（机械设计及理论专业论文）基于虚拟环境的典型机械产品装配序列优化方法研究.pdf

摘要 虚拟制造技术是最近十来年才提出的一个概念，随着计算机软硬件的不断开发、 利用，虚拟制造、虚拟环境、虚拟装配等相关技术都得到了迅速的发展。虚拟装配是 虚拟产品开发技术的一种单元技术，作为虚拟制造中一个重要环节，越来越得到了人 们的关注和重视。 本文是在分析了虚拟装配相关技术的基础上，以典型机械产品为研究对象，对虚 拟装配的理论和关键技术进行了研究。其中对产品装配信息模型进行了深入的研究和 探讨，并归纳出一种面向装配顺序规划的装配信息模型层次化装配信息模型。该 模型对于描述产品装配模型的层次信息、装配关系信息以及特征属性信息等提供了良 好的信息支持。同时阐述了如何利用c a d 的二次开发工具提取产品模型信息。在装配 模型的基础上，利用装配关联矩阵、装配通道函数、装配稳定性函数等研究了装配序 列生成和优化，并通过模糊综合评估法对装配序列进行模糊评价，筛选最佳装配序列 方案；在装配序列和三维空间的位姿运动矩阵及其变换矩阵的基础上，深入研究了装 配过程仿真技术。 最后以一个单级减速器装配体为实例，应用虚拟装配系统进行了装配建模、装配 信息提取、装配序列的生成、装配序列的优化和评估以及装配仿真，最终生产装配工 艺，从而验证了虚拟装配系统在虚拟装配序列优化中的应用。 关键字：虚拟装配系统虚拟装配模型装配序列优化装配仿真干涉检查 a b s t r a c t t h ec o n c e p t i o no fv i r t u a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yh a sa d v a n c e di n r e c e n t l yt e n y e a r s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p i n go fc o m p u t e r ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，v i r t u a lm a n u f a c t u r e ， v i r t u a le n v i r o n m e n t ，v i r t u a la s s e m b l ya n dt h er e l a t i v et e c h n o l o g yg r o wu pv e r yq u i c k l y a s ak i n do fu n i tt e c h n o l o g yo fv i r t u a lp r o d u c td e s i g nt e c h n o l o g y , v i r t u a la s s e m b l yi sp l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l ei nv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g a n dt h ev i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y , w h i c hi st h e i m p o r t a n tl i n ko fv i n u a lp r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，i sd r a w i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o no fp e o p l e t h i sa r t i c l ei sb a s e do na na n a l y s i so fv i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y , t y p i c a lm e c h a n i c a l p r o d u c t sf o rt h er e s e a r c hs u b j e c t s ，r e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e so fv i r t u a l a s s e m b l y t ot h ei n f o r m a t i o nm o d e lo fp r o d u c ta s s e m b l yd oi n - d e p t hs t u d ya n de x p l o r a t i o n a n ds u mu pt h ea s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e lo ft h e a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g - - h i e r a r c h i c a lm o d e li n f o r m a t i o na s s e m b l y t h em o d e lt od e s c r i b et h el e v e lo fi n f o r m a t i o no f p r o d u c ta s s e m b l ym o d e l ，t h ea s s e m b l yr e l a t i o ni n f o r m a t i o na sw e l la sp r o v i d eg o o ds u p p o r t f o rt h es p e c i a la t t r i b u t e si n f o r m a t i o n b a s e do ni nt h ea s s e m b l ym o d e l ，u s eo ft h ea s s o c i a t e d m a t r i xa s s e m b l y , c h a n n e la s s e m b l yf u n c t i o n ，s t a b i l i t yo ft h ea s s e m b l yf u n c t i o na n ds oo n ， s t u d yo ft h ea s s e m b l ys e q u e n c eg e n e r a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，a n da d o p t e db yf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dt oe v a l u a t et h ea s s e m b l ys e q u e n c eh a z i l y , s c r e e n i n gt h e b e s ts c h e m eo fs e q u e n c ea s s e m b l y ；b a s e do nt h ea s s e m b l ys e q u e n c ea n dt h r e e d i m e n s i o n a l p o s t u r em o v e m e n tm a t r i xa n di t st r a n s f o r m a t i o nm a t r i x ，i n d e p t hs t u d yo ft h ea s s e m b l y p r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，s e n d i n gas i n g l e s t a g er e d u c e ra sa ne x a m p l e ，ia p p l i c a t e dt h ev i r t u a l a s s e m b l ys y s t e mt oc o m p l e t et h ea s s e m b l ym o d e l i n g ，t h ev i r t u a la s s e m b l ya s s e m b l y i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ，t h e a s s e m b l ys e q u e n c eg e n e r a t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o na n dt h e a s s e s s m e n to ft h ea s s e m b l ys e q u e n c e ，a sw e l la st h e a s s e m b l ys i m u l a t i o n ，t h u sw e a u t h e n t i c a t e dt h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi nt h ev i r t u a la s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a la s s e m b l ys y s t e m v i r t u a la s s e m b l ym o d e l a s s e m b l ys e q u e n c e o p t i m i z a t i o na s s e m b l ys i m u l a t i o n i n t e r f e r e n c ec h e e k 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于虚拟环境的典型机械产品运动 仿真研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：么五 矽一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学 位论文全文数据威：和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 指导导师签 年磁日 年乒月碑日 1 1 虚拟装配技术概述 1 1 1 引言 第一章绪论 2 1 世纪，信息和知识的高速发展要求制造企业以最短的产品开发时间( t i m e ) 、最 优的产品质量( q u a l i t y ) 、最低的成本和价位( c o s t ) 、最优的服务( s e r v i c e ) 、最清 洁的环境( e n v i r o n m e n t ) 和快速的市场适应性( f l e x i b i l i t y ) _ t q c s e f 来赢得用 户和市场，实现可持续快速发展。实现这一目标要求人们将制造技术与飞速发展着的 系统科学、计算机科学、虚拟现实、人工智能等有机融合，形成全新概念的具有信息 化、自动化、智能化、敏捷化等特点的现代虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 技术。虚拟装配作为虚拟制造的关键技术之一，具有广阔的应用前景，世界各国的政 府、企业、大学等机构对其进行了全方位多层次的研究。 1 1 2 虚拟装配的意义 装配是产品研发设计生产过程中中最具影响力的一个环节。现代产品的竞争是性 能、质量、价格，后期维护等多种因素的综合竞争，所有这些因素无不与装配存在密 切联系。产品的质量是由设计师拟定的，由制造阶段提供保证，并由装配阶段具体落 实的。据统计，在产品生产阶段，有三分之一以上的人直接或间接从事与装配有关的 活动，而装配费用则占整个生产成本的3 0 5 0 ( 对于某些复杂产品，这个比例会更高) 。 另一方面，装配环节也是制约生产自动化的主要因素，装配性能好坏是决定产品能否 采用自动化装配的关键。 德国对3 5 5 家制造商所作的一项调查发现，装配自动化的主要障碍在于产品设计 不是面向装配的( a s s e m b l y o r i e n t e d ) ，致使产品既难于装配，又难于保证装配质量。 在过去的2 0 多年罩，c a d c a m 技术及其应用系统在制造业获得了广泛的应用和推广，极 大地提高了产品的设计效率和生产加工的自动化水平。但是，零件的设计与加工方面 进展较快，产品装配却一直是一个相对薄弱与滞后的环节，主要原因在于该环节与人 的知识与经验关系太过密切，因而在很大程度上制约了其自动化的进展。 2 0 世纪9 0 年代，并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 和虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 技术的兴起导致了产品设计的广义化，许多处于下游阶段的活动如制 造、装配、测试、质量控制等都可望在产品设计的同时并行考虑。在此背景下，装配 设计范围自然扩展为产品生命周期中与装配有关的各项活动。从这个意义上讲，产品 装配结构设计、装配公差分析、装配工艺规划等，均应是广义的装配设计范围，实际 上，他是一种基于三维数字模型的集成化装配设计，亦称虚拟装配。虚拟装配虚拟是 虚拟产品开发过程中至关重要的一环，是一项从设计到零部件构型与布局、材料选择、 装配工艺规划、公差分析与综合等众多内容的复杂、综合性工作，其作用和地位可归 结为如下几个方面： ( 1 ) 拟定结构方案，优化装配结构。这是装配设计的外在表现，装配设计的基本任 务是从原理方案出发在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图。 ( 2 ) 改进装配性能，降低装配成本。基本要求是确保产品的零部件能够装配到位； 进一步的要求是确保机械产品装配能够比较容易实现，即装配成本尽可能低廉。 ( 3 ) 产品可制造性的基础和依据。制造的最终目的是能够形成满足要求的产品产 品，考虑可装配性必须先于可制造性。一旦离开了产品可装配这一前提，谈论可制造 性便是毫无意义的，因而虚拟装配是产品可制造性的出发点。 ( 4 ) 产品并行设计的技术支持和保障。产品并行设计是让下游有关活动尽早融汇到 上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计早期加以考虑。这种融汇是通过诸如 d f a ( 面向装配设计d e s i g nf a c ea s s e m b l y ) 等技术来具体实现和保证的，装配在生产过 程中的支配地位确定了虚拟的龙头作用。 虚拟装配以装配对象( 产品及其零部件) 的三位实体模型为基础，通过虚拟的实体 模型在计算机上仿真装配操作的全过程，进行装配操作及其相关特性的系统分析实现 产品的装配工艺规划，并得到能指导实际装配操作的工艺文件。它是实际装配过程在 虚拟环境下的映射，因此，从本质上讲，虚拟装配就是要在产品设计阶段，利用计算 机装配出“虚拟产品”，以可视化方式验证、展示和完善产品及其零部件的可装配性。 作为一个新兴研究领域，虚拟装配实际是多种技术的结合，其发展与产品设计方 法学、可视化技术、仿真技术、决策技术、装配和制造技术以及装配和制造设备的发 展等紧密相关。产品虚拟装配的突出特点可以归结如下： ( 1 ) 以集成化装配信息模型为核心。虚拟装配的一切活动和过程均离不开对装配信 息模型的依赖，涉及到的实体模型、功能结构模型、装配工艺模型装配资源模型等， 并且这些模型必须是集成化的形成一个统一体，在计算机内部具有唯一确定的数据源， 能保证局部更改在各领域模型之间关联的数据一致性。 ( 2 ) 以全生命周期装配环节为对象。虚拟装配的研究对象涵盖产品全生命周期内与 装配相关的所有活动与过程，包括产品的装配、拆卸、维护、报废、回收等环节，以 及实施这些活动的操作过程及所需资源的合理配置和利用。因此，从某种意义上而言， 虚拟装配其实就是一种拟实化的广义的面向装配的设计( d f a ) ，而d f a 贝j j 可视作其方法 学。 ( 3 ) 以可装配性的全面改善为目的。可装配性就是产品及其装配元件( 零件和子装 配体) 容易装配的能力和特性，衡量其优劣应综合考虑技术特性、经济特性和社会特性。 因此，虚拟装配所追求的应是可装配性的全面改善，即从技术角度产品装配是合理可 2 行的，从经济角度应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人因工程和环保等社会 因素。 ( 4 ) 以操作仿真的高逼真度为特色。主要体现在虚拟装配实施对象、操作过程以及 所用的装配资源，均与生产实际情况高度吻合，因而可以生动直观地反映产品装配的 真实过程，使仿真结果具有高可信度。机械装配对象及装配资源的三位实体建模是确 保高逼真度的前提条件，v r 技术则可用进一步增强人与操作环境交互的自然化。 1 2 国内外虚拟装配技术的研究现状 1 2 1 国外虚拟装配技术的发展及现状 虚拟装配技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用。应用 领域从汽车制造业，工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通 用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。 美国s a n d i a 国家实验室研究开发了一个名为a r c h i m e d e s 2 儿3 3 的用于生成、优化和检 查装配工艺的交互式装配规划系统，它允许用户定义工艺约束，自动生成装配工艺并 判断是否满足约束条件，还可以按照用户提供的指标优化装配工艺。4 0 版是系统目前 最新版本，主要包括5 个部分：1 搜索引擎，是系统的核心模块，通过反复迭代的采样 算法搜索a n d o r 图表示的装配体各零件之间的连接关系，能迅速发现初始解并不断寻 优，对多约束或非约束状态空间中的装配工艺规划均有显著效果；2 几何模块，利用 产品的c a d 数据和某些辅助数据进行装配顺序规划，可自动判断零部件之间的接触关 系，并通过装配体的无向图搜寻重要的运动方向以及该方向上的零件调度关系，干涉 碰撞算法用以快速检验装配操作的可行性；3 路径规划，采用一种随机树的快速扩展 算法，来求解不能沿直线简单移动的零部件可行拆卸路径；4 工具模块，用以检验装 配工具的几何可达性，能处理多种装配工具，包括手工工具如螺丝刀、扳手，专用工 具( 如激光焊接器、压紧器) 以及各种检测工具等；5 交互模块，用以交互制定装配顺 序中的约束优先关系，还可定义优化评判准则来遴选装配顺序。a r c h i m e d e s 可以读入 当前流行的各种c a d 模型，并能以多种形式输出装配工艺规划结果。a r c h i m e d e s 已被成 功地应用于多家企业的实际产品部件的装配顺序规划，这些企业包括美国能源部d o e 、 国家航空和宇航局n a s a 、r o c k w e l l 公司、洛克希德飞机公司、休斯飞机公司等，其中 休斯飞机公司的产品实例为著名的第四代空空导弹“晌尾蛇”a i m 一9 x ，共有4 7 1 个零件。 德国m i c h a e lw e y r i c h n l 等人通过调用o p e ng l ，i n v e n t o r ，p e r f o r m e r 和v e g a 库， 实现了面向虚拟制造的“虚拟工作台 交互环境。借助一幅特殊的l c d b 艮镜、一枝6 维 笔、一个三维鼠标和一双数据手套，用户能够直接与虚拟对象进行交互，实现顺序控 制、运动仿真、装配碰撞检查等。 德国b w m 公司建立了v i r t u a lp r o c e s sw e e k 的体系，利用虚拟技术对汽车装配流程 3 的合理性加以测试；日本n a b e 等开发了机械零件可装配性验证系统，支持设计这在 虚拟环境下进行装配分析。 德国b e r n h a r dj u n g 等开发了一个基于知识的虚拟装配系统c o d y ，允许设计者通过 三维操作或简单的语言命令进行产品装配隋1 。 v p l 公司开发的r b 2 ，a u t o d e s k 公司开发的c t l ，d i v i s i o n 公司开发的d v s 等系统【引， 描述了物体装配关系和运动规则。 美国n o r t h r o p 公司的图形化自动飞机机身装配程序( 从p ) 口】。 r o s s l e r 等利用空间约束算法开发的旨在帮助设计者在虚拟环境中对零件进行装 配和拆卸操作的虚拟装配系统阳1 。 a n t o n i s h e k 等基于水平显示设备v i r t u a lw o r k b e n c h t m 开发的半沉浸式虚拟装配系 统引。 p e r e 等基于p c 平台开发的简易虚拟装配系统n 引。 h e r i o t - w a t t 大学的机械和化学工程系进行了两个关于虚拟装配的项目，一是利用 虚拟环境对电缆连接进行设计和规划，二是利用虚拟环境来得到用于装配规划的知识， 并开发了一个虚拟装配规划系统u v a v u 1 。 美国波音公司采用虚拟原型技术设计的包含3 0 0 多万个零件的波音7 7 7 飞机的虚拟 原型机，使设计师、工程师们能够穿行于这个虚拟飞机中，可以随意调出其中的一个 零件，审视并修改飞机的各项设计。波音7 7 7 飞机的虚拟原型机获得了无图纸设计和生 产的巨大成功，这是近年来引起科技界，企业界瞩目的一次重大突破，也为人们研制 开发新的机械系统提供了思路n 刳。 华盛顿州立大学( w a s h i n g t o ns t a t eu n i v e r s i t y ) 和国家标准技术研究所n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 共同合作开发的虚拟装配设计 环境( v a d e ) 1 3 o 开发v a d e 的主要目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境 来探索在设计和制造中运用虚拟环境的潜在的和技术的可能性。目前，该系统已成功 并通过了工业实例的测试。 v a d e 的体系结构是基于面向对象的设计概念和方法的，它由8 个模块组成： 交互管理器：协调整个系统的所有模块和特征； 输入管理器：获取用户的输入，包括跟踪资料，手套资料和键盘资料等等： 输出管理器：生成和修改图形显示，并管理场景图形； 模型管理器：从c a d 系统中获取装配模型和环境模型的信息； 碰撞管理器：提供实时的碰撞检测； 体积管理器：生成和控制部件的体积和轨迹的编辑； 设计管理器：允许用户在虚拟环境中执行参数化的设计修改，并将这些修改与 c a d 系统集成起来； 动态管理器：模拟部件的动态行为。 v a d e 能够支持多种的虚拟坏境外围设备。华盛顿州立大学是采用了拥有6 个 4 p r o c e s s o r s 和两个i n f i n i t er e a l i t yp i p e s 的s g io n y x 2 来完成测试工作的，设备还包 括f l o c ko fb i r d s ，c y b e r g l o v e 和一个v r 4 头盔式显示器。n i s t 完成的合作工作采用了 i m m e r s a d e s k 来实现。 1 2 2 国内虚拟装配技术的发展及现状 国内开展虚拟装配技术的研究始于2 0 世纪9 0 年代后期，清华大学、浙江大学、西 北工业大学等单位在虚拟装配及其关键技术研究与开发方面都作出了有意义的探索。 清华大学国家c i m s i 程技术研究中心口卜惜1 是在国内率先开展虚拟装配研究开发的 单位之一，多年来已在面向装配的设计( d f a ) 、装配建模、装配顺序与路径规划、装配 过程仿真、装配资源建模等方面作了较为深入的探索，并基于c a d 软件平台 p r o e n g i n e e r 开发实现了一个虚拟装配支持系统v a s s ( v i r t u a la s s e m b l ys u p p o r t s y s t e m ) 。利用该系统可在产品设计阶段基于三维实体模型的试拆仿真，生动直观的分 析、验证与改善产品的可装配性，进行产品及其部件的装配工艺规划，生成对实际装 配操作具有指导意义的装配工艺文件。v a s s 已在经纬纺机股份有限公司某新型剑杆织 机的虚拟产品开发、徐工集团新型工程机械的产品开发中得到初步应用。 西北工业大学c a d c a m 国家重点实验室n 7 m 1 8 3 结合飞机产品的设计开发，在装配建 模，装配顺序与路径规划、装配操作仿真等方面进行了研究，以装配操作模型作为产 品工艺信息集成的载体，将产品装配环境和装配过程结合在一起，并基于s o l i dw o r k s 和c a t i a 软件平台开发了实现装配仿真系统。 西安飞机制造公司研制的数字化产品设计制造系统能完成产品零件的三维模型设 计，数字化预装配，空间检查等功能n 9 l 。 西南交通大学机械工程研究所对基于虚拟现实技术的原型设计机理进行了研究， 把虚拟现实技术与c a d 设计环境结合起来n 引。 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 ) n 引。 刘振宇等研究了装配设计中的装配语义的识别和约束的转化问题啪1 。 谭国锋综合应用p r o e ，a u t o c a d ，c o r e l d r a w 等c a d 软件形成虚拟制造虚拟装配 ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g v i r t u a l a s s e m b l y ，v m v a ) 技术应用与产品的成型过程，取 得了良好的效果乜。 孙军华等建立了基于虚拟现实建模语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ， v r m l ) 的交互式虚拟装配平台，实现了从静态装配体的v r m l 文件到动态交互式虚拟装配 的v r m l 文件的转化心引。 顾寄南等对面向虚拟装配的“顶点表示活动”网络排序装配规划进行了研究，提 出了a o v ( a c t i v i t yo nv e r t i c e s ) 网络排序技术生成产品的装配顺序，有效地解决了在 减少装配顺序遗漏的同时缩小可行解的空间，提高了装配顺序评价的效率心引。 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 l d e s i g na n d 5 v i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ，v d v a s ) 实现了在同虚拟环境中修改尚未满足装配条件的 零件的几何信息，而无需在虚拟环境与c a d 系统间进行资料转换和传输，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n 引。 浙江大学的万华根等人开发实现了一个基于多通道的、集成的虚拟设计与虚拟装 配系统v d v a s ，设计者可以通过直接三维操作和语音命令直观方便地建立机械零件及其 装配模型，并通过交互拆装来得到零件的装配顺序和装配路径等信息。通过集成虚拟 设计与虚拟装配过程，使设计者能在一个集成的虚拟环境中修改零件几何信息。 国内在装配信息模型方面的研究目前尚处于起步和探索阶段，主要集中在上海交 通大学，清华大学，哈尔滨工业大学，华中理工大学和西北工业大学n 9 1 。 综上所述，目前虚拟装配技术已经在很多领域得到了广泛的研究和应用，但各个 领域的研究尚待进一步改善和深入。 1 3 本论文研究的内容及要解决的问题 论文的目标是在现有的主流c a d 软件( s o l i d w o r k s ) 的基础之上，应用v i s u a l b a s i c 6 0 对其进行二次开发，开发出一个虚拟装配系统的若干功能模块，在该系统上 应用这些模块进行装配序列的分析和装配过程的仿真，并利用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 数据库进行数据的存储。 本文研究的装配仿真系统的各个模块是针对经典机械产品的装配体装配过程开发 的。以某型号单级减速器为例，应用该装配仿真系统进行虚拟装配。 该虚拟装配系统要实现的功能模块有： ( 1 ) 建模和装配信息提取模块 1 2 ) 装配序列的生成模块 f 3 ) 装配序列的优化模块 ( 4 ) 装配序列的评估模块 ( 5 ) 装配序列的装配仿真模块 ( 6 ) 装配碰撞检查模块 本论文为了实现该系统各功能模块所作的主要工作是： ( 1 ) 提出了面向装配的装配模型一层次化装配信息模型，该装配模型能够表达装配 体零部件的逻辑层次关系，也能够表达零部件之间的配合联接拓扑关系。并能够对在 装配模型结构中以结点形式存在的装配体零部件进行访问与编辑等操作。同时为了便 于后续工作的使用将这些提取的信息存储于m i c r o s o f ts q ls e r v e r 数据库中。 ( 2 ) 在装配模型基础上，以拆卸法和割集法为基础，通过关联矩阵和装配通道函数 生成存在的装配序列，同时能够以人机交互的方式对装配体的组成零部件进行装配序 列与路径的调整，接着通过稳定性函数等对产生的装配序列进行优化，并通过模糊评 6 估判定装配序列的最优性，验证上述装配序列与路径的可行性、合理性和最优性。 ( 3 ) 以零部件空间矩阵变换为原理，对装配体的装配过程进行仿真，以可视化的方 式进一步向用户展示装配体在所调整的装配序列与路径下的可装配性。并通过装配体 拆卸运动的实时干涉检验等手段，验证上述装配序列与路径的可行性与合理性。 ( 4 ) 论文的最后我们要应用建立的虚拟装配系统各功能模块，对单级减速器进行 虚拟装配，通过对减速器的虚拟装配序列的优化和装配过程的仿真，验证我们所建立 的虚拟装配系统，在典型机械产品虚拟装配过程中应用的普遍性和可行性。 7 第二章虚拟装配模型 2 1 虚拟装配模型的概述 在产品的虚拟装配过程中，第一步是建立产品的装配模型。装配建模是通过提取 实体造型系统( c a d ) 建立产品三维装配体的装配关系进而形成装配模型。产品的装配模 型应包括零部件的实体信息、零部件问的装配关系以及由装配关系所决定的空间位置 关系，并支持产品从概念设计到零件设计的产品模型，也就是说可以反映和描述产品 装配过程中的所有因素和关系口引。建立产品装配模型的目的在于建立完整的产品装配 信息，是虚拟装配中一个非常关键的技术。 装配体中装配信息的合理表示是虚拟装配序列规划的基础，装配信息的表示是否 恰当将严重影响装配序列规划效率。一个好的虚拟装配模型不但能够完整的表达产品 信息，而且能够快速的反映到产品的设计上，提供产品的设计效率，降低产品的生产 成本。 2 1 1 装配模型的分类 装配模型的研究早在2 0 世纪7 0 年代就开始了，其主要发展趋势是由图表达的拓 扑结构向树表达的层次结构模型发展。 随着装配技术的发展和深入，有关装配建模的研究也得到了迅速发展。在装配模 型的建立过程中，比较成熟的方法有两类汹1 ：一种是基于关系的装配建模方法，另一种 是基于层次化的装配建模方法。 1 基于关系的装配模型 早期的c a d 系统将装配体中的各个零件看成是相互孤立的实体，零件的位置由装 配体全局坐标系下的绝对坐标给出，根本就没有什么装配模型的概念，这很不利于装 配规划的设计，成为装配自动化发展的制约因素。在此之后，出现了基于关系的装配 模型，即关系模型。关系模型除了能表达装配体中零件间的位置关系外，还能表达零 件间的逻辑和物理关系。关系模型通常采用图结构表达，如图2 1 所示。图中的节点 代表零件，分支显示物理属性，联接弧代表零件之间的装配关系。 8 图2 1 装配关系模型 零件在装配过程是具有一定的顺序的，后续零件的装配定位依赖于与之有配合关 系的己经装配的零件。由于装配关系对应变换矩阵，定位图表达了装配体中零件之间 的装配顺序，但并没有超越在同一层次上表达全部零件之间的装配关系，不具备整体 上的层次性，其实质仍然是一种关系模型。用关系模型表达零件之间的装配关系是比 较直观的，便于各种信息的存取管理和后续直接利用，但是信息描述往往只在同一个 层次上进行，不符合产品的实际构造习惯。对于复杂装配体，基于关系模型的设计分 析过程比较繁琐，而且会引起装配序列规划计算量的“几何爆炸。关系模型的另一缺 陷是没有表达装配体中零件间的配合关系这一非常重要的信息，无法根据配合关系推 导出零件的定位变换矩阵和装配方向，定位变换矩阵需由用户交互指定，很不符合工 程设计习惯。 2 层次化装配模型 产品总是由一个或多个功能部件和零件组成，这些部件分别实现自己的功能，往 往又包含下一级子装配体，下一级子装配体又包含更下一级子装配体，如此拆分，直 至最终不可拆分的零件，这种过程实际上也是装配设计时把产品由上到下逐渐细分的 过程。设计人员在设计一个产品时，最先想到的不是一个单独的零件，而是整个产品 的构形及所需完成的功能任务，然后再把产品的构形一级一级的细分，同时也进行着 功能的一级级分解，直到最终不可再分的零件。用这种从上到下( t o p d o w n ) 的设计 方法所设计出的产品具有多层次结构。 层次化模型的优点是能够表达产品中零部件间的这种层次关系，并可以用子装配 体表达一组功能上或物理结构上相关的零件集，再以子装配体为研究对象进行设计分 析，可减少装配分析的复杂性，简化问题的求解过程。缺点是各零部件之间的装配关 系描述不够直观，不能涵盖零部件装配操作的有关信息，子装配体的划分也没有明确 的规则。 为了表达产品的多层次结构，在装配层次化模型中，用多叉树结构来描述装配体， 如图2 2 所示。该结构是设计者根据产品的组成特点、功能、结构、稳定性等因素对 产品进行逐步分解而得到的装配体的一种层次分解结构。该多叉树的根结点是装配体， 叶结点是组成装配体的各个零件，中间结点则是子装配体。这罩的子装配体大多具有 9 稳定性和紧固性等特征的组件或部件，但是为了有利于装配规划可以将那些有明确装 配顺序关系的零件组合在一起，定义为虚拟子装配体。虚拟子装配体这个概念的引入， 能够较大幅度的减少装配规划的复杂性。这种多叉树结构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、子装配体及零件之间的父、子从属关系。 在对装配体进行装配规划时，可以采用这种多叉树结构进行自下而上分层规划的方法， 即首先是对最底层子装配体中的零件进行装配顺序推理，然后再对较高层子装配体中 的子装配体进行装配顺序推理，如果在子装配体层出现单一零件时，该类零件成为部 件级零件，可以直接在相应层中进行装配顺序推理，这样就可以得到整个装配树中各 个单元的装配顺序。 2 1 2 装配模型的典型模型 图2 2 产品多义树结构 目前在虚拟装配中典型的虚拟装配模型有如下几种汹儿扪： ( 1 ) a u t o p a s s 模型：l i b e r m a n 和w e s l e y 开发了一个零件自动装配系统a u t o p a s s ( a u t o m a t e dp a r t sa s s e m b l ys y s t e m ) ，在该系统中，采用了一个图结构形式的装配 体等( 统称为部件) 被表达成为图结构中的结点，图中的有向边代表部件间的关系，关 系包括“属于”、“连接”、“约束”、“装配 等。对应一个部件的每个结点存有一个齐 次变换矩阵，用来表示部件的彼此的相对位置和方位；同时还包含一个关系链表，链 表描述了该部件和其它部件的关系。结点另外还包括有几何和物理信息。 ( 2 ) 位置图模型：e a s t m a n 提出了一种称为“位置图”的模型，位置中用一种层 次方式存储每个零部件间的相对位置，图中的每一条分支对应有一个齐次变换矩阵。 上面的a u t o p a s s 模型和位置图模型集成了虚拟装配所需要的几乎全部信息，但是它们 均要求将装配体中每零部件的齐次变换矩阵作为输入，以约束零部件的位置和方位， 1 0 然而，齐次变换矩阵的交互输入比较繁琐、困难而且容易出错。 ( 3 ) 虚链模型：l e e 等基于“虚链”建立了一个层次化的装配模型，一个装配可 能由许多零部件组成，装配体被存储在带有“虚链”的图结构中。任何两个有配合关 系的零部件之间都维持有一个“虚链 ，它是用来描述配合关系和配合特征信息的完整 集合。配合关系包括硬连接、条件连接、移动约束和旋转约束等。顶部结点的装配体 由一对或几对子装配体组成，每一对有一个“虚链”连接，每一子装配体又可有几对 更小的子装配体和零件组成，按这种方式，装配图的终端结点将是装配体的零件，这 些终端结点上存储有相应零件的有关信息。这里零件的表示采用了翼边结构。通过引 入“虚链”，装配体数据能被层次化存储，每一个零件和子装配体的齐次变换矩阵并不 需要交互输入，它能从“虚链”携带的配合特征等信息推导出来。相比之下，零件间 的配合特征等信息能很容易地交互提供，因为配合特征是一些诸如配合面和同轴中心 线等图形化的实体。 ( 4 ) 关系模型：h o m e md em e l l o 和s n d e r s o n 提出了一种装配体的关系模型。这 种模型形式化地表示为一个五元组， ，其中p 是零件集合， c 是c o n t a c t 集合，a 是a t t a c h m e n t 集合，r 是一个关系集合，其中每一个元素对应于 p u c u a 中元素对间的一个关系，a - f u n c t i o n s 是一个属性函数集，函数将实体或关系与 它们的特征相关联。这一关系模型的定义对其所能表达的装配体有一些限制，更重要 的一点是关系模型必须是一致的，例如，如果p a r t ( r ) = p ，而且c o n t a c t ( r ) = c ，那么r 必须属于集合p a r t c o n t a c t r e l a t i o n s h i p ( p ) 和集合p a r t c o n t a c t r e l a t i o n s h i p ( c ) ， 此外，关系模型还必须满足一些其它句法上的约束。关系模型能用一个图加一个属性 函数集表示。 ( 5 ) 关联图模型：关联图模型由法国学者b o u r j a u l t 提出。b o u r j a u l t 以图结构 g ( p ，l ) 表达装配体，g ( p ，l ) 为一连解图，p 表示零件集合，l 为零件间的联系集 合。b o u r j a u l t 将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系。采用联系图表达产 品装配关系的优点是方法简单，仅需联结产品中存在物理装配关系的零件即可得到产 品装配关系联系图，易于实现自动装配建模。缺点是零件之间的联系并不对应具体的 装配操作，利用联系图模型难于实现自动装配规划。 以上的图结构模型、层次模型、虚链模型等装配模型主要是对装配设计所需要的 信息进行表达，也就是装配表达模型，事实上，就虚拟装配而言，要建立一个信息集 成丰富、同时由用户交互输入少、装配关系表达完全同时又建构简单、即支持面向表 达、又支持面向设计等完善的装配模型并非易事，一定程度上也没有必要，通常在建 立模型时，往往是针对应用的实际需要、有侧重的建立一个装配模型。 以上各种装配模型虽然比较经典，但是它们构建复杂，建立繁琐，由于零件的增 加，这些装配模型构建的工作量往往成数量级的递增，为我们的建模带来了诸多不便， 同时由于我们在s o l i d w o r k s 中构建虚拟装配信息模型，我们可以充分的利用 s o li d w o r k s 中装配体特征树的优势，创建装配顺序规划的装配信息模型。 2 2 虚拟装配模型的信息组成 建立产品装配模型的目的是为面向装配的产品设计提供信息来源和存取机制。装 配模型不仅要处理设计系统的输入信息，还应能处理设计过程的中间信息和结果信息， 因此装配模型信息应随设计过程的推进而逐渐丰富和完善。这些信息主要由六个方面 的内容组成，如图2 3 所示汹1 ： 图2 3 产品装配模型的信息组成 ( 1 ) 管理信息 与产品及其零部件管理相关的信息。相当于众所周知的b o m 信息，包括产品各构 成组件的名称，代号，材料，件数，技术规范或标准，技术要求以及设计者和供货商， 设计版本等信息。它们是在产品设计过程中逐渐形成的，主要作用是为产品设计过程 以及产品生命周期后续过程的管理提供参考和基本依据。 ( 2 ) 几何信息 与产品的几何实体构造相关的信息。它们决定装配组件和整个产品装配体的几何 形状与尺寸大小，以及装配组件在最终装配体内的位置和姿态。由于现有的商用c a d 系统( 如s o l i d w o r k s ，c a t i a ，p r o e ，u g 等) 已具备较完善的几何建模功能，产品装 配模型所需的几何构造信息可直接从相关的内部数据库提取。 ( 3 ) 拓扑信息 包括两类信息。一类信息为产品装配的层次结构关系。这类信息与具体应用领域 有关，往往因“视图”的不同而有所差异。例如，对于同一个产品来说，如分别从功 能角色、装拆操作、机构运动等角度分析，其层次结构组成关系很可能是不同的。另 一类信息为产品装配组件之间的几何配合约束关系，常见的关系有贴合( m a t e ) j 对齐 ( a li g n ) 、同向( o r i e n t ) 、相切( t a n g e n t ) 、插入( i n s e r t ) 和坐标系重合( c o o r ds y s ) 等。 这类信息取决于静态装配体的构造需求，与应用领域无关。 ( 4 ) 工程语义信息 与产品工程应用相关的语义信息。主要包括五类：装配组件的角色类别，如螺 栓螺钉、垫圈垫片、销钉、轴承、弹簧、卡紧件、密封件和一般结构件等及其相关信 息；装配组件的聚类分组( c l u s t e r i n g ) ，如一般簇( 含螺钉、销钉、卡紧件等的组件 簇) ，特殊簇( 具有过盈配合、胶接、焊接等关系的组件簇) 以及簇的嵌套等；装配组 件装拆的强制优先( p r i o r i t i e