的研究内容及组织结构如r 第一章绪论，主要介绍虚拟装配产生的背景、特点及基本设计思想国内外研究现状与发展 趋势，阐述本课题的研究背景和研究内容。 第二章主要介绍a g e n t 概念、特征、组成结构，多a g e n t 系统的协调与协作等基本概念和基本 原理。 第三章在虚拟装配研究领域引入了a g e n t 的概念，研究t a g e n t 技术在虚拟装配系统中的应用 东南人学硕士学位论文 虚拟装配系统常用的主流软件，基于多a g e n t 的虚拟装配系统的结构、主要模块与特点等。 第四章研究了虚拟装配的装配模型，利用a g e n t 具有分布式、自治、协商、自主完成或求解任 务的特性，探讨了虚拟装配系统装配规划和任务规划等问题。 第五章分析讨论了用宽度优先搜索策略、同定装配序列判据法，实现对减速器主动轴系装配 序列的推理过程。 第六章利用二维c a d 软l q ：s o l i d w o r k s ，研究了零什的建模的基本方法，完成了减速器的虚拟 装配设计及动态模拟。 施。 第七章结合a g e n t 技术 h w e b 技术，提出了解决虚拟装配系统中图形信息的共享与实现的措 第八章总结与展望。对全文的工作进行总结和对进一步的工作的展望。 9 东南大学硕士学位论文 第二章a g e n t 技术及其在虚拟装配系统中的应用 2 1 a g e n t 概念与基本特征 1 、a g e n t 概念 a g e n t 的概念出现t - 2 0 世 l i 7 0 年代的人1 ：智能中，8 0 年代后期才成长起来。由于分布式并行处理 技术、面向对象技术、多媒体技术、计算机网络技术，特别是互联网技术的发展，a g e n t t l i 仅成为人 工智能和计算机领域最活跃的研究内