虚拟环境中交互式工位规划与装配过程仿真技术研究

摘要

产品装配设计是产品开发的一个重要环节，是产品功能实现的主要过程，对产品的质量、周期和成本有重大影响。 通用CAD系统中的装配忽略了装配过程，只能根据装配的约束关系使零部件到达最终的装配位置，对于装配过程中的碰撞与干涉以及装配路径无法进行验证和模拟。传统的工位规划是凭借工业工程师的判断和经验以及在实物模型上的反复试验改进获得优化装配工艺和工位布局。 为了减少实际的试装次数，利用虚拟现实技术，建立装配线工位规划与装配过程仿真的虚拟试验环境，操作者能够交互式的进行工位规划和装配过程仿真，在此基础上验证产品在装配工位环境中的几何空间可装配性、装配操作顺序、装配工位设施选择和装配工位设施空间布局的合理性以及操作对象的可达性和操作者的舒适性。利用虚拟试验环境在产品实际制造之前对装配工位规划进行验证和评价，从而提高产品质量，缩短新产品开发周期，减少成本，提高产品的竞争力。 主要的研究工作概括如下： 1．首先对虚拟试验环境中对象的类型以及之间的关系进行了分析，采用了面向装配过程的建模方法表达虚拟环境中工位、产品装配等模型。提出了虚拟环境中集多种功能(逻辑模型、显示模型和碰撞模型)为一体的复合零件模型表达方法和表达装配成员之间装配层次的装配树模型、描述零部件之间装配关系的约束模型以及面向装配过程的复合工位模型，不仅描述了工位中的装配操作内容和操作过程，而且表达了所有对象在工位中的角色以及它们之间的关系。 2．然后对虚拟环境下用户与虚拟对象的交互方式进行了研究，提出了基于虚拟手的对象操作逻辑与方法，用户利于数据手套和位置跟踪器(FOB)等外设自然的和虚拟对象进行交互；实现了工位布局和装配操作过程中虚拟手与对象的交互方式与过程，用户通过对操作对象的抓取、移动和释放三个过程交互式的完成工位布局和装配操作任务；提出了虚拟环境中基于双手操作的逻辑和方法，解决了双手操作的冲突与协调性。 3．研究了基于几何约束和自由度分析的虚拟装配过程的实现方法。建立了装配几何约束的统一表达方法、约束与自由度的等价关系，采用运动自由度的归约方法获得零件在约束作用下的运动自由度；提出了虚拟装配过程中约束自动识别算法、基于零部件位姿变化量最小原则的约束自动定位求解算法和基于增量驱动和自由度归约原理的约束运动导航解算等实现了虚拟装配过程中零部件的精确定位。 4．提出了基于几何推理的虚拟工具表达模型以及基于几何约束的工具装配方法。能够支持虚拟环境中工具信息的相互传递、查询与更新；操作者根据操作对象选择相应的装配工具，利用虚拟手在虚拟环境中操作工具，动态建立工具与操作对象的几何约束关系，建立工具与操作对象之间的固联关系；利用工具交互的驱动操作对象，使其到达最终的装配位置，实现产品的虚拟装配。 5．给出了虚拟环境中操作者人机工程学评价和分析的方法。在交互式装配过程中，以虚拟手为纽带建立的虚拟装配环境与实际操作者的映射关系，以此获得操作者的运动数据，根据这些数据对操作者的疲劳和能耗量进行计算和分析，以评价工位布局对操作者的影响。 6．基于上述方法和关键技术开发了虚拟环境下基于交互的装配工位规划与过程仿真的原型系统VAWPS(Virtual Assemblv WorkplacePlanning and Simulation)。以某型号汽车发动机曲轴分装工位为例说明了VAWPS的系统应用，验证了原型系统和本文所述算法和方法的正确性与有效性，证明了在虚拟环境中交互式的进行工位设计和装配操作仿真的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究背景和意义

1.2.1问题的提出

1.2.2解决的方法和思路

1.2.3本文解决问题的范畴

1.2.4研究意义

1.3国内外的研究现状

1.3.1虚拟装配系统

1.3.2虚拟环境中工位规划与评价

1.3.3虚拟装配在工业中的应用

1.3.4目前研究存在的问题

1.4装配工位规划和过程仿真虚拟试验环境的体系结构

1.4.1框架结构

1.4.2技术难点

1.5研究内容和章节安排

1.5.1研究内容

1.5.2章节安排

1.6本章小结

第二章虚拟环境中装配和工位信息模型表达

2.1引言

2.2装配信息模型

2.2.1零件模型

2.2.2装配树模型

2.2.3几何约束信息模型

2.3工位信息表达模型

2.3.1虚拟环境中工位的表达

2.3.2虚拟工位中对象的组织方式

2.4本章小结

第三章虚拟环境中对象的交互式操作逻辑

3.1引言

3.2虚拟手与用户手的运动同步

3.3对象的抓取

3.3.1装配操作中的抓取逻辑

3.3.2工位布局中的抓取逻辑

3.3.3验证实例

3.4对象的运动过程

3.4.1装配操作中的移动逻辑

3.4.2工位布局中的移动逻辑

3.4.3验证实例

3.5对象的释放响应

3.6双手操作

3.6.1双手操作的实现逻辑

3.6.2验证实例

3.7本章小结

第四章基于约束和自由度分析的虚拟装配过程

4.1引言

4.2运动自由度分析

4.2.1自由度分类

4.2.2自由度表达

4.2.3几何约束和自由度的等价关系

4.2.4运动自由度合并

4.3装配约束的自动识别

4.3.1约束识别规则

4.3.2约束识别算法

4.4装配约束确认

4.4.1约束确认的基本流程

4.4.2自由运动空间中的约束确认

4.4.3受约运动空间中的约束确认

4.5基于自由度的装配运动导航

4.5.1约束导航算法

4.5.2约束导航流程

4.5.3约束运动导航算法的误差分析

4.6验证实例

4.7本章小结

第五章虚拟环境中装配工具的建立

5.1引言

5.2基于几何推理的虚拟工具模型表达

5.3工具的抓取与操作对象的选择

5.3.1工具的抓取

5.3.2工具操作对象的选择

5.4工具与操作对象约束的动态建立

5.4.1基本思路

5.4.2工具与操作对象之间约束的动态识别

5.4.3工具与操作对象之间的约束运动导航

5.4.4验证实例

5.5虚拟工具对操作对象的装配定位过程

5.5.1手动工具对操作对象的定位

5.5.2半自动工具对操作对象的定位

5.5.3验证实例

5.6本章小结

第六章基于人机工程学的工位布局评价

6.1引言

6.2基于人机工程学的工位评价方法

6.2.1操作者疲劳计算

6.2.2操作者能量消耗

6.2.3结果分析

6.3虚拟环境中操作者数据测量与处理

6.3.1测量方案

6.3.2数据处理

6.4本章小结

第七章原型系统的实现与应用

7.1引言

7.2 VAWPS系统概述

7.2.1系统硬件配置

7.2.2系统软件配置

7.2.3系统功能描述

7.2.4系统开发的基本思路

7.3应用实例

7.3.1初始场景的建立

7.3.2交互式工位布局

7.3.3虚拟装配过程

7.3.4操作者数据的测量与处理

7.3.5装配工位布局分析评价

7.4本章小结

第八章总结与展望

8.1全文总结

8.2工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文与申请专利

参与科研项目