数字化装配技术.doc

数字化装配技术工-动化2004年第23卷第5期先m制篮技市AdvanceManufactureTechnique0.I.Automation2004,Vo1.23,No.5文章编号:10061576(2004)05003302数字化装配技术刘江省,姚英学,赵焕菊(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001)摘要:数字化装配技术包括数字化装配,基于虚拟现实的数字化装配和基于增强现实的数字化装配3类.其关键技术包括装配建模,装配规划,装配评估,实时图形处理,干涉检验等.基于SolidWorks的航天发动机涡轮泵三维装配工艺系统,利用数字化装配技术进行交互式工艺规划和仿真,可自动生成装配工艺规程.并利用WorldToolKit构建了基于虚拟现实的虚拟装配系统.关键词:数字化装配;虚拟现实;增强现实中图分类号:TH164;TP391.9文献标识码:ADigitalAssemblyTechnologyLIUJiang-sheng,YAOYing-xue,ZHAOHuan-ju(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Digitalassemblytechnologyincludesdigitalassembly(DA),DAbasedonvirtualrealityandADbasedonaugmentedreality.Itskeytechniquesincludeassemblymodeling,assemblyplanning,assemblyevaluation,realtimegraphicalprocessingandcollisiondetectionetc.Digitalassemblytechnologywasusedtoimplementassemblyprocessplanningandsimulationinteractively,andcreateassemblyprocessplanningautomaticallyinthree-dimensionassemblyprocessplanningsystemforturbinepumpofaerospaceenginebasedonSolidWorks.AndvirtualdigitalassemblysystembasedonvirtualrealitywasbuiltupwithWorldToolKit.Keywords:Digitalassembly;Virtualreality;Augmentedreality1数字化装配技术概述随着计算机系统及其相关设备的数据处理能力增强,产品的可视化和处理成为可能,计算机辅助技术在产品开发中的应用,为基于信息的装配过程的研究打下了技术基础.数字化装配技术包括:数字化装配(DA:DigitalAssembly),基于虚拟现实的数字化装配(VRA:VirtualRealitybasedAssembly)和基于增强现实的数字化装配(ARA:AugmentedRealityBasedAssembly).数字化装配.又称广义的虚拟装配或数字化预装配,可定义为:无需产品或支持过程的物理实现,利用计算机工具通过分析,先验模型,可视化和数据呈现来做出或辅助做出与装配有关的工程决策.基于虚拟现实的数字化装配.VRA强调在虚拟现实技术的基础上,利用产品或过程的数据来模拟物理装配过程,即在虚拟环境下对虚拟产品和零件进行装配过程仿真和分析.VRA具有真实感,沉浸感,交互作用强等特征,从以计算机为中心的设计方式变为以人为中心的设计方式,设计者不再需要考虑怎样表达各种装配关系和约束方式才能为计算机所接受,可以把更多精力集中在怎样提高产品的可装配性等设计质量问题上.基于增强现实的数字化装配.增强现实技术借助于看穿式头盔使计算机图像叠加在周围环境中的物体上.基于增强现实的装配技术可以在复杂的装配过程中起指导作用I2】,或者对混合样机的可行性,成本和装配规划等进行评估l.从产品生命周期的整体考虑,数字化装配技术在其各阶段的作用如图1.图1数字化装配在产品生命周期各阶段的作用它可在产品设计阶段有效地支持DFA分析,检验设计的可装配性和可拆卸性,对不合理的结构提出改进意见,并进行装配效率分析等.产品试验阶段,利用虚拟原型可以减少对物理原型的需要,直观地展示装配体结构和装配过程,测量和分析装配性能,并对运动过程中发生的干涉报警【4】.数字化装配技术支持规划人员在产品设计的同时并行地收稿日期:20040308;修回日期:20040324作者简介:刘江省(1975一),男,山东人,1996年毕业于青岛化工学院.2001年获青岛化工学院硕士学位,现哈尔滨工业大学在读博士从事虚拟装配,虚拟现实等研究.?33?兵工-动化2004年第23卷第5期先进制造技市AdvanceManufactureTechnique0.I.Automation2004,Vo1.23,No.5进行装配规划,以及规划方案的评估和优化等.此外,数字化装配可以用于产品装配,售后维护和报废拆卸等任务的培训,以及在这些操作过程中起指导作用.而基于虚拟现实的数字化装配VRA有助于工程技术人员在设计和规划过程中充分发挥创造性思维,从而提高产品开发的质量和效率.2数字化装配的关键技术(1)装配建模装配建模是对构成装配体的零件及零件间关系的描述.装配模型包括关系模型,层次模型和面向对象模型.关系模型应用图论方法,表达简单,但冗余连接较多,使计算变得很复杂.层次模型应用树状结构,可更好地表达模型间的分层装配和顺序约束,是商业化CAD产品中使用最广的模型.(2)装配规划装配规划包括装配序列和路径规划.装配序列规划研究装配序列的生成,找出能把零件装配成产品且满足约束条件(如几何,工艺,工具等)的顺序.装配路径规划是在装配建模和装配序列规划的基础上,利用装配信息进行路经分析和求解,判断并生成合理的装配运动路径,为装配仿真提供显示数据,为设计人员提供可视化的辅助设计工具.(3)装配评估数字化装配系统可模拟装配过程,评价产品设计及装配规划,测试不同的装配策略,但需要建立装配评估标准.评估准则与企业的生产方式,产品和设备,质量等有关.这些标准包括:配合,装配时间和序列,人机工效和工作安全,返修和拆卸,固定,间隙尺寸,过程数据,零件处理等【5J.应用这些标准对产品方案进行评估得到数据,经系统工程方法处理后,得出当前产品的装配评估结果,用于制定科学的生产决策.(4)实时图形处理应用实时图形处理技术可减少数字化装配系4dC1t,&_一一嚣黻皆罐_篁.?一曩_统的运行时间,提高工作效率.在硬件方面,应用高性能的图形工作站系统可快速进行大量的图形运算工作,为实时,高效的数字化装配过程提供支持.在软件方面,采用实时图形绘制算法可提高处理和显示速度.目前CAD软件,如Unigraphics,Pr0/Engineering和CATIA等,都支持比较复杂产品的数字化装配.快速的图形处理算法包括模型表达技术,消隐,引用,细节层次(LOD)表现技术等.把产品分为多个部分来逐个显示分析也是一种常用的基本方法.还可应用分布式运算等技术以提高图形处理速度.(5)干涉检验干涉检验是数字化装配的基础,对产品结构和装配规划进行干涉检验,可检验产品的可装配性,发现在装配过程中零部件之间或工具与零部件之间的碰撞,动态检查产品在正常运转中发生的碰撞.碰撞检验算法的基本原理是在离散的时间点上,对有可能发生干涉的空间内的物体的面,边或体进行相交检测.空间分割法可减少需要检测的物体对或几何体的数量.空间分割法包括k.dtrees,Octrees,Spheretrees【oJ,BSPtreesL7等.包容体层次结构也是加速碰撞检验的常用技术,有Dobkin.Kirkpatrickhierarchy引,OBBtrees和Boxtrees11等.3数字化装配技术的应用实例3.1基于SolidWorks的三维装配工艺系统涡轮泵是航天发动机中的关键部件,产品装配工艺复杂难度大,选其为数字化装配工艺技术研究的对象.利用数字化装配技术进行交互式工艺规划和仿真,自动生成装配工艺规程.系统在SolidWorks二次开发的环境下,采用MicrosoftVC+语言结合OpenGL编程实现,后台应用关系数据库系统MicrosoftSQLServer进行数据的统一管理.系统挂接在SolidWorks平台下运行,图2至图4为其现场示教的运行示例.图2交互式工艺规划及仿真图3自动生成的装配工艺规程图4基于虚拟现实的虚拟装配系统3.2基于虚拟现实的虚拟装配系统的开发利用W0rldT00lKit构建了如图4的虚拟装配?3_4?系统.虚拟装配系统具有真实感,沉浸性,交互作用强等特性,人们可以借助于VR(下转第36页)一一一一工鼻动化2004年第23卷第5期先进制造技ifc0.I.AutomationAdvanceManufactureTechnique2004,Vo1.23,No.5数控程序文件编辑器可编辑2GB的数控程序文件.轨迹生成用于加工前刀具轨迹的模拟和验证.(6)字符转换由于有些数控机床采用小字符集的键盘,而数控文件的文件名中的某些字符不在键盘定义中,故使用字符转换功能将小字符集键盘中的某些不常用的字符转换成所需的字符.3DNC与CAD/CAM/CAPP集成(图2)一一图2系统集成流程图数控程序由CAD/CAM服务器根据CAPP服务器需求生成后传给CAPP服务器,CAPP服务器校验后传给DNC服务器并分配到相应数控加工设备的Outbox发件箱以供数控加工设备调用.CAPP服务器是整个流程控制的关键环节,其控制界面如图3.当填写完毕且确认无误后,单击浏览按钮找到所对应的NC程序,再单击上传按钮即可完成NC程序从CAPP到DNC服务器的传输.(上接第34页)外设(如数据手套等),象操作真实产品一样来进行产品的装配,检验物体的装配性能.如图4.它利用可视化技术,仿真技术,装配技术和决策理论等,在完成零件设计后,将零件的几何信息,拓扑信息和装配信息等输入虚拟环境,对产品的设计进行装配模拟,检验和评估,对不合理的结构进行设计改进,安排和辅助进行与装配有关的工程决策,最后确定实际产品设计方案和装配工艺方案.,嬲誊码誊锖i目代号YJ19lI艺硌抟号伽?I序代幸0il新瑚舡帆庠NC2SUCP储髓鞴日lm2,l龌E帆删叫c丽i_-_一一图3控制界面图溺融.确4结论实践证明,基于NT局域网的集成DNC技术在数控车间管理系统中运行可靠,经济和先进,全面提高了数控车间的生产效率,是将先进制造技术理论转化为企业现实生产力行之有效的办法.参考文献:【1】许兴华,马铭辰,陶俐言,等.集成DNC在设计制造集成系统中的应用【J】.制造业自动化,2002,(8):14一l5.【2】魏孝斌,王宁生,冷晟,等.企业集成DNC技术的研究与应用【J】.机械与电子,2002,(1):2123.【3】王慕华.基于虚拟设备的DNC通信技术开发研究和应用【J】.新工艺?新技术?新设备,2000,(2):3639.开发实用系统时,应当使二维与三维结合,静态与动态结合并适当提高交互性,以达到最佳效果和性能.参考文献:【1】SankarJayaram,HughIConnacherandKevinWLyons.VirtUalASSemblyUsingVirtualRealityTechniques【J】.Computer-AidedDesign,1997,29(8):575-584.【2】KrumenakerLarry.VirtualAssembly【J】.MITSTechnologyReview,1997,100:1819.4结论【3】DeFazioTL,eta1.APrototypeofFeature-based数字化装配技术是并行工程的支持技术,有利于优化产品开发过程.虽然数字化装配技术可减少对物理样机的需求,但由于装配技术理论的局限,并不能精确地表现装配相关过程和属性的数据,所以数字化装配和虚拟样机还无法完全代替物理样机.故对数字化装配技术研究和开发的提出建议:深入研究装配基础理论,为数字化装配技术的发展提供基础;进一步研究相关关键技术,支持数字化装配向三维,动态方向发展完善;对于虚拟现实和增强现实的基础技术的研究,由于存在较大困难,应该逐步开展;加强基于网络的协作式数字化装配技术的研究,以达到资源共享,信息通畅的目的;DesignforAssembly【J】.ASMEJournalofMechanicalDesign,1993,115(4):723734.【4】朱名铨,张树生,等.虚拟制造系统与实现MI.西安:西北工业大学出版社,2001.【5】ReinhardGrand1.VirtUalProcessWeekiI1theExperimentalVehicleBuildatBMWAG【J】.RoboticsandComputerIntergratedManufacturing,2001,(17):65-71.【6】SQuinlan.Efficientdistancecomputationbetweennon-convexobject