（车辆工程专业论文）联合收割机割台总成虚拟装配技术的研究.pdf

t i i 东理t 人学硕i j 学位论丈中文摘要摘要虚拟装配技术是经济全球化趋势下现代制造业需求和虚拟现实技术推动的结果。面对激烈的市场竞争，制造业必须加速产品开发进程，缩短产品设计开发周期。与传统的装配设计相比，虚拟装配技术能满足并行工程的要求，实现产品可装配性的设计，及时发现产品设计中的问题，提高了装配质量和装配效率，降低了装配成本。课题研究了虚拟装配建模、虚拟装配序列规划和路径规划的方法，设计开发了背投式被动立体虚拟现实系统，完成了联合收割机割台总成在该平台上的装配。首先，介绍了虚拟装配的定义、特点、地位及类别，归纳了虚拟装配系统的软硬件配置和工作流程，分析了虚拟装配的关键技术。其次，对虚拟装配模型信息组成和表达方式进行了研究和探讨，完成了模型转换和虚拟装配建模过程，并且进行了实例化分析。在对当前装配工艺规划方法研究的基础上，提出了拆卸法和人工干预相结合的装配序列和路径规划方法。同时，进行了干涉检查方法的研究。再次，构建了虚拟装配平台一一背投式被动立体虚拟现实系统，对投影机、投影屏幕、计算机和外部设备进行了合理的配置，对投影机多机控制系统进行了串口通信设计。最后，在搭建的背投式被动立体虚拟现实系统这个平台上，进行联合收割机割台总成的虚拟装配技术的研究。在建立割台总成虚拟装配模型的基础上，完成了基于d e l m i a 的装配序列规划和拆卸运动仿真，实现了虚拟装配的可视化。关键词：虚拟装配；虚拟装配建模；虚拟装配工艺规划；背投式被动立体虚拟现实系统；割台总成a b s t r a c tw i t he c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，v i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yi sg e n e r a t e db yt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dp r o m o t e db yv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y i no r d e rt ow i nt h ep o s i t i o ni nt h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oa c c e l e r a t et h ep r o d u c td e v e l o p m e n ta n ds h o r t e ni t sd e s i g nc y c l e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la s s e m b l yd e s i g n ，v i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yc o u l ds a t is f yt h er e q u i r e m e n to fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，r e a l i z et h ep r o d u c td e s i g nf o ra s s e m b l ya n df i n do u tt h ed e s i g nd e f e c t si nt i m e ，a n dt h e r e f o r et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fa s s e m b l ya r ei m p r o v e da n dt h ea s s e m b l yc o s ti sr e d u c e d t h r o u g ht h er e s e a r c hv i r t u a la s s e m b l ya n di t sk e yt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e d ，i n c l u d i n gm o d e l i n ga n dp r o c e s sp l a n n i n g ，a n dt h e nv i r t u a lr e a l i t ys y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do nr e a r p r o j e c t i o na n dp a s s i v es t e r e o s c o p i cp r o j e c t i o n ，w h e r eh e a d e ra s s e m b l yi sf u l f i l l e d f i r s t l y ，t h ec o n n o t a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c ，s t a t u sa n dc l a s s i f i c a t i o no fv i r t u a la s s e m b l ya r ed i s c u s s e d ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dt h e nt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e d s e c o n d l y ，t h ec o m p o n e n ta n dp r e s e n t a t i o no fi n f o r m a t i o no fv i r t u a la s s e m b l ym o d e la r es t u d i e d ，a n da s s e m b l ym o d e l i n gi sc o m p l e t e dw h e ni t sf o r m a ti sc o n v e r t e d a n dt h e nam e t h o di sp r o p o s e db ya s s o c i a t i n gd i s a s s e m b l yw i t hm a n u a li n t e r v e n t i o no nt h eb a s i so fr e s e a r c ho fv i r t u a la s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g m e a n w h i l e ，i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o ni sr e s e a r c h e d t h i r d l y ，av i r t u a lr e a l i t ys y s t e mi sd e s i g n e du s i n gr e a r p r o j e c t i o na n dp a s s i v es t e r e o s c o p i cp r o j e c t i o nt e c h n o l o g y , w h e nt h ep r o je c t o r , s c r e e n ，c o m p u t e ra n de x t e r n a ld e v i c ea r ec o n f i g u r e da p p r o p r i a t e l y ，a n dm u l t i - p r o j e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e d l a s t l y , h e a d e ra s s e m b l yo fh a r v e s t e ri sa s s e m b l e di nv i r t u a la s s e m b l ye n v i r o n m e n ta st h ea p p l i c a t i o ns t u d y b a s e do nv i r t u a la s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l ys e q u e n c ei sp l a n n e da n dd i s a s s e m b l ym o t i o ni ss i m u l a t e dt oa c h i e v et h ev i s u a l i z a t i o no fv i r t u a la s s e m b l y k e yw o r d s ：v i r t u a la s s e m b l y ；v i r t u a lp r o c e s sp l a n n i n g ；v i r t u a lr e a l i t ys y s t e ms t e r e o s c o p i cp r o j e c t i o n ；h e a d e ra s s e m b l yna s s e m b l ym o d e l i n g ；v i r t u a la s s e m b l yb a s e do nr e a r p r o j e c t i o na n dp a s s i v e独创性声明本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东理工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：彬舷龟帆砂。7 年石月另日关于论文使用授权的说明本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，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应遵守此协议)研究生签名：形艇飞导师签名：时间：沙口压6 月吕日时间：0 力9 年月罗日学位论文出版授权书本人完全同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章程 ) ，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期千i j ( 光盘版) 电子杂志社”在中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表。中国优秀博硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其它数字媒体形式公开出版，并同意编入中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关权益。导师签名：_名年签怒渊一一黼山东理t 大学硕l 。学位论文第一章绪论1 1 课题研究的背景第一章绪论虚拟制造、虚拟装配技术的发展始于2 0 世纪9 0 年代，这是消费多样化、经济全球化和贸易自由化趋势下制造业发展的必然要求，也是以计算机网络和通信技术等为核心的信息技术革命推动的产物。同时，这也是企业为了解决t q c s e 难题，即最快的上市速度( t ，t i m et om a r k e t ) 、最好的质量( q ，q u a l i t y ) 、最低的成本( c ，c o s t ) 、最优的服务( s ，s e r v i c e ) 及清洁的环境( e ，e n v i r o n m e n t ) ，重视并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 等各种先进的设计和制造理念的结果。当前全球知识经济时代要求现代制造业缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量，就需要企业应用信息科学技术来进行开发制造。2 0 世纪7 0 年代以来，计算机辅助设计制造( c a d 、c a m 等) 、计算机辅助工艺过程设计( c a p p )等工具和系统得到了开发和实现。同时，并行工程方法和产品数据管理( p d m ) 、工作流程管理等支持流程技术使得在设计时可以考虑可制造性、可装配性的工作模式。2 0 世纪9 0 年代，虚拟现实技术的发展促进了虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟装配( v a ，v i r t u a la s s e m b l y ) 的形成和发展，进而推动了敏捷制造、虚拟企业等新概念的形成和发展。在现代制造业中，装配设计作为产品开发设计的重要环节，它的工作量约占整个产品生产工作量的2 0 7 0 ，费用占制造总费用的2 0 3 0 ，时间占整个产品制造时问的4 0 6 0 t 引。因此，能否提高装配效率和装配质量是关系企业能否缩短产品开发时间，甚至能否赢得市场良机的关键要素。传统产品的开发过程一般都要经过对各方面性能的分析、设计方案的拟定、按选定方案进行零件图与装配图的绘制，然后制造物理样机，经过反复试验、修改和不断完善后，才能正式投入生产。一方面，无法预先发现设计造成的装配干扰( 装配干涉或不到位) 等问题，需要反复进行零部件的反复加工、制造和装配，直到成功为止；另一方面，无法预先发现装配过程的不合理，需要工程师反复调整整个装配过程，并且产品的装配性能、生产计划或人机工程学等问题也需要制造昂贵的物理样机来检验。这不但增加了制造成本，而且延长了产品上市的时间，使企业在激烈的竞争中处于劣势。自计算机辅助设计问世以来，c a d c a m 、d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，面向装配设计) 、d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ，面向制造设计) 和制造过程仿山东理t 入学硕 j 学位论文第一荦绪论真工具等在产品开发设计中发挥了良好的作用，可以为设计者提供很多有用的信息，但是却不能真正模拟现实的设计制造环境。例如，诸如u g 等c a d 软件为参数化建模和实体建模提供了有效的解决方案，却局限于设计空间的狭小。现有的d f a 工具软件只是简单地合并零件，起到减少装配工序的作用，而该软件的装配工序的简单化、生产过程仿真软件的机器人模型的机械化，都给实际生产过程造成很大的障碍。因此，企业需要不断应用新技术和先进的设计方法进行产品的设计研发，需要开发能克服以上软件缺陷的直观的设计环境，为设计者提供产品设计的动态信息。而对工程师来说复杂产品的装配工艺规划是非常艰巨的任务，在众多的装配工艺规划中找到最优的工艺规划也是非常困难的工作。虽然现代的c a d 系统能使工程师看到最后的产品模型，但是这些系统不支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，到目前为止计算机辅助装配工艺规划仍然没有得到加强，这其中的一个重要原因是产品的装配在很大程度上依赖专家知识，而这些知识很难用公式的形式表达出来。另外，装配工艺规划不仅仅是找到可行的装配顺序，而且装配过程中工作空间、装配工具、人员等的空间限制等因素同样需要考虑。这就需要一个直观的、逼真的装配环境对产品的可装配性进行验证p j 。虚拟装配技术的发展和应用有效地解决了这方面的问题。与传统的制造技术相比，采用虚拟装配技术，设计人员利用高级的外部设备( 数据手套、头盔式显示器等) ，可以看到、摸到虚拟的零件，并且可以通过手势、声音等设计手段在沉浸式或半沉浸式的环境中进行产品的装配，可以从整个产品的装配角度考虑其可装配性，而不是从单个零件的角度进行考虑；设计人员在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉情况，也可通过程序自动检查装配状态1 4 1 ，并及时修改；虚拟装配中的装配序列和路径规划为解决装配工艺规划问题提供了一个新的有效途径，这样大大缩短了产品的开发周期，降低了产品的开发和制造成本，优化了产品的设计，提高了产品的质量。1 2 国内外研究现状1 2 1 国外研究现状面向虚拟装配技术的研究大体上可以分作两个层次5 1 ：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。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2山东理t 大学硕f ! 学位论文第一章绪论和触觉来感知产品的装配顺序和效果。迄今为止，虚拟装配的发展可分为三个阶段：第一阶段是虚拟装配理论的提出与完善阶段，第二阶段是虚拟装配原型系统的开发阶段，第三阶段是虚拟装配在工业界的应用研究阶段。由于虚拟装配技术有着广阔的应用前景，国外的政府部门、企业和大学科研院所从2 0 世纪9 0 年代中前期就开始了对虚拟装配技术多方位、多层次的研究，并且取得了很多的成果，现在已经进入到了对虚拟装配技术深入研究和广泛应用的阶段。( 1 ) 国外早期的典型虚拟装配原型系统作为国际上较早开展虚拟装配技术研究的机构之一，美国华盛顿州立大学v r c i m 实验室与美国国家标准及技术局n i s t 于19 9 5 年合作开发的虚拟装配设计环境v a d e 是一个具有代表性的沉浸式虚拟装配系统，随着该套系统的发展与成熟，现已开发出第二套原型系统。该系统可以从c a d 系统中自动提取模型的物理、几何等属性，设计者可以在装配过程中记录和修改零件结构参数，戴上立体头盔用单手或双手与零件交互，并且该系统支持使用装配工具；同时它可进行c a d 模型装配层次重组1 6 j 。利用这个系统，设计人员在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题，对产品的可装配性问题进行验证，并且可以获得有关产品的设计和制造工艺信息f 。德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所( i a o ) 也较早地进行了基于虚拟现实的装配规划系统的研究与开发【8 】【9 1 。该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：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；实际装配工作环境仿真；通过交互产生装配前趋图；为装配规划人员提供装配规划与知识；装配稳定性分析；自动产生装配过程文档等。( 2 ) 虚拟装配技术作为一种将c a d 技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术，目前的研究主要集中在以下方面：虚拟装配拆卸过程仿真技术的研究s i d d i q u e l l o j 提出了基于虚拟现实的系统用来研究零件的拆卸方法。为了生成拆卸工艺，该系统首先将产品模型载入虚拟现实环境，并且自动计算每个部件及连接件的局部拆卸方向。用户拆卸产品时，系统自动记录拆卸活动形成产品的拆卸工序。同时系统还支持在虚拟装配环境中使用虚拟装配工具( 如扳手、螺丝刀等) 并且装配工具相对于虚拟手的定位和装配工具相对于连接件的定位3山东理t 大学硕l j 学位论丈第。章绪论都可以半自动的实现。s i d d i q u e 等还提出在虚拟环境中利用自动和交互技术相结合的方法，研究了虚拟环境中原型产品的可拆性。s h y a m s u n d a r l l lj 等提出了由各设计模块构成的拆卸框架。这些模块包括知识库创建，拆卸方法选择，拆卸分析和设计分析。同时s r i n i v a s a n 根据不同的分类方法将零件的拆卸类型分为并行拆卸和串行拆卸、直接拆卸和间接拆卸、完全拆卸和选择性拆卸、单调拆卸和非单调拆卸、破坏性拆卸和非破坏性拆卸等。根据以上提出的拆卸框架和拆卸类型可以实现：选择适当的拆卸方法；生成优化的拆卸路径；对拆卸顺序进行成本分析；提出设计更改建议等。美国w i s c o n s i n m a d i s o n 大学g a d hr 等提出一种产品拆卸和维护的软件工具【娩】f ”l 。针对产品维护、回用及装配过程中的选择性拆卸问题( 即仅对装配体中的部分零件进行拆卸) ，采用波传播方法自动确定零件拆卸的顺序，并开发了基于虚拟现实的拆卸分析原型系统。这种工具用几种拆卸方法对产品的可拆卸性进行分析，然后对产品的易拆卸性、拆卸顺序及拆卸和维护成本进行评估。不过，该研究仍然采用传统的人机交互方式进行网上协同虚拟装配拆卸，尚未将虚拟现实技术与i n t e r n e t 进行有机的结合。装配序列规划与评价技术的研究美国衣阿华( i o w a ) 州立大学虚拟现实应用中心在2 0 世纪9 0 年代中期建立了一个用于装配规划与评价的系统i v y i l ( i n v e n t o rv i r t u a la s s e m b l y ) 。该系统中设计者使用虚拟环境设备与装配零件进行沉浸式交互，但由于它不支持装配层次编辑碰撞检测效率较低。美国a r i z o n a 州立大学n o n gy e 与芝加哥i l l i n o i s 大学p r a s h a n tb a n n e r j e e等【1 5 】对传统工作环境、桌面虚拟环境、沉浸式c a v e 虚拟环境下的装配规划进行了对比。研究表明，采用虚拟装配规划技术可以大大缩短实际装配时间、减少实际装配过程中出现问题的数量和复杂工序的数量。b a n e r j e e t l 6 】等还提出面向虚拟装配序列规则的行为场景图，将零件的装配优先关系、事件控制等约束信息封装在场景图的零件节点信息中。在交互进行装配序列规划时，通过检查零件节点的约束状态来避免不可行的装配操作。然而，该方法需要用户预先交互地定义大量的装配优先关系，虚拟装配的前置工作量十分烦琐，对此，b a n e r j e e 等并没有介绍零件的装配优先关系是如何获取的。英国h e r i o t w a t t 大学机械与化学工程系虚拟制造研究组在虚拟现实环境下对装配规划知识的提取和在虚拟装配环境下进行线缆捆束设计与规划这两个方面进行研究l l 。加拿大w i n d s o r 大学在虚拟装配中引入仿生智能，使用仿生神经网络进行装配序列规划，最终生成机器人指令，并进行评价和优化i l 引。虚拟装配中的人机工程要素分析4l f i 东理t 火学硕。 ：学位论丈筇一章绪论虚拟装配中的人机工程要素分析也是研究的一个重要方面。通过虚拟现实技术，开发人员可以在产品的开发阶段对产品装配过程所涉及的人机工程要素( 如装配所需时间、装配操作的舒适、装配安全性) 进行分析。a l 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人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。希腊p a t r a s 大学c h r y s s o l o u r i s t 汐j 等制造系统实验室开发了虚拟装配工作单元( v i r t u a la s s e m b l yw o r kc e l l ) ，嵌入了人机工程学模型以及分析功能。并以快艇的螺旋桨装配为例，对装配过程中的人机要素进行定性与定量的评估在虚拟装配工作单元中，操作者从传动带上拾取虚拟零件，通过装配工夹具安装并固定虚拟零件。在此过程中，系统根据操作者的性别、体重、姿态等因素定量估计完成装配所需的操作力、能量消耗及时间：g e o r g e ，c h r y s 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 分析了装配工位的空间布局对人的操作强度的影响，以获取最优的装配工位。基于网络的协同装配规划技术美国的s h y a m s u n d a rn 和r a j i tg a d h l 2 0 1 研究了基于网络的协同虚拟样机，提出一种新的几何体表示方法一a r e p ( 装配体表示方法) ，a r e p 包含4 类信息，分别是：有向图，表示装配体的层次关系；关系图；装配层次信息；与单个装配部件相关的信息。并且采用a r e p 方法实现了虚拟样机系统c p a d ，该虚拟样机系统可以实现基于网络的协同装配设计。基于v r 的交互式装配技术和装配任务培训的研究b r i a na n t o n i s h e k 2 u 研究了使用双手进行虚拟装配的技术。当操作人员在虚拟环境中装配虚拟部件时，系统自动记录操作人员的动作，而且当操作人员进行装配时，系统辅助操作人员自动进行装配并且询问操作人员装配时的装配方法，同时生成装配计划。英国伯明翰大学b o u d 等【2 2 l 对基于传统方式的装配任务培训( 通过图纸) 、基于虚拟现实的装配任务培训( 包括桌面型v r 与沉浸型v r ) 和基于增强现实的装配任务培训进行了对比。试验表明，后者比前者能显著提高用户进行实际装配的效率与质量。1 2 2 国内研究现状二十世纪九十年代末期，国内以清华大学、浙江大学等为主的高等院校、科研院所和企业开始积极开展虚拟装配技术的课题与项目研发工作，积极进行5i j i 东理t 人学硕i j 学位论文笫一币绪论有意义的理论研究与探索，并且已经取得了阶段性的理论成果。国内虚拟装配的研究目前正处于从第二阶段向第三阶段过渡的状态，处于原型系统开发或部分试用阶段。( 1 ) 虚拟装配系统或平台的研究与开发清华大学国家c i m s - v 程研究中心，作为国内较早开展虚拟装配研究的机构之一，多年来已在d f a 、装配建模、装配工艺规划、装配过程仿真、产品数据管理( p d m ) 等方面做出了较为深入的研究。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 l 2 列( a s s e m b l ys i m u l a t i o ns y s t e m ) ，改进和完善装配工艺；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。林筵、童秉枢等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的基础上用c 与p r o d e v e l o p 进行了系统开发；同时肖田元等在虚拟制造技术研究中，以高速剑杆织机为例【2 4 1 ，采用e a i 公司的工程数据可视化软件，动态仿真零部件的实际装配过程，从而发现装配过程中的干涉问题。为了实现虚拟设计和虚拟装配过程的集成，万华根等研究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 t 2 5 j 。在该系统中，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。并且，万华根等在基于虚拟现实的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，得到零部件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 d 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。除此之外，其他高校和科研院所也在积极开发虚拟装配的平台。华中科技大学的管强等【2 6 j 提出虚拟环境下面向装配的设计系统，提出一个虚拟环境下面向装配的设计系统的体系结构，描述了虚拟人工拆卸的过程，并且构建了可装配性评价体系，提出了定量的装配效率模型和装配复杂度指标模型，并从装配成本的角度评价产品的装配性优劣。中国科学院的田丰等f 27 j 提出了一个面向虚拟装配的三维交互平台。该平台采用了虚拟现实技术中常用“工具隐喻，用户可以在虚拟装配环境中漫游，并且与虚拟对象进行交互，在文中作者定义了装配领域中常用的三维交互原语实现了交互原语的捕捉、解释和处理。同时封装了三维图形构造、零件间的约束虚拟装配系统技术的研究与实现和碰撞检测功能。( 2 ) 在虚拟装配建模及数据交换与集成的研究方面，西北工业大学等院6山东理t 大学硕l 学位论文第章绪论校从各个方面，进行了深入的探索，并且取得了丰硕的成果。华中科技大学高峰、周济等1 2 8 j 提出了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。采用几何约束识别方法建立产品的装配模型，并通过几何约束管理实现零件在虚拟环境中的精确运动。西北工业大学梁海奇等【2 9 l 从虚拟样机的角度出发，结合流行c a d 软件的特点，提出了在大装配的环境中快速有效地进行产品装配建模的四种方法：引用集方法、部件过滤集方法、小平面模型方法、以及特征简化方法。引用集方法按照一定的方式将部件的内部数据分类并以一个有意义的名字作标识，在装配设计时各设计人员按照统一的规则调用引用集方法中定义的标识。部件过滤集方法按照一定的方法将产品中的部件进行归类，在使用时根据部件不同的属性对部件进行调用。西北工业大学钟永民、杨海成提出采用基于约束的装配操作进行虚拟装配造型，通过自动识别装配元素之问的配合约束，以及配合约束的自动满足，有效地简化了装配过程。上海交通大学的庄晓等【3 0 】提出虚拟环境中“堆积木 式的快速产品装配建模方法，使设计人员可以方便地进行结构设计、修改，专注于产品功能的实现；介绍了与此方法相适应的配合约束的识别方法，提出“零件偏置体 的概念提高识别效率，并以关系图的方式记录识别到的配合约束关系，最终形成约束驱动的产品装配模型。为了解决将零件模型从c a d 系统转到虚拟装配系统中产品信息的丢失问题，浙江大学的刘振宇、谭建荣等1 3 l j 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。通过产品层次信息模型中的数据映射，实现产品信息的层次间关联。面向虚拟装配的产品层次模型不仅满足了虚拟现实实时性的要求，而且保证了c a d 静态信息的完整性，传达了零件在虚拟环境中的动态行为信息。同样为了解决虚拟现实坏境下产品缺乏装配特征信息及实现虚拟环境下的动态装配，浙江大学的楼健人等p 2 j 提出虚拟现实环境下产品装配特征信息的提取技术。该技术通过造型特征继承、基于规则的边界匹配识别及启发式定义等方法实现虚拟环境下产品装配特征信息的提取。( 3 ) 在装配约束、人工装配拆卸、基于w e b 的协同虚拟装配等方面，国内学者也积极进行了研究和探索。华中科技大学的曹朋彬等1 3 ”提出虚拟拆卸过程总装配约束的动态管理机制，实现了基于装配约束导航的虚拟拆卸，即虚拟拆卸过程中装配约束的动态解除和产生来维护装配约束。浙江大学的高瞻【3 4 】提出基于自由度归约方法进7山东理t 人学硕i ：学位论文弼一荦绪论行约束分析，在理解与识别设计者的装配操作和意图基础上，通过空间几何角度分析，根据装配关系建立装配约束关系树，实现了虚拟现实环境下的产品装配的定位导航。范菁在文献【3 5 】中提出在虚拟环境中，在基于知识库的系统的帮助下，对产品装配工艺计划的生成、评价和优化等问题进行了研究。华中科技大学的周炜等【3 6 】从产品可装配性分析的角度出发，提出了在虚拟环境下进行人工装配( 拆卸) 的方法，借助数据手套、头盔显示器等输入设备，在虚拟环境下操作者可以对装配体中的零件进行抓取、移动，并记录装配体拆卸顺序与各零件的拆卸路径。在装配过程中系统通过对虚拟环境下零部件之间的相互位置和几何关系进行分析、推理，经过约束规则库的匹配，自动提取装配约束，从而为产品的装配分析提供依据。李雄伟、王峻峰【3 7 1 结合c s c w 技术的研究成果提出了网络环境下协同装配规划方法和一个适合于w e b 环境的协同装配规划工作流程，利用v r m l 和j a v a实现了一个基于w e b 的协同装配规划原型系统w e b c a p s ，能为多人协同装配规划提供支持。此外，在实现虚拟装配过程中力觉临场感方面，北京航空航天大学采用力与位置混合控制的方法【3 8 】，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。上海交通大学提出了基于界面层、控制层、应用层、活动层、数据层五层协议的虚拟制造体系结构p 引。哈尔滨工业大学的姬舒平等【4 0 j 提出了在桌面虚拟环境下设计质量保证技术，把产品的设计工作置于一个虚拟的设计、分析和仿真环境中，为产品的设计过程提供了一个强有力的支持环境。李永立等提出了基于语义的产品装配设计系统的总体框架结构【4 ，将装配语义分为常用语义与特殊语义，并建立了装配语义的层次表达；通过装配语义与几何约束的映射，形成几何约束的代数表达，借助零部件间的运动自由度的求解，实现了装配语义的驱动，有助于将装配设计从几何层发展到语义层进行操作。陈伟义研究了将虚拟装配技术用于设备维护培训的关键技术【4 2 1 。由次可见，国内外虚拟装配技术的研究进展不同。国外在建立完善的虚拟装配理论基础上已经投入到实际的生产制造过程中；他们的虚拟装配体系大多建立在沉浸式环境中，采用高智能人机交互技术形成虚拟与装配的有机结合，发挥了虚拟装配技术在实际生产中的重要作用。国内虽然在理论上有很多成果，但工程应用不够，并且在沉浸式虚拟环境上不能够为操作者提供逼真舒适的装配环境，值得进一步的研究。8山东理t 人学硕。 ：学位论文筇一章绪论1 2 3 虚拟装配技术的工业应用和软件系统开发实例4 3j 【5 1j虚拟制造、虚拟装配技术给现代制造业带来了强大的活力，国内外很多企业为了加速新产品的开发，缩短产品开发周期，已经积极开展虚拟装配技术的应用研究，尤其是在汽车、航天、工程机械和武器等领域的应用实例和成果层出不穷。美国波音飞机公司采用虚拟样机技术在计算机上建立了波音7 7 7 飞机的最终模型，实现了整机设计、整机装配、部件测试等虚拟开发活动，使产品开发周期从八年缩短到五年。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统帮助新型号发动机的设计。这个虚拟装配系统用来研究发动机的拆卸过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机是否有可能与其他零部件发生干涉，有效解决了设计对发动机工作和维护修理的需求。罗尔斯一罗伊斯公司在设计飞机发动机时也采用虚拟装配技术。西安飞机制造公司于1 9 9 6 年开始数字化产品设计制造系统的研制工作，并于1 9 9 8 年研制完成，该系统在工装设计、制造、安装、检测等方面实施c a d c a m c a t 技术后取得了良好的成效。通用汽车公司在应用虚拟样机方面处于世界领先地位。为了以更快的速度和更低的成本开发新型汽车，通用公司的全球c a d c a m 和可视化技术中心的技术人员已经开发出了洞穴式沉浸虚拟现实系统和墙壁式投影系统，在g m 的汽车产品开发中从造型到装配过程中广泛应用先进的虚拟现实技术。应用虚拟现实技术不仅可以使设计人员在虚拟的坏境中检查汽车车身的光顺性，而且可虚拟装配系统技术的研究与实现以验证汽车的装配工艺，由于在新车的开发中采用了虚拟现实技术，新车的开发速度大大提高。德国b m w 公司为车门的装配操作设计了一个虚拟装配系统，该系统能够识别语音输入，完成相应的操作，当发生碰撞时，能够发出声音报警。他们通过b m w s 系轿车尾灯的拆卸过程和车门的装配过程验证了该系统，同时对v r系统与已有系统的集成问题进行了研究。并且，虚拟装配被用于验证整车装配，在整车总计8 0 6 个装配操作中，有4 9 4 个操作得到评估，并且据此制定了标准的操作规程。19 9 5 年福特汽车公司启动了c 3 p 项目，该项目广泛应用先进的计算机技术。其中虚拟装配技术被用于福特轿车的装配设计，使得福特汽车的设计改动减少多达2 0 ，将新车的开发周期周期从3 6 周缩短到2 4 周，每年为公司节约2 亿美元成本。c a t e r p i l l a r 的研究人员将虚拟装配技术应用于改善重型设备的工艺设计，他们的系统允许他们在一个协作的虚拟环境中快速将车轮组装到车身来对新设计进行可视性评估，而且工程师可以模拟设备的操作。9山东理t 大学硕f j 学位论文第一章绪论美国国防部初步估计在一种新型军舰的开发上由于采用了虚拟装配技术节约开发成本6 0 万美元，减轻船体重量l o o 吨。将新型军艇的开发时间从1 4年缩短到7 年。加利福尼亚的军火商r o c k w e l li n t e r n a t i o n a l 开发了将现有c a d数据转换传递到虚拟环境的软件，工程技术人员能看见设备部件是如何被装配的，无需制作零部件的物理模型。在汽车造型等设计中，最常见的虚拟现实系统采用平面p o w e r w a l l 系统，它通常采用巨型平面幕、多通道背投影，可以实现轿车的全尺寸仿真显示。背投式的投影系统被广泛应用于军事、汽车等领域。此外，国外的软件开发基础雄厚，国外的软件制造商纷纷推出了用于虚拟装配的软件，应用前景非常广阔，应用效果也较显著。法国达索公司开发了一套数字企业精益制造交互式应用软件d e l m i a ( d i g i t a le n t e r p r i s el e a nm a n u f a c t u r i n gi n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ) ，为企业用户所开发的产品提供了一套完整的数字化制造解决方案，可以使制造部门设计数字化产品的全部生产流程，在部署任何实际材料和机器之前进行虚拟演示。p t c 公司同样开发了一款基于c a d 工程描述，交互操作虚拟产品的软件d i v i s i o nm o c k u p 。该软件可以精确地、低成本高效率地仿真装配和功能以及后续过程，比如装配拆装顺序、维护顺序、培训方案和交互式客户设计。另外，还可以使用3 d 外部设备( 例如：3 d 运动跟踪设备、数据手套) 来操作显示系统，并能使用生动的偏振眼镜和头盔显示器来得到真正的3 d 视图。构建完整的虚拟现实环境，进行虚拟产品操作等过程。1 3 课题研究的来源、目的及意义本课题来源于“十一五”国家科技支撑计划重大项目“多功能农业装备与设施研制 子课题“农业装备数字化设计技术研究 。通过本课题的研究，建立面向中小企业的虚拟装配硬件环境，为虚拟装配技术在我国农业装备企业推广应用奠定物质基础；通过研究面向虚拟装配的虚拟装配模型信息表达、装配序列规划和路径规划、装配过程干涉检查等虚拟装配过程的关键技术问题，进行联合收割机割台总成虚拟装配的实例应用。我国农业装备的开发存在着更新慢、开发周期长、投产上市速度慢的问题，虚拟装配技术可以有效解决这些问题。近年来虚拟装配技术在农业装备方面得到了一定的应用，并取得了一些成果，但它在这方面的应用还不够广泛。当前虚拟装配技术在农业装备方面的应用主要是基于三维c a d 软件通过对产品数字化模型的操作实现的。进行零部件的总装设计时，可以利用系统中提供的装配关系描述进行零部件装配关系的定义，建立部件之间的链接关系，l o山东理t 大学硕l 学位论文第一荦绪论快速将零部件组合成产品。基于c a d 软件的虚拟装配，已在联合收割机脱粒装置、小型农业装载机、精密播种机等农业装备上进行了相关的应用。但这不是真正的虚拟装配，不符合虚拟现实技术沉浸感、交互感的要求，并且对装配过程的干涉检测是静态的。因为真正的虚拟装配系统重点在于直观的人机交互，即操作者利用三维鼠标、数据手套、液晶立体眼镜、头盔等特殊的输入输出设备，在虚拟装配系统中通过直接操作零件或自然语言命令完成装配操作。因此，对农业装备进行虚拟装配技术的研究不仅有着现实的需要和长远的意义，而且开发一套适合中小型企业的虚拟现实硬件系统，对于虚拟装配技术在该行业的普及也起着巨大的推动作用。1 4 课题研究的主要内容本课题通过设计背投式被动立体虚拟现实系统，构建了虚拟装配的硬件环境。在该环境下，进行联合收割机割台总成的虚拟装配，对其装配模型、装配序列规划和路径规划方法进行研究，其内容包括以下几个方面：( 1 ) 装配模型信息表达方法的研究研究c a d 系统和虚拟装配环境之问的信息集成方法，满足虚拟装配环境下产品零部件信息的实时显示高效性和信息集成完整性要求，完整地实现数据模型从c a d 系统到虚拟装配系统的转换。( 2 ) 装配序列规划和运动规划技术的研究以人机交互的方式，设计者在虚拟装配系统内完成虚拟装配，同时对虚拟装配操作过程和零部件运动进行自动记录，以图形回放和文字记录的形式反馈给操作者，形成装配序列，通过交互式装配序列生成的装配顺序进行反复验证以确定最优的装配规划方案。同时，研究装配路径中零部件运动的动态干涉检查方法及装配后系统的静态干涉检查方法。( 3 ) 虚拟装配硬件环境的建立设计并建立背投式被动立体虚拟现实系统，它由计算机、投影机、投影屏幕、数据手套、位置追踪器等组成。( 4 ) 联合收割机割台总成在虚拟现实环境中的虚拟装配应用研究对联合收割机割台总成进行虚拟装配及其工艺规划，并在构建的虚拟装配硬件环境中进行显示，实现交互性操作。山东理t 火学硕f ：学位论文第二审虚拟装配及j ：璎内容第二章虚拟装配及其主要内容2 1 虚拟装配的定义与内涵虚拟装配是虚拟制造的关键技术之一，是虚拟现实环境下装配过程的仿真技术。但其内涵至今在国内外学术界还没有统一的定论。有关学者从不同角度对其内涵进行了积极的探索，比较有代表性的定义有：美国华盛顿州立大学的s a n k a rj a y a r a m 等f 5 2 】最早对虚拟装配进行了系统化的开发研究，首次给出了虚拟装配的定义为：使用计算机，在没有物理实现产品或支持过程的情况下，通过分析、预测模型、数据的表达和可视化，作出或辅助作出与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。刘宏增、黄靖远1 4 4 】将上述定义进一步引申理解为：虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好的帮助进行与装配有关的设计决策，在虚拟装配环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术。德国b i e l e f e l d 大学b j u n g 等人【5 3 】将虚拟装配描述为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虚拟装配操作。这一定义侧重于从具体的表现形式上刻画虚拟装配。西北工业大学现代设计与集成制造重点实验室的朱名铨、张树生等人【lj认为，虚拟装配应特指虚拟现实环境下的装配，它必须符合