新颖的夹具设计和基于虚拟现实的装配系统#中英文翻译#外文翻译匹配

中国 .北京 .2006.10.9-15 2006 年电气和电子工程师协会 /型钢的会议录 讨论智能机器人和操作系统的国际会议 新颖的夹具设计和基于虚拟现实的装配系统 彭高亮 刘文建 哈尔滨工业大学机械电子工程 学院 中国 .哈尔滨 150001. 摘要 模块化的装配是工业制造中很重要的一个方面，这篇论文讨论的是 桌面虚拟现实系统对模块化装配设计的作用。对 于 虚拟环境设计，论文 提出了设计方法，这种方法 可以 帮助设计师，使他们的设计可行有效。论文在层次数据模型的基础上，提出 了 组合夹具装配 的 方法 。 在这些结构的基础上，在虚拟环境中，用户可以 在设计和装配过程中 操纵虚拟模型。此外，人们正在讨论如何实施 在 加工仿真 生产经行检测 ，最后，案例研究证明了该系统的功能 。与虚拟现实系统相比，论文中还为模块化装配提出了一个合理的便携式解决方案设计。 指数计算 组合夹具，桌面虚拟现实，装配设计，加工模拟结果一览表 .介 绍 模块化装 配 是工业制造的一个重要方面，准确的设计夹具对确保产品质量 ， 精度，准确性，以及完成部分加工是非常重要的。组合夹具 是在安全，准确位置， 为 交汇处和高标准组件提供支持的一种系统，并支持整个加工过程中的工件【 1】。一般来讲，夹具设计者 通过 经验或反复试验的方法 就能确定 夹具计划是不是合适。随着计算机技术，计算机辅助设计 的 出现 ，计算机已在组合夹具设计领域普遍 应用 。 一般情况下，与夹具设计相关的活动， 即 装配刨，夹具元件设计，夹具布局设计，是在机床发展的下游才会 去考虑 。这些古老的做法对衔接设计和制造都是很 不 利 的 。例如，很少有系统能合并机械检测的一系列功能。这 就 导致了在夹具设计和制造之间产生了一个缺口，这个缺口使得人们不能在设计阶段【 2】考虑刀具路径。因此，在制造设 计 中，人们重新设计也无法避免刀具被夹具元件妨碍的问题。所以，为了把机系列夹具领入柔性制造的舞台，更系统，更自然的设计环境是 人们必须去研究的 。 一个综合的，立体的，互动的 环境通常由计算机来实现。在数十年之内【 4】，虚拟现实系统都 是 能起到很大作用的人机接口。在制造业中，虚拟现实 也 有很大的应用潜力，它可以在实际生产之前解决很多问题，从而避免出现一些代价高昂的错误。在过去的十年，虚拟现实技术的进步，为虚拟现实技术在不同的工程中 的 应用提供了推动作用，例如产品设计【 5】，装配【 6】，加工仿真【 7】，培训【 8】。本文的目的 要 阐述如何建立一个基于虚拟现实的模块化夹具设计系统（ VMJFDS）。第一步就是为模块化设计装置制定一个综合的，拟真的环境。这种应用程序在运用 了 自然和启发性的方式 ，这种 方式在 设计夹具方面是有优势的， 它 可以在使用条件，缩短交货时间， 提高 夹具生产力和经济性 等诸多方面 形成良好的匹配。 .拟议系统的概叙 拟议的桌面虚拟现实系统的结构体系是基于系统功能要求的模块，由图 1 所示。在系统水平 上 ， 有 3 个拟议模块 的 设计，即图形界面（ GUI），虚拟环境（ VE）和文献数据库模块。对于任何一个模块，某种功能要求由 一组对象 来 实现。在这篇论文中，详细的对象设计和实施都省略了。相反，这三个模块的 概 简要说明如下： 1） 图形界面（ GUI）：大体上说图形用户界 面 是一个友好界面，它用于整合虚拟环境 ， 组合夹具设计 。 2） 虚拟环境（ VE）：虚拟环境用三维模型把组合夹具系统、虚拟环境及其组成部分 的 导航和操作 步骤 显示给用户，如图所示 1，虚拟环境 模块包括两部分，即装配设计环境和加工仿真环境。用户选择适当的元件 ，把这些元 件 写在装配设计方面的办公区域内，然后，用执导系统 把 最终的夹具系统建立 起来，人们就能把 选中的元 件 逐个的组合起来。 图 1，概述基于组合夹具设计系统的桌面虚拟现实 3） 数据库：数据库存放着所有模型的环境和夹具模块元件以及该领域的知识和一些典型的例子。如图 1 所示，显示了 5 个数据库，其中知识和规则单元是该系统最重要的 地方，它管辖着所有夹具设计的原则。 . 程序化组合夹具设计 在本节中， 作者 提出了在虚拟环境中有启发性的组合夹具设计程序。除了三维技术的深入，用户 拥有和 真实世界一样的操作 感觉 ，这个过程还有 情报功能。在设计过程中，采用智能推理 的 方法把一些典型的案件和建议提供给用户作参考，如实例推理（ CBR）和常规推理（ RBR）。此外，相关知识和规 则 作为帮助页面展现 给用户 ，用户就可以在设计过程中轻松浏览了。 概述组合夹具设计过程总结 ，如 图 2。虚拟环境之后就是草签和工件加载，第一步是夹具规划。在这个步骤 中 ， 首先用户决定了夹具计划，即指定交互夹具要面临的工件。 为了帮助用户成功决策，一些有用的个案，以及他们的夹具计划将通过自动推理检索方法提供给用户。一旦选定 了 要使用的夹具，用户 到就能 指定的夹具点。在这这项任务中， 计算机 还给出了一些建议和规则。 夹具规划后，下一步就是夹具元件选择 、 设计阶段。在这个阶段，用户可以选择合适的夹具元件和组装成夹具 需要的 特殊部分。根据该夹具点 的 空间信息与基本夹具和工件的关系，一些典型 的夹具元件的选择和建议可以 自动提交 给用户 ，这些都将有助于为用户服务。经过规划和夹具元件选择 这个 设计 阶段 后，下一阶段就是把选 择的夹具元件连接到基板 上 经行交互装配设计。 当外形装配完成，在加工范围内对结果进行检查和评估。在这种环境中执行 的 任务 包括装配规划，加工仿真 和夹具评价。 装配规划是用于获得最佳的装配顺序和 得到装配各组件准确的 路径。加工仿真负责制造时的交互检测。 夹具评价是将检查和评估设计的结果。最后，整个设计过程是 在很 自然的方式下进行 ，这都 得益于虚拟现实系统 。 此外，展示的 内容 和知识可以告诉用户怎样 才能 选择最好的设计决策 。 . 组合夹具建模 a. 组合夹具结构分析 夹具元件组合起来的一个功能是为了在基板和工件【 11】之间创造连接点。 一般来说，根据其结构 的 基本特征 ， 组合夹具结构可分为 3 个功能单元 ，即定位装置，夹紧装置，和 支持单位。 许多 夹具元件可能由一个或多个 元件组成 ， 其中只有一个元件 作为一个定位器，支持器或夹钳。 组合夹具装配的主要任务是选择的支持，定位，夹紧及附件 生成夹具 ， 使他们能够将工件连接到基板。 通过分析模块化装置的实际应用，人们发现，模块化装置通过选择合适的夹具元件构造 成 夹具，然后把这些夹具安装到基板上。因此，这些夹具可视为组合夹具系统的部件。此外，组合夹具系统的层次结构 在 结构图 3 中表现出来。 图 2，拟议组合夹具系统程序设计 b.在虚拟现实中，用分层数据结构模型代表组合夹具 相应的虚拟环境可能含有数以百万计的几何多边形图元 ，这 是很正常的。在过去的几年中，若干个模型计划，例如作为 BSP 树 10和八叉树，已提议组成多边形模型。 然而，模块化设计的应用，相互作用 的影响 ,现场也是动态变化。例如，在设计过程中，部分 模块 可能改变其空间位置，方向和装配关系 。 图 3.模块化夹具系统的分层结构 这表明 一个静态的画面，如 BSP 树，是不够的。此外，上述模型只能在系统组件的水平上表现夹具布局结构。然而，关于夹具元 件之间的装配关系，是指装配特征之间的啮合关系，这些都不会去关注。在本节中，为了描绘组合夹具系统，我们提出一个层次化结构和基于约束的数据模型，实时可视化和精确的 3D 操纵的虚拟环境。 图 4 所示，在高级别的元件模型用于涉及交互式装配的拆散操作。它证明了拓扑结构和链接组件之间的关系。 以高级别模型为代表的信息可分为两种类型，即组件对象和装配关系。组件对象可以是一个组件或一个部分。一个组件包括各个部分之间的零件和他们的组装的关系。 图 . 4 层次结构数据模型的虚拟环境 中层基础模型特征 的 是建立功能和 限制功能。在一般 的 情况下，在装配中，装配关系往往被视为 交配关系 。因此，基础特征模型用来描述装配关系，在装配操作中，为精确的空间关系提供必要的信息 。 在这个模型中，只考虑两个不同元件之间的特征关系 。 下面专题讨论 ， 在夹具元件模块化建模在一个元素之间的功能关系 。 低级别的多边形基础模型对应以上两个级别的模型：实时可视化和层次模型 。它描述了以一个相互联系的三角曲面网格作为整个表面， 更多关于如何将一个元素组织成多边形 ， 将在下一节讨论 ，。 C.夹具元件模块化建模 众所周知 ，在虚拟现实系统中， 夹具元件模块化建模 只是表示 为多边形的数目。 将 CAD 系统模型转换 到 VR 系统中 ， 拓扑关系和参数信息中的结果 将会丢失。为了避免这些问题出现 ，本节我们 将 讨论夹具元件建模 的 计划。 夹具元件模块化是 以 标准尺寸为依据预先制造 的 部件。计划夹具设计 完 之后， 接下来 的任务是选择合适标准的元件，装配这些元件以形成一个可行的夹具系统 。因此，在建议的制度下，需要 考虑夹具元件装配功能。 在这篇论文中，装配特征是作为一个夹具的属性，这个属性提供相关的确切信息来保证夹具的模块化设计和组装 /拆卸。以下八个功能被定义为组合夹具元件 的 装配特征：支持面，被支持面，定位孔，扩孔孔，螺纹孔，固定槽，和螺栓。除了类型和尺寸等特征信息外，其他参数，如相对位置，元素在局部坐标系统中的定位特征 等，在夹具元件的数据库中都用 几何模型记录下来。当一个元件和另一个元件组装起来 时候的 ，检索 出来的 交配功能信息 可以 决定两个元件的空间关系。更多关于装配特征及其交配关系的资料进行了讨论参考详情 11。 D.在虚拟环境中以约束为基础的夹具装配 1）夹具元件之间的装配关系 交配关系 是 在装配现场组装 是被定义的 。根据上一节总结的装配特征，交配夹具元件有五种关系类型。 即依赖关系，拟合关系，螺纹啮合，交叉关系，和 T 型槽配合关系，如图 5 所示。基于这些交配关系，我们可以推断，任何两个元件夹具可能的装配关系。 2）装配关系的推理 一般来说，两个组装零件的装配关系是代表 着 它们的组装交配功能。上面的部分，我们定义了夹 具元件之间五个基本交配关系。因此，通过可能出现的装配关系决定启用那种 可能的交配特征。为了在下一阶段的装配，把这些可能的夹具装配关系存放在关系数据库中（ ARDB）。 然而，当夹具复杂，复合夹具元件的数量多时，要花费很多时间来推断和处理这些可能 的 装配关系。为了 避免这种情 况，首先我们要确定可能的组装元件对。但是为了避免推理 夹具和底板的之间的装配关系，我们 绝对不能将他们组装在一起。在这个阶段，人们利用一些规则来寻找可能的元件组装对。组装的推理算法类似于在文献 12中讨论的。因此，详细的算法描述在这篇论文中被忽略了。 3）基于约束的夹具装配 进行装配关系推理的之后，所有被选择的可能 的 装配关系都建立在ARDB 中，并 被 保存起来。在这些关系的基础上，人们可以把单个零件组装成夹具系统。这部分是讨论关于在虚拟环境中互动装配 的 操作。单一的装配过程如图 5 所示，并介绍了两个简单的部件装配如图 6 所示。 一般来说，装配操作过程分为三个步骤，即装配关系的认识， 约束的分析和应用，基于约束的议案。 首先，技师选择一个元件，将它移动给组装组件。在移动过程中，一旦推理组装和组装组件的被检测到，推断特征就能选中了。如果这两个特征是在 ARDB 数据库中的储存的装配关系之一，他们将突出显示，并等待用户确认。 一旦被用户确认，这种被确认的装配关系将运用约束理论来分析和解决问题，这是为了平移调整组装元件的方向，以满足这两个组件的位置关系，以及应用新的约束来组装元件。当应用了新的约束，对装配元件的运动将被映射到一个 约束空间。这样做的目的，可以通过 3D 移动数据，把物体的输入装置转换成允许的移动 。 基于约束的运动不但保证了组件的可获得确切位置，而且还保证了在将来的运动中，现有的约束不会受到侵犯。 继续运用确认和约 束的装配关系， 这种装配元件将能到达最终的位置。 .加工仿真 a. 制造的相互影响 在加工过程中，与夹具有关的有多种类型的制造交互作用都有可能发生。这些相互作用可以分为两大类别如下图所示，即静态的相互作用和动态的相互作用。 1）静态的相互作用是指夹具部件之间的干扰、夹具组件和机器工具之间的干涉、在工件安装中夹具元件 和机械加工工件之间的干扰 . 2）动态交互是指参考夹具的相互作用，它发生在一个单一的工具和操作时的夹具用在切割过程中操作可能会发生碰撞。 一般来说，加工过程和刀具路径等方面是没有考虑在夹具设计阶段的。因此，这些相互作用可能常常发生在实际制造过程中。所以，机械师们必须花很多时间去查明和解决这些相互作用 , 它往往导致夹具系统修改或重新设计，这是繁琐和昂贵工程。 b. 干扰检测 但是目前的商业软件，如 VERICUT 软件，在实际加工 工件之前，这些软件可以模拟数控加工来检测刀具路径错误和低效率的运动。在部分编程阶段，它可用 于避免一些错误，如损坏灯具，打断刀具，或撞毁机器等 . 然而，这些软件价格昂贵，而且面向数控编程，不适合的夹具设计。在夹具的设计阶段，应确保避免相关的夹具之间的相互作用。在这个 系统中，当夹具配置齐全后，加工仿真模块是提交给用户 识别，让用户来解决他们之间的相互作用。在加工仿真环境中，提供了机床的三维数字模型。人们可在工作台上组装工件和安装夹具组件，正如加工工程师做的实际的网站上一样。在安装过程，组件和夹具工件移动到它们的装配位置。干扰检查模块被执行。如果发生干扰，推断的对象将被显现。它 可以调整装配顺序或装 配路径这样可避免的干扰。但是，如果不能避免干扰，用户就必须更改元件或夹具单元。 安装后的工件，刀具的运动是在 CAM 系统中，根据模拟生成的刀具路径。对于虚拟现实系统，稳固，动态，优越的三维图形允许刀具运动在屏幕上可视化的表现出来。因此，模拟刀具路径允许用户关闭检查，如果发生的干扰，并提供干扰信息。 .建议制度的执行情况与个案研究 A. 桌面虚拟现实系统接口 为了装备最后的部分，夹具设计工程师用一个自然界面来实现更有效的设计。在图形用户界面参考了虚拟现实系统软件，通过隐藏窗口的大多数内容来实现设计的。在图形 用户界面（图 7）包括虚拟现实显示一个主窗口，一个右手组成工具栏和状态栏底部的输出按钮。系统和用户之间的交互鼠标和键盘输入通过实现。该工具栏为开发的系统提供的所有的功能。 图七 .图形用户界面组合夹具设计系统 B 研究案例 在模块化夹具设计系统的基础上开发出桌面虚拟现实系统用一个个例完美的阐述。工件加工过程如图 6。面铣刀在顶面执行，随后就完成了来那个台阶孔。为了工件步骤和指导步骤，用户设计了这是一个模块化的夹具系统。该夹具规划模块已应用于一个可行的设计方案。在这个模块中，定位，夹紧和支持的面，以及定 位，支持和夹紧点，则取决于相应的的知识基础和夹具启发式规则。 在此之后，用户在元素存放区探索并选择适当的夹具元件完成夹具上各点的空间要求。当完成后，用户移动到装配设计区域，把选定的元素放在在书桌上，如图所示 8（ a）。下一个的任务是选定元件来完成夹具结构分布。在虚拟环境中，用户可以自然的方式装配夹具元件。如图所示图。 8（ b）项，例如模块化的夹具系统的最后配置，工件的形成。 当夹具配置完成后，下一阶段是加工推理的模拟检测。如图 9（ a）和图 9（ b）项所示，夹具系统的构建安装在一台数控机床并且模拟了刀具路径执行 情况。 .结论 对于组合夹具的设计制造，我们已经提出并制定了桌面虚拟现实的环境 。提供了该建议的系统结构和虚拟现实环境，即装配设计环境和加工仿真环境的设计。通过分析组合夹具结构，层次结构数据模块，以及XML 提出了基础夹具元件。从而准确在虚拟现实模型中操作，实现组合夹具设计和装配。此外，还要总结夹具元件之间的装配关系和描述在虚拟现实系统中的装配操作过程的。加工制造业的模 拟 检查中，使用该方法。最后一个案例研究的提出，用来说明我们的集成系统。 参考文献 【 1】 候江亮，特拉皮犹太委员会，“计算机辅助夹具设计系统”，诠释。39（ 16）， 2001 年，第 3703 3725 页。 【 2】 A.Senthi l 库马尔， J.Y.H.Fuh， T.S.Kow，“一个自动化的设计和对无干扰的组合夹具设计”，计算机辅助设计 32（ 2000）第583-596 页。 【 3】 JRDai， AYCNee， JY H FUH 和 A Senthil Kumar,“模块化设计和组装夹具的自动化方法”，代理机械工程师， 1997 年第 211 卷，第 509 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