（机械设计及理论专业论文）虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现.pdf

摘要 本文从装配和拆卸过程中常用的装拆工具分类入手，对虚拟环境下具有层次 结构的装拆工具库构建、管理进行了研究。讨论了工具的特征建模方法和装配拆 卸过程中工具操作序列的评价指标。在将工具交互操作过程进行分解的基础上， 提出了基于特征的工具定位方法，实现了虚拟环境下工具的定位和交互拆卸过 程。在虚拟装配拆卸平台下结合实例进行了工具库的操作和工具的交互拆卸，验 证了本文阐述的理论成果。 本文的主要工作为： 第一章介绍了虚拟装配拆卸技术研究现状以及国内外对于装拆工具的研究 进展，讨论了存在的不足和虚拟装拆过程中引入工具的必要性。系统的阐述了本 文的研究内容并给出了本文的章节结构安排。 第二章在常见的装拆工具分类基础上构建了工具库的层次模型。从物理属性 角度和人机功效角度挖掘了装配工具的特性。提出了工具操作特征的概念，在几 何建模的基础上通过特征建模进行工具操作信息的表达，最后给出了c a d 系统 和虚拟装配拆卸平台系统之间工具模型信息的转换过程。 第三章对于工具库的基本功能，双向搜索功能和工具类的设计给出了具体实 现方法。分析了工具参与下装配拆卸序列重新规划的必要性，并且在提出若干工 具操作序列评价指标的基础上结合实例生成了有工具参与的产品拆卸序列。 第四章分析了虚拟环境下操作工具进行人工拆卸的过程，提出用工具定位操 作来表达工具定位过程，并给出了常见工具类型的定位操作及定位约束的动态更 新方法。对虚拟环境下工具拆卸过程进行了实现，并与其它虚拟工具交互实现方 法进行了分析比较，最后研究了虚拟环境下扳手的操作空间检查方法。 第五章首先介绍了支持装拆工具库的虚拟装配拆卸原型系统的框架结构，并 以汽车前桥中贮能弹簧制动气室装配体为例，调用工具库中不同装拆工具实现了 工具拆卸过程。 第六章对本文的主要研究工作进行了归纳，指出了虚拟现实环境下工具研究 的后续内容并展望了未来的发展方向。 关键诃：虚拟现实；装配工具；工具库；人工拆卸；工具序列规划；定位操作 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t sw i t ht h ec l a s s i f i c a t i o no ff a m i l i a rt o o l si na s s e m b l y p r o c e d u r ea n ds t u d i e s t h ec o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to ft o o ll i b r a r yw i t h h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei nv i r t u a le n v i r o n m e n t t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ef e a t u r e m o d e l i n gm e t h o do fa s s e m b l yt o o la sw e l la se v a l u a t i n gi n d e x e sf o rt o o lo p e r a t i o n s e q u e n c ei na s s e m b l yp r o c e d u r e a f t e rt h ea n a l y s i so ft o o lm a n i p u l a t i o np r o c e s s ，t h e d i s s e r t a t i o np r e s e n t sat o o lp o s i t i o n i n gm e t h o db a s e do no p e r a t i n gf e a t u r e a n a s s e m b l yo fe n e r g ys t o r a g ec h a m b e ri st a k e na sf i l le x a m p l ei nw h i c hf a s t e n e r sf i r e d i s a s s e m b l e db yu s i n gt h et o o li nl i b r a r y t h e m a i nw o r k so f t h i st h e s i sa a sf o l l o w i n g ： c h a p t e ro n ef i r s t l yi n 灯o d u c e st h er e s e a r c hs i t u a t i o no fv i r u l a la s s e m b l ya n d d i s a s s e m b l yt e c h n i q u ea n ds t u d yo f a s s e m b l yt 0 0 1 a n dt h e nd i s c u s s e st h es h o r t a g e ss o f a ra sw e l la st h en e c e s s i t yo fi n d u c t i n gt o o l i nv i r t u a le n v i r o n m e n t ，a tl a s t s y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t st h es t u d yo f d i s s e r t a t i o na n d i t so r g a n i z i n gs t r u c t u r e c h a p t e rt w oe s t a b l i s h e st h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo ft o o ll i b r a r yo nt h eb a s i so f f a m i l i a ra s s e m b l yt o o lc l a s s i f i c a t i o n i tp r e s e n t st h ec o n c e p to ft o o lf e a t u r e ，a n d e x p r e s s e st h et o o lo p e r a t i o ni n f o r m a t i o nb yg e o m e t r i c a la n df e a t u r em o d e l i n g a tl a s t g i v e st h ec o n v e r s i o no ft o o lm o d e lb e t w e e nc a ds y s t e ma n dv i r t u a la s s e m b l y e n v i r o n m e n t c h a p t e rt h r e er e a l i z e st h eb a s i cf u n c t i o n , b i d i r e c t i o n a ls e a r c hf u n c t i o no ft o o l l i b r a r y i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f t o o lo p e r a t i o nt oa s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g , a n d g i v e sa ne x a m p l eo f t o o ls e q u e n c ep l a nb a s e do ns o m ee v a l u a t i n gi n d e x c h a p t e rf o u rp r e s e n t st o o lp o s i t i o n i n go p e r a t i o na f t e ra i l a l y z i n gt h ep r o c e s so f t o o li n t e r a c t i o ni nv i r t u a le n v i r o n m e n t i tr e a l i z e st h ep o s i t i o n i n ga n dm a n i p u l a t i o no f a s s e m b l yt o o li nv i r t u a ld i s a s s e m b l yp r o c e d u r e , a n dg i v e st h ei n s p e c t i o nm e t h o do f w r e n c ho p e r a t o rs p a c e c h a p t e rf i v eg i v e st h ef r a m e w o r ko f v i r t u a la s s e m b l ys y s t e mw i t ha s s e m b l yt o o l l i b r a r y , a n dt a k e se n e r g ys t o r a g ec h a m b e ra sa ne x a m p l et od i s a s s e m b l et h ef a s t e n e r s b yu s i n gt h et o o lm , r a r y c h a p t e rs i xs u m m a r i z e st h em a j o rw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o n r e c o m m e n d a t i o n s a r eg i v e nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；a s s e m b l yt o o l ；t o o ll i b r a r y ；m u t u a ld i s a s s e m b l y ； t o o lp l a n n i n g ；p o s i t i o n i n go p e r a t i o n i l 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得盘望盘茎或其他教育机 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： 袈奠t 签字日期：坷年多月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权盘鎏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) 学位论文作者签名： 薹0 吒 导师签名： 签字日期：必蟛年月龉日 签字日期：年, e 1日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建，管理与交互实现 第1 章绪论 摘要综述了虚拟装配和拆卸过程中工具交互的研究现状，讨论了存在的不足 和装拆过程中引入工具的必要性系统的阐述了本文的研究内容并给出了本文的 章节结构安排 1 1 研究背景与意义 1 1 1 课题研究背景 “虚拟制造”( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 1 t , 2 , 3 1 是实际制造过程在计算机上的本 质实现，它采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持 下，实现从产品设计( 如制图、有限元分析、原型制作等) 到工艺规划、加工制 造、仿真控制、装配拆卸、性能分析、质量检验，乃至企业内部过程管理与控制 等产品制造的各方面的模拟仿真，以增强制造过程各级的决策与控制能力。在产 品的设计阶段，利用虚拟制造技术搭建的数字环境对产品的可制造性、可生产性 进行仿真分析，对产品的关键性能指标进行验证评价，从而抛弃传统制造业中物 理样机的生产模式，对于现代制造业尤其是大型复杂产品的设计商来说意义重 大。 产品装配是产品制造过程的末端环节，目标是将零件按一定的约束关系联接 成完整的产品1 4 。装配技术的好坏直接关系到最终产品的性能。如果能有效减少 装配工作量，提高装配正确率，改善装配质量，对于整个产品的设计、制造、生 产都大有裨益。据有关数据，工业化国家中产品的生产过程大约有三分之一的人 力，超过4 0 的生产经费和约6 0 0 5 的生产工时被用于产品的装配过程。尽管处在 如此重要的地位上，装配问题由于其自身的复杂性，一直以来仍然是制约着产品 制造业的发展的瓶颈。国内外目前的c a d c a m 软件发展已经日益成熟，然而其产 品装配工艺设计分析能力尚不足以应付快速发展的生产实际需要。在这样的背景 环境下虚拟装配技术应运而生，弥补了传统装配技术的缺陷，为产品设计和装配 性能评价提供了一个新途径。 与传统c a d 装配相比，虚拟装配的重点在于直观的人机交互，通过直接操作 和自然命令完成装配操作。一般来说，虚拟装配1 5 , 6 】被定义为利用虚拟现实技术、 计算机图形学、人工智能技术和仿真技术等构造虚拟现实环境和产品数字模型， 从而在产品装配过程中通过交互分析，仿真装配过程和装配结果。它不仅能检验、 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经济的规划方 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 法。虚拟装配技术主要实现了两层映射f _ ”，一层是用产品数字化模型映射产品物 理模型，另一层是用虚拟装配仿真过程映射真实装配过程。第一层映射避免了物 理样机的制造过程，使得工程分析、装配仿真的实现成为可能；第二层映射通过 工具数字化使得产品装配规划、验证及评价成为可能。虚拟装配的主要研究内容 包括：虚拟环境下零件建模及装配过程建模，装配顺序和装配路径规划，装配中 物理特性的分析研究，为了模拟真实装配而进行的公差建模，装配过程的人机工 程学分析，装配系统与其它相关系统( 如设计系统) 的集成。 1 1 2 课题研究意义 作为虚拟现实技术在工程技术中的重要应用，虚拟装配拆卸已经引起了国 内外学者的普遍关注。影响装配结果的因素有许多，除了产品的可装配性之外， 还包括装配顺序，装配路径，装配方法，装配环境以及可提供的装配资源 8 , 9 1 ， 如可供应的装配零件和可使用的装配工具等等。尽管已有实验证明，虚拟装配技 术相比传统装配的确有其难以取代的优势，然而该技术在工业领域的应用程度首 先取决于其拟实化程度。是否能真实模拟现实中的装配环境，提供所需的装配资 源，对于虚拟装配结果的有效性和可靠性有决定性的影响。在目前国内外虚拟现 实研究中建立的虚拟装配平台尽管已经能够提供部分装配资源，对于装配资源在 虚拟环境下的表现却缺乏更为深入系统的研究。 装拆工具的引入在虚拟装配拆卸研究中具有重要地位。这主要体现在以下几 点： 1 1 装配规划和可拆卸性评价的需要 现代工业产品中标准件使用十分频繁，这些零件在实际生产装配或拆卸中不 能直接用手装配或拆卸而必须借助于工具，从而使得工具成为实际装配规划和产 品可拆卸性分析中必须考虑的重要因素。工具的引入对装配拆卸序列将会产生影 响，对同一产品的可装配性评价也有可能不同。本文的3 3 1 节将会对该问题进 行具体阐述。 魏结构设计中扳手操作空间检查的需要 在机械产品标准件中螺纹件占了相当大的比例，而螺纹联接结构设计中必须 要检查需要的扳手空间，否则将会造成设计中的重大失误，影响产品的装配拆卸 操作和产品使用。目前扳手空间的检查大多采用由螺纹件外径决定的经验数据， 并没有考虑使用不同工具的影响，在实际装配拆卸过程中可靠性不高。将工具 引入虚拟环境可以在虚拟交互过程中直观的操作工具进行操作空间的检查，从而 提高螺纹联接结构性设计的可靠性和有效性。 2 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建，管理与交互实现 图1 - 1 产品结构设计与扳手空间检查 图1 1 中左图为错误的结构设计方案，如果没有引入工具交互检查无法发现 该结构设计方案其实存在着致命问题，就是两个凸缘之间的空间狭窄导致扳手工 具在进行螺栓拆除时没有足够的操作空间可用。右图为修改后的结构设计方案， 扳手工具可以顺利进行螺栓的拆卸。两图对比可以发现，引入工具交互检查操作 空间对于产品的机构设计有着重要意义，一些看似可行的结构设计方案由于没有 充分考虑到工具操作因素因此在实际装配拆卸操作中会影响到工具操作的进行， 如果不在产品设计阶段检查出结构设计的不足将会对产品生产制造造成严重后 果。 将虚拟现实技术引入工具交互操作过程中有利于用户在实际装配拆卸前对 工具的可达性和工具的操作空间检查进行仿真模拟，从而对产品的结构设计方案 进行可靠的检查，对工具的可操作性提前进行评价。 3 ) 工具自身产品设计和数字化的需要 目前国内外的研究中对于装配工具基本将其等价为普通的零件，忽视了工具 内在的独特属性以及工具交互的特殊性。实际上装配或拆卸过程中使用的工具具 有两重属性。一方面，在装配拆卸过程中它是操作者和装配零件的中介，目的 在于有效辅助操作者快速正确地实现其装配意图。可以说，此时工具就是操作手 的一种延伸，有必要从人机工程学角度研究如何改善用户交互操作的质量。另一 方面，工具本身作为一类机械产品，由于涵盖的种类繁多，因此具有极大的复杂 性。为了更好的进行产品设计，满足目前c a d 软件对于数字化工具的需求，引 入虚拟现实技术来对其进行深入研究势在必行。 1 2 虚拟装配与拆卸研究现状 国外对于虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代中期，由于研究背景和 工业实际结合紧密，因此发展十分迅猛。 德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所虚拟现实实验室开发的第一个基于虚拟现 3 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 实的装配规划原型系统【1 0 l 就获得了1 9 9 6 年慕尼黑计算机展览会的最佳系统奖。 该系统采用虚拟人体模型在虚拟环境中进行交互装配操作。该装配规划原型系统 的功能有：通过与c a d 系统的数据接口获取c a d 设计模型；装配环境仿真； 通过交互产生装配前驱图；为装配规划人员提供装配规则和知识；装配稳定性分 析；装配过程文档自动生成。该实验室的研究内容主要集中在虚拟环境和人机交 互方面。 美国w a s h i n g t o n 州立大学v r c i m 实验室是国际上较早开展虚拟装配技术研 究的机构之一。他们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 ( 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 ) p q 可以说是虚拟装配研究中 最有代表性的一个原型系统。该系统的研究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产品制造中运用虚拟现实技术的可能性。v a d e 的主要功 能【1 2 1 有：从c a d 系统中获取装配意图，通过对装配约束的捕捉实现对零件的运 动引导并生成装配序列；进行零件的交互式动力学模拟，考察各种物理特性对零 件在虚拟环境中动态行为的影响；零件装配轨迹信息的创建与编辑；对零件的结 构进行参数化修改；生成装配环境和零件的初始位置；基于约束的交互过程模拟； 对c a d 模型装配层次进行重组。 美国i o w a 州立大学虚拟现实应用中心v r a c 早在2 0 世纪9 0 年代中期就建 立了一个用于装配规划与评价的系统i v y ( i n v e n t o rv i r t u a la s s e m b l y ) u 3 1 ，直接使 用几何模型以及分层的装配数据进行装配规划与评价，但是y 不支持装配层 次编辑，碰撞检测效率也比较低。 美国w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学的g a d l l 【1 4 】等在虚拟拆卸方面做了大量研究。针 对选择性拆卸问题，他们采用波传播方法自动确定零件的拆卸顺序，并提出了一 个计算复杂度为o ( s n 2 ) 的算法。但是他们的研究中仍然采用传统的人机交互方式 而非多模式的人机交互方式，局限性比较大。 英国h e r i o t - w a t t 大学虚拟制造研究组早在1 9 9 7 年就开发了一个虚拟装配规 划系统u v a v u ( u n b e l i e v a b l ev e h i c l ef o r a s s e m b l i n gv i r t u a lu n i t s ) 1 5 , 1 6 1 。由于硬件 设备有限，他们采用了“接近捕捉”和“碰撞捕捉”两种方法来确定精确的装配 位置，这样就使得他们的研究成果存在着零部件不可换，中间装配过程信息丢失 的缺陷。而这些缺陷对于实际装配过程往往是致命的。另外，u v a v u 提供了一 种提取装配知识的方法，可以记录熟练装配者的装配活动从而获得他们的装配意 图并提取知识。 德国b i e l e f e l d 大学人工智能与虚拟现实实验室将虚拟现实交互技术与人工 智能技术相结合，构建了一个基于构造工具箱的虚拟装配系统c o d yv m u a l c o n s t r u c t o r i “。构造工具箱是一个在制造中可重复使用，具有多重功能的标准零 部件结构库。而基于构造工具箱的c o d y 是一个基于知识，三维交互式虚拟装 4 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 配系统，操作者可以在虚拟环境中通过直接三维操作或是简单的自然语言命令与 系统交互。c o d y 的主要处理对象是标准化的可重用零件，用户们使用该系统可 以利用标准的零件可以构造复杂的装配体。 国内对于虚拟装配的研究起步较晚，但是发展十分迅速。国内研究者的研究 内容主要集中在虚拟装配设计系统的建立和虚拟装配相关理论的研究探讨上。浙 江大学c a d & c g 国家重点实验室是国内最早开展虚拟装配研究的机构之一。他 们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 ( i m m e r s i v ev i r t u a la s 辩m b l ys y s t e m ) i l ”，支持装配规划人员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。万华根，高曙明等人将虚拟设计与虚拟装配过程集成起来，开发了一个多通 道界面的虚拟设计与虚拟装配系统v d v a s w n t u a ld e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l y s y s t e m ) 1 2 ”，使用户能在同一虚拟环境中对虚拟装配过程发现的设计缺陷进行零 件几何修改。清华大学的张林铉等开发的虚拟装配支持系统v a s s ( v i r t u a l a s s e m b l ys u p p o r ts y s t e m ) ，能够完成装配建模，装配工艺规划，装配仿真并且生 成装配工艺文件的功能 1 5 , 1 9 。郑勇等建立了一个基于s o l i de d g e 的可视化虚拟装 配系统刚，可以根据输入的装配工艺文件对装配体进行装配仿真和运动干涉检 查，验证和改进产品的装配工艺过程。华中理工大学的管强等人提出了一个虚拟 环境下面向装配的设计系统v k d f a ( v i r t u a ld e s i g nf o ra s s e m b l y ) 1 2 2 ，v i r d f a 主 要包括虚拟人工拆卸装配和可装配性评价两部分。他们提出的对产品装配复杂 度和产品装配成本进行定量分析的方法对于装配方案优化有积极的作用。华中科 技大学的高峰等1 2 8 提出基于约束空间转换的虚拟装配建模方法，将装配过程看 成是零件从自由空间到约束空间的转换，在转换过程中通过几何约束管理实现零 件在虚拟环境中的精确运动。 虚拟环境下的拆卸操作一般看作虚拟装配的逆过程。基于“可拆即可装”的 假设，用户通过虚拟交互方式对产品装配模型进行拆卸来确定产品的拆卸顺序与 拆卸路径，进而确定产品的装配序列和装配路径。目前，国内外对于虚拟拆卸的 研究主要集中在两个方面：面向拆卸的设计d f d ( d e s i g nf o r d i s a s s e m b l y ) 圆，2 4 筇】，主要研究“选择性拆卸”问题，并通过评价标准体系的开 发，对拆卸成本进行分析，为产品设计提出修改意见；面向拆卸过程的研究f 2 6 刀】， 主要研究产品装配建模方法，拆卸顺序和拆卸方向等。除了前文中提到的用波传 播1 1 4 】的方法研究选择性拆卸问题，s i d d i q u c 【2 9 】等采用交互和自动相结合的方法进 行虚拟环境中产品的可拆卸性分析。管强等i 丑将p r o e n g i n e e r 中的装配模型导入 虚拟环境进行人工拆卸操作，同时进行产品可装配性评价。万华根【3 0 l 提出通过 “用户引导的拆卸”进行拆卸过程仿真，得到产品的拆卸顺序和拆卸路径。 浙江大学工程及计算机图形学研究所对于虚拟装配和拆卸领域已经进行了 5 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 长期深入的研究，刘振宇，谭建荣等5 1 j 2 s 3 , 5 4 1 提出了面向过程的虚拟装配方法， 通过装配设计语义表达零件之间的装配关系，引导用户的装配、拆卸操作。本文 的工作是在他们的研究基础上进行的。 1 3 虚拟装配与拆卸过程中工具使用的研究 目前国内外关于虚拟环境下工具的研究还相对较少。主要研究内容有两个方 向：1 1 虚拟环境下用户操作工具的交互过程研究，这个方向基本属于实现阶段， 并且仅限于螺丝刀和单头呆扳手两类；2 ) 工具的装配拆卸序列研究，包括工具 的可达性问题和工具的操作难度评价。这方面研究基本是从几何角度出发并不涉 及工具的物理属性，并且由于和工具交互过程脱离并没有考虑工具操作过程因 素，包括人机关系因素等。 美国w a s h i n g t o n 州立大学建立的v a d e 环境提出了虚拟装配中操作者一工 具，工具一零件的作用模型【1 1 1 ，并且利用这个模型成功地操作工具完成了装配 任务。但是装配任务中所需的工具必须事先调入v a d e 并放置在用户指定的位 置( 和所有待装配零件同时) ，v a d e 并不支持动态引入工具而且所需工具的种 类规格调入位置也必须由用户指定。对于虚拟环境下工具操作过程的研究， v a d e 还处于初期阶段，研究并没有深入下去。 j o s e p hm m i l l e r l 3 2 增注意到了装配中紧固件的独有特征，并且根据装配任务 中每个紧固件的种类规格位置进行分组排序，建立紧固件的自动装配序列。用户 按照排序结果进行装配或是拆卸，可以减少移动零件的需要和更换工具的次数， 从而有效降低完成装配任务的时间。然而j o s e p h 的方法应用在自动装配系统中， 其排序结果很大程度上依赖于用户的输入文件，如果改变输入文件中紧固件的写 入顺序其结果将有所改变，计算得到的装配拆卸任务的时间消耗也会不同。 a n t o n i od i a z c a l d e r o n 矧等将信息论引入装配任务，通过计算每个装配任务 的信息量来衡量其装配难度。他们的主要研究成果是在工具的可达性问题上，从 零件的空间配置，工具的操作方向，工具离装配件的距离三方面设置信息量函数， 计算工具操作的难度值并以此作为该装配任务的难度值。a n t o n i o 的研究着眼于 工具可达性的研究，从理论角度研究工具操作难度并不涉及实际工具交互过程。 r a n d a l lh w i l s o n1 3 4 1 通过定义工具的最小操作空间，并计算该空间与装配 件的相对位置来表示工具的几何可达性约束。根据工具使用是在零件装配前，装 配中或装配后来进行工具分类，并在工具操作前处理过程中将前两类工具转化为 后者来简化研究问题。r a n d a l l 主要通过操作空间的计算来进行可用工具的几何 推理，并且将研究工具的种类从以前的扳手螺丝刀推广到包括焊枪，粘合剂用喷 枪在内的8 种工具。 6 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 国内的虚拟现实研究者中关于装拆工具的研究还甚少见到。华中科技大学曹 鹏彬【3 5 阐等提出了沉浸式虚拟环境下工具定位约束的概念，并对常用的扳手和螺 丝刀的定位约束进行了分析，然后通过定向一粗略定位一自动三步式定位方式来 实现工具的精确定位，并在华中科技大学自行开发的虚拟装配设计系统v i r d f a 中实现了操作工具人工拆除紧固件的交互操作 1 4 论文的研究内容和组织架构 1 4 1 论文的主要研究内容 本课题围绕着虚拟现实环境下的装拆工具库的构建，管理与交互实现研究了 以下内容：工具的分类和特性研究，涵盖常见装拆工具的库的构建、管理，装配 拆卸过程中工具操作序列规划，在虚拟装配，拆卸平台下基于工具定位操作自动 识别的过程式工具拆卸操作过程的实现。以汽车前桥贮能弹簧气室为例，在虚拟 现实环境下通过从装拆工具库中调入不同类型和规格的工具对产品的工具拆卸 过程进行了实现，并在交互过程中进行扳手操作空问的检查。 1 4 2 论文的组织架构 全文共分六章。 第一章绪论，介绍了课题的研究背景，阐述了虚拟装拆过程中引入工具的 必要性，综述了虚拟装配和虚拟拆卸研究现状，讨论了国内外对于 装拆工具的研究和存在的不足。系统的阐述了本文的研究内容并给 出了本文的章节结构安排。 第二章装拆工具库的构建，在常见的装拆工具分类的基础上构建了工具库 的层次模型。从物理属性角度和人机功效角度挖掘了装配工具的特 性。提出了工具操作特征的概念，在几何建模的基础上进行特征建 模，完整表达工具信息。最后给出了c a d 系统和虚拟装配拆卸平台 之间工具模型信息的转换过程。 第三章装拆工具库的管理，对于工具库的基本功能，层次结构和双向搜索 给出了具体实现方法。分析了工具参与对于原有装配拆卸序列的影 响，并在提出若干工具操作序列评价指标的基础上结合实例对工具 参与的产品拆卸序列进行了生成和优化。 第四章虚拟拆卸环境下手持工具操作交互的实现，分析了虚拟环境下操作 工具进行人工拆卸的过程，提出用工具定位操作来表达工具定位过 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 程，并给出了常见工具类型的定位操作及其约束集定义。对虚拟环 境下操作工具拆卸进行了实现，并与其它虚拟工具操作方法进行了 分析比较，最后研究了虚拟环境下扳手的操作空间检查方法。 第五章应用实例，首先介绍了装拆工具库支持下虚拟装配拆卸平台原型系 统的框架结构，以汽车前桥中贮能弹簧制动气室装配体为例，调用 工具库中不同装拆工具对产品拆卸过程进行了实现。 第六章结论与展望，对本文的主要研究工作进行了归纳，指出了虚拟现实 环境下工具研究的后续内容并展望了未来的发展方向。 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建，管理与交互实现 第2 章装拆工具库的构建 摘要在对常见装拆工具分类的基础上构建了工具库的层次模型从物理属性 角度和人机功效角度挖掘了装i 己- y - 具的特性提出了工具操作特征的概念，在几 何建模基础上进行工具特征建模，表达工具的完整工程信息最后对c a d 系统和 虚拟装配拆卸平台之间工具模型信息的转换过程进行了阐述 2 1 装拆工具库的分类与组织方式 2 1 i 装拆工具库的分类 工具是人类器官的延长。是人们活动所必须借助的东西，目的在以提高人的活 动能力和生产能力。在实际的生产装配活动中使用的装拆工具范围非常广泛。广 义说来，一切在装配和拆卸活动中辅助操作者( 包括用户和机器手) 完成装配或拆 卸任务的物品都能称之为装拆工具。由于本课题研究重点在于虚拟现实环境下人 工装配拆卸的交互过程，因此工具库的构建以手持工具为主，对于不直接涉及到 交互操作的工具比如观测工具等暂不予以考虑。 装配拆卸过程中常用的工具有紧固件装拆工具( 如扳手螺丝刀等) ，夹具， 钳类，刀具，量具( 如游标卡尺、电表等) ，焊接工具，锤子、刮刀、钢丝刷等， 还有其它无法分类的如轴承取拔器、漏斗、套筒座等等。 紧固件装拆工具是最常见最典型的装拆工具，供用户拧紧或是拧松各类紧固 件。实际机械产品中使用的紧固件大部分都是标准件，包括螺栓、螺柱、螺母、 螺钉等。目前在各种商用c a d 软件下已经有了较为完备的集成标准件库可供直 接调用，因此根据c a d 标准件库建立完善的螺丝螺母装拆工具库是目前装拆工 具研究中最具有实用价值的。 钳类工具主要用来夹取细部物品或是剪断金属线零件，虽然钳类也是常用的 装配工具但是用途相对单一，操作零件也种类有限。 夹具是在装配过程中通过对零件施加外力使其获得可靠定位的工艺装备，根 据夹具的用途分为基础件，支承件，定位件，导向件，夹紧件，组合件等。 刀具是通过切、削零件使之接近于理想形状的工具。最具代表性的切削加工 有车削加工、铣削加工和钻孔加工，另外绞刀加工和齿削加工也是常见的切削加 工方法，其对应的切削工具有车刀、铣刀、钻头、绞刀和切齿工具等。 焊接工具用来无缝粘结两个金属结构件，常见的焊接方式有手工电焊和气焊 等。锤类工具通过冲击敲打操作达到使零件变形的目的，根据其变形程度分为铁 9 浙江大学硕士学位论文；虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 锤，木锤，胶锤等。量具是任何可以获得测量结果的设备，包括游标量具、测微 量具、指示表等。 以上七类工具除刀具之外，均为手持操作工具。按照工具的操作功能，可以 分为三类： 1 ) 联接类： 破坏类： 3 ) 辅助类： 包括紧固件装拆工具，焊接工具。 该类工具在装配过程中引导零件建立联接关系，在拆卸过程中 引导零件解除联接关系。 包括锤类，钳类，刀具类。 该类工具的操作过程伴随着零件不同程度的变形过程，包括断 裂或是分离。 包括夹具类，量具类。 该类工具不直接引导零件进行运动，而是辅助零件完成定位支 承导向测量等功能。 2 1 2 装拆工具库的组织方式 按照2 1 1 节定义的分类方法构建装拆工具库，其层次结构为“基本库基本 类工具类子工具类- 工具件”，如图2 1 所示： 图2 - 1 装拆工具库的层次结构 图2 一l 中工具库的八个子工具类的组织结构按照同一工具子类的不同工具类 型继续构建如下： 1 0 浙江大学硬士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 焊接工具类 i l 手持电烙铁 气焊工具 图2 - 2 各工具子类下的工具件分类 2 2 装拆工具的特性研究 虚拟环境下关于工具的研究都着重于交互过程的仿真实现，对于工具本身属 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建，管理与交互实现 性的发掘还没有得到足够的重视。如果要逼真的模拟工具在交互过程中的活动， 研究工具操作过程中人的操作方式、舒适度、疲劳强度等人机功效问题，就必须 对于工具的特有属性进行专门的研究和表达。 2 2 1 工具的物理属性 工具的物理属性首先体现在工具的材质上。不同材质有不同的性能，在硬 度，强度，塑性，扭力，摩擦系数，耐用性各方面差别很大。如扳手工具，其常 用材质有碳钢( 4 5 # 钢以上) 、合金钢( 包括c r - v ，4 0 c r ，s 2 ，钛合金等) ，扳手 手柄一般有木柄，圆塑柄，扁塑柄等。在选择扳手工具时要注意装配拆卸场合， 最主要要看其紧固或是拆卸的标准件的性能等级。 螺栓、螺钉和螺柱的性能等级从3 6 至1 2 9 共分为十级，螺母的性能等级 从4 到1 2 共分为7 级。理论上说，选用螺母的性能等级应不低于其相配螺栓螺 钉螺柱的性能等级。8 8 级和8 8 级以上的螺栓、螺钉、螺柱、螺母均采用中碳 钢或是低、中碳合金钢并且需要淬火加回火处理。所以选择对应扳手工具时也应 该谨慎挑选，对于强度精度要求高的螺纹联接场合应尽量采用s 2 或是c r - v 等高 级合金钢。 其次是工具和零件接合面的摩擦系数f 。f 直接关系到预紧力的大小，当摩 擦系数越大时要达到同等的预紧效果所需的预紧力就越小。而摩擦系数的主要决 定因素是装拆工具和待拆零件之间的表面状态，它们之间的关系1 3 1 见下表所示： 待拆零件类型与工具接合表面状态相应的摩擦系数 干态 f - - 0 1 0 - - 0 1 6 钢或铸铁 润滑态 f = o 0 6 旬1 0 轧制并有钢丝刷清理浮锈 e 町3 0 - 0 3 5 钢结构件涂有富锌漆 f = o 3 5 旬4 0 喷沙处理 f = 0 4 5 - - 0 5 5 表2 - 1 工具和待拆零件件接合表面状态与摩擦系数的关系 由上表可见，不同的工具操作场合决定了不同的工具与待拆零件之间结合 表面状态，这将直接影响到工具操作的摩擦系数，并因此影响到工具的操作力。 除此之外，工具的物理特性还表现在体积、质量、重心等参数上。为了尽 量完备的表达装拆工具的特性信息，以上物理特性参数应在虚拟交互之前加以设 定。 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 2 2 2 工具的人机关系参数分析 人机工程d 8 , 3 9 , 4 0 是从2 0 世纪5 0 年代开始迅速发展起来的新兴边缘学科，它 从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律，以 优化人一机一环境系统，其目标是让人在使用机械产品的过程中感到“安全、健 康、舒适、高效” 装配活动中使用的工具功能各有不同。以紧固件装拆工具为例，因为绝大多 数螺纹联接在装配时都必须拧紧，使联接在承受工作载荷之前预先受到力的作 用，这对于增强联接的可靠性和紧密性，提高疲劳强度都是有好处的，所以在装 配时需要选用适当的装拆工具来施加该预紧力。预紧力f o 的大小取决于螺纹联 接组的受力和工况要求，一般规定拧紧后螺纹联接件的预紧力不得大于其材料屈 服极限o l 的8 0 。 达到要求预紧力时的扳手力矩称为拧紧力矩t 。拧紧螺母时，要克服螺旋副 间的螺纹力矩t 1 和螺母端面与被联接件( 或垫圈) 支承面的端面摩擦力矩t 2 。 由此计算得到的拧紧力矩t = t i + t 2 = k o e d ， 其中k o 一一拧紧力矩系数，包括各种拧紧力矩与预紧力关系的影响因素， 如摩擦系数f 、扭转变形、弯曲变形、螺纹牙的塑性变形等 f o 一一螺纹联接的预紧力 d 一一螺纹公称直径 图2 - 3 扳手的作用长度l 如图2 - 3 ，当扳手操作紧固件时，拧紧力矩t = f l ，其中f 为操作者的作 用力，l 为作用长度，根据扳手手柄的长度和工具操作者的着力点不同而不同。 从人机学角度考虑，为了减少操作者的劳动强度，提高操作时的舒适度，适当增 大拧紧力矩计算式中l 的值可以减小操作者所需的装配力。 在第4 章中工具的定位操作分析中还将对工具的作用长度l 对于工具预定 位操作的意义进行进一步阐述。另外在第l 章的课题研究意义部分中( 1 1 2 节) 还分析了作用长度l 与工具操作空间的约束关系。综上所述，在工具操作模型 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 中引入人机关系参数l 具有以下3 点意义： 1 关系到工具装配力的大小 2 关系到工具操作前的定位过程 3 和工具的操作空间息息相关。 2 3 装拆工具库的创建与调用 2 3 1 工具的几何建模 装拆工具库属于用户自定义特征库【4 1 , 4 2 , 4 3 ( u s e r - d e f i n e df e a t u r el i b r a r y ) 的 一种，用户自定义特征库是存放一类产品或一类组件的用户自定义特征及其装配 约束关系的特征集合，同时也是满足零件一项或几项功能的不可再分单元。用户 自定义特征库应具有一定通用性，并由一系列形状特征( 包括系统提供的预定义 形状特征和用户自定义的形状特征) 组合成几何实体。装拆工具库必须适应于不 同装配应用场合的需求只有参数化特征设计系统提供的功能才能满足。常见工具 标准化有利于提高工具的使用效率，加强工具库管理。 本课题采用三维c a d 设计软件p r o e 野火版2 0 进行所有工具的几何建模。 p m 厄具有强大的参数化特征建模功能，可以根据不同的设计参数，分别创建三 维实体。参数化建模是指在装配工具几何外形结构不变的情况下，把工具的尺寸 参数定义为尺寸变量，并定义变量间的关系，当给定不同的尺寸值时，就可得到 一组几何形状相同而尺寸不同的装配工具。利用其参数化建模功能，在p r o e 系 统中通过对标准装配工具模板的给定尺寸值进行尺寸具体化，来得到所需规格的 装配工具。下图所示为通过p r o e 参数化建模的方法得到的几个常用工具的几何 模型。 图2 - 4 工具几何建模图例 1 4 浙江大学硕士学位论文：虚拟环境下装拆工具库的构建、管理与交互实现 2 3 2 工具的特征建模 1 ) 工具操作特征的定义 由2 1 1 节装拆工具库的分类和其层次结构可以看出在只考虑常见工具的前 提下，工具类别依然非常多，加上每种类型的工具还有一系列的工具规格，因此 总数目比较庞大。若是采用传统的工具选择方法一类别匹配+ 规格匹配，将造成 搜索工作量巨大，搜索效率低下的问题。 针对这个问题，本文提出工具操作特征的概念。在这里，工具操作特征是指 装拆工具或是工具操作对象上与工具装配拆卸操作过程直接相关的几何信息总 和，包括特征面的集合和特征线的集合。 工具操作特征直接也只与工具操作过程相关，它可能和某些其它功能的特征 同时出现在一个零件上而互不影响，比如紧固件上既具有联接过程中有效的配合 特征，也具有工具操作过程中有效的工具操作特征。这两类特征可能包含同样的 几何元素，但是却具有不同的使用功能和不同的有效期。究其本质，工具操作特 征就是对于工具操作过程有用的零件几何元素