一个基于虚拟现实的装配工艺规划系统

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1、一个基于于虚拟现现实的装装配工艺艺规划系系统发表时间间：20005-8-88 ee-woorkss专家： 刘检检华 来来源：ee-woorkss关键字：工艺虚拟拟装配信息化调调查找茬茬投稿收藏藏评论好文文推荐打打印社区区分享复杂产品品的装配配工艺规规划是一一项费时时和艰巨巨的工作作，虚拟拟装配工工艺规划划技术的的出现为为产品的的装配工工艺规划划提供了了一条新新的有效效途径。文文中提出出一个实实用的集集成化VVAPPP系统，介介绍了VVAPPP系统的的体系结结构，并并对CAAD系统统到VAAPP系系统的数数据转换换、虚拟拟产品装装配模型型、装配配过程中中知识辅辅助决策策、线缆缆装配工工艺规划划、

2、装配配现场可可视化等等VAPPP系统统的关键键技术进进行了论论述。目目前VAAPP系系统已经经在航天天产品的的装配工工艺设计计中得到到试用，取取得了良良好效果果。 一、引引 言 九十十年代中中期，“虚虚拟产品品开发（VVirttuall Prroduuct Devveloopmeent, VPPD）”技技术的出出现，引引起了人人们的广广泛关注注。VPPD的基基本思想想就是通通过计算算机虚拟拟模型来来模拟和和预测产产品功能能、性能能及可加加工性等等，在产产品的开开发过程程中，人人们可以以在计算算机的“虚虚拟”环环境中构构思、设设计、制制造、测测试和分分析产品品，以解解决产品品在TQQCSEE方面

3、存存在的重重大问题题。 虚拟装装配规划划技术是是VPDD的核心心关键技技术之一一。与传传统的装装配规划划相比，虚虚拟装配配工艺规规划具有有以下两两个明显显的特点点：其一一，设计计者可通通过三维维输入设设备，直直接对零零部件进进行三维维装配操操作，因因此非常常直观，且且具有较较高的交交互性，能能最大限限度地发发挥人的的创造力力；其二二，三维维立体显显示能让让设计者者像在真真实世界界中一样样观察物物体，因因此能及及时准确确地发现现装配工工艺设计计中存在在的问题题，从而而提高产产品装配配工艺设设计效率率和质量量。 二、系系统研究究背景分分析 目前前，虚拟拟装配规规划技术术的研究究已经取取得了一一些进

4、展展1,2，但但总的来来说，将将虚拟现现实技术术应用于于产品装装配规划划的时间间还不长长，各种种理论和和方法还还不成熟熟，导致致虚拟装装配规划划系统的的工程实实际应用用程度不不高，其其原因主主要集中中在以下下几个方方面： （一一）目前前对虚拟拟装配规规划的研研究还局局限于虚虚拟装配配规划本本身，如如虚拟装装配建模模、装配配顺序规规划、装装配路径径规划等等，没有有考虑虚虚拟装配配规划系系统与其其它系统统的集成成，而虚虚拟装配配规划系系统作为为“VPPD”的的一部分分，应该该考虑与与虚拟产产品开发发的其它它部分的的集成。 （二）目前的虚拟装配规划系统中，大多采用完全沉浸式的虚拟环境。在虚拟装配规划

5、系统中，完全沉浸式的虚拟装配规划系统不一定很理想。因为在虚拟装配规划的过程中有很多文字信息（或数据）需要输入和显示。在完全沉浸式的虚拟环境中，处理大量的ASCII码信息比较困难。但另一方面，沉浸式虚拟环境在观察、体验、分析和评价装配工艺设计方面还是具有明显的优势。因此，如何将沉浸式和非沉浸式的装配环境相结合，在目前的技术条件下对提高虚拟装配规划系统的实用性显得非常重要。 （三）现行的虚拟装配规划系统大都采用多边形面片模型进行产品的信息表达，而采用多边形面片模型丢失了CAD模型中大量的工程语义信息，使得虚拟装配系统难以捕捉和维护产品的设计意图与产品设计约束等工程信息，同时也为表达和确定零件间的装

6、配关系带来了困难。 （四）虚拟装配规划系统中的碰撞检测算法除了要具有实时性以外，还需考虑多边形模型表达对碰撞检测的影响。例如，圆柱孔中插入等半径的圆柱轴时，会检测到轴孔之间发生碰撞干涉（由于多边形表达中圆柱面已近似地表达为棱柱面），这就导致等半径的轴孔在虚拟装配环境中无法进行装配。因此，基于虚拟装配的实时碰撞检测给虚拟环境下的碰撞干涉检测算法带来了新的问题。 （五）目前虚拟装配系统普遍缺乏对装配公差进行分析与综合的手段，对于某些关键配合环节（如孔轴过盈配合），没有优化配合的手段，导致实际产品的装配精度不高。 （六）现有的虚拟装配规划系统大多只考虑刚体零部件装配工艺规划，很少考虑线缆等柔性体的装

7、配工艺规划。而线缆类零件的装配在航空、航天、汽车、计算机、家用电器等产品中占有很大的比重。实际上，线缆装配过程的不规范及可靠性问题是影响机电产品装配质量的一个重要原因，甚至成为影响工程系统成败的关键。 笔者针对以上造成虚拟装配规划系统实用性不高的因素，并结合“十五”总装预先研究资助项目“数字化预装配技术”，以及国防某企业的合作项目“虚拟装配工艺与工装设计及其信息管理系统” 等项目的具体需求，以实用、集成为出发点，自主开发了虚拟装配工艺规划系统VAPP（Virtual Assembly Process Planning），该系统能够在产品设计阶段基于三维数字化实体模型实施数字化预装配，生动直观地

8、规划与验证装配工艺过程，从而提高产品装配的一次成功率。 三、体系结构 虚拟装配规划系统是在一定的体系上构成和运行的，体系的优劣直接关系到虚拟装配规划系统开发的成败。系统的、合理的虚拟装配规划系统体系结构，不仅应把虚拟装配规划过程中的各个环节有机地集成起来，同时，虚拟装配规划系统作为虚拟产品开发的重要组成部分，也需要在产品数据管理系统（PDM）的统一控制下运行，从而实现虚拟产品开发全过程的信息、功能和过程集成。同时该体系应具有层次化的控制方法和“即插即用”的开放式结构，具有较好的可扩展性。 VAPP系统的体系结构如图1所示，它主要由4层组成，分别是人机交互层、应用层、核心服务层和数据层。 （一）

9、人人机交互互层：人人机交互互层主要要实现设设计者与与VAPPP系统统的信息息交流，主主要包括括虚拟外外设数据据的读取取，装配配规划过过程中装装配操纵纵指令和和参数的的输入、虚虚拟场景景的漫游游等。 其中，命命令解释释器负责责对用户户指令进进行解释释，并调调用应用用层相应应模块进进行相关关处理。通通过命令令解释器器的转发发，使人人机交互互层具有有较好的的可扩展展性。 （二二）应用用层：包包括CAAD数据据接口、装装配顺序序规划、装装配路径径规划、装装配知识识管理、零零部件选选择装配配、装配配工艺后后处理、装装配信息息管理和和装配现现场动画画浏览等等模块组组成。VVAPPP系统支支持设计计者进行行

10、面向过过程的装装配建模模，并通通过装配配约束关关系的自自动识别别来实现现零部件件的精确确定位，同同时实时时干涉检检测能够够保证装装配路径径的有效效性。另另一方面面，VAAPP系系统将虚虚拟装配配建模的的过程进进行记录录，并通通过装配配工艺后后处理模模块，形形成对实实际装配配操作有有指导意意义的装装配工艺艺卡片和和装配过过程动画画。 （三三）核心心服务层层：主要要为应用用层提供供底层支支撑。包包括碰撞撞干涉检检测、约约束识别别、装配配知识辅辅助决策策、运动动仿真、场场景管理理和和行行为控制制。其中中场景管管理负责责整个装装配环境境的显示示控制（包包括不同同物体的的方位设设置，隐隐藏设置置等）。行

11、行为控制制负责装装配环境境中不同同零部件件行为的的响应控控制（如如物体间间发生碰碰撞时的的行为），用用户在虚虚拟装配配环境中中视点的的控制以以及环境境中发生生相应事事件时的的响应控控制。 （四四）数据据层：系系统的数数据层主主要包括括装配过过程数据据存储区区和装配配知识库库两个部部分。其其中：装装配过程程数据存存储区保保存了VVAPPP系统所所有的装装配相关关数据信信息，包包括各零零部件的的几何数数据、属属性信息息、管理理信息、装装配结构构信息、装装配工艺艺文件描描述信息息、装配配约束信信息、装装配顺序序、装配配路径等等所有装装配过程程信息。装装配知识识库保存存经过整整理的规规范表达达的装配配

12、知识，包包括零部部件装配配优先规规则，装装配工艺艺知识（工工具、夹夹具、工工艺方法法等）。在在系统运运行过程程中，系系统访问问知识库库，可以以获得知知识帮助助并辅助助用户进进行决策策。 作为虚虚拟产品品开发的的重要组组成部分分，VAAPP系系统是在在PDMM系统的的控制下下运行，通通过PDDM与虚虚拟产品品开发的的其它部部分如工工装夹具具设计、CCAPPP等发生生联系，产产生的结结果文件件如工艺艺规划结结果、装装配设计计反馈意意见等也也通过PPDM发发布出去去。 VAPPP系统统采用半半沉浸式式的桌面面虚拟环环境，即即沉浸式式和非沉沉浸式的的用户界界面相结结合，沉沉浸式界界面和非非沉浸式式界面

13、能能够很容容易地进进行切换换。非沉沉浸式的的用户界界面主要要基于通通常的二二维菜单单、二维维鼠标和和普通键键盘。它它一般用用来完成成零部件件的管理理属性查查询、虚虚拟环境境参数设设置、装装配工艺艺后处理理等功能能。而沉沉浸式的的用户界界面则主主要基于于数据手手套、位位置跟踪踪器、三三维鼠标标、立体体眼镜和和三维菜菜单。它它能使用用户沉浸浸到虚拟拟环境中中，并为为用户提提供抓取取零部件件、移动动抓取零零部件、旋旋转抓取取零部件件、释放放抓取零零部件等等直接交交互装配配操作功功能。这这种沉浸浸式和非非沉浸式式用户界界面相结结合的特特点，能能方便用用户灵活活处理虚虚拟装配配规划中中的各种种活动或或操

14、作，同同时也充充分发挥挥了沉浸浸式和非非沉浸式式用户界界面的各各自优势势。四、系统统主要关关键技术术 （一一）CAAD系统统到VAAPP系系统的数数据转换换数据据转换问问题源于于虚拟环环境中与与CADD环境中中物体描描述方法法的差异异。在VVAPPP系统中中，零件件实体是是通过简简化的多多边形面面片模型型（通常常为三角角形面片片模型）来来描述的的，而不不是CAAD系统统采用的的精确的的几何描描述。VVAPPP系统通通过对CCAD系系统进行行二次开开发的接接口程序序，将VVAPPP系统所所需的信信息（主主要包括括装配体体的几何何面片信信息、管管理属性性信息、几几何特征征信息和和装配特特征信息息等

15、）导导出，并并在VAAPP系系统中进进行重构构，实现现外部CCAD系系统数据据向VAAPP系系统数据据的转换换3。 （二）虚虚拟产品品装配模模型装装配模型型是整个个VAPPP系统统的基础础，其核核心问题题是解决决如何在在计算机机中表达达和存储储产品装装配信息息。虚拟拟产品装装配模型型是一种种集成化化的信息息模型，作作为虚拟拟产品模模型的子子集，它它支持广广义产品品设计中中与装配配有关的的活动和和过程，能能有效地地存取所所需的各各种信息息。不仅仅要考虑虑装配零零部件的的几何特特征、管管理属性性信息和和物理特特征信息息，还要要考虑装装配工艺艺信息；不仅要要能处理理系统的的输入信信息，还还应能处处理

16、设计计过程中中的中间间信息和和结果信信息。因因此，虚虚拟产品品装配模模型将随随着设计计过程的的推进而而逐步丰丰富和完完善。VVAPPP系统的的装配模模型主要要由管理理、物体体特征、几几何、拓拓扑、工工程语义义和装配配工艺等等六部分分组成4。 （三）装配过程中知识辅助决策虚拟装配规划系统利用虚拟现实技术提供的沉浸性和交互性为设计人员建立了一个高逼真度的多模式交互规划环境，使其能充分发挥自身的智慧和经验，但另一方面，由于人机交互操作的增加，可能降低产品装配规划的效率。因此，将虚拟现实技术与计算机辅助推理相结合，建立基于虚拟现实的人机协同规划环境，使装配工艺规划人员能够在关键和复杂问题上充分发挥自己

17、的智慧和经验，而在常规问题又能充分利用计算机来代替人脑的重复思考，这对提高装配规划的效率具有实际意义。 VAPP系统提出了将事例性知识和规则性知识有机结合来辅助人在虚拟环境下进行装配序列规划的方法，并提出了装配顺序的递进分层推理模型（Progressive Hierarchical Reasoning, PHR），将计算机利用几何层和语义层知识的自动推理与人的主观决策相结合，人机交互地来解决装配序列规划问题，使装配规划人员在虚拟环境下可视化的、快速的进行装配工艺规划。与此同时将规划中产生的新的知识经验利用虚拟环境特有的模式加以记录、整理再利用，达到装配知识的良性循环使用，提高虚拟装配效率的目的

18、。 （四）选择装配VAPP系统通过建立一种对实际加工尺寸的零部件按照加工误差进行选配的机制，建立相应的选配优化方法，通过选配，提高产品装配质量，获取比较稳定的较高装配精度。 （五）装配工艺后处理提供一个交互式的装配工艺卡片的生成环境，以虚拟装配工艺规划过程中形成的装配规划结果为主干，补充和完善产品的装配工艺，形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片。 （六）实时干涉检测提出一个面向VAPP系统的分层精确碰撞检测算法，该算法分为四层5：包围盒层、中间层、面片层、精确层。该算法不仅能满足虚拟装配实时性的要求，还能满足虚拟装配的精确性要求。 （七）线缆装配工艺规划线缆作为柔性体，其建模与装配规

19、划过程与其它刚性零部件有很大的区别。根据虚拟环境的特点，VAPP系统提出了线缆离散控制点建模技术，将线缆简化成由一系列截面中心点（控制点）相连而形成的空间连续折线段，通过对控制点的操纵实现线缆的三维空间布线。 （八）装配现场可视化利用VAPP系统提供的动画制作功能，规划人员可以把零部件的装配顺序、装配路径以及特殊的装配操作技巧以动画的形式记录下来，并与相关装配工艺描述文档（如装配工艺卡）进行关联，提交到装配工艺部门的数据服务器上；现场装配人员通过安装在装配现场的客户端，利用局域网查询和浏览所需的装配工艺文档和装配过程动画。从而使现场装配人员更清晰的理解装配意图，提高装配效率，减少装配错误。 五

20、、系统主要特色 装配是产品生命周期中的重要环节。VAPP系统通过构建一个半沉浸式的桌面装配工艺规划环境，使装配工艺设计人员能在可视化的环境下交互地对产品的计算机三维模型进行试装，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、装配过程中的动态干涉和装配空间的合理性，并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性和相互位置关系，以此形成装配工艺的主体内容，并通过装配工艺后处理，以及装配过程动画生成等手段，形成能直接指导工厂装配车间进行现场装配的可视化装配工艺。概括起来讲，VAPP系统具有以下功能特色。 （一）集成化VAPP的集成主要体现在两个方面：一方面体现在VAPP系统的信息集成、功能集成和过程集成。V

21、APP系统涵盖产品装配工艺设计中与之相关的多个方面，这些方面并不是孤立的，而是相互制约、相互影响的。VAPP系统所需的相关数据，包括零部件模型，工装、夹具模型等（主要包括模型的几何信息和属性信息）来源于不同的应用系统，数据格式各异；另一方面，虚拟装配产生的装配分析结果、装配工艺、装配过程动画等信息也要反馈给相关的设计环节和工程应用系统。VAPP系统通过统一的PDM平台，实现与其它应用系统的数据集成。同时，通过统一的PDM平台，也实现了VAPP系统中相应的信息流、权限等的控制。 另一方面，VAPP的集成也体现在其沉浸式和非沉浸式装配环境的集成上。在VAPP系统中，用户可以很方便地进行沉浸式和非沉

22、浸式装配环境的切换，充分发挥沉浸式和非沉浸式装配环境的优势。 （二）面向工艺的装配建模过程传统的数字化预装配系统是在产品设计过程中，为了更好的帮助设计人员进行与装配有关的零、部件结构设计决策而对产品模型进行分析的系统，这种面向设计的系统本身是为零、部件的结构设计服务的，并没有考虑装配过程中零、部件的装配顺序和装配路径。而VAPP系统将使用户以直观的方式直接考察装配约束的施加过程、分析装配约束对零件运动的限制、检测装配过程中的碰撞干涉。装配建模的结果不仅建立了产品的装配模型，而且还生成了整个产品的初始装配序列和初始装配路径。同时VAPP系统通过对装配建模结果的局部修改等功能，实现了装配模型的优化

23、。VAPP系统这种的面向工艺的装配建模过程，一方面能在产品设计早期阶段就及时地发现实际装配过程中的问题，减少了返工，从而提高装配的一次成功率，另一方面，装配建模的同时形成的装配工艺信息（如装配顺序、装配路径等）输入到装配工艺后处理模块，能够很方便地生成符合工厂要求的装配工艺卡片，大大减轻了装配工艺设计人员的工作难度和工艺编制时间。 （三）知识辅助决策和人机交互相结合VAPP系统中的知识库为装配知识提供了一种保存的机制。知识库包含了在长期的装配实践中形成的有关装配顺序、方式、装夹手段等经验。同时系统还提供对知识库的各项操作，包括知识的扩充，修改等。由确定的知识引导人机交互的装配过程，减少无效的装

24、配动作，从而能起到快速装配的作用。 （四）三维可视化的装配工艺文档现有的车间现场装配过程大多以纸质装配工艺文件为指导，装配工人理解困难，容易发生错装。而VAPP系统将装配顺序和装配路径以动画的形式输出，用于指导装配车间现场的装配，通过实时显示装配的顺序与路径，以及各装配阶段所用到的工装夹具，使装配工人更加明确装配的任务和过程，从而减少错装，提高装配的速度和一次成功率。 （五）完善的装配信息管理VAPP系统通过一套有效的管理机制，使用户在装配过程中实时、方便地浏览和编辑各零、部件的属性信息和装配工艺信息（包括装配工、夹具的选择，填写装配操作流程说明等）。同时通过装配工艺后处理模块，生成装配工艺卡

25、、工装清单和配套清单等符合工程实际要求的装配工艺文档。此外，VAPP系统还能对装配完毕的零部件进行统计，并给出相关报告，以免漏装。六、系统统应用 VAAPP系系统已经经在我国国航天产产品的装装配工艺艺规划中中得到初初步的试试用，通通过该半半沉浸式式的桌面面虚拟装装配规划划系统，用用户在进进行装配配建模的的同时，生生成对实实际装配配操作有有指导意意义的装装配工艺艺卡片，并并通过装装配车间间现场的的可视化化，使装装配工人人更加明明确装配配的任务务和过程程，从而而减少错错装，提提高装配配的速度度和一次次成功率率。图22为VAAPP系系统主界界面，装装配体的的零部件件模型通通过数据据接口导导入到VVA

26、PPP系统中中，零件件初始时时被依次次排列在在操作台台上，在在系统中中通过虚虚拟手（或或三维鼠鼠标）拾拾取、移移动、转转动零部部件进行行装配操操作。图图3为装装配好的的某产品品装配模模型。图图4是零零件的装装配路径径（用离离散的装装配路径径点的形形式来表表达装配配路径）。 为了减减少虚拟拟手套所所带来的的手疲劳劳，VAAPP系系统主要要采用三三维鼠标标Spaacebballl 50000来来控制零零部件的的运动。在在虚拟装装配工艺艺规划过过程中，装装配过程程实时决决策系统统为系统统的规划划提供实实时决策策信息。装装配工艺艺规划形形成的数数据结果果，经过过优化后后，一部部分反馈馈给CAAD系统统

27、，用于于对产品品设计的的修改。一一部分反反馈给CCAFDD系统，用用于对夹夹具、工工具设计计的修改改。一部部分导入入到装配配工艺规规划后处处理模块块中，以以形成最最终的标标准装配配工艺卡卡，图55为装配配工艺规规划后处处理的主主界面。 七、结 论 虚拟装配规划技术为解决产品装配工艺规划问题提供了一种新的有效途径。本文介绍的半沉浸式的桌面虚拟装配工艺规划系统VAPP，能够使设计人员在可视化的环境下交互地对产品的计算机三维模型进行试装，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、装配过程中的动态干涉和装配空间的合理性，并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性和相互位置关系，并以此形成装配工艺的主体

28、内容，在此基础上，通过装配工艺后处理模块，形成对实际装配操作有指导意义的装配工艺卡片，并通过装配车间现场的可视化，使装配工人更加明确装配的任务和过程，从而减少错装，提高装配的速度和一次成功率。目前，VAPP系统已在实际产品的设计与开发过程中得到了试用，在复杂产品的装配工艺设计和现场装配等方面有较高的实用价值，为虚拟装配规划系统的工程实际应用进行了有益的尝试。同时，该半沉浸式的桌面VAPP系统，其所采用的底层关键技术，与完全沉浸式的虚拟规划系统基本是一致的，只是在人机交互层上与完全沉浸式的虚拟规划系统有所不同。在目前虚拟现实硬件条件不是很成熟的情况下，半沉浸式的VAPP系统实际上也是对完全沉浸感

29、的虚拟装配规划系统的局部改进与完善。 参考文献： 1Bullinger H J，Richter M.Virtual assembly planning.Human Factors and Ergonomics In Manufacturing，2000，10(3)：331341 2Sankar Jayaram，Hugh I Connacher，Kevin W Lyons.Virtual assembly using virtual reality techniques.Computer-Aided Design，1997，29(8):575584 3刘检华, 姚珺, 宁汝新. CAD系统与虚拟装配系统间的信息集成技术研究.计算机集成系统（CIMS）, 2005,1: 4447 4刘检华, 姚珺, 宁汝新. 虚拟装配工艺规划实现技术研究. 机械工程学报, 2004，40:138143 5刘检华, 姚珺, 宁汝新. 基于虚拟装配的碰撞检测算法研究与实现.系统仿真学报, 2004，16:17751778