面向大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬裝配技術(shù)研究

1、2008年第27卷8月第8期機(jī)械科學(xué)與技術(shù)Mechanical Science and Technol ogy for Aer os pace Engineering August 2008Vol . 27No . 8面向大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬裝配技術(shù)研究夏平均, 郎躍東, 程鵬, 姚英學(xué), 唐文彥(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 哈爾濱150001夏平均摘要:針對(duì)大型復(fù)雜產(chǎn)品在裝配生產(chǎn)組織形式、人的參與程度、裝配工藝流程的優(yōu)化、裝配人員培訓(xùn)和示教等方面的特點(diǎn), 分別進(jìn)行了虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究。重點(diǎn)探討了考慮人體活動(dòng)的新型虛擬環(huán)境技術(shù)、CAD 系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成技術(shù)、裝配工藝的生成及其優(yōu)化技

2、術(shù)、工藝文件生成和現(xiàn)場(chǎng)示教技術(shù)等4個(gè)方面。最后給出了開發(fā)的虛擬裝配原型系統(tǒng)在某型號(hào)復(fù)雜產(chǎn)品中的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞:復(fù)雜產(chǎn)品; 虛擬裝配; 人體活動(dòng); 數(shù)據(jù)集成; 工藝優(yōu)化; 現(xiàn)場(chǎng)示教中圖分類號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A :8728Study on Vi rtual ProductsXia Yao Yingxue, Tang W enyanand Engineering, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001Abstract:Key of virtual asse mbly for large 2scale comp lex p r odu

3、cts are studied in this paper . A ne w virtual envir onment syste m is set up f or asse mbly operati on and si m ulati on considering hu man activities; a novel da 2ta integrati on method is realized t o transf or m data fr om a CAD syste m t o a virtual asse mbly (VA syste m; a hybrid app r oach ba

4、sed on virtual reality (VR and intelligent alg orithm is p r oposed t o op ti m ize asse mbly p lanning and e 2valuati on; and a method based on X ML and W eb technol ogy is intr oduced t o generate asse mbly documents . Final 2ly, an exa mp le is given t o illustrate the app licati on of the VA sys

5、te m t o a large 2scale comp lex p r oduct, and the re 2sult is satisfact ory .Key words:co mp lex p r oducts; virtual asse mbly; data integrati on大型復(fù)雜產(chǎn)品是指產(chǎn)品組成復(fù)雜、制造過程復(fù)雜、項(xiàng)目管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品, 如航天器、飛機(jī)、衛(wèi)星、1船舶等。這類產(chǎn)品的裝配周期長、裝配操作的難度大、裝配成本高。虛擬裝配是近年來興起的重要研究方向, 它主要以產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ), 借助于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互設(shè)備, 在計(jì)算機(jī)上仿真產(chǎn)品裝配操作的全過程, 進(jìn)行裝

6、配性能及其相關(guān)特性的分析, 實(shí)現(xiàn)裝配工藝流程的生成及其優(yōu)化, 從而指導(dǎo)現(xiàn)2場(chǎng)裝配工人培訓(xùn)和示教。虛擬裝配技術(shù)為解決復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝問題提供了一種新的、低成本的快速手段, 尤其對(duì)衛(wèi)星、飛機(jī)、火箭等大型復(fù)雜產(chǎn)品而收稿日期:20070604基金項(xiàng)目:總裝“十五”計(jì)劃預(yù)研項(xiàng)目和總裝“十一五”計(jì)劃預(yù)研項(xiàng)目資助作者簡(jiǎn)介:夏平均 (1978- , 講師, 博士, 研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí),CAD /CAM,s mall p ing_hityahoo . com. cn言, 由于具有品種多、批量小、裝配精度要求高、所需裝配資源類型多、裝配質(zhì)量難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn), 展開虛擬裝配技術(shù)的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。它

7、可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、避免或減少物理模型制作、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、降低成本, 提高裝配操作人員的培訓(xùn)速度、提高裝配質(zhì)量和效率, 解決難以用物理模型試驗(yàn)或檢驗(yàn)的技術(shù)問題。1大型復(fù)雜產(chǎn)品裝配的特點(diǎn)(1 裝配生產(chǎn)的組織形式。機(jī)械產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)主要有兩種組織形式:流水線模式和集成點(diǎn)模式。流水線模式是根據(jù)產(chǎn)品的安裝程序來建立裝配生產(chǎn)線, 在流水線的不同工位, 安裝事先規(guī)定的零部件, 直到整個(gè)產(chǎn)品裝完為止。這種方式主要適合批量生產(chǎn)的產(chǎn)品, 如汽車生產(chǎn)線等。集成點(diǎn)模式是將產(chǎn)品第8期夏平均等:面向大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬裝配技術(shù)研究1001相對(duì)固定在一個(gè)裝配區(qū)域, 將零部件在該固定裝配區(qū)內(nèi)按工藝規(guī)定的程序分別安裝

8、在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上, 最終形成整個(gè)產(chǎn)品。對(duì)于飛機(jī)、火箭和衛(wèi)星等大型復(fù)雜產(chǎn)品而言, 由于具有種類多、批量小等特點(diǎn), 裝配過程主要采用手工作業(yè), 機(jī)械化和自動(dòng)化程度較低, 因此主要采用集成點(diǎn)模式。(2 人的參與程度。大型復(fù)雜產(chǎn)品裝配時(shí)產(chǎn)品是固定不動(dòng)的, 需要操作人員不停地來回活動(dòng), 從而將零件裝配到產(chǎn)品上。尤其對(duì)于衛(wèi)星、飛機(jī)等產(chǎn)品而言, 裝配人員常常需要進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部操作, 裝配的空間有限, 操作難度較大。因此, 裝配過程需要充分考慮人的操作效率、疲勞程度和安全性等人機(jī)功效因素。(3 裝配工藝的優(yōu)化?，F(xiàn)有的裝配工藝主要依靠有經(jīng)驗(yàn)的裝配工程師手工編排, 因此不可避免地存在設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)效率低、優(yōu)化程度低、

9、一致性差等問題。尤其針對(duì)大型復(fù)雜產(chǎn)品而言, 裝配工藝流程的優(yōu)化具有重要意義。方案除了技術(shù)上可行外, 裝配要求之外, , 具有良好的可操作性, 避免裝配過程中出現(xiàn)質(zhì)量差錯(cuò)和不安全因素, 從而縮短裝配周期, 降低裝配成本。(4 裝配人員培訓(xùn)和示教。目前在企業(yè)的裝配生產(chǎn)車間, 指導(dǎo)工人實(shí)際操作的仍然是二維圖紙和工藝文件。裝配人員首先需要對(duì)二維圖紙進(jìn)行消化, 想象出零件的三維模型, 然后分析總裝圖紙, 理解三維裝配空間。這種模式容易引起工人對(duì)工藝?yán)斫獾钠? 導(dǎo)致裝配過程中錯(cuò)裝、漏裝、重裝等現(xiàn)象的發(fā)生, 降低了裝配質(zhì)量和效率。尤其對(duì)于大型復(fù)雜產(chǎn)品而言, 裝配操作需要一定的技能和經(jīng)驗(yàn), 而裝配人員熟練掌

10、握這些技能和經(jīng)驗(yàn)需要一個(gè)長期的過程, 目前還缺乏有效的培訓(xùn)和示教手段。2面向大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究211考慮人體活動(dòng)的新型虛擬環(huán)境技術(shù)大距離行走和自由活動(dòng)。以上幾種虛擬裝配系統(tǒng)存在的共同問題是操作人員或者被限制在原地不動(dòng), 或者只能在有限的空間內(nèi)活動(dòng), 不能考慮裝配過程中人的充分參與, 特別是在大型復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星等 的裝配過程中, 裝配人員需要來回活動(dòng)才能完成裝配操作, 因此制約了虛擬裝配技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)上述問題, 我們?cè)O(shè)計(jì)了一種充分考慮裝配人員操作的新型虛擬環(huán)境平臺(tái), 如圖1所示。主要包括4部分:虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)、自由行走系統(tǒng)、投影顯示系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)

11、等。在該系統(tǒng)中, 操作者的裝配活動(dòng)通過專門裝置自由行走機(jī)構(gòu)來完成, 采用球冠形顯示屏作為顯示裝置。操作者佩戴立體眼鏡觀察立體圖像, 頭部、手部及與雙腳分別, 并且佩戴數(shù)操作者在自由行走, 模擬實(shí)際裝。虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng), 并投影到球冠形顯示屏上, 從而具有較好的沉浸感。該系統(tǒng)能夠突破空間位置的限制, 將操作者的實(shí)際裝配活動(dòng)與虛擬環(huán)境的人機(jī)交互結(jié)合起來, 能滿足大型產(chǎn)品裝3 配過程中需要操作人員充分參與的要求。圖1考慮人體活動(dòng)的新型虛擬裝配環(huán)境212CAD 系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成技術(shù)不同的虛擬裝配系統(tǒng), 根據(jù)應(yīng)用需求的不同, 對(duì)CAD 模型的信息需求是不相同的, 但總的說來, 如目前的虛擬裝

12、配環(huán)境可分為如下幾種:桌面式、頭盔式和CAVE 式。桌面式系統(tǒng)的成本雖然比較低, 但沉浸感比較差。頭盔式系統(tǒng)的沉浸感雖然比較強(qiáng), 但存在著分辨率低, 長時(shí)間易疲勞等問題。CAVE 系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了大視角、全景、立體且支持多人共享的一個(gè)虛擬環(huán)境, 但其價(jià)格昂貴、要求更大的空間和更多的硬件設(shè)備, 同時(shí)參與者仍被限制在一個(gè)有限的狹小空間內(nèi), 受現(xiàn)實(shí)世界中墻的限制, 不能下3類信息是必需的:(1 幾何信息。主要用于虛擬環(huán)境中零部件幾何外形的顯示, 構(gòu)造虛擬場(chǎng)景;(2 拓?fù)湫畔ⅰＶ饕糜趯?duì)虛擬環(huán)境中零件點(diǎn)、線、面、體之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行重構(gòu), 以便進(jìn)行裝配分析和設(shè)計(jì)。(3 裝配信息。主要包括產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)樹信

13、息和裝配約束關(guān)系信息, 以保證虛擬環(huán)境中的單個(gè)零部件能組裝成滿足要求的產(chǎn)品。1002機(jī)械科學(xué)與技術(shù)4第27卷針對(duì)上述3類信息, 采用信息分解的方法, 將CAD 系統(tǒng)的信息分解為幾何信息、拓?fù)湫畔⒑脱b配信息, 然后通過不同途徑將它們分別提取出來, 轉(zhuǎn)換到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境, 實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)集成。圖2為信息分解轉(zhuǎn)換的總體流程。通過CAD 系統(tǒng)輸出的VR ML 或ST L 文件對(duì)模型表面進(jìn)行三角面片劃分, 利用CAD 二次開發(fā)函數(shù)提取每個(gè)面片的顏色、紋理與材質(zhì)信息以及組成該面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)與法失向量, 將這些信息重新組織之后寫入虛擬現(xiàn)實(shí)文檔NFF (與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件WorldT oolKit 能直接應(yīng)用的

14、中性文件 , 實(shí)現(xiàn)幾何信息的轉(zhuǎn)換。通過建立層次映射結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拓?fù)湫畔⒌霓D(zhuǎn)換, 對(duì)虛擬裝配中的每個(gè)零件對(duì)象分為零件層、裝配特征層、幾何面層和面片層進(jìn)行表達(dá), 零件由若干裝配特征組成, 每個(gè)裝配特征包含一系列幾何面, 每個(gè)幾何面對(duì)應(yīng)許多三角面片。每個(gè)零件對(duì)象、裝配特征對(duì)象、幾何面對(duì)象和三角面片對(duì)象都通過唯一的I D 編號(hào)來識(shí)別, 在虛擬裝配過程中的每個(gè)三角面片, 幾何面, 零件。束信息, 產(chǎn)品, 通過在虛擬環(huán)境中構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹實(shí)現(xiàn)零部件的組織和管理, 通過讀取CAD 底層數(shù)據(jù)庫提取所有的裝配約束信息, 包括配合約束類型、配合長度、配合公差, 以及兩配合幾何面的名稱、類型(平面、圓柱面、球面等 、編號(hào)

15、等。幾何信息、拓?fù)湫畔⒑脱b配信息并不是孤立存在的, 它們緊密聯(lián)系在一起形成有機(jī)的整體, 從而支持虛擬環(huán)境下交互式裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià) 。213復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝的生成與優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃可通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn):自動(dòng)化途徑和交互式途徑, 兩者都存在缺陷。自動(dòng)化途徑只能依靠產(chǎn)品的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行推理, 不可避免地存在自身難以克服的缺陷計(jì)算效率低且實(shí)用性差。一方面, 由于裝配順序解空間隨著零件數(shù)量成指數(shù)增長, 容易產(chǎn)生組合爆炸問題, 導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜性高, 效率低下; 另一方面, 由于自動(dòng)裝配規(guī)劃缺乏考慮裝配過程因素和操作因素, 評(píng)價(jià)因素過窄, 導(dǎo)致生成的裝配序列在實(shí)際生產(chǎn)中很難應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為產(chǎn)品的裝

16、配工藝規(guī)劃提供了新的交互式途徑, 虛擬環(huán)境中, 借助于輸入輸出設(shè)備, 裝配人員充分發(fā)揮已有的裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí), 人機(jī)交互式地進(jìn)行裝配操作, 記錄產(chǎn)品的裝配順序。但是, , 具有。因?yàn)槿? 。, , 也不太可能準(zhǔn)確地判定當(dāng)前裝配過程的優(yōu)劣, 生成的裝配規(guī)劃結(jié)果具有不穩(wěn)定性。尤其對(duì)大型復(fù)雜產(chǎn)品而言, 由于裝配工藝本身的復(fù)雜性, 采用交互式途徑獲得的只能是可行的裝配工藝, 而不一定是最優(yōu)的裝配工藝。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿生學(xué)中的蟻群算法結(jié)合起來, 提出了智能裝配規(guī)劃和交互式裝配評(píng)價(jià)相5結(jié)合的新方法, 其基本思想是:一方面利用蟻群算法的智能性, 充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì), 直接推理出次優(yōu)或接近最優(yōu)的裝配順序

17、; 另一方面利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的直觀性, 充分發(fā)揮裝配人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí), 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式裝配規(guī)劃和仿真, 從而對(duì)智能算法得到的初始優(yōu)化的裝配順序進(jìn)行進(jìn)一步分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化, 直到得到產(chǎn)品的最佳裝配工藝方案。復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝生成及其優(yōu)化的總體流程如圖3所示。首先實(shí)現(xiàn)CAD 系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換, 建立基于幾何約束的虛擬裝配環(huán)境。在對(duì)零件之間的裝配優(yōu)先約束關(guān)系進(jìn)行有效表達(dá)的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用蟻群算法規(guī)劃出初始優(yōu)化的裝配順序, 再在虛擬環(huán)境下交互式規(guī)劃、仿真和評(píng)價(jià)該初始優(yōu)化的裝配順序, 考慮工裝工具和操作空間等因素, 不斷生成新的優(yōu)先約束和評(píng)價(jià)規(guī)則, 重新應(yīng)用蟻群算法規(guī)劃出更優(yōu)的裝配順序, 再

18、進(jìn)行虛擬裝配仿真和評(píng)價(jià), 不斷反復(fù)和完善, 最終得到一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用的最佳裝配工藝方案為止。對(duì)于大型復(fù)雜產(chǎn)品而言, 組成零部件多, 裝配規(guī)圖2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程第8期夏平均等:面向大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬裝配技術(shù)研究1003模較大, 直接應(yīng)用蟻群算法求解優(yōu)化裝配順序時(shí), 算法運(yùn)行時(shí)間長, 系統(tǒng)求解能力受到限制。為了滿足實(shí)際需要, 減少目標(biāo)對(duì)象和求解空間, 提高算法的實(shí)用性, 采用層次式規(guī)劃的思想, 根據(jù)層次關(guān)聯(lián)圖從上而下逐層進(jìn)行裝配規(guī)劃。在進(jìn)行上層裝配規(guī)劃時(shí), 該層中的所有子裝配體和零件組, 都分別作為整體當(dāng)作單個(gè)零件來參與算法運(yùn)算。某一層裝配規(guī)劃完后, 對(duì)該層中的復(fù)雜子裝配體, 根據(jù)下一層的分解圖,

19、 把該子裝配體當(dāng)作獨(dú)立產(chǎn)品, 運(yùn)用上述途徑重新進(jìn)行裝配規(guī)劃, 如此類推, 直到到達(dá)最下一層為止。最后, 綜合各子裝配體的裝配順序, 得到整個(gè)產(chǎn)品完整的裝配順序 。的填寫, 在工藝信息表達(dá)上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 開放性不好, 不易與其它系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)交換, 缺乏有效的工藝卡片定制工具, 因此在實(shí)際應(yīng)用中存在很多問6題。本文采用基于X ML 技術(shù)的工藝文件生成方法, 能實(shí)現(xiàn)工藝卡片內(nèi)容和形式相分離, 能進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)之間的工藝信息集成和交換, 能實(shí)現(xiàn)工藝文件的動(dòng)態(tài)生成、網(wǎng)上瀏覽、信息查詢和網(wǎng)上審簽?；赬 ML 和W eb 的裝配工藝文件生成過程如圖4所示, 裝配工藝數(shù)據(jù)來自于虛擬裝配過程中產(chǎn)生的工藝數(shù)

20、據(jù)和結(jié)果信息, 由虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)產(chǎn)生并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)從數(shù)據(jù)庫中取出的工藝數(shù)據(jù), 按照裝配工藝數(shù)據(jù)的X ML 描述語法動(dòng)態(tài)生成一個(gè)有效(合乎文檔類型定義 的X ML 文件, 然后與工藝卡片對(duì)應(yīng)的XS L 樣式文件綁定, 返回給W eb 瀏覽器, 從而生成基于W eb 。W 模式/, 工藝設(shè)計(jì)人員、裝配路徑以及特, 并與相關(guān)的工藝文檔進(jìn)行關(guān)聯(lián), 提交到工藝設(shè)計(jì)部門的數(shù)據(jù)服務(wù)器上。裝配工人通過安裝在裝配現(xiàn)場(chǎng)的客戶端, 利用局域網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器, 瀏覽和播放所需的裝配工藝文檔和裝配過程動(dòng)畫, 幫助現(xiàn)場(chǎng)操作人員迅速、準(zhǔn)確地了解產(chǎn)品的裝配過程, 顯著地提高了產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率, 裝配現(xiàn)場(chǎng)W eb

21、示教的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示 。圖3裝配工藝規(guī)劃的總體流程214 工藝文檔的生成與培訓(xùn)示教圖5虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3應(yīng)用實(shí)例圖4基于X ML 和W eb 的工藝卡片生成過程現(xiàn)有的裝配工藝文件編制主要偏重于二維卡片開發(fā)了面向大型復(fù)雜產(chǎn)品的集成虛擬裝配規(guī)劃及示教系統(tǒng), 并在某型號(hào)衛(wèi)星產(chǎn)品的裝配過程中得到了初步應(yīng)用。圖6是CAD 系統(tǒng)下建立的裝配模型, 圖7是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后生成的虛擬裝配場(chǎng)景, 圖8是虛擬環(huán)境下交互式裝配規(guī)劃的場(chǎng)景圖, 圖9是根據(jù)虛擬裝配規(guī)劃結(jié)果生成的裝配工藝規(guī)程, 圖10是裝配現(xiàn)場(chǎng)W eb 示教的界面。1004機(jī)械科學(xué)與技術(shù)第27 卷圖10裝配現(xiàn)場(chǎng)W eb 示教界面4結(jié)論與展望(1 , , , 必須在, 以。(2 考慮加工和使用環(huán)境的裝配建模。目前的虛擬裝配系統(tǒng)都以理想的零件模型為基礎(chǔ), 沒有考慮具體的加工和裝配環(huán)境對(duì)零件形狀精度和尺寸誤差的影響, 導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)出來的零件裝配不上或裝配性能不滿足要求。(3 人機(jī)功效的分析和評(píng)價(jià)。人是產(chǎn)品裝配/拆卸過程中的重要因素, 在建立的新型虛擬環(huán)境平臺(tái)的基礎(chǔ)上, 分析和評(píng)價(jià)裝配過程中的人機(jī)因素, 包括操作時(shí)間、操作效率、安全性、可靠性和疲勞度等。參考文獻(xiàn)