基于虚拟现实的组合夹具组装技术研究

摘要

虚拟现实(VR)技术顺应了设计技术发展的要求，进一步推进了产品设计向虚拟化方向的发展。在虚拟环境中进行组合夹具组装设计，用户以更接近实际操作的方式来进行组合夹具拼装，经过可视化和可感知的评价分析，避免设计缺陷，大大提高了设计效率，而且能充分利用设计者的经验知识和创造力，得到高质量的组合夹具系统。本文在分析国内外有关虚拟装配理论及相关技术的研究成果的基础上，针对组合夹具的特点以及实际需要，对基于虚拟现实的组合夹具组装关键技术进行了系统深入的研究，全文的主要内容如下：
　　建立了支持组合夹具组装的虚拟环境总体框架。根据虚拟装配环境的组成及运行机理，并针对组合夹具组装设计的要求，确立了虚拟组装环境的组成功能模块及相关信息与活动的处理。在总体框架的基础上，提出了基于Petri网的交互管理模型，该模型对包括数据手套操作信息、碰撞检测信息以及装配约束识别信息在内的交互信息进行分析处理，最后产生具体的操作事件完成组装设计活动，实现了对设计者交互操作的准确理解和快速响应；提出了基于任务树的任务管理模型，实现了对设计者的操作活动进行有效记录和管理，为系统自动生成装配序列和装配动画提供信息来源。
　　建立了基于多视图的组合夹具虚拟装配模型。结合层次模型与关系模型的特点将装配模型表达为三个视图：装配结构视图、装配关系视图和元件信息视图。在此基础上，提出了基于XML的组合夹具元件信息模型，对组合夹具元件信息进行集中表达和管理；提出了基于场景图的组合夹具功能层次模型，通过对装配对象的节点进行重新定义，采用包含四个子节点的属性集来表达满足组合夹具虚拟组装与虚拟场景显示、操作需要的信息；研究了组合夹具的虚拟装配关系模型，采用装配关系图来表达和管理虚拟组装过程中组合夹具元件间的装配关系及约束状态，支持夹具元件的装配定位。
　　研究了组合夹具虚拟组装过程中的元件定位方法。针对组合夹具的功能及结构特点，提出了装配约束自动识别方法，综合运用基于规则推理和模糊评判法确定可能建立的装配关系并进行评价和优选，实现对设计者装配意图的捕捉和几何约束的准确识别；提出采用约束矩阵对零部件的约束状态进行表达和处理，并通过构造变换矩阵实现约束条件下的零部件位姿调整的约束求解方法；研究了约束运动导航方法，根据当前操作元件的约束状态，将设计者通过交互设备施加的运动控制信息进行修正和调整，实现对装配、拆卸操作的准确引导。
　　提出了一种空间分割与包围盒检测相结合的快速碰撞检测方法。针对虚拟环境下组合夹具组装的要求，充分利用组合夹具的结构及元件布局特点，提出了元件级空间分割方法，通过建立分层投影模型实现了最大限度的减少检测几何元素对数。给出了基于分离平面的包围盒干涉检测算法，通过简单的转换和比较运算快速排除干涉可能，提高检测效率。相关试验表明该算法实现简单，系统开销小，能够很好的满足组合夹具虚拟组装的精确性和实时性要求。
　　开发了以本文的研究成果为核心的组合夹具虚拟组装系统(MF-VADS)。系统支持设计者在虚拟环境中直观自如地进行组合夹具组装设计。介绍了系统的功能模型及体系结构，以一套组合夹具的组装设计为例说明了原型系统的应用，并验证了本文提出的关键技术。

目录

基于虚拟现实的组合夹具组装技术研究

RESEARCH ON VR-BASED MODULAR FIXTURE ASSEMBLY DESIGN TECHNOLOGY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题的提出

1.2 计算机辅助组合夹具设计的研究现状

1.3 虚拟装配技术的研究现状

1.3.1 虚拟装配关键技术研究现状

1.3.2 虚拟装配开发应用的研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 支持组合夹具组装的虚拟环境框架

2.1 引言

2.2 虚拟环境的组成及运行机理

2.3 支持组合夹具组装的虚拟环境框架

2.3.1 组合夹具虚拟组装的特点

2.3.2 支持组合夹具组装的虚拟环境组成分析

2.3.3 框架建立

2.4 基于Petri网的交互管理模型

2.4.1 层次时间有色Petri网(HTCPN)的定义

2.4.2 基于HTCPN的交互管理模型

2.5 任务管理模型

2.5.1 任务树定义

2.5.2 基于任务树的组合夹具组装操作管理

2.6 本章小结

第3章 组合夹具虚拟装配模型

3.1 引言

3.2 装配模型总体介绍

3.2.1 装配模型的要求

3.2.2 装配模型的内容

3.2.3 装配模型的特点

3.3 组合夹具元件信息模型表达及建立

3.3.1 组合夹具元件特性及装配特征

3.3.2 基于XML的元件信息模型表达

3.3.3 组合夹具元件信息模型的建立

3.4 基于场景图的层次装配模型

3.4.1 场景图简介

3.4.2 组合夹具结构分析

3.4.3 组合夹具层次装配模型

3.5 装配关系模型

3.5.1 组合夹具元件间的装配关系及约束表达

3.5.2 装配关系模型表达

3.6 本章小结

第4章 虚拟组装过程中组合夹具元件的定位方法

4.1 引言

4.2 虚拟环境下组合夹具元件的装配与拆卸操作

4.2.1 装配操作过程

4.2.2 拆卸操作过程

4.3 装配过程中装配关系自动识别

4.3.1 可能装配关系推理

4.3.2 装配关系优化选择

4.4 装配过程中满足约束的零件位姿调整

4.5 拆卸过程中装配关系的自动解除

4.6 基于运动自由度的约束状态分析

4.6.1 约束矩阵的定义

4.6.2 基于约束矩阵的运动自由度归约

4.7 约束运动导航

4.8 本章小结

第5章 虚拟环境下夹具元件快速碰撞检测算法

5.1 引言

5.2 虚拟环境下夹具元件快速碰撞检测算法

5.2.1 碰撞检测问题的描述

5.2.2 组合夹具的特点

5.2.3 碰撞检测算法总体介绍

5.3 空间分割及可能碰撞元件确定

5.3.1 元件级空间分割方法

5.3.2 可能碰撞元件确定

5.4 基于分离平面的包围盒干涉检查

5.5 面片级精确干涉检查

5.6 算法性能分析与测试

5.6.1 存储空间比较分析

5.6.2 算法复杂度分析比较

5.6.3 检测代价分析比较

5.6.4 讨论

5.7 本章小结

第6章 组合夹具虚拟组装原型系统实现

6.1 引言

6.2 MF-VADS系统概况

6.2.1 系统的硬件配置

6.2.2 系统的软件配置

6.2.3 系统的功能模型

6.2.4 系统的体系结构

6.3 系统组成及主要界面

6.3.1 系统主界面

6.3.2 虚拟设计环境

6.3.3 虚拟组装环境

6.4 应用实例

6.4.1 试装结构

6.4.2 正式组装

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历