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浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 摘要 装配设计技术是当前c a d 研究和应用中的重要技术。本文研究了虚拟环境下 的装配技术，提出了在v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术理论与方法， 对虚拟环境中装配模型的层次表达、常用装配语义的提取、装配语义的分解与装 配约束的映射、装配语义的驱动等关键技术进行了研究。 f f 第一章综述了产品设计过程与虚拟装配技术研究及应用的发展现状，讨论了 存在酌问题。论述了在v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术的研究意义 与研究内容。 第二章提出了在v r m l 环境下产品装配模型的多层次表达，指出了装配信 息在装配模型中的分布层次；在此基础上，从装配操作的基本特点入手，介绍了 涵盖设计工程约束、装配操作在内的装配语义概念；提出了装配语义的工程定义 及装配语义的层次表达。 第三章通过对装配语义进行合理的约束描述，研究了装配约束的具体内容及 其特点和主要类别，提出了装配语义的分解与装配约束映射的建立，以便于将面 向装配的工程知识和经验抽象与概括的产品装配语义是转化为系统所能理解具 体的几何约束。 第四章在分析装配语义驱动的基本过程与过程间各阶段相互关系的基础上， 提出了v r m l 系统内装配语义的驱动的基本方法，对装配自由度作了分析与归 约，实现了装配约束的代数表达，提出了预装配过程的概念，并借助装配约束的 识别与定位求解，实现了装配语义的驱动。 第五章对v r m l 虚拟装配环境作了介绍，在结合已有工作的基础上，给出 了一些装配语义实例。 第六章总结了本文的主要研究工作，并给出了今后研究工作的方向。 关键词：虚拟墒菇装龋，虚拟装蓖，装配施，装配语义，装斑约束，语 义分解，约束映射，语义驱动。 l l 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配 殳计技术研究 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fp r o d u c ta s s e m b l yi sa ni m p o r t a n to n ei nc a d r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e s t h ev i r t u a l a s s e m b l yt e c h n o l o g y , p r e s e n t i n g a p r o d u c t a s s e m b l y d e s i g nt h e o r y a n dm e t h o db a s e do fs e m a n t i c s i nv r m l e n v i r o n m e n t g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h er e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n i q u e so f v i r t u a l a s s e m b l y , w h i c hi n c l u d e s t h e a s s e m b l ym o d e ll a y e r l e v e l r e p r e s e n t a t i o n a b s t r a c t i n g t h e c o m m o n l ya s s e m b l ys e m a n t i c s ，s e m a n t i c sd e c o m p o s i t i o n a n d c o n s t r a i n tm a p p i n g ，s e m a n t i c sd r i v i n g c h a p t e r1 ( t h ei n t r o d u c t i o n ) g i v e s ar e v i e wo ft h e d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n i n p r u d u c td e s i g np r o c e s sa n dv i r t u a la s s e m b l yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ，w h i l et h eo p e n q u e s t i o n s a r ea l s oa n a l y z e d i nt h i s b a c k g r o u n d ，t h es i g n i f i c a n c e a n dc o n t e n t so f p r o d u c t - - a s s e m b l y - d e s i g n m e t h o db a s e do ns e m a n t i c si nv r m le n v i r o n m e n ta r e p r o p o s e dp a r t i c u l a r l y c h a p t e r 2 p r e s e n t st h ea s s e m b l ym o d e ll a y e r l e v e lr e p r e s e n t a t i o ni nv r m l e n v i r o n m e n t ，p o i n t so u ta s s e m b l yi n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no nt h el a y e rl e v e l so f t h i s m o d e l o nt h eb a s i so ft h ew o r k ，i ti n t r o d u c e s a s s e m b l y s e m a n t i c s e m b r a c i n g e n g i n e e r i n gc o n s t r a i n ta n da s s e m b l yh a n d l i n g ，g i v i n ga s s e m b l ys e m a n t i c saf o r m e d d e f i n i t i o na n dl a y e rl e v e lr e p r e s e n t a t i o n c h a p t e r 3i n v e s t i g a t e st h ec o n t e n ta n d m a j o rf o r m c l a s s e so f a s s e m b l yc o n s t r a i n t w i t h d e s c r i p t i o n o fs e m a n t i c s ，b r i n g i n gf o r t hs e m a n t i c s b e i n g d e c o m p o s e d a n d c o n s t r a i n t m a p p i n g i no r d e rt ot u r ns e m a n t i c s d e l e g a t i n g o fa b s t r a c ta n d g e n e r a l i z a t i o ne n g i n e e r i n gk n o w l e d g e i n t og e o m e t r i cc o n s t r a i n t c h a p t e r4p u t sf o r w a r dt h es e m a n t i c sd r i v i n gw a y o fv r m l s y s t e mb a s e do n a n a l y z i n gb a s i cp r o c e s s ，w i n n o w i n ga n ds t i p u l a t i n gt h ed e g r e eo ff r e e d o m ，c o m i n g i n t o p o s s e s s i o no fa l g e b r ae x p r e s s i o no fg e o m e t r i c a lc o n s t r a i n t ，h o l d i n g f o r t ht h e c o n c e p t o fb e f o r e h a n da s s e m b l y , a c t u a l i z i n gt h es e m a n t i c sd r i v ew i t ha s s e m b l y c o n s t r a i n ti d e n t i f i c a t i o na n da s s e m b l yp o s i t i o ns o l u t i o nm e t h o d w i t ht h e t h e o r y a n dm e t h o d si nt h i s d i s s e r t a t i o n ，c h a p t e r 5i n t r o d u c e st h e e n v i r o n m e n to fv r m ls y s t e m ，c o m i n g u p w i t hs o m ee x a m p l e so fs e m a n t i c s a s s e m b l y f i n a l l y ，c o n c l u s i o n sw e r ed r a w n f r o mt h i sd i s s e r t a t i o nw i t hr e c o m m e n d a t i o nf o r f u t u r er e s e a r c hi nc h a p t e r6 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 yd e s i g n ，v i r t u a la s s e m b l y , a s s e m b l ym o d e l ，a s s e m b l y s e m a n t i c s ，a s s e m b l yc o n s t r a i n t ，s e m a n t i c sd e c o m p o s i t i o n ，c o n s t r a i n tm a p p i n g ， s e m a n t i c sd r i v i n g i i 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 第一章绪论 内容提要 本章首先对产品设计过程及设计全过程中各阶段间的相互关系进行了分析； 介绍了虚拟现实技术及应用概况，着重对虚拟设计、虚拟装配设计技术研究进行 了分析讨论。最后给出本文的主要内容与总体框架。 1 1 产品设计过程分析 1 1 1 概述 设计是一个有目的的人类主动行为，设计的目标为有使用价值的人造物，即 产品。设计的概念表达为： g = c ( p ) 式中g 为设计的目标；尸为设计过程( d e s i g np r o c e s s ) ，c 为对p 过程的 控制、约束( c o n t r o l ，c o n s t r a j n ) 。 前苏联的a 1 t s h u l l e rgs 等人提出的t r i z 理论( t h e o r yo fi n v e n t i v e p r o b l e ms 0 1 v i n g 的俄文首字母简写) 在提供探索发明新产品的技术发展方面具 备一定的通用性；美国的n a nps u n 等提出的a d ( a x i o m a t i cd e s i g n ) 理论的 基本逻辑体系的发展与t r i z 有一定的相似；日本东京大学人造物工程中心 ( r a c f e ) 的t e t s ut o n i y a m s 等提出的g d t ( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 理论，对 产品利用现代信息理论的面向对象方法，来分析、表达设计过程；德国学者提出 的u d t ( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ) 理论，对产品设计过程实用化基础方面作 了探索【2 。这些理论的提出对表达产品设计过程起到了重要的作用。 1 1 2 产品设计过程 产品设计过程是将产品的市场需求映射成产品的功能要求，并将该功能要求 转化成能够实现该功能要求的产品几何结构的过程 3 6 1 。 在产品设计过程中，从市场需求到最终得到满足解的思维产品，存在许多中 间状态，其形成过程在功能上表现为称作活动环节系列设计步骤。活动环节从 塑坚查兰堕主兰垡堡苎：堡竺兰堡垄! 苎王至墨塑兰曼垄墼堡! 丝查塑兰l 一 前到后其抽象度不断降低，后续环节是前一环节的精炼、进化与展开，从而在宏 观上表现为一连串相连问题的求解活动产品设计过程。 产品设计系统可用数学模型表示为 m = ，p ，q ，0 ，) 式中i 0 为输入输出集，可为物质、能量、信息等；p 为过程集，包含有 子过程元素 p = 只，p 2 ，只，p 4 a q 为状态集，包含有子状态元素 q = q ，q ：，q ，9 4 人) q 与p 对应，m 为q 的映射集，中，：q ，一q 。，包含子映射元素 = m l ，巾2 ，m3 ，0 4 a ) 状态经过映射发生转换，表现为过程，即 尸= q 。与9 ，+ 子过程的有机结合形成过程尸= 只 输入经过过程得到输出：i x p 专0 产品设计过程是一个复杂的创造性活动，产品设计从根本上决定着产品的内 在质量和生产总成本，随着世界经济的飞速发展和市场的全球化，如何有效地降 低成本、提高产品质量、缩短产品的开发时间已成为企业生存、竞争、发展的关 键。新的、有效的设计理论和方法的研究与实施受到了学术界和企业界的广泛重 视。 总的来讲，产品设计过程可大体概括为四个阶段：需求分析阶段、概念设计 阶段、总体装配设计阶段、详细设计阶段，如图ll 所示。 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 墅。髫氧瀚 需求技术说明概念产品方案三维总装模型二维工程图样 图i 1产品设计过程的阶段划分 上述四个过程只、只、只、只既有顺序的逻辑性，又有相互间的重叠性， 在宏观上表现为并行设计的特征 6 8 】。 1 1 3 设计全过程各阶段间的相互关系 产品的设计开发是一个系统的过程，不仅应考虑市场商机调查、需求分析到 产品的制造，还应衡量产品的入市等因素。因此，全过程应包含信息流、物流及 控制流三方面的内容。 信息流包括用户需求、产品模型数据、工艺特征、制造特征、装配特征、市 场反馈等流动：物流包括物料和工具等的传输；控制流包括生产调度决策、物料 配置决策等指令的分配。三方面的运动相互影响，就要求对设计阶段的四个环节 作并行考虑，综合成为一个整体。 可见，产品设计过程是一个多维、多层次、反复迭代的受控过程。其每个子 阶段都有明确的功能： ( 1 ) 产品的需求分析阶段 该阶段的核心问题是从市场需求综合出产品的功能需求，即通过了解产品的 用途、性能和工作条件，分析得出设计要求。其完成的标志是得出产品设计说明 书【2 ”。 ( 2 ) 概念设计阶段 该阶段起始于产品设计说明书，衍生为产生多个能够达到设计目标的可能结 构配置方案，经专家决策评估，得出满足需求的概念模型的过程。它是产品设计 过程中最抽象的阶段，其结果对接下来的总体装配、详细设计阶段具有直接影响。 一般认为，概念设计可分为以下5 个步骤： 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 定义设计任务：根据用户提供的环境、目的和技术要求，由设计人员从现 有功能概念中，选出有效的概念组合。 有效概念设计：根据己提出的有效功能概念要求，由设计人员选择实现该 功能的有效结构。由于功能与结构之间并非对一的映射关系，因此产生的对应 于有效概念的结构模式可能多于1 。 参数设计：根据结构特征，利用现有的设计模型，完成结构的详细描述， 并确定结构的属性和参数值。 设计模式的获取：综合前3 步的工作，可以得到多种满足用户要求的方案， 即设计模式，以及通过参数设计得到的与每种模式相对应的参数值。 设计模式的综合评价：根据各方案的设计结果，利用专家给出的合适的评 价指标体系，用综合的数学模型对每一种设计模式进行评估，选出优化方案。 ( 3 ) 总体装配设计阶段 在产品设计中，尤其在引入并行工程概念后，产品的零部件装配不再是相对 独立的活动。设计人员应当在产品设计伊始，投入面向装配的设计。装配设计的 核心是建立装配信息数学模型，即如何在系统内表达和存储装配体组成部件间的 相互关系。装配模型需要表达的信息包括：直接存储的各装配体部件间的相互位 置信息：以及各装配体部件间的配合、联接信息等。 在总体装配设计阶段中常见的设计过程有以下两种模式。 b o t t o m u p ( 由底至上) 模式这是传统的c a d 方法中通常使用的一种 设计过程。它的主要思路是先设计好各个零件，然后将这些零件拿到一起进行装 配，当在装配过程中发现某些零件不符合要求，如：零件与零件之间产生干涉、 某一零件根本无法进行安装等，就要对零件进行重新设计，重新装配，再发现问 题，再进行修改，b o t t o m u p 的设计模式如图1 2 所示。 可以看出，b o s o m u 口的设计模式从零件设计由底至上地到达总体装配设计， 因而难以支持产品从概念设计到详细设计，零件设计过程中的信息传递困难，特 别是产品零、部件之间的装配关系( 如装配形式、层次、配合等) 无法在现有的 c a d 系统中得到完整描述。即使个别c a d 系统具备装配功能，也仅仅是描述了 实体模型中几何要素的低级关联信息，其装配只是通过坐标变换将已经设计好的 零件拼凑到一起的过程。零、部件之间仍然缺乏内在联系和约束，产品的设计意 图、功能要求以及许多装配语义信息都得不到必要的描述。此外，由于该模式事 先没有较好的规划，缺乏对全局的考虑，因此设计阶段的重复工作多，造成了时 间和人力资源的浪费，工作效率低。但它的优点则是操作快捷、方便，容易被大 多数设计人员所理解和接受。 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 图1 2b o t t o m u p 设计模式 t o p d o w n ( 自顶向下) 模式这种模式从产品功能要求出发，选用一系 列的零件去实现产品的功能；先设计出初步方案及其结构草图，建立约束驱动的 产品模型；通过设计计算，确定每个设计参数，然后进行零件的详细设计，通过 几何约束求解将零件装配成产品；对设计方案分析之后，返回修改不满意之处， 直到的得到满足功能要求的产品【2 3 】。t o p d o w n 设计模式如图1 3 所示。 随着计算机技术日新月异的发展，c i m s 、并行工程概念的相继产生，以及 动态导航技术和参数设计的综合运用，为产品设计从概念设计到零、部件详细设 计以及产品的并行设计提供了坚实的基础。为了使c a d 系统符合人们的设计习 惯以及面向并行工程的要求，设计人员提出了在装配层次上进行产品建模，用产 品装配模型改进现有的c a d 系统。“t o p d o w n ”设计过程能充分发挥设计人员 的设计潜力，最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作，使企业的人力、 物力等资源得到充分利用，有利于提高设计效率，减少新产品的研究设计时间。 目前流行的c a d 系统都声称支持t o p d o w n 设计。其中比较突出的如p r o e 通过l a y o u t ( 布局草图) 实现从j n n 下和功能设计。l a y o u t 是一种二维草图， 能使用户定义个装配体的基本功能要求、基本结构和全局参数及参数之间的顺 序关系等。待装配的零部件可以是概念上的方块图形或参数草图，在此基础上建 立参数、尺寸之间的关系和零部件自动定位所需的全局基准。另外系统还可以通 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 过置换功能以一个复杂的零部件替换原始二维草图中的简单图形。这样，l a y o u t 实质上是一种传统图纸设计中的粗略总装图，它以草图、功能形状置换有效地解 决了形体的自顶向下的设计过程，但功能的从上到下及子功能间的联系无法完善 实现，从草图到零件造型过程中产品功能信息的流动仍然依靠设计者来掌握。另 外，对于结构较为复杂的产品，其二维布局草图的设计本身就是一项困难的工作。 由此可见，p r o e 并没有真正实现自顶向下的设计过程，t o p d o w n 的设计模式在 技术上实现起来还存在相当的难度。 图1 3 t o p d o w n 设计过程 ( 4 ) 详细设计阶段 在装配信息模型的基础上，进步建立描述零件几何形状和拓扑关系的零件 模型。零件模型可以从装配信息模型中继承结构、尺寸、精度、材料等相关信息， 采用适当的表达手段完整地表达零件的结构，并标注出制造该零件所需要的全部 尺寸。零件模型的可视表达是零件图，其具体内容由产品的细节设计决定，设计 的好坏对产品的质量、效能、外观及实用性方面均具有直接影响。 产品设计的四个阶段是相互制约的，设计信息的流动总体上是由需求分析到 概念设计、再到总体装配设计、最终进入详细设计，但详细设计阶段的结果反过 来也可以影响装配设计、概念设计甚至于需求分析，最终使设计得到改善。优秀 浙江人学硕士学位论文：v r a m l 环境下基于语义的产品裟配设汁技术研究 的产品设计系统应对产品设计全过程提供全面支持，以缩短产品开发周期，提高 设计水平。 1 2 虚拟现实技术及应用 8 】 3 8 4 4 】 4 6 】 4 7 】【5 0 5 l 】【6 4 】 6 5 6 6 6 8 】 6 9 】 虚拟现实( v r ) ，就是由计算机控制借助视觉、听觉、触觉等多种合成信息 生成一个虚拟环境，使人们身在其中产生与真实的环境相似的感受，即所谓“身 临其境”。在这个环境中，人们可以实现与虚拟事物的实时交互，这就是它的所 谓“沉浸性”、“实时性”和“主动的交互性”，从而把人、现实世界以及虚拟 环境融为一体，实现信息的交流和反馈。虚拟现实融合了计算机、传感与测量、 仿真、微电子等技术，成为一门综合学科。人可以在虚拟环境中以自然的形态实 时地进行操作和行动。 在这个环境中，设计、制造和使用的产品，并不是实物，不消耗实际材料， 也不需要机床等设备，只是一种由图象和声音构成的所谓“数字产品”。利用这 种数字产品，我们可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械 的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的 生命周期的上游设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性与合理性， 预测产品的成本和使用性能，提出修改的措旌和方法。虚拟现实技术为并行工程、 敏捷制造等技术的实施，减少设计缺陷和返工造成的损失、缩短研制周期和提高 产品质量提供了一个最佳的环境。 1 2 1 虚拟现实技术的概况 虚拟现实技术从9 0 年代后期开始得到了高速发展，它改变了或正在改变人 与计算机之间传统的交互方式，具有广阔的应用前景。目前虚拟现实技术在国 内外的研究以及在c a d c a m 系统中的应用主要集中在以下几个方面： 虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 虚拟原型的可视化( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ) ( 1 ) 虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) c a d 技术改变了产品设计的落后面貌，但产品的设计过程并没有完全摆脱 对实物样件的依赖，需要实物样件进行产品形状、功能的验证，以及产品装配设 计的协调，由此带来的在装配设计过程中因为设计错误、设计不协调而引起的工 浙江大学顺士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 程设计更改，延误了产品开发周期，增加了生产成本。 如何利用虚拟现实技术开发全新的虚拟c a d ( v r c a d ) 系统，为设计者提 供一个高交互、沉浸式或半沉浸式的三维设计环境，已经引起了许多研究者的 兴趣。在这样的v r c a d 系统中，设计者不仅自始至终都以高度交互的方式( 语 音交互、手势等) 通过直接三维操作画草图或修改三维c a d 模型，而且能在同 一环境中观察与分析其设计而无需数据转换，并同时得到系统等各种反馈信息 ( 视觉反馈、声音反馈、力反馈等) 。很明显，这样的v r c a d 系统最有希望 改善现有c a d 系统的在建模、模型信息传入虚拟环境、观察与分析、修改、修 改后的模型信息再传入的全过程所带来低效的数据传输工作及其产生的一系列 新问题。因此建立一个真正意义上的“所见即所得”设计系统的思路，越来越 受到人们的重视。 七十年代，j h c l a r k 即建立了一个在三维空间中设计自由曲面的实验系统 【1 3 】。该系统用h m d 为设计者提供立体视觉，并让设计者通过三维鼠标在三维空 间中拖动曲面的控制点。e s a c h s 等人基于一对三维跟踪设备开发了用于设计自 由曲面的工具。和二维显示与交互比较，虚拟曲面造型系统给用户提供了一种很 强的临场感。依阿华州立大学( i o w as t a t eu n i v e r s i t y ) 开发的c 2 系统是一个基 于自由蓝面变形技术的、多用户的、完全沉浸式的虚拟环境。它提供的主要交互 方式是抓取和推拉。当设计者用数据手套握成一个拳头，即抓取了曲面上的某一 部分，随后，可以通过拖拉动作产生所需的形状。 德国b m w 公司建立了v i r t u a lp r o c e s sw e e k 的体系【2 “，将可视化技术运用 于对c a p p 的支持。通过创建基于产品结构的可视化场景，借助系统可视部分的 组群功能依据过程规划的原理并展示设计各阶段，从而利用了虚拟技术对汽车的 装配流程的合理性加以检测。b m w 公司利用此项技术成功将传统设计需耗时2 年的任务压缩至几周。 ( 2 ) 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 虚拟制造是v r 技术在制造领域的重要应用，是一种超越时空观念的新的制 造哲理和模式。虚拟制造技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进 行全面的建模和仿真，包括产品的设计、加工、装配、物流、资源计划和调配、 组织和管理等。在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造 过程、检查产品的可制造性和设计合理性、预测其制造周期和使用性能，以便及 时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最佳的产品质量 和效益。 按虚拟制造技术的功能可分为：面向产品的虚拟制造技术和面向生产过程组 织管理的虚拟制造技术。前者着重于产品的设计、制造、使用、检验及评价的建 模与仿真，后者则着重于生产过程的计划、组织管理、资源调度、物流、信息流 等的建模与仿真。 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 虚拟制造是在产品实际生产之前的产品开发、分析、加工、测试的电子方 法。当前有关虚拟制造方面的研究主要可分为以下三个方面： 第一，利用虚拟环境来模拟实际工厂中发生的事情，对制造过程的每个阶 段进行可视化。1 9 9 2 年，j e p a y n e 等人提出了“虚拟工厂”( v i r t u a lf a c t o r y ) 的概念，用一套模型模拟工厂设备和加工过程。虚拟工厂的概念后来由b d m 国际公司实现，用来为各种加工环境开发控制系统。虚拟工厂提供了这样的一 个虚拟环境，设计人员无须使用真正的加工设备即可测试与执行加工控制软件 系统，以对复杂加工过程进行快速测试与分析。因为所有的设备均是虚拟的， 因此不存在安全问题。然而，这些系统中存在的一个较为普遍的问题是，一旦 启动了模拟过程，人就不能对该过程进行干预，用户只能从不同的视角观察模 拟过程。假如系统中包含了人体模型的话，它也只能按照预先定义好的运动方 式运动。 第二，与加工机器进行直接交互，对数控代码集进行分析。这一类虚拟制 造系统能够提供诸如加工时间、切削力、工具磨损、表面质量以及其他物理属 性等信息。在人机交互方面，有的仍采用鼠标选取菜单或虚拟机器上的某一按 钮、开关；有的则提供了沉浸式的虚拟环境，用户通过数据手套采用三维操作 与系统交互。 第三，利用增强现实( a u g m e n t e dr e a l i t y ) 系统，辅助机械工人完成实际 的加工过程。 m i t 的j wb a r r u s 在其博士论文中介绍了一个虚拟车间，其中包括带锯、 钻床、铣床和台锯【”。他们建立该虚拟车间的目的是对“直接利用模拟车间设 计零件”这一概念进行评估。从理论上说，这可以减少总体的设计时间，因为 在设计阶段零件就可以被“加工”出来。 华盛顿州立大学的s a n g s t e r 和s j a y a r a m 等认为，如果虚拟制造系统能 允许用户像在实际工作中一样与机器进行交互，将让用户获得更多与零件生产 过程相关的信息。为此，他们开发了v m e ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ) 4 1 。v m e 是一个沉浸式、高交互的虚拟加工环境，它提供了三种加工机器供用 户使用：铣床、车床和水喷射切割机。每一机器的操作方式都尽可能模拟现实 世界中的直接交互方法。在虚拟环境里，用户首先要对需要d n z 的零件装夹到 相应的机器上，然后用户可以往机器中装入在p r o m a n u f a c t u r e 中生成的数控代 码，并运行以对其进行验证。在虚拟环境中，机器的运动和实际加工过程中的 机器的运动一样，这样才能准确地模拟加工过程。 随着虚拟现实技术的发展，产生了增强现实( a u g m e n t e dr e a l i t y ) 系统。 在增强现实系统中，计算机生成的图像被投射到半镀银的镜子上，同时，用户 还可透过镜子看到真实的物体。也就是说，用户在看到计算机生成的图像的同 时还可以看到实物，这就为将虚拟物体与真实物体结合到一起提供了可能。 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配殴计技术研究 波音的一个研究小组正利用视透式( s e et h r o u g h ) 设备研究增强现实技术 在加工领域的应用。想象一个机械工，在他面前放有一块金属板，他想在板上 钻几个孔。通过使用头部跟踪器和视透式眼镜，计算机生成的图像与数据指令 被投影到透镜上以指导他如何钻7 l 。显示在透镜上的圆点序列给出了圆孔的位 置，不管机械工的头部怎么运动，这些圆点相对于金属板的位置是不变的。这 样机械工就知道了该在什么位置钻孔，钻多大的孔。 ( 3 ) 虚拟原型的可视化( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 【3 0 】【3 4 1 【3 5 】 4 8 】【5 3 1 1 5 4 i f 5 5 6 传统的产品开发过程中，对产品的外形、功能的评价以及装配过程的模拟一 般借助于木模或其它高保真实体模型来完成。由于设计是一个动态的过程，在设 计过程中原型需要不断的修改，如能采用虚拟原型取代物理原型，将带来显著的 经济效益。 美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 是最早利用虚拟现实技术的单位之一。 1 9 9 2 年，b r y s o n 等人利用虚拟风洞( v i r t u a lw i n dt u n n e l ) 对航天飞机的流场 进行了可视化研究，他们利用数据手套向流场注入“烟雾”，并利用虚拟现实 系统观察流场中的流线分布，以验证飞机外形设计的合理性。 使用虚拟原型( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 这种可用于观察、操作、装配和拆 卸的精确的三维数字产品模型，目前已成为产品开发过程中重要的一步。在虚拟 环境里，设计则可以任意改变模型，进行各种分析而无需重新制造物理原型；这 有助于设计人员及早发现设计缺陷，及时修改，从而大大加快了产品开发进程。 虚拟设计、虚拟制造、虚拟原型的可视化以及虚拟装配等技术构成了虚拟现 实技术在工业应用方面的主体，对社会的发展具有极大的推动和促进作用。 1 2 2 虚拟装配设计技术 2 9 1 3 3 】【3 5 】【3 9 】【4 3 】【5 2 j 【5 7 】【5 9 】【6 2 】 产品虚拟装配设计是目前研究的热点，它是虚拟现实技术在c a d 领域的重要 应用。虚拟装配实际就是在v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 环境中，借助手势、语音等自 然的交互方式，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化 和数据表达等手段，用力学方法不断地变化、调整由于多个物体的接触而引起的 约束关系的过程，以解决产品的零部件装配次序、装配干涉检查、装配路径优化 等一系列与装配有关的工程决策问题。 虚拟装配过程所产生的信息可供为如下几方面的利用 将装配路径信息输送到装配分析系统中，由设计人员分析后对设计提出修 改意见，再将反馈信息传递到设计过程中。 o 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 虚拟装配系统可生成一些用于辅助特殊装配器材设计的信息，如：电子元 件装配时所需的信息。 虚拟装配信息可用于输送给c a p p 系统中进行工艺规划、生成机器人路径 信息以及c a m 系统为生产提供信息准备。 鉴于此，虚拟装配研究不仅成为了产品设计过程的重要环节，而且对虚拟制 造成效的好坏有关键作用，受到学术界的广泛认可和重视。 华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所n i s t 合作开发了一个沉浸式的 虚拟装配系统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 ) 【2 “，该研究的主 要目的是探索利用虚拟现实工具建立有价值的设计信息方法的可行性。v a d e 的 主要功能特征为：从c a d 到v r 的自动数据转换；从c a d 系统捕捉装配意图并应 用于虚拟环境；对零件的交互式动态模拟，可以在物理建模的基础上实现实时碰 撞检测；虚拟环境中的参数化设计修改：装配环境与零部件初始位置的生成；双 手装配与灵活操作。作为该大学追求的“d e s i g nb ym a n u f a c t u r e ”努力的一部 分，该系统允许设计者在设计的早期考虑装配问题，通过执行虚拟装配任务，设 计者可建立产品和工艺信息。 日本n a b e 等开发了机械零件装配性验证和装配机器可视化系统 4 1 【4 2 】，初 学者在装配机器时可以进行系统的操作训练，支持设计者在虚拟环境中进行装配 分析和性能评估。 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 is i o n 公司开发的d v s 等系统4 ”，能够描述物体装配关系和运动规则之间的联系，缺点是不够直观， 另外对装配关系的描述不够全面。 j u n g 等以实现基于知识的虚拟场景( 包括装配关系、装配体结构与功能) 描述，并根据装配过程的递进实时更新场景的知识描述，并建立了面向装配的知 识表达语言c o a r ( c o n c e p t sf o ro b j e c t sa s s e m b l i e sa n dr o le s ) 及基于c o a r 的知识推理方法，开发了一个基于知识的虚拟装配系统c o d y 【28 1 ，支持用户以 自然语言的形式表达简单命令语言来进行装配操作，从而实现更自然的人机交 互。 为了较好的解决虚拟装配的核心技术问题，国内外学者还从装配模型表示、 装配约束的研究、装配定位求解等相关方面内容展开了深入探索。 ( 1 ) 装配模型表示 多层次树的表示以及基于图的表示是装配模型的两类主要表示方法，国内外 学者以此为主线对产品装配模型展开了深入细致的研究，并取得了很多卓有成效 的进展。 多层次树的表示 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 将装配体表示为一个树状结构，这个方法有利于进行装配的序列规划，因为 装配顺序可以由根节点到从叶子节点的配合条件的创建操作来决定。多层次树表 示的另一个优点是可以很容易地从零件得到子装配体，在多层次树的每一层上， 对装配体的检查可以通过该层上的子装配体及其相互关系来完成，而不是通过单 个零件之间的相互关系来完成，其表示原理如图1 4 ( a ) 、( b ) 所示。 l e e 和g o s s a r d 于1 9 8 5 年提出了表示装配体的虚链结构，将装配元素之间 的配合关系作为连接装配元素的虚链来表示装配体，虚链包括配合条件信息及相 关坐标变换信息。虚链结构表示概念的提出对装配造型的研究带来了很大的影 响，研究人员在此概念的基础上，展开了许多关于装配造型的进一步的研究。 r o c h e l a u 和l e e 在1 9 8 7 年补充了配合条件的类别，如螺旋联接、球面配合等； k i m 和l e e 于1 9 8 9 年给出了个从配合条件推导联接信息的方法；s h a h 和 t a d e p a l li 在1 9 9 2 年开发了一个基于特征的装配造型系统，该系统以零件之间 的配合特征及其配合关系表示装配模型，系统由于采用区别于以往低层次集合元 素的高层次特征信息来表示装配模型，因而允许装配完成后的设计修改，但是系 统不支持零件之间的多个配合特征及其配合关系；s h a h 和r o g e r s 于1 9 9 3 年提 出支持装配体零件之间多个配合特征及其配合关系的方法，该方法描述了基于 特征的多层次的装配表达，即通过配合特征的类型、方向、位置及自由度将配合 关系形成列表；y o u 和c h i u 在1 9 9 6 年提出将虚链的概念延伸到包括高层次的配 合特征数据及装配关系数据： 基于图的表示 许多关于装配造型的研究采用了一个图的结构来表示装配体的拓扑关系。与 多层次树的表示相比，基于图的表示方法显式地表示了零件与零件之间的关系， 而且还提供了一个发现装配体零件路径的直接方式。该方法非常适合于容差分 析、装配路径生成和运动机构链的产生，缺点是缺少多层次树表示中的层次信息。 另外，与装配体多层次树的表示相比较，基于图的装配体表示除了具有便于进行 运动机构推理、容差分析和装配路径生成的优点之外，还具有便于图形交互操作 的优点。其表示原理如图1 4 ( a ) 、( c ) 所示： s c h u b e r t 在1 9 7 9 年以装配元素或子装配体作为节点，以约束和关系作为边 的p 图来表达装配模型：m a n t y l a 在1 9 9 0 年采用多层次结构图表示装配元素间 的关系，该图支持多层次的配合元素之间的关系，可以从不同的层次进行装配分 析，对实现1 9 顶向下的装配设计非常有利；e a s t m a n 于1 9 9 1 年采用以装配元素 为节点，以变换矩阵为连接节点之间的弧的图来表示装配模型； a n a n t h a 于同 年提出约束图的表达方法，即约束图不仅包括不同零件配合特征的信息，而且还 包含位于几何层与特征层之间的中间几何信息，以便于表达配合特征之间的配合 关系。 浙江大学硕士学位论文：v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技术研究 2 ( a ) 一个装配体( b ) 多层次讨的模型表示 ( c ) 基于图的模型表示 图1 4 两种装配模型表示方法 这些研究工作极大地丰富了装配模型表达和描述的思路、方法，使得多层次 树的表示以及基于图的表示两类主要的装配模型表示方法渐趋成熟，为在虚拟环 境下的研究工作提供了非常重要的帮助。 ( 2 ) 装配约束的研究9 】【l o 】【l l 】【1 8 】【3 4 i 1 5 0 1 1 5 8 在1 9 6 3 年s u t h e r a n d 就将几何约束的概念应用于设计活动，运用该理念开 发的s k e t c h p a d 系统可以通过几何约束进行几何体的尺寸修改；l e e g a n d r e w s 于1 9 8 5 年提出了约束求解的数学代数方法，通过代数方程表示所有约束； b r u d e r l i n 于1 9 8 6 年、a l d e f e l d 于1 9 8 8 年提出几何推理方法，采用人工智能技 术进行几何约束的符号操作，该方法具备一定通用性，但计算量大：k r a m e r 等 于1 9 9 1 年介绍了自由度分析方法，该方法的实现独立于几何元素的几何解释以 及空间尺寸，具有很强的计算优势。 约束识别的研究工作最早开始于7 0 年代中期的英国剑桥大学c a d 中心。该 中心的g r a y e r 在1 9 7 5 年首次尝试从零件的实体模型中自动提取出对计算零件的 数控加工刀具轨迹有意义的几何形状，并基于如此的特征进行零件的刀具轨迹计 算。该中心的另一位研究人员k y p r i a n o u 于1 9 8 0 年在他的博士论文中首次提出 了特征识别思想，从而奠定了基于边界表示进行特征识别的基础。h e n d e r s o n 于 1 9 8 4 年提出了一种约束的规则描述，但现在已不太受重视。主要原因在于：第 一，特征规则的定义方法不唯一，不完备且用户不易掌握；第二，需要进行大量 匹配，识别效率不高；第三，无法有效识别相交几何约束。m a r e f a