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浙江工业大学硕士学位论文 虚拟装配技术在电液叉车中的应用 摘要 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技 术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的 实施具有深远影响。利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早地发 现装配中的问题，对模型进行修改；并通过可视化显示装配过程，进行装配工艺规划、现 场布局、装配操作模拟等。 本文所阐述的内容是对虚拟装配技术进行了研究，并应用到电液叉车的装配过程中。 首先，利用特征、装配特征，提出电液叉车的虚拟装配模型性能要求。在s o l i d w o r k s 软件系统中建立了电液叉车的装配模型，分析了电液叉车零件间的装配关系、装配模块划 分和装配层次结构，简单地制定了装配顺序工艺。 其次，比较了检查及修正干涉的传统方法与计算机模拟检测方法，分析了产生干涉现 象的四种主要原因，利用s o l i d w o r k s 软件系统中强大的干涉检查功能，介绍了对电液叉 车中任一装配体的干涉检查步骤及实现，并根据干涉零件之间的相对位置关系可以将其分 为软干涉、硬干涉、接触干涉和包容干涉四类。 然后，介绍了可拓变换的基本概念，根据产生干涉现象的四种主要原因，将可拓变换 分成了零件设计的物元变换、装配序列的换位变换和模块化分的增删变换三种，进一步实 现干涉消解，最后通过电液叉车模型中的实例验证了方法的可行性。 最后，将电液叉车按照模块划分的方法装配完成了各个模块，在s o l i d w o r k s 环境中， 对电液叉车进行了整机装配的仿真，并用影片文件格式记录了装配过程，实现了可视化装 配，得到了切实可行的结果。 关键词：虚拟装配，装配建模，可拓变换，干涉检查，干涉消解 浙江工业大学硕士学位论文 t h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a la s s e m b l y t e c h n o l o g yi nt h ee l e c t r o - h y d r a u l i c f o r k 工i f t s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，v i r t u a la s s e m b l ya so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sh a sp l a y e dm o r ei m p o r t a n t r o l ei nt h ea c a d e m i aa n di n d u s t r y o i lt h ea g i l em a n u f a c t u r i n g ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，a n d a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gm o d e b yu s i n gt h ev i r t u a la s s e m b l y , t h ev a l i d i t yw h i c hi si n c l u d i n g t h ed e s i g no fa s s e m b l ya n do p e r a t i o nc a nb ei m p r o v e ds oa st om o d i f yt h ep r o b l e mi nt h e a s s e m b l ym o d e l a n dt h r o u g h t h ea s s e m b l yp r o c e s sw h i c hi sd e m o n s t r a t e db yt h ev i s u a l i z a t i o n , t h ep l a n n i n go fa s s e m b l yp r o c e s s ，l a y o u t ，a n dt h es i m u l a t i o no fa s s e m b l i n go p e r a t i o nc o u l db e g e n e r a t e d 。 t h i sd i s s e r t a t i o nt o o kt h ev i r t u a la s s e m b l ym e t h o di n t ot h ee l e c t r o - h y d r a u l i cf o r k l i f t s d e s i g np r o c e s s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o nw e r ea sf o l l o w i n g f i r s t l y b yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n db a s e do nt h ea s s e m b l yf e a t u r e ，v i r t u a la s s e m b l y m o d e lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cf o 订d i f t sa r er a i s e d t h ea s s e m b l y m o d e l so fe l e c t r o h y d r a u l i cf o r k l i f t sa r ee s t a b l i s h e di nt h es o f t w a r es y s t e mo fs o l i d w o r k s i t a l s oa n a l y z e st h ee l e c t r o h y d r a u l i cf o r k l i f t s a s s e m b l yr e l a t i o nb e t w e e np a r t s ，t h ed i v i s i o no f a s s e m b l i n ga n df i t t i n gm o d u l ea n dt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，a n d f o r m u l a t e ds i m p l yt h e a s s e m b l ys e q u e n c ea sw e l l s e c o n d l y , b yc o m p a r i n gt r a d i t i o n a lm e t h o do fe x a m i n a t i o na n di n t e r f e r e n c e c o r r e c t i o n w i t ht h em e t h o do fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e sf o u rm a i nr e a s o n so fi n t e r f e r e n c e p h e n o m e n o n a n db yt h e u s eo fs t r o n gi n t e r f e r e n c eo fs o l i d w o r k ss o f t w a r es y s t e m ，i t i n t r o d u c e st h ef u n c t i o no fe l e c t r o h y d r a u l i cf o r k l i f t si na n yi n t e r f e r e n c ec h e c ka s s e m b l y a c c o r d i n gt ot h ep r o c e d u r e sa n dt h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nt h ep a r t so f i n t e r f e r e n c e ，i tc a nb e d i v i d e di n t os o f ti n t e r f e r e n c e ，h a r di n t e r f e r e n c e ，c o n t a c ti n t e r f e r e n c ea n di n c l u s i v ei n t e r f e r e n c e t h i r d l y , t h eb a s i cc o n c e p t so fe x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o na r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n g t of o u r m a i nr e a s o n so ft h ei n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o n ，t h ee x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o nw i l lb ed i v i d e di n t o t h em a t t e r - e l e m e n tt r a n s f c i r m a t i o no fp a r t sd e s i g n , t h ec o n v e r s i o no fa s s e m b l ys e q u e n c ea n dt h e a d d i t i o n sa n dd e l e t i o n st r a n s f o r m a t i o no fm o d u l ed i v i s i o n i tf u r t h e rr e a l i z e si n t e r f e r e n c e 浙江工业大学硕士学位论文 c o u n t e r a c t s ，a n dt h r o u g ht h ei n s t a n c eo fm o d e l so fe l e c t r o h y d r a u l i cf o r k l i f t sh a sp r o v e dt h e f e a s i b il i t yo ft h em e t h o df i n a l l y f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fm o d u l ea s s e m b l i n g ，e a c hm o d u l eo f e l e c t r o h y d r a u l i cf o r k l i f t sh a dc o m p l e t e d u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fs o l i d w o r k s ，t h ew h o l e a s s e m b l yo fe l e c t r o h y d r a u l i cf o r k l i f tw a ss i m u l a t e d ，a n dt h ea s s e m b l ys i m u l a t i o nw a sr e c o r d e d w i t ht h ef i l ef o r m a to ff i l m i ti m p l e m e n t e dt h ev i s u a l i z a t i o na s s e m b l ya n dt h ep r a c t i c a lr e s u l t s w a r ew o r k e do u t k e yw o r d s ：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 i n g ，e x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o n ，i n t e r p o s i t i o n c h e c k i n g ，i n t e r f e r e n c ec o u n t e r a c t 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 r = ( n ，c ，v ) 4 = p ，h ，甜) h = g ，a ，z ) n c v 丁 | r ， n r - r o r l 庀r _ 1 1 e r l 刀j o c r 丌 n ，r 2 ，h ) 丌宰= r ，1 1 木) 物元 事元 关系元 事物的名称 事物的特征 相应于特征的量值 可拓变换类型 置换变换 增加变换 删减变换 扩缩变换 分解变换 复制变换 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：i 3 劫谚头日期：办吵年，z 月2 z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吐 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名：1 l 匐4 a 荧 导师签名：钮 曰期：如口7 年 日期：知叩年 f2 月工z 日 fz 月2 2 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景及课题来源 1 1 1 课题背景 第一章绪论 众所周知，在产品的寿命循环中，装配是一个很重要的环节，是产品功能实现的主要 过程。有关研究表明，产品设计中良好的装配设计可以减少2 0 4 0 的制造费用，同时 提高1 0 0 一2 0 0 的生产率。随着先进制造技术的发展和应用，制造技术体系中的设计、 加工和管理技术都己达到了相当的自动化、集成化水平。但相比之下，作为制造过程中形 成产品的后置工序的装配技术，其发展则明显滞后，在现代制造业中1 3 左右的人力仍然 在从事装配有关的活动，4 0 以上的生产费用于产品的装配和调试，装配技术已经成为制 约先进制造技术发展的瓶颈。在竞争日趋激烈的今天，很多企业已经意识到为了保持市场 竞争力必须保证技术的先进性，必须寻求先进的设计方法、装配技术，同时必须将生产成 本控制在最小范围。在产品的设计阶段就要尽量减少产品装配时可能遇到的问题。 传统装配多依赖于人的技巧和判断力来进行复杂的操作，对产品的外观和功能评估以 及装配协调性检查，一般是借助于实物模型来完成的，这是一个费时、费力的过程，因为 对设计的任何小的修改都可能导致实物模型的重建。这种基于“实物验证”的模式带来了成 本的巨大浪费，也不符合快速反应市场的需要。 虚拟装i 配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 技术的出现为彻底解决传统装配中存在的弊端带来 了希望。虚拟装配是虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本 质体现，是虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 技术与装配技术相结合的产物。它无需产品或 支撑过程的物理实现，通过计算机对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，对装配过程进 行仿真模拟，检查产品零部件之间的正确装配关系，包括可达性、顺序性、方向性、干涉 情况以及公差配合等方面的内容，帮助设计人员及早发现产品装配设计中的缺陷。对虚拟 装配技术的进一步发展将会使正在从事装配活动的人员从繁重的劳动中解放出来，去从事 研制和开发工作，他们将是我国的又一批生力军。而且拥有丰富劳动经验的他们融入到设 计人员的队伍之中可以提高设计人员的技术水平和新产品开发的能力，从而进一步增强机 浙江工业大学硕士学位论文 械制造业的竞争能力，加快其发展的步骤。虚拟装配技术用于实际装配将会大大的降低装 配的成本，提高装配的质量，缩短产品开发周期，获得最大的经济效益。 虚拟装配是近几年才提出来的一个全新概念，社会各个方面投入了大量的时间和精力 来研究这个方面的问题，而各个高校都在不遗余力的研究这个课题，从一开始的在虚拟环 境下的生产、设计的模拟到现在的用各种不同的方法手段来研究。在这种发展的大趋势下， 本文提出了用s o l i d w o r k s 来研究的方法，而且把目标定位在虚拟装配虚拟制造技术 的薄弱环节，除了用它研究有一定的可行性之外，其主要原因还在于它是先进制造技术领 域的研究热点，因而其技术潜力是巨大的，应用前景十分广阔。 1 1 2 课题来源 本次课题源于金华市技师学院“普通机床数控化改造及研发课题”。充分利用现有设 备资源，开发“普通机床数控化改造和“制作电液叉车 两个子课题。制作电液叉车又 可以更好地支持“普通机床数控化改造 课题完成。 1 2电液叉车简介 本文研究的电液叉车是以直流电源( 蓄电池) 为动力，液压缸往复升降运动带动叉架体 和吊钩的往复升降运动，能起到高起升装卸和短距离运输两用的叉吊车辆。 在普通机床数控化改造中，在改造车间不仅要搬运工量具、装拆的设备，而且也要起 吊机床床身、导轨等大型设备。这些工作可以用叉车来完成。 目前市场上叉车品牌众多，车型复杂。叉车通常可以分为三大类：内燃叉车、电动叉 车和仓储叉车。 内燃叉车一般采用柴油、汽油、液化石油气或天然气发动机作为动力，载荷能力1 2 5 2 0 吨，尾气排放和噪音大，通常用在室外、车间或其他对尾气排放和噪音没有特殊要求 的场所。此叉车不适合改造车间用。 电动叉车以电动机为动力，蓄电池为能源。承载能力1 0 - 一4 8 吨。由于没有污染、噪 音小，因此广泛应用于对环境要求较高的工况。对于多班制的工况需要配备备用电池。但 此叉车作业通道宽度一般为3 5 5 0 米，作业通道要求高，也不适合改造车间用。 仓储叉车主要是为仓库内货物搬运而设计的叉车。在多班作业时，电机驱动的仓储叉 车需要有备用电池。因其车体紧凑、移动灵活、自重轻和环保性能好而在仓储业得到普遍 应用。但此叉车没有吊车功能。 叉吊两用车市场上几乎没有此类产品。此次研发制作的电液叉车是在一般的仓储叉车 2 浙江工业大学硕士学位论文 基础上增加电机驱动、用液压缸代替机械传动、增加吊车功能的吊钩装置。在制作电液叉 车前用虚拟装配技术来进行仿真实现虚拟装配过程，以减少实验周期和制作成本。 1 3 虚拟装配概述 1 3 1 虚拟装配的定义 虚拟装配一般定义为：利用计算机工具，而不需产品或者支持过程的物理实现，通过 分析、预建模、可视化、数据表示等手段进行安排或者辅助进行装配相关的工程决策【。 虚拟装配是一种将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【2 1 。 1 3 2 虚拟装配的关键技术 1 虚拟装配建模 虚拟装配建模是虚拟装配的关键环节，也是进行装配的前提。虚拟装配建模分为几何 建模、物理建模和行为建模三个部分，它主要表达两部分的信息：一是零件及子装配体的 信息，二是零部件之间的相互关系信息。 装配建模技术的建模方法可以分为自底向上( d o w n u p ) 和自顶向下( t o p d o w n ) 两种 方法【3 】【4 】【5 】o l 、自底nk ( d o w n u p ) 建模方法 自底向上的建模方法首先通过从底层零件开始分析产品，然后对各个零部件进行详细 设计，再将零件按照一定装配约束关系进行装配，同时检查零部件之间的装配干涉和冲突， 发现干涉或冲突之后返回对零件进行重新设计，重新装配，直至最终装配模型建模的完成。 目前的商业的c a d 软件大都能够进行比较完善的零件设计，因此这种自底向上设计方法 既是商业的c a d 软件传统的方法，也是目前利用较多的设计方法。自底向上建模过程如 图1 1 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 1自底向上设计流程 2 、自顶向下( ( t o p - d o w n ) 建模方法 自顶向下建模是一种高级的装配设计思想，它通过成品对产品逐步分析，然后向下设 计。具体的说是从产品市场需求分析和用户的要求出发，先建立产品的概念模型，描述产 品的基本原理和功能、基本性能参数、设计计划、管理信息等，再从概念模型中获得产品 设计各功能模块的设计和装配约束关系，包括配合类型、装配特征描述、装配尺寸关系等， 然后向下完成各个零部件的详细设计，最后完成产品的装配模型。显然这种设计方式支持 产品全生命周期的相关参数设计，符合设计师的思维。整个流程如图1 2 所示。 图1 2 自顶向下设计流程 目前商业的三维c a d 软件基本都支持这自项向下的建模方法，如u g 的w a v e 技术、 p r o e 的骨架建模技术和s o l i d w o r k s 的自顶向下的建模技术等。自顶向下设计方法可以 4 浙江工业大学硕士学位论文 用来管理大型组件，组织复杂产品设计，支持更加灵活的组件设计等。 总的来说d o w n - u p 和t o p d o w n 方法各有优缺点，如下： 1 ) d o w n u p 建模方法 优点：设计思路简单，操作方便快捷，易被大多数设计人员理解和接受；零部件独立 设计，因而重用性好而且方便，在重用过程中不会受到其他零部件的约束。 缺点：要求设计者对产品有较全面的了解；需要不断检测调整底层模型，导致设计上 的不灵活：不能很好的传递设计者的设计意图。 2 ) t o p d o w n 建模方法 优点：符合设计人员的设计思维；能够共享装配信息，从而减少设计实施阶段不必要 的重复工作；顶层模型的利用可以协调和管理装配体之间的关系。 缺点：对系统分析和设计人员的要求较高；模型尺寸等信息可以随着上层模型的变化 而变化，因而重用性受到了一定的限制。 因此，自底而上设计和自顶而下设计这两种设计方法并不是完全对立的，而是在一定 程度上呈现出了良好的互补关系。应该要取长补短，利用好这两种设计方法的优点而又避 免不足。虚拟装配系统建模在总体设计方面是自顶而下的，而在细节设计方面是自底向上 的。同时在总体上又分为几步，并行的运用自项而下和自底向上两种方法，实现全面装配 6 1 1 7 1 。如在对某产品的建模设计过程中，可以利用自项向下的方法从整体考虑，建立装配 概念模型，统一指导底层零部件设计；对于一些标准件、通用件和固定几何结构的零部件 可以利用自底而上的方法设计，保持其良好的重用性。 本文研究的电液叉车因选用了s o l i d w o r k s 软件，其建模大都采用自底而上的方法。 2 虚拟装配规划 虚拟装配规划是虚拟装配研究的关键内容之一，它是在装配建模和装配序列规划的基 础上，充分利用装配信息进行路径分析和求解，判断并生成一条合理的装配路径，从而达 到最优化设计的效果【8 1 。它的实现可以为虚拟装配的其它技术提供有效的支持，不断完善 虚拟装配环境，为并行工程和先进制造技术的实施提供有效的支持工具。 虚拟装配规划内容有：( 1 ) 装配序列规划。( 2 ) 虚拟装配运动规划。( 3 ) 装配路径规划。 ( 4 ) 装配轨迹规划。 在制造业中，装配序列规划是个关键的环节1 9 i 。选择正确的装配顺序，能够帮助减 少装配时间和成本。所以进行装配序列规划是个非常有意义、富有挑战性的工作。装配 规划是产品在装配过程及所需装配资源的指令，装配序列是装配规划最基本的信息，产品 浙江工业大学硕士学位论文 中零件之间的几何关系、物理结构及功能决定了产品的装配顺序。 传统装配顺序规划是通过人的知识和经验来进行。机器人装配工具的应用和c a d 设 计工具的使用带动了自动计算装配顺序。有多种装配顺序被开发出来，并使用设计数据及 约束条件产生最好的装配顺序。但是在自动装配规划中很难捕捉所有的约束。因此，基于 询问方式的交互技术被提出，即用户通过图表的帮助判断某种装配顺序的可行性。一种装 配顺序规划器是利用用户提供的信息选择最好的装配顺序。另外一种规划器是将自动计算 和用户回答询问的方式混合起来，以确认最好的装配顺序。 装配序列的规划方法可分以下几类【1 0 1 【1 1 】： 1 ) 基于装配优先约束关系的装配序列生成方法，获取优先约束关系并将其显式表达是 最直观的装配顺序生成方法。优先约束关系指零件之间的装配顺序约束。装配序列优先约 束是表达零件装配先顺序的一种非常紧凑的方法。这种方法的关键是装配优先约束关系的 获取。 2 ) 基于组件识别的装配序列求解方法，根据零件的组件分类，确定组件之后，分层次 生成组件的装配顺序，综合组件的装配顺序，即刻求得产品的装配顺序。这种方法可以有 效的减少装配顺序生成的组合复杂性，删除那些装配操作上工艺性差但理论上可行的装配 序列。 3 ) 拆卸法求解装配顺序的方法，若零件装配和拆卸互为可逆过程，则可通过求解零件 的拆卸顺序【1 2 】来得到零件的装配顺序。拆卸法求解装配顺序的优点是：若判定一个零 件满足拆卸条件，则该零件一定满足序列约束。反之，装配过程中某一阶段满足装配条件 的零件并不一定满足装配序列约束条件，因为该零件有可能影响到后续零件的装配。另外， 通过几何计算和推理可从零部件的装配状态演绎出零部件拆卸的初始方向，而从自由状态 的零部件却无法推导出零部件的装配方向。拆卸法的局限性是必须满足装配和拆卸互为可 逆过程这一前提条件。 4 ) 基于知识的求解方法，基于知识的自动装配序列规划方法求解装配序列，采用知识 库中定义的优先级规则来表达产品结构、序列优先约束和装配资源约束等知识。通过接口 从c a d 系统读取装配图和零件明细表等信息，利用存储在知识库中的规则，确定零件的 装配顺序。基于知识的求解方法装配序列求解方法，对于特定产品的装配序列求解比较有 效，但其适用面窄目领域知识的获取需要较深的专业知识。 5 ) 基于矩阵运算的方法，装配体中有配合关系的零件之间的联接关系以矩阵纪录，矩 阵中的每一元素代表零件的装配关系。对矩阵用线性代数中的有关运算进行变换、规约， 浙江工业大学硕士学位论文 简化了的联结关系矩阵对应装配序列。 装配序列的表达要便于序列的生成。具体来说，装配序列的表达应考虑如下方面的内 容：从装配模型自接推导出装配序列的难易程度；装配序列的各种表达方法之间是否易于 实现交换；装配序列各工序的关系能否表达清楚；能否保证装配序列的完整性以及正确性； 装配序列表达所需的存储空间。装配序列规划中的几何推理包括以下内容：a 装配体中零 部件之间的拓扑联接关系；b 零件拆卸方向的确定；c 零件拆卸拓扑路径的干涉检查。 本文中电液叉车的装配序列就是根据电液叉车零件的成组件分类，确定组件之后，分 层次生成组件的装配顺序。如果有零件装配和拆卸互为可逆过程，又通过求解零件的拆卸 顺序来得到每组部件、模块中零件的装配顺序。 3 干涉检查技术 干涉检查技术【1 4 1 是干涉检查的基础，也是虚拟装配技术设计评价的关键技术之一， 在虚拟装配过程中，通常进行静态和动态干涉检查【1 5 】【1 6 】。静态干涉检查是对产品零部件 设计进行评估，在确定装配结构和总体设计后，进行零件细化设计，在装配过程中静态检 验零部件之间的干涉、间隙等，并根据检验结果对零部件进行设计修改，从而得到正确的 设计。动态干涉检查是对产品可装配性进行评估，在产品装配过程中，根据零部件的装配 路径、装配关系和约束条件，进行装配姿态调整、修改，直到得到正确的设计【1 7 1 。 本文利用三维c a d 软件自身的干涉检查功能进行检查，对产生的干涉情况进行分析， 利用可拓变换进行干涉消减。 4 其他关键技术还有虚拟装配评估，如进行：( 1 ) 可制造装配性评价指标体系确定；( 2 ) 指标值的确定；( 3 ) 指标的综合与评价等。 1 4 国内外研究现状 1 虚拟装配技术 随着信息技术的发展，机械产品的虚拟装配技术已引起了世界各国的企业、大学和科 研院所等机构的高度重视，得到了迅速发展。由于该技术完全是在虚拟的环境下，对产品 的系统功能、可装配性、可制造性等进行综合检验和评价，从而使得产品开发周期缩短、 风险减小、成本降低、效益增高。基于产品的虚拟装配系统，近年来已成为人们研究的热 点，尤其是在汽车、机械制造、航空工业领域。 从虚拟装配技术发展以来，这方面所做的研究主要有：刘振宇等人【1 8 】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 浙江工业大学硕士学位论文 次信息模型中的数据映射与约束映射，实现产品信息的层次间关联。y o n gw a n g 等人【1 9 】 提出虚拟装配中基于物理属性建模( p h y s i c a l l yb a s e dm o d e l i n g ) ，他们把基于物理属性建模 与约束运动仿真相结合，建立虚拟装配系统中单纯化的基于物理属性的模型。万华根等【2 0 1 提出了将虚拟设计与虚拟装配环境集成，开发了虚拟设计与虚拟装配系统v d v a s ( v h t u a l d e s i g na n d v i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ) ，可以直接在虚拟设计与虚拟装配集成环境中修改零 件设计。 2 装配特征 关于装配特征的概念，国外许多学者都对它进行了研究。d e f a z i o t 2 1 】基于d f a 来表述 装配特征，将装配特征描述为零件特征( 位置、体积、材料、惯性等) 、零件几何特征( 尺寸、 公差、方位等) 、产品的特征( 零件间的连接、自由度、配合表面间的位置等) ；l e e k 2 2 1 和 w o l t ej o t 2 3 】从便于生成产品的装配顺序的目的出发定义了装配特征，在这种表述中对模型 的工艺信息描述较少；s t u r g e 对装配特征的定义是基于可装配性评价的，但却缺乏从产 品整体上评价可装配性，如零件之间的装配关系等因素对产品的可装配性的直接影响； d e l c h a m b r e t 2 5 1 把装配特征表述为零件的特征，物理特征及拓扑特征，从相配零件间的几何 限制来描述装配特征；s h a h 【2 6 1 ；k l e ea n dd c g l o s s a r d 等【2 刀定义装配特征是为了便于 生成产品的装配顺序；c h r i s t i o nm a s c l e t 2 8 1 对装配特征的描述增加了零件装配相关的工 艺。 国内众多学者也对装配特征进行了研究，并提出了不同的描述方法。李春书【2 9 1 等认 为，产品的装配特征是一组反映相关零件间装配类型、配合关系、相互约束及装配操作方 式的信息集；楼健人1 3 0 1 等认为，装配特征是指具有过程意义的并可发生装配约束关系的 几何元素与拓扑关系的集合，装配信息包括特征名、特征类型、相应特征包括的面、边在 边界表示中的路径以及特征参数等；郑太雄3 1 1 等人将装配特征定义为存在装配关系的两 个零件的形状特征以及形状特征间的配合关系，其中形状特征不是传统意义上的形状特 征，而是能够产生零件问约束行为的几何元素以及配合特征参数；徐锦成、邵晓东【3 2 1 认 为，装配特征是零件与另一零件装配时参与装配的所有几何体素的组合t 3 3 1 。 3 虚拟装配系统 单鸿波等人【3 4 i 采用j a v a 和w e b 技术建立了w e bd f a 原型系统，通过获取零部件的 三维几何信息和对零部件的定性描述信息，可以得到整个产品的估计装配时间和装配成 本，进一步估算装配效率，提供了产品装配分析和评价手段。宋丽萍等人【3 5 1 提出了应用 虚拟现实技术解决装配序列规划问题的方法，确定了零件重量、装配时间、装配稳定性和 浙江工业大学硕士学位论文 装配过程难度等面向手工装配的评价指标。 形状为基本信息的可装配拆卸性分析方法， 行零件的装配拆卸性分析。 俞斌、刘继红等【3 6 1 提出一种以定性的位置和 并通过分析零件的可移动性和移动方向，进 德国f r a u r i h o f e r 工业工程研究所( i a o ) 较早地进行了基于v r 的装配规划系统的研究与 开发p 7 】。系统通过虚拟人体模型在虚拟环境中进行装配操作，交互地装配和拆卸。在用户 交互的基础上产生装配前趋图，进行装配时间与成本分析。美国华盛顿州立大学与美国国 家标准技术研究所n i s t 合作开发的虚拟装配设计环境( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n e n v i r o n m e n t ，v a o e ) 是一个具有代表性的虚拟装配系统【3 8 1 1 3 9 1 。j a y a r a m 等通过构建用于装配 规划和评价的虚拟装配环境来探索在产品设计装配过程中，应用v r 技术的可能性。 德国b i e l e f e l d 大学j u n g 等 4 0 1 致力于将i 交互技术与人工智能技术的结合，开发了基 于知识的虚拟装配系统c o d y 虚拟构造器( v i r t u a lc o n s t r u c t o r ) 。美国亚利桑那州州立大学 的n o n gy e 等对v r 技术对装配规划的支持能力进行了深入的研究【4 l 】。他们分别建立了传统 工程环境( t r a d i t i o n a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，w e ) 、非沉浸v r 环境( n oi m m e r s i v ed e s k t o p v r , n o v r ) 和沉浸式虚拟环境( c a v e ) 。 国内学者也在虚拟装配及相关领域进行了卓有成效的研究。清华大学的自动化系c i m s 研究中心的曾理等【4 2 l 自主开发了虚拟装配支持系统( v i n u a la s s e m b l ys u p p o r ts y s t e m ， v a s s ) ，对系统的关键技术，如装配模型、装配序列规划、干涉检查等进行了研究，目前 该系统已经在实践中得到了实际的应用。 4 干涉检查技术 近十年来国内外学者对虚拟环境下的碰撞检测进行了深入的研究，并做了大量富有成 效的工作，提出了层次包围盒法和空间分解法等两类主流碰撞检测算法【4 3 1 。 层次包容盒法是当前比较通用的方法，这种方法通过使用体积略大但几何特性简单的 包容盒来近似描述复杂的几何对象，通过对包容盒间的相交测试来进行几何对象的碰撞检 测，这种方法比较典型的例子有轴向层次包容盒a a b b ，方向层次包容盒o b b 等。国内张 建民等l 在基于包容盒层次的碰撞检测基础上引入了多感知机制和组件技术，通过对虚拟 场景中不同的装配情景和装配阶段进行分析，采用层次检测思想，实现了快速检测。刘检 华等【4 5 1 提出了面向虚拟装配的分层精确碰撞检测算法。张林煊，童秉枢等人1 4 6 1 采用干涉检 查的分级递进，采用“包容盒级、半包容盒级、精确实体级”共三个级别的干涉检查模式， 由粗到精地进行路径可行性检验，能在很大程度上提高干涉检查效率。 空间分解法是将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元立方体，只对占据了同一单元 浙江工业大学硕士学位论文 立方体的几何对象进行碰撞检测，k - d 树、八叉树、b s p 树等是这种方法比较有代表性的 例子。m o o r e ，w i l h e l e m s l 4 7 1 根据c y r u sb e c k 裁剪算法提出一种凸多面体碰撞检查算法，即 通过检测多面体顶点是否相互包含来判定它们是否发生碰撞，对于凹多面体则分解为多个 凸多面体来处理。任世军等人【4 8 】提出一种判断两个凸多面体是否相交的一种快速算法。其 思想是取一种从个多面体指向另一个多面体的向量，根据两个多面体中的面与这一向量 的相对位置关系来寻找相交的平面，即有两个多面体的交点位于这一平面，若能找到一个 相交平面则可以判定两个多面体相交。 纵观国内外的研究情况，虚拟装配技术在电液叉车中的应用还比较少。所以本文课题 研究具有一定的创新性。 1 5虚拟装配的c a d 软件平台 本文研究的虚拟装配是在c a d 软件平台上进行。现在有很多主流的三维c a d 软件 都能够建立产品装配模型，典型的有u g ，p r o e n g i n e e r ，s o l i d w o r k s ，c a t i a ，s o l i d e d g e ， m d t 等。 本课题选择基于w i n d o w s 平台的三维c a d 设计软件s o l i d w o r k s 。 s o l i d w o r k s 是一套基于w i n d o w s 的c a d c 心刖p d m 桌面集成系统，是由美国 s o l i d w o r k s 公司在总结和继承了大型机械c a d 软件的基础上，在w i n d o w s 的环境下实现 的第一个机械三维设计软件，于1 9 9 5 年研制成功，其技术基于先进的p a r a s o l i d 内核。 s o l i d w o r k s 自从诞生以来，就受到了众多企业，尤其是中小型企业的欢迎，9 5 的西 方企业要求所进的员工会运用s o l i d w o r k s 软件。 s o l i d w o r k s 还获得了c a d 领域的众多国际大奖，曾连续几年被美国杂志评为优秀的 c a d 软件。目前s o l i d w o r k s 是市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能 价格比最优的软件。 s o l i d w o r k s 的功能十分强大，从零件设计、曲面建模、钣金设计，再到装配体设计 以及工程图绘制，从有限元分析到动态仿真，s o l i d w o r k s 提供的功能涵盖了从设计到分 析至优化的完全生成流程。它可以通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及 打孔等操作来实现零件建模，可以通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制相切 操作来产生复杂曲面，可以利用智能化装配技术来进行零部件装配，可以动态地查出装配 体的所有运动，并且对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测，它可以从三维模型 浙江工业大学硕士学位论文 中自动产生工程图，包括视角、尺寸和标注。利用s o l i d w o r k s 提供的c o s m o s x p r e s s 模块，工程人员可以直接对零件进行有限元分析，从而实现产品的性能评估。s o l i d w o r k s 具有很好的二次开发性能，其公司与世界许多著名的软件开发公司保持着良好的合作伙伴 关系。s o l i d w o r k s 支持c o m a o l e 标准，具有良好的扩展性，软件开发人员可根据企业 需求编制出相应的应用程序，s o l i d w o r k s 发展势头很猛，加之作者对其功能和操作熟悉 等方面的考虑，决定以s o l i d w o r k s 为支撑平台软件。 1 6 本论文的主要内容 本论文的主要内容分为六章，各章的关系如图1 3 所示： 第一章绪论 厂 第二章 第三章第四章 电液叉车的虚 电液叉车虚拟装配基于可拓变换 拟装配建模技术中的干涉检查技术 的干涉消解技术 、 上 第五章电液叉车整机 虚拟装配实现 上 第六章总结与展望 图1 3 论文的体系结构 第一章绪论 说明了本文的研究背景和意义，课题来源。简要介绍了虚拟装配技术的基本概念及关 键技术，深入分析了虚拟装配技术的研究现状，简单而又全面地介绍了电液叉车及虚拟装 配的c a d 软件平台。并提出了本论文的主要研究内容。 第二章电液叉车的虚拟装配建模技术 本章引入了特征和装配特征的相关概念，提出电液叉车的虚拟装配模型性能要求。建 立了电液叉车的装配模型，分析了电液叉车零件间的装配关系、装配模块划分和装配层次 结构，并简单地制定了装配顺序工艺。 第三章电液叉车虚拟装配中的干涉检查技术 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 本章比较了检查及修正干涉的传统方法与计算机模拟检测方法，分析了产生干涉现象 的四种主要原因，利用s o l i d w o r k s 软件系统中强大的干涉检查功能，介绍了对电液叉车 中任一装配体的干涉检查步骤及实现，并根据干涉零件之间的相对位置关系可以将其分为 软干涉、硬干涉、接触干涉和包容干涉四类。 第四章基于可拓变换的干涉消解技术 本章针对产生干涉现象的四种主要原因，引入可拓变换来消解干涉。简单介绍了可拓 变换的基本概念，将可拓变换分成了零件设计的物元变换、装配序列的换位变换和模块化 分的增删变换三种，进一步实现干涉消解，最后通过电液叉车模型中的实例验证了方法的 可行性。 第五章电液叉车的整机虚拟装配实现 本章首先简单介绍虚拟装配的一般过程，将电液叉车按照模块划分的方法装配完成了 各个模块，最后形成了整个电液叉车模型的装配，通过软件的干涉检查功能进行检查，对 存在的干涉现象进行了分析，可拓变换，最终消除出现的干涉现象，进一步说明了本文所 用方法的正确可行。 第六章总结与展望 本文的工作进行了系统的总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章电液叉车的虚拟装配建模技术 2 1 特征与装配特征 2 1 1 特征的定义及性质 s o l i d w o r k s 具有强大的基于特征的实体建模功能。 特征( f e a t u r e ) 这一概念最早出现在1 9 7 8 年美国m i t 的篇学士论文c a d 中基于特 征的零件表示中【4 9 】。特征就是一个零件表面上有意义的区域，是设计对象