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虚拟装配的研究综述与分析(II)
2015年11月17日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:夏平均,姚英学
    单位:哈尔滨工业大学 机电学院
    配图:王逍

    摘要:虚拟装配是近年来兴起的重要研究方向 ,为了对虚拟装配技术的研究状况进行全面的综述和分析 ,介绍了几种典型的虚拟装配系统 ,分析了其功能和组成.并探讨了虚拟装配主要研究内容的研究概况 ,主要从 CAD系统和虚拟装配系统之间的数据转换技术、利用 VR的交互式装配规划技术、基于几何约束的虚拟装配/拆卸过程仿真技术等七个方面进行分析.最后指出了目前系统开发和应用方面存在的主要问题和不足 ,并给出了将来发展的主要方向。

    1 虚拟装配的研究概况及典型系统

    国外虚拟装配的研究起始于 20世纪 90年代中前期 ,最早进行虚拟装配研究的是华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所 ,他们联合开发的虚拟装配设计环境 VADE宣告了虚拟现实技术在装配领域的成功应用 ,被认为虚拟装配研究的里程碑.随后 ,德国、英国、加拿大、希腊等多所国外著名高校和研究机构都开展虚拟装配的研究.国内对虚拟装配的研究起步于 20世纪 90年代末期 ,发展速度比较快 ,取得了不少研究成果。

    虚拟装配发展迄今可分为三个阶段 ,第一阶段是拟装配理论的提出与完善阶段 ,第二阶段是虚拟装配原型系统的开发阶段 ,第三阶段是虚拟装配在工业界的应用研究阶段.目前国外虚拟装配技术的发展已经进入了第三阶段 ,很多有世界影响力的大公司开始了虚拟装配的工业应用.国内虚拟装配的研究目前正处于从第二阶段向第三阶段过渡的状态 ,处于原型系统开发或部分试用阶段。

    自从虚拟装配技术诞生以来 ,人们从不同角度对其进行了深入研究 ,开发了多种虚拟装配原型系统 ,典型的主要包括 :

    1) 1995年 ,美国华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所合作开发的虚拟装配设计环境VADE[1]是第一个具有代表性的虚拟装配系统。


(图片来源于互联网)

    其目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境来探索产品装配过程中应用虚拟现实技术的可能性。利用这个系统 ,设计人员在产品设计初期便可并行考虑产品装/拆相关环节 ,避免相应的设计缺陷.VADE实现了与参数化 CAD 系统如Pro/Engineer的数据共享 ,能进行产品结构树、零部件实体模型从 CAD的自动转换 ,通过捕捉 CAD环境下的装配约束信息实现零部件装配顺序和装配路径规划 ,并提供零部件的设计更改意见。

    2) 1997年 ,英国 Heriot-Watt大学机械与化学工程系开发了一个虚拟装配规划系统 UVAVU[2]。

     基于当时力反馈设备以及跟踪设备的局限性 ,提出了“接近捕捉 ”和“碰撞捕捉 ”的精确定位方法.这两种方法存在如下缺陷:

    ① 虚拟装配环境下零部件的位置关系不能互换 ,即同种零部件不具有互换性 ; 

    ② 丢失了零件装配的中间过程信息 ,而这些信息对于评价零件的可装配性具有至关重要的意义.UVAVU最大的特色在于提供了一种提取装配知识的方法.比较熟练的装配者在虚拟环境下装配产品模型时系统可以记录下他们的活动 ,从而获取其装配意图并提取知识。目前 ,正在开发基于虚拟现实的管线设计与规划系统[3]。

    3) 1999年 ,美国 Wichita州立大学开发了基于虚拟现实的产品装配及夹具设计系统 JIGPRO[4]。 将 CAD系统中设计的产品零部件模型和夹具模型、虚拟手模型以及人体模型导入虚拟环境中 ,进行装配过程仿真 ,检查零件与夹具之间的干涉 ,确保产品装配工夹 ,具设计具有良好的装配性能与人机性能.装配建模子系统首先产生零部件几何模型和零件之间的配合约束关系 ,装配规划子系统产生优先约束信息 ,以此决定零件间装配的先后顺序 ;夹具设计子系统产生夹具基体、定位机构以及夹紧机构的几何模型 ,并分析夹具基体在夹紧力作用下的受力变形、强度和稳定性情况.利用虚拟设备强大的人机交互功能 ,来仿真零件的安装、夹具的加载和卸载过程 ,通过分析虚拟人体的各种操作姿势来保证所设计夹具最大限度地满足人体要求。

    4) 2000年 ,希腊 Patras大学开发了虚拟装配工作单元[5],并以快艇的螺旋桨装配为例 ,对影响装配时间的因素 (如装配者的力量、工作单元布局等 )进行了分析评价 ,并建立了半经验式的时间模型 ,对装配过程中的人机因素进行定性评价和定量估计.虚拟装配工作单元中 ,操作者从传送带上拾取虚拟零件 ,通过装配工夹具安装并固定虚拟零件.在此过程中 ,系统根据操作者的性别、体重、姿势等因素定量估计完成装配所需的操作力、能量消耗及时间。

    5) 2003年 ,美国纽约州立大学机械与航空工程系虚拟现实技术实验室开发了基于虚拟原型的装配验证环境 VPAVE[6].传统的面向装配设计系统中 ,由于对实际制造过程因素考虑的不足 ,导致加工出来的零件装配不上或装配性能不能满足要求.因为在实际生产过程中 ,加工过程的变形、机床刀具与夹具的磨损、以及其他技术与成本因素的限制 ,对零件最后的尺寸和形状误差有很大影响.解决上述问题的有效途径是采用虚拟原型 ,通过提取实际加工过程影响参数 ,建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模型 ,利用有限元软件分析零件的受力、变形及残余应力情况 ,在虚拟环境下进行可装配性分析和评价.VPAVE在 SGI图形工作站上采用 WTK软件包编程实现 ,目前处于初级开发阶段 ,在有限元模型和虚拟环境的集成 ,零件受力与几何变形模型等方面还有待进一步完善。

    6) 2004年 ,美国爱荷华州立大学虚拟现实技术应用中心在早期建立的装配规划与评价系统的基础上 ,将触觉反馈装置 PHANToM 应用于虚拟环境中 ,并以安装方向舵踏板制动器到飞行器前端的装配过程作为应用实例进行了研究.在此基础上开发出了面向通用装配仿真的虚拟环境系统VEGAS[7]。 VEGAS使用 VR Juggler进行虚拟环境管理 ,使用 Boeing公司的 VPS软件进行碰撞检测.VEGAS中的模型数据通过嵌入式程序从通用CAD软件中导入并转化成面片 ,通过“环境 ———零件组 ———零件 ———面片 ———顶点 ”的层次结构处理数字化模型.目前正在开发网络化的触觉环境 ,其目标是研究网络化虚拟环境下使用力反馈和触觉设备的方法 ,从而促进协同设计的发展。

    7) 2005年 ,意大利 Bologna大学利用增强现实技术开发了基于 CAD的装配规划与验证系统PAA(Personal Active Assistant)[8]。 增强现实是指用户在观察现实世界的同时 ,将虚拟图像叠加现实世界之上 ,从而实现虚拟模型和真实模型之间的合成.PAA 系统的主要组成部分包括计算单元、微型相机、无线连接卡和便携式显示设备。

    PAA实现了 CAD装配系统和增强现实系统之间集成 ,从而提高工程设计模型和真实物理模型之间的集成.PAA系统利用 CAD工具来有效提高对象识别能力 ,生成优化装配序列和产生装配操作指令 ;另一方面 ,基于增强现实的装配评价工具允许装配设计人员和装配操作人员之间的直接交互 ,装配设计人员的意图和信息通过看穿式头盔直接显示到真实场景中 ,指导操作人员的装配。

    PAA可用来对复杂的装配过程进行指导 ,或者对混合样机 (部分为已经实现的物理部件 ,部分是尚未实现的虚拟部件的样机 )的装配可行性、成本和装配规划等进行评估。

    2 虚拟装配

    虚拟装配作为一个新兴研究领域 ,其发展与虚拟现实技术、计算机技术、人工智能技术、网络技术、产品装配设计技术等多学科领域的发展紧密相关 ,目前的研究主要集中在 :

    1) CAD系统和虚拟现实系统之间的数据转换技术.由于虚拟现实软件建模能力的限制 , CAD系统仍是虚拟装配的主要建模手段 ,大多数虚拟装配系统需要将 CAD系统中的相关信息转换到虚拟环境中 ,实现二者之间的集成.例如 ,华盛顿州立大学开发的 VADE能够从 Pro/Engineer系统中提取产品结构树信息、装配约束信息以及零部件几何信息 ,实现 CAD系统和虚拟装配系统的自动数据翻译.新加坡南洋理工大学的 L I J R等[9]研究了 CAD和 VR之间的集成方法 ,开发了基于CAD紧密连接的虚拟装配环境.国内上海交通大学 CIMS研究所的范秀敏等[10]实现了 UniGraphics系统和虚拟现实系统之间的集成 ,北京理工大学的宁汝新教授等[11]也实现了 Pro/Engineer系统和虚拟现实系统之间的集成.哈尔滨工业大学的姚英学教授等[12]实现 SolidWorks系统和虚拟装配系统之间的集成。


UniGraphics操作界面(图片来源于互联网)

    2)利用 VR技术的交互式装配规划技术.设计人员在虚拟环境中根据经验知识人机交互式对产品的三维模型进行试装 ,规划零部件装配顺序 ,记录并分析装配路径 ,选择工装夹具并确定装配操作方法 ,最终得到经济、合理、实用的装配方案.Siddique和 Rosen等[13]采用虚拟现实的途径进行产品拆卸序列推理 ,进而得到可行的装配序列.华中理工大学的熊有伦等[14]开发了基于虚拟原型的装配序列规划及评价系统 VPASPE,借助于虚拟拆卸产生初始装配序列 ,应用几何推理方法生成可行装配序列 ,再根据人机交互式仿真得到优化装配序列.北京理工大学的宁汝新、刘检华等[15]研究了基于虚拟现实的装配工艺规划理论、方法及实现技术.浙江大学的刘振宇、谭建荣等[16]研究了基于语义识别的虚拟装配操作 ,从而实现直观自然的人机交互式装配与拆卸操作。

    3)基于几何约束的虚拟装配/拆卸过程仿真技术.虚拟环境缺乏像现实环境中那样存在的各种物理约束和感知能力 ,几何约束建模仍是主要的实现手段.虚拟环境中零件是依靠几何约束相互装配到一起 ,工装工具操作仿真、零件自由度模拟、装配运动仿真都依赖于几何约束信息来实现。华盛顿州立大学的 Jayaram S等[17]研究了约束的识别、确认和求解问题 ,采用 D-Cubed 3D DCM库来进行约束求解 ,仿真零件受约束状态下的运动.英国 Salford大学虚拟环境中心的 Fernando等[18]研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作 ,探讨了“可行运动 ”和“自动约束识别 ”等关键技术 ,开发了几何约束管理器 ,用来支持虚拟环境下装配和维修任务.华中科技大学 CAD中心的曹鹏彬等[19]实现了基于装配约束动态管理的虚拟拆卸 ,浙江大学 CAD&CG国家重点实验室的刘振宇教授等[20]也研究了虚拟环境下基于装配约束动态解除的产品拆卸技术。


D-Cubed(图片来源于互联网)

    4)基于知识的装配规划和评价技术.英国Ritchie等[21]对虚拟环境下如何发挥人的经验和知识进行了研究.浙江大学的董金祥教授[22]从人工智能的角度提出基于知识的虚拟装配规划 ,虚拟环境中设计者仅对复杂零件进行交互装配 ,简单零部件通过推理机自动规划 ,从而实现自动规划和交互规划相结合.北京理工大学宁汝新教授[23]采用计算机的辅助知识导航与人的决策相结合的方法 ,通过虚拟环境下人机协同方式来解决装配序列规划问题.新加坡南洋理工大学 ZHAX F[24]开发了基于知识的装配规划与评价系统.

    5)装配过程中人的因素分析.通过虚拟现实技术 ,开发人员可以在产品开发阶段就对产品装配过程中涉及的人机因素 (如装配所需时间、装配操作的舒适程度、安全性 ) 进行分析.Allen等[25]采用虚拟现实技术定量评估人工装配中操作者的装配力与装配姿态 ,并分析装配所需的最大装配力以及每个装配循环过程中的平均装配力 ,以避免装配工人肌体的重复性劳损.George Chryssolouris等在所创建的虚拟环境中 ,利用人机工程学模型 NO ISH和 GARG分析了装配工位空间布局对人操作强度的影响 ,以获得最优装配工位.华盛顿州立大学 Jayaram 等采用虚拟现实和Jack软件定量分析和评价人机功效问题.。

    6)基于虚拟现实的装配任务培训.传统工程环境中 ,装配人员是通过分析二维图纸以及装配工艺文件来识别装配任务.通过虚拟现实系统 ,装配工人能够在虚拟环境中观察产品的装配过程并直接操作零件模型 ,从而有效地促进了装配工人对装配任务的理解与感知.英国伯明翰大学 Boud等[27]对基于传统方式的装配任务培训 (通过图纸 )、基于虚拟现实的装配任务培训 (包括桌面型VR与沉浸型 VR)、基于增强现实的装配任务培训进行对比试验表明 ,后者比前者能显著提高用户进行实际产品装配的效率与质量.美国 Arizona州立大学 Nong Ye与 Illinois大学 Prashant Baner jee等[28]学者也对传统工作环境、桌面虚拟环境、沉浸式 CAVE虚拟环境下的装配规划进行对比。研究表明 ,采用虚拟装配规划技术可大大缩短实际装配时间、减少实际装配过程中出现问题的数量和减少实际装配过程中复杂工序的数量。

    7)基于网络的协同装配规划技术.随着产品复杂性增加 ,单个企业不可能完成整个产品的开发任务 ,不同企业之间的协同和交互成为必然趋势.装配体作为产品功能的最终体现 ,其设计、分析、规划、验证更需要团队人员的协同参与.Chen等[29]通过产品信息共享和工作空间共享 ,对 Internet环境下多用户协同三维装配建模环境进行了研究.MO J Z等[30]开发的 Motive 3D是一个基于 Internet和 CAD模型的协同虚拟装配/拆卸系统 ,能够进行产品装配建模和序列规划 ,并在Web平台上提供已有装配序列的可视化仿真。

    3 存在的主要问题

    尽管国内外许多大学和机构都开展了虚拟装配研究 ,并取得了很大进展 ,但是虚拟装配技术从提出到现在才二十余年的时间 ,各种理论和方法还不成熟 ,大部分单位处于预研或试用阶段 ,将虚拟现实技术用于产品规划与评价的时间还不长 ,导致虚拟装配系统的工程实用程度不高 ,技术方面仍存在以下问题。

    1)大多采用桌面式虚拟环境.这种虚拟环境的成本较低 ,使用方便 ,但沉浸感差 ,难以考虑实际装配过程中人体的大范围活动和人体对装配操作的影响 ,用户在观察、体验、分析和评价装配过程方面仍存在明显不足。

    2)缺乏与产品设计系统 (CAD )、工装夹具设计系统 (CAFD)以及车间现场生产管理系统的集成 ,缺乏与产品开发其它阶段的有机结合。

    3)偏重于装配过程的三维图形仿真.检验产品设计中的碰撞干涉情况 ,对装配过程中的各种工艺因素考虑不足 ,如装配力引起的零部件变形、工装夹具的设计、装配质量测试的方便性、装配人员的安全性和舒适性等 ,因此难以生成满足实际需要的生产方案。

    4)缺乏装配过程的智能引导和优化.产品装配过程是一个经验性很强的活动 ,需要大量的经验和知识.虚拟现实技术为充分发挥人的经验和知识提供了一种新途径 ,但是 ,仅依靠人的经验知识进行搭积木式组装 ,具有盲目性和不确定性 ,缺乏必要的智能引导 ,尤其对大型产品而言 ,由于装配工艺本身的复杂性 ,这种方法获得的只能是可行的装配方案 ,而不一定是优化的装配方案。

    5)研究对象大都是基于公称尺寸和理想形状的零部件模型 ,而没有考虑公差的影响 ,这与工程实际有很大出入.由于缺乏装配公差分析与综合的有效手段 ,人们无法直观形象地观察和分析零部件的公差大小以及公差变化对产品装配结果的影响 ,从而不能对产品的装配质量进行分析和预测 ,导致实际产品装配精度不高。

    虚拟装配技术要想在企业界得到广泛应用 ,并真正产生实际效益 ,从应用方面来讲 ,应克服如下障碍 :

    1)虚拟现实设备的成熟与普及.虚拟现实技术在很多方面还需要完善 ,从技术上讲 ,数据手套的定位精度不高 ,力反馈设备仍处于实验室研究开发阶段 ;从成本上讲 ,虚拟现实设备价格昂贵 ,投资巨大 ;从系统运行速度上讲 ,虚拟装配技术要进行大量数学运算、图像处理和信息交换 ,在工业复杂产品的装配仿真中应用效果并不良好。

    2)现有装配生产组织管理模式的改变.目前的机械制造企业 ,产品设计部门与装配生产部门之间脱节 ,未能充分实现并行工程 ,造成产品装配协调困难、返工率高.工装设计与产品设计、工艺设计等脱节 ,由于结构设计阶段未能充分考虑产品的装配工艺性问题 ,往往到装配生产车间需要临时定制工装夹具 ,影响装配进度.要真正应用虚拟装配技术 ,需要建立涵盖产品设计部门、工装设计部门、零部件制造部门、装配生产部门的协同工作环境 ,建立各部门间进行协调和管理的标准和规范 ,实现模型管理、信息传递的一致性和可重用性。

    3)思想认识方面的转变.虚拟装配技术的研究和应用 ,从长远角度看 ,具有很大效益 ,对企业有很强吸引力 ;从短期利益看 ,虚拟装配技术需要投入大量资金和有效管理 ,需要研究机构、生产部
门和管理部门的积极参与、协调和配合才能取得良好效果。

    4 将来的发展方向

    虚拟装配涉及的各项技术仍处在不断的发展之中 ,需要研究人员进一步的研究和探索 ,将来的发展方向主要体现在 :

    1) CAD接口的标准化.虚拟装配系统应能接受 CAD系统的模型信息 ,实现与主流 CAD 系统的无缝集成.目前各单位开发的虚拟装配系统 ,都是根据自己的情况来定制 CAD接口 ,实现信息转换 ,在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。

    2)虚拟装配/拆卸过程中人的合理性参与.人是产品装配/拆卸过程中的重要因素 ,充分发挥人的主观能动性、积极性和创造性 ,真正体现以人为中心的设计 ,是提高产品装配质量和效率的关键.人机工效等技术和虚拟装配技术的结合是现阶段研究的热点 ,可以解决自动化装配中不能解决的技术难题。

    3)管路、线缆的布置与规划.在工业级复杂产品中 (如飞机、船舶、火箭发动机等 ) ,由于空间狭小、结构紧凑 ,各种刚性管路和柔性电缆、线缆等交错缠杂在一起 ,给装配操作带来很大难度 ,成为影响产品装配质量的关键.现有虚拟装配系统缺乏这方面的有效工具 ,限制了在工业生产中的应用。

    4)考虑加工和使用环境的装配过程建模.目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础 ,没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响 ,导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求.例如 ,实际加工中由于机床、刀具和残余应力等因素的影响 ,零件的形状精度和设计尺寸并不完全一致 ,装配过程中由于环境温度、装配受力等因素 ,零件也会发生弹性变形 ,这些因素都会对产品装配精度和装配性能产生影响。

    5)面向虚拟装配的工装夹具设计.虚拟装配技术应和工装设计、夹具设计结合起来 ,实现二者之间的集成.根据装配时零件的自由度情况、定位要求和精度要求 ,采用人工智能和知识库技术相结合的途径 ,推理出装配过程中需要使用的工装夹具的基本结构 ,再进行详细设计.面向虚拟装配的工装夹具设计 ,可有效缩短夹具设计的周期 ,提高设计的成功率。

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标签:装配工业
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