（计算机软件与理论专业论文）虚拟样机建模技术与协同装配方法研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 利用计算机建立与物理样机相似的 数字化模型，并对该模型进行测试和评估，它是基于先进建模技术、多领域协同 仿真技术、信息集成与管理技术、工程计算分析技术和虚拟现实技术的综合体。 虚拟样机技术在欧美等发达国家已经得到较好应用，主要包括工程机械、航空航 天、造船、机械电子、国防工业等，相关研究工作也成为学术界、产业界关注的 热点。在我国，围绕虚拟样机技术的研究及应用正快速展开，以虚拟样机技术为 核心的研究得到中国高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的支持。 虚拟样机建模技术和协同仿真技术是目前研究的热点问题。融合知识的虚拟 样机建模技术主要侧重于解决两方面的问题：集成与复用。融合知识的多领域模 型集成技术可以支持设计人员通过模型方便的进行交流，满足多个学科领域设计 人员协同设计的需求。融合设计知识的复用技术支持设计人员利用已有的样机模 型重构新产品的虚拟样机模型，使得虚拟样机模型具有一定的柔性，从而满足复 杂产品大批量定制的需求。随着虚拟现实设备的逐渐普及以及相关技术的逐渐成 熟，虚拟现实技术开始越来越多的应用于虚拟样机的开发过程。支持自然交互的 虚拟样机仿真技术，使得设计人员可以在三维、沉浸等为特征的虚拟现实环境中， 直观、高效的操纵和评价虚拟样机。 通常，虚拟样机技术的应用是一个复杂的过程，需要大量的投入，表现为： 需要具有丰富专业知识的设计人员、种类繁多的软件工具、以及性能较高的硬件 平台这使得虚拟样机技术更多的只能应用于少数能负担相关软件、硬件以及人 员费用的大型企业中。基于语义网服务模式的虚拟样机协同设计技术支持设计者 发布、共享已有的设计知识，同时间接的共享软件以及硬件等设计资源，为虚拟 样机技术的推广应用提供了一种新的模式。 本文围绕融合知识的虚拟样机建模方法、基于语义网服务的虚拟样机协同设 计技术和虚拟样机协同装配仿真技术等三个方面展开研究，其目的是为虚拟样机 技术在企业产品设计过程中的应用提供理论和技术上的解决方法。本文的主要贡 献在于； 山东大学博士学位论文 1 提出了一种融合知识的虚拟样机表示模型，较好的解决了复杂产品虚拟 样机建模过程中的模型重用问题。该模型由设计单元与设计单元之间的关系构 成，描述了三种类型的知识：在每个设计单元中，利用行为以及行为序列描述建 模中的过程式知识；利用约束集合描述声明式知识，验证设计结果的合理性：进 而利用设计单元之间的关系描述建模过程中的上下文知识。 2 基于图论的相关知识，提出了一种基于有向图的模型求解方法。利用有 向图分别描述设计单元与作用于设计单元的关系、单元中的属性与作用于属性的 约束、单元中的行为与作用于行为的序列，进而利用图论的知识对有向图进行简 化，得到求解结果或为设计过程提供智能导航。 3 提出了一种分层的虚拟样机建模方法。面向c a d 设计，将零件的建模过 程映射为领域特征的组合，然后将领域特征映射为c a d 建模过程中传统特征的组 合，领域特征的引入可以更好的体现设计人员的设计意图。面向工程计算分析， 将基本计算过程描述为设计单元中的原子行为，进而给出若干组合规则，描述更 加复杂的行为。 4 。提出了一种基于语义网服务的虚拟样机协同设计方法，支持在w e b 环境 中，以服务的形式共享虚拟样机建模过程中的知识以及相关的软硬件设计资源。 首先，阐述了一种基于w e b 服务的协同设计体系架构，将设计知识以及相关软硬 件资源进行服务封装和共享，在此基础上，利用语义网相关标准描述服务之间的 关系，利用基于语义网的推理技术实现服务检索。 5 提出了支持多通道交互的虚拟样机协同装配方法，支持跨平台的异地装 配仿真。首先，提出了一种复制式和集中式混合的协同装配系统架构，较好的解 决了复制式协同中难以并发控制、集中式协同中网络传输带宽要求较高的问题。 然后，面向虚拟装配中的自然交互，阐述了一种分层的多通道交互模式；面向装 配任务的处理，阐述了将装配任务映射为虚拟现实系统基本操作序列的方法。 6 围绕上述理论及关键技术研究工作，开发了融合知识的虚拟样机建模系 统，对于系列化产品的虚拟样机建模提供较好的支持。开发了虚拟协同装配原型 系统，为虚拟协同装配关键技术的深入研究以及推广应用提供了基础平台。 上述研究在国家8 6 3 课题“虚拟样机若干关键技术的研究与典型应用” ( 2 0 0 2 a a 4 1 1 3 1 0 ) 、山东省科技攻关项目“虚拟制造关键技术与应用系统的研究 山东大学博士学位论文 与开发”( 0 3 1 1 1 0 1 1 9 ) 以及山东省科技攻关项目“s e m a n t i cw e b 环境下产品的 虚拟制造技术”( 0 2 1 0 5 0 1 0 1 ) 等相关课题支持下完成。所开发的系统部分应用 于济南二机床集团公司目标产品虚拟样机设计过程，取得了较好的效果。 关键词：虚拟样机，协同设计，知识建模，语义网服务，虚拟装配 i i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t v i n u a lp r o t o t y p i n g ( v p ) i st h et e d m o l o 西e so fc r e a 血培t h ed i 西t a lm o d e lo ft h e p h y s i c a lp r o t o t y p ea n d f l l i 恤o rm o r et e s t i n ga n de v a l u a t i n gt h em o d e l c o u p l e dw i t h a d v a n c e dm o d e l i n g , c o l l a b o r a t i v es i m u l a t i o na n da n a l y s i s i nv a r i o u sa r e a s 。 i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n dm a n a g e m e n t , a n dv i s u a lr e a l i t yt e c h n o l o g i e s ，v p f u n c t i o n a l l ys i m u l a t e sa n do p t i m i z e st h ed e s i g n e dp a r t si nav e r yf a s t , e c o n o m i c a l a n d e f f i c i e n tm a n n e r t h ev pt e c h n o l o g yw a sp i o n r e da n da d o p t e di n i t i a l l yb yl a r g e a u t o m o t i v ea n da e r o s p a c ei n d u s t r i e s n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e s ， i n c l u d i n gl o t so f s m a l la n d m e d i u me n t e r p r i s e s ( s m e s ) i nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a l s ob e g i nt ot a k ev pm o r es e r i o u s l y t h ea d v a n c e dv pt e c h n o l o g i e sf o rc o m p l e x p r o d u c t sa r b e c o m i n gt h eh o t s p o t st h a tn e e d t ob ef l l r t h e rs t u d i e & i n o u rc o u n t r y , m a n yp r o j e c t sf o rv pg r a n t e db yt h en a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m h a v ep a v e dt h ew a yf o rv pr e s e a r c ha n di t sa p p l i c a t i o n s k n o w l e d g eb a s e dm o d e l i n ga n dd i s t r i b m e dc o l l a b o r a t i v es i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e s a t et h ef u n d a m e n t a lp a r to f v p k n o w l e d g eb a s e dm o d e l i n gt e c h n o l o g y a i m st og i v es o l u t i o n st ot w ok e y p r o b l e m s , w h i c ha l ek n o w l e d g eb a s e di n t e g r a t i o na n dk n o w l e d g eb a s e d 阳u s e s i n c e t h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lp r o t o t y p ei sac d m p l e xp r o c e s s ，w h i c hm a yi n v o l v e s d i f f e r e n te n g i n e e r sw i t hd i f f e r e n tb a c k g r o l 】t l dh o w l e 电e ，i ti si m p o r t a n tt op r o v i d e d e s i g n e r sw i t ht h ek n o w l e 电eb a s e di n t e g r a t e de n v i r o n m e n tt oo b t a i na n de x c h a n g e i d e a sm o r ee f f e c t i v e l y 。k n o w i e d g eb a s em o d e l i n gt e c h n i q u ea i m st oh e l pe n g i n e e r s c r e a t et h e f l e x i b l e v i r t u a lp r o t o t y p e , f r o mw h i c he n g i n e e r sc a nr a p i d l yr e c r e a t e a n o t h e rv i r t u a lp r o t o t y p eo ft h es i m i l a rp r o d u c tb ye f f i c i e n t l ym o d i f y i n st h eo r i g m a l f l e x i b l e v i r t u a lp r o t o t y p e v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) i sat e c h n o l o g yw h i c hi so f t e nr e g a r d e da sa ne x t e n s i o nt o 3 dc o m p u t e rg r a p h i c sw i t ha d v a n c e d 脚l i ta n do u t p md e v i c e s b yv i r t u eo f 佩 d e s i g n e r sg a l lp l a n , e v a l u a t e , a n dv e r i f yt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o r ei n t u i t i v e l y w i t h n ， 山东大学博士学位论文 t h em a t u r i t yo f v rt e c h n o l o g y i t sa p p l i c a t i o ni nv i r m a lp r o t o t y p eh a sb e c o m ea n o t h e r r e s e a r c hh o t s p o t a l t h o u g hv pi sa l r e a d yw e l le s t a b h s h e di n t h ea u t o m o u v ea n da e r o s p a c e i n d u s t r i e s m a n ys m e ss t i l lc a s td o u b to ni t sp r a c t i c a l i t y n ei m p l e m e n t a t i o no fv p n e e d se x p e r i e n c e de n g i n e e r s ，e x p e n s i v ec o m p u t e ra i d e ds o f t w a r ea n dt o o l s ，a n d p o w e r f u lc o m p u t e rh a r d w a r e ，w h i c hp r e v e n ts m e sf r o mu t i l i z i n gi t s e m a n t i cw e b s e r v i c eb a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o v i d e ss m e st h ea b i l i t yt oi n t e g r a t et h ee x i s t i n g v i r t u a lp r o t o t y p ee n a b l e dt e c h n i q u e s ，t o o l sa n dh a r d w a r ea ss e r v i c e si n t ot h e i ro w n w o r k s 1 1 l em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nc o v e r st h r e ea s p e c t so ft h ev pt e c h n o l o g i e s ， i n c l u d i n gk n o w l e d g eb a s e dm o d e l i n g , s e m a n t i cw e bs e r v i c eb a s e dc o l l a b o r a t i v e d e s i g n , a n dv i r t u a lr e a l i t yb a s e dc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l ys i m u l a t i o n 1 1 l em a i n c o n t r i b u t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 ak n o w l e d g eb a s e dv i r t u a lp r o t o t y p em o d e l i n gf r a m e w o r ki sp r e s e n t e dt o a v o i dt h er e p e t i t i v ew o r ki nt h ed e s i g no fs e r i a lp r o d u c t s 1 1 l i sm o d a li sb a s e do nt h e d e s i g nu n i t sa n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e mi ne a c hd e s i g nu n i t , b e h a v i o ra n d b e h a v i o rs e q u e n c ea r eu s e dt od e s c r i b et h ep r o c e d u r ek n o w l e d g ei nm o d e l i n g , c o n s t r a i n tc o l l e c t i o ni su s e dt od e s c r i b et h ed e c l a r a t i v ek n o w l e d g ea n dv e r i f yt h e r a t i o n a l i t y ，a n dr e l a t i o n sa m o n gt h ed e s i g no n i t sa r eu s e dt op r o v i d ed e s i g n e r sw i t h t h em o d e l i n gc o n t e x t 2 u s i n gf l g o r i t h m si ng r a p ht h e o r y ，w eg i v et h em o d e ls a t i s f a c t i o nm e t h o d b a s e do nd i r e c t e dg r a p h w eu s ed i r e c t e dg r a p ht od e s c r i b et h ed e s i g nu n i t s , r e l a t i o n s b e t w e e nt h e m , t h e i rp r o p e r t i e s ，c o n s t r a i n so nt h ep r o p e r t i e s ，b e h a v i o ri nu n i ta n d b e h a v i o rs e q u e n c e ，s i m p l i f ya n dr e s o l v ed i r e c t e dg r a p ha n dg i v eo u tt h er e s u l to r p r o v i d ei n t e l l i g e n tn a v i g a t i o nt od e s i g n e r s 3 am u l t i - l a y e rb a s e dv pm o d e l i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dh e r e 1 h e3 dp a r t m o d e li sc o m p o s e db yac o l l e c t i o no fd o m a i nf e a t u r e s ，a n de v e r yd o m a i nf e a t u r ei s c o m p o s e db yac o l l e c t i o no ff e a t u r e s t h ec o m p l e xe n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o np r o c e s si s c o m p o s e db yac o l l e c t i o no fr e l a t i v e l ys i m p l ec a l c u l a t i o np r o c e s s e st h r o u g has e to f 山东大学博士学位论文 c o m p l e xd e s i g nt a s k sw i t ht h ee x i s t i n gd e s i g nr c s o u g c 笛 4 as e m a n t i cw e bs e r v i c eb a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nm e t h o df o rv i r t u a l p r o t o t y p ei sp r e s e n t e dt oe n a b l et h es h a r i n go fv a r i o mk i n d so fd e s i g nr e s o u r c e sa sa f o r mo fw e bs e r v i c e f i r s t l y ，t h es e m a n t i cw e bs e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r ef o r c o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sp r o v i d e d t h e n , b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r e , t w ok e yt e c h n i q u e s a r er a a h d yd i s c u s s e d , w h i c ha r ee - s e r v i c et e c h i q u ea n ds e m a n t i cw e bb a s e d r e a s o n i n gt e c h n i q u e t h ef o r m e re n a b l e sad e s i g np r o c e s s t ob ep u b l i s h e da sas e r v i c e a n dt h e nt ob er e u s e da sp a r to ft h eo t h e rd e s i g np r o c e s s ，w h i l et h el a t t e re n a b l e st h e i m p l e m e n t a t i o no f i n t e l l i g e n tr e t r i e v a lb ys e m a n t i ci n f e r e n c e 5 aw e b - b a s e dv i r t u a le n v i r o n m e n tf o rr e a lt i m ea s s e m b l yp r o c e s ss i m u l a t i o n i sp r e s e n t e d f i r s t l y ，a ne x t e n s i b l ea r c h i t e c t u r ef o rc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yi sp r e s e n t e d w ed e c o m p o s et h es y s t e mi n t os e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n dd i s c u s sh o wt od e p l o y t h ef i g h tm o d u l eo nt h er i g h ts i d e t h e n ，t w ok e yt e c h n o l o g i e sb a s e do nt h e a r c h i t e c t u r ei n c l u d i n gm u l t i - m o d a li n t e r a c t i o n , a n dt a s kc l a s s i f i c a t i o na n dm a p p i n g , a r em a i n l yd i s c u s s e d 6 b a s e do nt h et e c h n o l o g i e sp r e s e n t e da b o v e ，s e v e r a ls e f = t w a r es y s t e m sh a v e b e e nd e v e l o p e d ak n o w l e d g eb a s e dm o d e l i n gs y s t e mf o rg e n e r a lm e c h a n i c a lp r o d u c t h a sb e e nd e v e l o p e dt oh e l p e n g i n e e r sr e c o r d , r e u s ed i f f e r e n tk i n d so fd e s i g n k n o w l e d g e ap r o t o t y p es y s t e mf o rc o l l a b o r a t i v ea s s e m b l yd e s i g nh a sa l s ob e e n d e v e l o p e da sas t a r t i n gp o i n t f u r t h e rr e s e a r c hc a nb ec o n d u c t e da n ds p r e a d t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db ya g r a n tf r o mt h en a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t n o g r a m o f c h i n a ( 8 6 3p r o w a m ) ( n o 2 0 0 3 a a 4 1 4 3 1 0 ) ，a n d t h e d e v e l o p m e n tp r o 掣锄o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs h a n d o n gp r o v i n c e ( n o 0 3 1 1 1 0 1 1 9 ，n o 0 2 1 0 5 0 1 0 1 ) s o m eo f t h es y s t e m sa g eu s e dt oh e l pe n g i n e e r so f j i e r m a c h i n e - t o o lg r o u pc o ，l t dt oc r e a t et h ev i r t u a lp r o t o t y p eo f m e c h a n i cp r e s s k e y w o r d ：v ir t u a ip r o t o t y p i n g c o i i a b o r a t i v ed e s i g n k n o w l e d g e b a s e dm o d e l n g s e m a n t i cw e bs e r v i o e ，v ir t u a ia s s e m b i y 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盘壁主 日期：兰型：竺至 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幺垒鲢导师签名：日期：竺型：尘兰 山东大学博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 制造业长期以来一直是工业发达国家国民经济的重要支柱，据调查，美国6 8 的财富来源于制造业。制造业产品的生命周期包括了需求分析、开发设计、生产 制造、销售及售后等多个环节。在诸多环节中，新产品、新工艺和新设备的开发、 设计环节由于具有大量的知识含量，成为其中的高增值环节，设计成本虽然只占 产品开发总成本的5 ，却决定了产品总成本的7 0 - - 8 0 。产品设计阶段决定着 产品的结构、性能、质量、价格等因素，绝大部分构成产品竞争力的要素也是在 产品设计阶段就已经确定了饥”。 从2 0 世纪7 0 年代c a d 技术的应用开始，信息技术的发展为产品设计的方方 面面提供了越来越多的帮助。这其中，c a d 、c a e 、c a m 、c a p p ，以及p d m 等技术 目前已经广泛应用，并取得了巨大的成功。 但产品设计本身也是一个复杂的过程，包含概念设计、功能分解、零部件造 型设计、装配、仿真测试等阶段。利用信息技术，如何更为有效的支持设计过程 的各个阶段，支持多个领域不同角色的设计人员进行协同设计，成为研究的热点 问题。 2 0 世纪末开始出现的虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) m 1 是一种基于 计算机数字化模型的综合产品设计技术，它将不同工程领域的数字模型结合在一 起，旨在从外观、功能以及行为上模拟真实产品。利用虚拟样机逐步代替物理样 机对产品进行创新设计、测试和评估，从而缩短开发周期、降低成本、改进产品 设计质量，帮助制造业企业提高面向客户与市场需求的能力，已经成为学术界与 产业界的共识。 虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已经得到较好的应用， 应用领域包括工程机械、航空航天、造船、机械电子、国防工业、通用机械等方 面，相关技术的研究工作也正在进一步深入开展。 在美国，国家标准及技术局( 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 d ! 丛q ! q 赶z 盟i s 王2 的剑造工程塞验室( 丛鲤堑h 韭e n g i 卫丛i n g 坐q ! 垦i q z l 山东大学博士学位论文 m e l ) 正在建立虚拟制造环境，或称为国家先进制造测试床( n a t i o n a la d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e s t b e d ，n a m t ) ；华盛顿大学着手建立一个开放式的虚拟装配 环境，进行了装配路径规划、碰撞监测、运动学分析等一系列的试验；波音公司 在波音7 7 7 飞机设计过程中采用虚拟样机技术后，减少了设计更改次数，减少了 9 4 的研制费用，提高模具设计精度1 0 倍，研制周期降低5 0 嘲：福特在其c 3 p ( c a d c a m c a e p d m ) 项目中采用虚拟样机技术后，产品开发周期从原来的4 8 个 月缩短为2 4 个月。 德国d a r m s t a t t 技术大学f r a u n h o f e r 计算机图形研究所，加拿大的 w a t e r l o o 大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟样 机技术的研究。欧洲空中客车、克莱斯勒公司、通用电动机车部、日本日产汽车 公司等大型公司不同程度的将虚拟样机技术应用于设计制造中，取得成功。 在我国，围绕虚拟样机技术的研究及应用正快速展开，以虚拟样机技术为核 心的课题得到多项包括国家8 6 3 计划在内的支持，这包括： 清华大学肖田元教授领导的研究小组与山西经纬纺织机械股份有限公司设 计了剑杆织机虚拟样机系统，成功地完成了基于p d m 的产品数字化定义与管理、 关键结构件有限元分析、运动学、动力学分析、剑杆织机虚拟装配等技术难题的 研究，使得公司能够自主设计开发中高档和高档剑杆织机，实现“两年磨一剑” 的战略目标。 由大连铁道学院联合中国北方机车车辆工业集团公司、清华大学共同承担的 国家”8 6 3 计划”重大项目”铁路机车车辆虚拟样机系统”，根据我国工业化和信息 化并行发展的特点，以数字化技术为手段，以铁路机车车辆虚拟样机系统为切入 点，结合高速、准高速、轻轨、重载机车车辆产品开发中的关键难点问题，进行 创新研究和设计，为全行业提供了实施数字化设计、分析与制造所需的理论、方 法、工具开发和平台集成技术，提高了行业机车车辆设计的国际竞争能力。 浙江大学和山东大学承担的国家”8 6 3 计划”项目“虚拟样机若干关键技术及 其典型应用研究”，其目标是突破虚拟样机的若干关键技术，提出有效支持工程 人员直观、自然、高效地操纵和评价虚拟样机、真实感知虚拟样机，使虚拟样机 行为响应更真实的方法，开发虚拟环境中的产品可装配性评价原型系统。 虚拟样机技术融合了建模、协同设计、仿真以及虚拟现实等技术。目前，围 2 山东大学博士学位论文 绕虚拟样机的研究熟点包括：虚拟样机系统总体技术、虚拟样机的一体化建模方 法、虚拟样机的多学科协同设计问题、支持产品虚拟样机开发的多领域工具集成 技术与分布协同仿真平台研究、虚拟样机管理技术等m ，。 对于虚拟样机技术，一方面，虚拟样机虽然是一个新概念，但其所包含的内 容和所涉及的技术基础已经被广泛的研究，并且其中许多已经被广泛的应用，这 些工作是虚拟样机技术的研究基础；另一方面，虚拟样机技术并不是若干传统的 数字化设计技术的简单集成，在虚拟样机的概念下，派生出了新的技术，传统的 建模技术、协同技术、仿真技术、虚拟现实技术需要进一步的发展与融合。 本文围绕虚拟样机若干关键技术展开研究，其目的是为虚拟样机技术在企业 产品设计过程中的深入应用提供技术解决方法。主要研究内容包括：融合知识的 虚拟样机表示模型，基于语义网服务的虚拟样机协同设计技术，以及虚拟样机协 同装配仿真技术等三方面。 由于虚拟样机技术涉及到了较多的领域，出现了较多的相关研究，在本章中， 将只对与本文研究内容密切相关的研究工作进行概括。 1 2 虚拟样机建模相关研究 1 2 1 模型与产品设计 模型在人类认知客观世界的过程中，起着重要 的作用。如图卜1 所示，模型建立在人们对客观事 物的主观认识基础上，是对客观世界的主观抽象； 抽 同时，模型指导人们进一步深入研究客观事物，根 据已知性质推测未知的性质，促进对于客观事物的 再认识。抽象以及实例化的进程都体现了人类的创 造性劳动，伴随着不断的抽象以及实例化过程，人 类不断了解和改造客观世界。 图1 - i 模型作用 计算机辅助设计技术出现之前，物理模型在产品设计中被广泛应用。产品物 理模型通常是按比例制成的小的样品，来表现另一个通常是更大的产品，用于研 究、测试产品的外观、结构、运动等属性。随着工程图学的发展，设计人员开始 山东大学博士学位论文 利用工程图纸记录产品模型。 2 0 世纪6 0 年代开始，随着计算机技术的发展，计算机辅助设计技术开始在 产品设计过程中推广应用。模型的载体开始由实物构建的物理模型向计算机中表 示的数字虚拟产品模型转变。 早期的c a d 模型仅仅是对于产品几何信息，例如结构、外形等信息，在计算 机中的真实再现。1 9 6 3 年，美国麻省理工学院( m i t ) 2 4 岁的研究生 i e s u t h e r l a n d 首次提出了c a d 的概念。最早的c a d 系统只支持简单的二维图 素，又称为二维线框模型。到七十年代中期三维c a d 系统出现时，为了表示三维 形体，引入了三维线框模型的概念。1 9 7 3 年英国剑桥大学i c b r a i d 推出了第 一个实体造型实验系统，并逐步建立了用边界表示法表示三维实体的理论体系。 基于该理论体系的扩展构建的a c i s 模型，采用面向对象的数据结构，允许线框、 曲面和实体任意组合使用，并加入n u r b s 曲面模块，成为当今c a d c a m 系统采用 的核心几何支撑模型之一。 八十年代后期开始出现的基于参数化以及特征技术的c a d 模型则是对实体 c a d 模型的再次抽象，被认为是c a d 发展史上的又一次质的飞跃。基于参数化“ 以及特征技术阻州构建的模型除了几何实体信息外，还融入了设计者的设计知识， 因而更能体现设计者的设计意图。参数化允许设计者修改设计参数，进而以参数 驱动模型，极大地简化了产品建模过程，能有效地支持系列化产品的设计。 随着计算机辅助产品设计技术的进一步推广应用，2 0 世纪末开始出现的虚拟 样机技术，加速了产品设计由物理模型到虚拟模型的转变。虚拟样机技术是一种 基于计算机数字化模型的产品设计技术，其将不同工程领域的数字模型结合在一 起，旨在从外观功能以及行为上模拟真实产品。利用虚拟样机逐步代替物理样机 对产品进行创新设计、测试和评估，可以缩短开发周期、降低成本、改进产品设 计质量，从而帮助制造业企业提高面向客户与市场需求的能力。 作为21 世纪先进制造模式和敏捷制造1 1 的使能技术，虚拟样机技术成为各 国研究的新的热点。虚拟样机技术更加强调模型可扩展性与可重用性。 一方面，虚拟样机建模不是建立一个大而全的产品模型，这种做法不但不现 实，而且这样生成的模型可扩充性差。虚拟样机模型应当是一个可扩展的模型， 能够指导完成一般的样机开发，同时，当有新的应用领域，新的扩展模型加入时， 4 山东大学博士学位论文 应当能够有机的集成起来，使得共享信息在各个扩展模型之间顺畅流动”1 。 另一方面，支持复杂产品大批量定制设计生产，虚拟样机的表示模型还应当 具有一定的柔性，支持设计人员在原有的样机模型进行修改，重构新产品的虚拟 样机模型。 覆盖产品全生命周期的虚拟样机模型包含需求样机模型、概念样机模型、工 程样机模型以及最终样机模型，分别对应于虚拟样机开发过程中的需求论证、功 能分析、详细设计以及生产装配维护。对于虚拟样机建模的相关研究工作，可以 分为三类：以参数化c a d 模型为代表的细节设计阶段模型，以功能一行为一结构 ( f u n c t i o n - - b e h a v i o r - - s t r u c t u r e ，f b s ) 模型“”1 为代表的概念设计阶段模型， 以及面向产品全生命周期的模型。 1 2 2 面向详细设计阶段的参数化“d 模型 般认为，参数化c a d 设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约 束该几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当 赋予不同的参数序列值时，就可驱动参数化c a d 模型生成新的目标几何图形“”。 参数化的c a d 模型主要包括：基于几何约束的二维图纸参数化模型、基于特 征的三维零件实体模型、基于装配约束的零部件装配模型。尽管在技术细节上还 存在某些不足“ ，但参数化c a d 模型已经能够满足目前绝大多数的c a d 设计应用 需求，成为主流c a d 系统的缺省配置。 根据模型的描述形式，参数化c a d 模型可以分为两类；基于显示约束的模型 和基于历史的模型。约束模型通过在当前设计实例上附加约束的方式描述最终几 何体的特征，历史模型通过描述构造过程来描述几何体。前一种方法侧重生成的 结果，认为只要结果中包含了所需要的几何特征，则过程是无关紧要的：后一种 方法则侧重生成的过程，认为如果有了正确的生成过程，则生成结果也是正确的。 事实上，两种模型都可以统一于基于约束的模型，基于历史的模型可以看作 是基于隐式约束的模型，即约束隐含在用户的操作过程中。基于约束的模型可以 利用约束图进行描述，约束图可以看成是一个有向图，其中节点代表约束的对象， 有向弧代表约束，由参考对象指向被约束对象。对于互相约束的情况，可以认为 约束对象之间存在指向彼此的一对有向弧。 山东大学博士学位论文 两者之间的不同之处在于模型的描述能力和求解方式存在差异。 在描述能力方面，约束模型的约束间没有建立时间先后的概念，约束对象间 也不要求有先后顺序的概念。模型对应的有向图存在环，即允许大量设计对象互 相约束，其描述能力较强。而基于历史的模型，在用户交互操作的过程中记录用 户的操作顺序，考虑对象的约束顺序，认为约束是有向的。模型对应的有向图不 存在环，其描述能力受到一定的限制。 对于详细设计阶段的基于几何约束的c a d 模型，常用的求解方法包括数值计 算的方法、符号计算的方法町、基于规则的方法咖、基于图论的方法。其中： 数值求解方法将约束转化为一系列非线性方程组，进而利用n e w t o n - r a p h s o n 迭代或其改进方法求解方程组2 。这种方法的优点在于通用性好，能处理复杂 的约束关系，缺点是数值求解过程中，忽略了约束和被约束对象的性质，忽略了 用户输入过程中所隐含的设计意图，约束求解复杂性较高，方程组的解可能存在 二义性，并且难以处理过约束和不完全约束的情况。 基于图的方法：首先构造约束问题的图表示，图中的结点代表单个几何元素， 而结点之间的边表示这两个元素之间的约束关系。约束图构造完成之后，根据图 论的有关知识和结点元素的性质，利用“最大推理+ 最小求解”的思想，对约束 图进行分割、化简和求解“。对于无循环约束问题，基于图的方法能进行线性 的约束求解嘲。 基于显示约束的模型应用于二维草图绘制以及三维零部件装配设计。对于三 维零件的实体造型设计，由于涉及到的几何元素数目大大增加，问题的求解空间 由二维转变到三维，并且开始更多的考虑几何形状和功能之间的映射关系，因而 采用了基于历史的特征模型。 特征是产品信息的集合，一个特征至少满足的要求包括：零件的一个结构组 元；可映射到某个形状类；有工程意义：有可预测的性质嘲。特征的出现，使设 计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、 定位孔、阵列等。 一般的，设计人员利用旋转拉伸等基本特征由二维轮廓得到三维实体，再利 用导角、孔、槽等特征对该三维实体进行进一