虚拟装配技术的研究现状及发展趋势分析

虚拟装配技术的研究现状及发展趋势分析

张文建,焦梓实,杜亚维,王晋涛

(华北电力大学工程训练中心,河北保定071003)

摘　要:在阐述虚拟装配技术定义与内涵的基础上,描述了虚拟装配技术的现状及未来,综述了国内外的研究现状,并对国内外发展状况进行简要对比分析,指出了目前虚拟装配技术研究中存在的问题及主要发展趋势。

关键词:虚拟装配;装配工艺规划;装配过程仿真;虚拟现实

中图分类号:TP205 文献标识码:A

虚拟装配技术是将DFA技术与V R技术相结合,建立一个与实际装配生产环境相一致的虚拟装配环境(Virt ual Assembly Environment,VA E),使装配人员通过虚拟现实的交互手段进入VA E,利用人的智慧直觉进行产品的装配/拆卸操作,用计算机来记录人的操作过程,以确定产品的装、拆顺序和路径。像许多新兴学科一样,迄今为止,虚拟装配尚没有统一的定义,许多学者从不同的角度阐述了自己对虚拟装配的理解。其一般定义为:无需产品或支撑过程的物理实现,只需通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段,利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。虚拟装配是一种将CAD技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术。

1　虚拟装配在国内外的发展现状

根据目前的理解,虚拟装配发展至今可以分为3个阶段,第1阶段是虚拟装配理论的提出阶段,第2阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟装配系统的阶段,第3阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。目前国外虚拟装配技术的发展已经进入了第3阶段。

国外对虚拟装配技术的研究起步于20世纪90年代中期,由于政府及工业界对其支持力度比较大,加之研究的基础条件比较好,因此发展势头相当迅猛。

德国Fraunhofer工业工程研究所虚拟现实实验室较早地进行了基于虚拟现实的装配规划系统的研究与开发。他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统获得了1996年慕尼黑计算机展览会的最佳系统奖。该系统可以通过虚拟人体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作。在用户交互的基础上产生装配前趋图,并进行装配时间和装配成本分析。通过对真实装配环境的模拟,规划者在进行产品装配规划时,能够综合考虑装配特征和其他装配条件(如装配空间的制约、装配零件供应以及必需的装配工具等)对产品装配的影响。

美国Washington州立大学VRCIM(virt ual re2 ality and comp uter integrate manufact uring)实验室与美国国家标准技术研究所N IST合作开发的虚拟装配设计环境VAD E(virt ual assembly design envi2 ronment)是一个具有代表性的虚拟装配系统。该研究的主要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制造中运用虚拟现实技术的可能性。VAD E在SGI Crimson TM工作站上实现,立体视觉由HMD提供(分辨率可达800×600),设计者手的移动由Ascension公司的Flock of Birds TM进行跟踪,所得信息用于控制虚拟环境中虚拟手的位置,手指和手腕的运动由Cyber2 glove TM数据手套监控,而Tactools TM反馈系统用于在手指尖处产生触觉反馈。在这个虚拟装配系统中,设计者可以对公差进行评估,选择最理想的装配顺序,生成装配/拆卸路径规划以及观察最终结果。近来,VRCIM实验室在VADE系统中集成了快速上肢评定算法(The Rapid Upper Limb As2 sessment,RUL A)进行装配过程中人机工程学方面的研究。他们在VADE系统中集成一个可以根据不同人的身高和体形进行调整的参数化人体模型,通过与真实人体相连的6个跟踪设备,对该模型进行跟踪,为RUL A提供输入数据。在进行装配作业时,系统可以对人体模型的姿势进行实时分析。通过尝试多种不同的姿势以及装配过程,根据分析结果找到最佳的工作环境布局。

德国Bielefeld大学人工智能与虚拟现实实验室将虚拟现实交互技术与人工智能技术相结合,基于构造工具箱(Const ruction K it s)的概念,建立了一个虚拟装配系统(COD Y Virt ual Const ructor)。所谓构造工具箱是指在制造领域中可重复使用的、具有多重功能的标准零部件结构库。COD Y是一个基于知识的、三维交互式虚拟装配系统。它允许

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《新技术新工艺》・数字设计与数字制造　2007年　第1期

设计者在虚拟环境中通过直接三维操作或简单的自然语言命令与系统交互。他们建立了面向装配的知识表达语言COA R(Concept s For Object Assem2 blies and Roles)及基于COAR的知识推理方法。COA R是用于创建并维护虚拟场景的一个动态模型。COD Y主要的处理对象为标准化的可重用零件,利用标准的零件构造复杂的装配体。

国内对虚拟装配技术的研究起步于20世纪90年代末期,发展速度比较快,取得了不少研究成果,并提出了许多有价值的新理论和新方法。

中国科学院软件研究所程成、陈由迪、戴国忠从人机交互的角度,提出了一个基于场景的虚拟环境用户界面模型,以虚拟装配为应用实例进行了验证与实现,并给出了装配车间场景的5个情节:零件进入装配车间、零件匹配、装配特征匹配、约束识别与装配。基于场景的虚拟环境用户界面模型的一个突出优点是,使交互不仅仅是计算机用户输入的简单反映,而且融进了场景环境因素,因而更能反映用户的真实意图。

北京航空航天大学吴威、隋爱娜等采用力/位置混合控制的方法,将力和位置的控制模型分别转换为约束模型和自由移动模型,并通过具有力反馈的数据手套,使操作者在虚拟装配过程中感受到力反馈,从而实现虚拟装配过程中力觉临场感。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室万华根等在基于虚拟现实的CAD方法研究中提出通过“用户引导的拆卸”进行拆卸过程仿真,得到零部件的拆卸顺序和拆卸路径,从而确定产品的装配序列。在此基础上,浙江大学CAD&CG国家重点实验室在四面投影虚拟环境CA VE中,开发了完全沉浸式虚拟装配原型系统IV AS。在IV AS中,装配规划人员可以通过直接三维操作选择零部件并进行拆卸规划,系统通过实时碰撞检测机制,自动保证拆卸过程的有效性。

西北工业大学钟永民和杨海成提出采用基于约束的装配操作进行虚拟装配造型,通过自动识别装配元素之间的配合约束以及配合约束的自动满足,有效地简化了装配过程。肖田元等在虚拟制造技术研究中,以高速剑杆织机为例,采用EA I公司的工程数据可视化软件,动态仿真零部件的实际装配过程,从而发现装配过程中的干涉问题。

纵览国内虚拟装配研究现状,我们认为国内虚拟装配的研究目前正处于从第2阶段向第3阶段过渡的时期,与国外相比仍然存在一定的差距。

2　虚拟装配技术存在的不足及发展趋势

虚拟装配技术虽然作为全新的制造体系和模式,成为现代制造技术与系统发展的必然趋势有其自身不可比拟的优势,但其发展在很大程度上受制于虚拟现实技术的发展,虚拟装配自身也存在一些不足和有待发展之处。

1)拟实化程度将越来越高

从其自身来讲,虚拟装配有着不可逾越的优越性,然而,它在工业领域应用的成功程度却要取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的2个方面,也就是虚拟产品模型和虚拟装配仿真过程。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取代物理模型的装配过程,这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展,虚拟装配拟实化程度必将越来越高,在可预见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程,从而大大缩短产品开发周期并节约开发成本。

2)实现标准化

纵观工业领域各种技术的发展与应用,大都有一个从非标准化到标准化的发展过程,这一过程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统一的标准,这是其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开,如果没有统一的标准,必将影响虚拟装配技术的应用范围,从而阻碍其发展,因此,实现标准化是虚拟装配技术发展的必然趋势。

3)实现集成化

目前,国内外研究的虚拟装配系统大都是通过接口从商用CAD系统中获取产品的数字化模型以及设计者的设计意图,这一数据转换过程比较繁琐;而且在当前,虚拟装配仿真结果、再设计意见和建议也不能很好地反馈到CAD系统中。这方面的问题大大阻碍了虚拟装配技术的发展。要充分发挥虚拟装配系统的功能并促进其发展,必须保证CAD与虚拟装配系统之间的信息通道畅通无阻,因此二者必须实现集成。在现有的CAD系统中集成虚拟装配功能将是一个可行的实现方法。

4)工具化与智能化并重

虚拟装配要实现的目标之一是设计验证,即为工程师进行设计验证提供工具化的环境。完全利用计算机自动实现装配规划则不可避免出现组合爆炸问题,随着人工智能技术的发展,工具化与智能化相并重的装配设计环境既能够充分利用人的创造性,又能够充分利用形式化的专家知识以及计算机能力,实现人机协同工作。因此,工具化与智能化并重在相当长的一个时期内将是虚拟装配的发展方向。

5)向网络协同化方向发展

并行工程与协同设计思想已经渗透到制造业的

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