電纜虛擬裝配的關鍵技術及其發(fā)展

1、2010年第29卷5月第5期機械科學與技術M echanical Science and T echno l ogy for A erospace Eng ineer i ng M ay 2010V o. l 29N o . 5電纜虛擬裝配的關鍵技術及其發(fā)展原 彬, 熊 偉, 王祖溫(大連海事大學交通與物流工程學院, 大連 116026原 彬摘 要:電纜的裝配質量是影響產(chǎn)品質量的重要因素之一。對電纜裝配過程進行基于虛擬現(xiàn)實的仿真, 可以減少電纜實際裝配過程中錯裝、漏裝等現(xiàn)象的發(fā)生, 縮短產(chǎn)品裝配周期、降低裝配成本、提高裝配質量及效率。筆者對電纜虛擬裝配關鍵技術即電纜布線, 裝配對象與裝配環(huán)境之

2、間的碰撞干涉檢驗、電纜的幾何形狀仿真、虛擬裝配過程的評估及驗證、裝配工藝規(guī)劃的現(xiàn)狀進行了綜述, 并在此基礎上對電纜虛擬裝配技術的發(fā)展趨勢做了進一步探討。關 鍵 詞:虛擬裝配; 電纜; 裝配過程; 虛擬現(xiàn)實中圖分類號:TP391 9 文獻標識碼:A 文章編號:1003 8728(2010 05 0695 06A Revie w of t he Key Techni ques of Virt ual Asse m bl y for Cable HarnessY uan B i n , X i ong W e, i W ang Zu w en(Co ll ege o f T ranspo rtati

3、 on &Log istics Eng i nee ri ng , Da li anM a riti m e U n i ve rs i ty , D a lian , 116026Abst ract :The asse m bly qua lity of cab l e harness is one o f the i m portant factors wh ich dec i d e the qua lity of produc. t A sse m b ling the cable harness in virtual env ironm entw ill reduce t h e p

4、r obab ility o f i m proper asse m bly or o m ission o f cable . It is of great si g nificance to produce quality parts m ore qu ickly and econo m ica lly . The key techno log ies o f v irtual asse m bly for cable harness i n clude the route p lanning , collisi o n detection , shape si m ulati o n ,

5、 evaluati o n o f asse m bly process , and plann i n g of asse mb l y tec hno l o g ies . The statusquo of t h ese key technolog i e s is i n troduced i n detai, l and the ir advantage and current li m itati o ns are discussed asw e l. l The developi n g trend o f virtual asse m bly for cab le harne

6、ss is presented. K ey w ords :v irtual asse m bly ; cab le harness ; asse m bly process ; v irt u a l rea lity 無論是在航空工業(yè)、汽車工業(yè), 還是家電行業(yè)中, 電纜都是機電系統(tǒng)中至關重要的一部分; 也是費用最高的零部件之一1線。存在布線效率較低, 設計成本高, 開發(fā)周期長的缺點, 同時不易對電纜布局進行總體規(guī)劃。對電纜進行虛擬裝配可以減少物理模型制作、縮短裝配周期、降低裝配成本, 提高裝配操作人員的培訓速度、提高裝配質量及效率。筆者對國內(nèi)外電纜虛擬裝配的研究現(xiàn)狀進行了介紹, 對涉及到的

7、關鍵技術的特點進行了分析, 并在此基礎上探討了電纜虛擬裝配技術的發(fā)展趨勢。1 電纜虛擬裝配的研究現(xiàn)狀虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實技術在制造領域的典型應用。從上世紀90年代開始, 隨著計算機硬件技術的發(fā)展, 虛擬裝配得到越來越廣泛的重視。研究對象也從熟悉的剛性物體逐漸擴展到電纜、64, 5。電纜的設計與裝配質量是影響整個產(chǎn)品質量的重要因素。由于電纜種類繁多, 形態(tài)復雜, 可裝配空間小, 因此在實際的裝配過程中極易造成錯裝、漏裝、布局不合理或者發(fā)生干涉現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計, 電纜類零件的故障率占到總故障率的20%左右。目前常用的電纜安裝設計方法有模裝法和模板法32。這兩種方法都屬于串行設計方法, 手工布收稿日期:2

8、009-05-21作者簡介:原 彬(1978-, 博士研究生, 研究方向為數(shù)字化設計與制造、虛擬現(xiàn)實技術與應用, yjoy-213si n a . co m. cn ; 王 , , w l m cn14, 15年為波音公司工作的過程中, 使用增強現(xiàn)實技術仿真電纜的裝配過程, 首次提出了將虛擬現(xiàn)實環(huán)境與電纜布線相結合的思想, 并驗證了該方法的可行性。Conru 和Cutkosty 也針對航空工業(yè)中存在的電纜設計的問題, 展開了虛擬裝配的研究。他們采用并行工程的方法, 構建出一個多用戶系統(tǒng), 用于電纜設計者的協(xié)同設計, 實時顯示電纜布線效果并比較多種方案的不同。R itch i e 等使用W or

9、ldTool K it(WTK 軟件開發(fā)了一個虛擬環(huán)境下實時電纜裝配系統(tǒng)COSTAR, 通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等虛擬設備進行人機交互, 實現(xiàn)了虛擬環(huán)境下的電纜裝配。國內(nèi)對電纜裝配仿真的研究起步較晚。目前, 只有北京理工大學和中國物理研究院有相關的文章發(fā)表。北京理工大學根據(jù)虛擬環(huán)境的特點, 提出了線纜離散控制點建模技術, 開發(fā)了VAPP 系統(tǒng)進行2, 9, 10電纜建模和虛擬裝配的研究。物理研究院開發(fā)了基于虛擬樣機的電纜布線系統(tǒng)11, 1287基于人工智能的電纜自動化布線方法。研究人員首先將布線環(huán)境劃分成許多網(wǎng)格, 使用三維稀疏圖來表達電纜可通過的自由網(wǎng)格, 將自由網(wǎng)格用點代替, 得到電纜的拓

10、撲結構圖。在此基礎上以電纜成本作為目標函數(shù), 通過遺傳算法求解, 尋找電纜的最優(yōu)路徑。算法中的目標函數(shù)為#bund lsco s t =f i (nW b i *g i (Lb i i=1式中:nW b i 為第i 個線束中的電線數(shù)目; Lb i 為第i 個線束的長度; f i 為第i 個線束的單位成本; g i 為第i 個線束調整后的長度。雖然使用人工智能的方法進行電纜的路徑規(guī)劃, 在實現(xiàn)計算機自動布線, 縮短布線時間, 節(jié)省勞動成本這方面取得了一定效果, 但是大部分學者仍然認為使用A I 人工智能來進行自動或者半自動的電纜布線, 不能夠取得成功。其主要的原因在于:(1 電纜設計是一個開放性

11、很強的過程, 計算機本身難以捕捉操作者的操作意圖。(2 電纜裝配中經(jīng)常會出現(xiàn)交叉裝配等復雜情況, 裝配過程依賴大量的實際裝配經(jīng)驗, 而這些裝配經(jīng)驗很難用公式進行表達。(3 隨著電纜數(shù)量的增加, 可裝配序列也同時爆炸性增多。人工智能的方法可以為單個電纜裝配尋找最優(yōu)路徑, 但是卻缺乏從整體布局上的考慮。因此, 目前更多的研究方法集中在使用有效的人機交互手段確定電纜的路徑。8, 并對包含柔性 剛性部件的復雜裝配系統(tǒng)的裝配方法進行了研究。線纜裝配是一個非常復雜的環(huán)節(jié)。目前電纜虛擬裝配的研究尚處在初級階段, 有許多的關鍵技術仍然需要進一步的研究。2 關鍵技術研究電纜虛擬裝配過程中所涉及到的關鍵技術包括電

12、纜布線, 裝配過程中電纜與其它零部件之間的碰撞干涉檢驗, 電纜的幾何模型仿真, 電纜的裝配工藝規(guī)劃, 以及虛擬裝配過程的評估與驗證。2 1 電纜布線電纜布線是指按照電氣連接圖的要求, 對裝配電纜進行路徑規(guī)劃, 包括電纜走向、卡箍的位置分布等。同時還要考慮如通風散熱、電磁耦合、塑性變形等約束條件。因此想要在復雜的、有限的空間中為一束電纜設計有效、令人滿意的路徑是非常困難的一件事。目前, 電纜布線的方法主要包括人工智能布線和人機交互布線兩種方法。人工智能布線是依靠優(yōu)化算法為電纜尋找最優(yōu)的空間位置, 使其走向合理, 長度最短, 固定可靠, 檢測方便。在這一點上, 電纜布線與管道路徑規(guī)劃是相似的。19

13、91年, Zhu D 首次進行了管線路徑規(guī)劃的研究。他將可彎曲管線的路徑看作機器人在二維或三維空間中的運動軌跡。將機器人路徑規(guī)劃中的空間分解法應用到管線設計中, 進行管路系統(tǒng)布 , 13圖1 R itch i e 的虛擬裝配環(huán)境R itch ie 使用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等虛擬設備作為硬件支持, 選擇W TK 為開發(fā)軟8, 16系統(tǒng)COSTAR 。該系統(tǒng)允許操作人員使用數(shù)好地滿足虛擬系統(tǒng)實時性的要求。2 3 幾何形狀仿真變形物體的仿真開始于上世紀90年代, 最初應用于粒子系統(tǒng)的計算機仿真, 之后擴展到對布匹、織物及肌肉柔性體的變形仿真。在研究初期, 人們大多采用樣條曲線, 如B 樣

14、條、NURBS 曲線等建立物體的幾何模型, 描述物體的形態(tài), 如打結, 纏繞等26據(jù)手套對電纜進行選擇、抓取、移動, 并可以使用點到點! 或者 起點與方向! 的方法進行電纜的虛擬裝配。COSTAR 虛擬裝配系統(tǒng)的工作環(huán)境如圖1所示。北京理工大學數(shù)字化設計與制造實驗室提出了基于離散控制點技術的電纜裝配系統(tǒng)VAPP2, 9, 10。用戶可以通過人機交互的方式預先輸入包括截面形狀、控制點個數(shù)、顏色、控制點間距等電纜信息, 系統(tǒng)按照輸入信息創(chuàng)建電纜模型。然后在虛擬環(huán)境中通過拾取控制點、修改控制點的三維坐標來完成布線操作。與人工智能布線相比, 基于虛擬設備的人機交互布線能夠更有效和準確地解決實際裝配中的

15、實際困難。但是也必須看到, 大多數(shù)的電纜布線研究在進行路徑規(guī)劃時沒有考慮電纜與其它零部件之間交叉裝配的影響, 忽略了面向裝配過程的仿真。2 2 碰撞干涉檢驗碰撞干涉檢驗是任何虛擬裝配系統(tǒng)都要面對并解決的一個關鍵問題。碰撞檢測算法的精確度及效率影響著整個虛擬裝配系統(tǒng)的逼真程度。電纜是柔性體, 在裝配過程中電纜沿著指定的裝配路徑展開, 通過改變自身形態(tài)來避開障礙物。因此, 電纜虛擬裝配中, 碰撞干涉檢驗的主要目的是通過碰撞檢驗建立規(guī)避機制, 保證電纜路徑的可行性。在碰撞干涉檢驗算法中, 電纜或者電纜的局部均被看作是剛性物體來進行計算。目前常用的碰撞干涉檢驗算法1719有空間分解法和層次包圍盒法。空

16、間分解法是將整個虛擬空間劃分成相等體積的小單元立方體, 只對占據(jù)了同一單元立方體的幾何對象進行碰撞檢測, 比較有代表性的算法有k d 樹20。這些模型計算方法簡單, 容易實現(xiàn), 但缺點是不能反應物體受力作用的形態(tài)變化。近年來, 基于物理的建模技術被逐漸應用到電纜的幾何形狀仿真中?；谖锢淼慕＜夹g是將電纜看作具有質量, 有彈性的連續(xù)彈性物體, 在外力及邊界約束作用下進行變形, 變形過程服從物理定律。該方法依據(jù)力學原理建立物體的運動學方程, 采用數(shù)值方法對方程求解, 最終模擬到電纜變形的平衡狀態(tài)。電纜基于物理屬性的模型主要包括質點 彈簧系統(tǒng)和有限元模型。質點 彈簧系統(tǒng)的基本原理是將曲面離散為一系

17、列沒有體積的質點(也稱粒子, 質點之間通過一系列沒有質量, 長度不為零的彈簧來連接。采用牛頓力學定理建立質點的運動方程, 通過求解微分方程模擬電纜的動態(tài)變形。A. Loock 和E . Sch m er 將質點 彈簧系統(tǒng)進行了改進, 首先定義連接相鄰質點的彈簧為線性彈簧, 用來計算質點在拉伸過程中所受到的彈性張力。同時用相鄰兩個彈簧的夾角 定義一個扭曲彈簧, 用來仿真電纜的彎曲剛度大小。如圖2所示。他們采用隱式歐拉和共軛梯度法進行數(shù)值解析, 并得到電纜受力后的平衡狀態(tài)。27、八叉樹21、BSP 樹22等; 層次包圍盒法是通圖2 Loo ck 的質點 彈簧模型過使用體積略大但幾何特性簡單的包圍盒

18、來近似描述復雜的幾何對象, 通過對包圍盒間的相交測試來進行幾何對象的碰撞檢測, 這種方法比較典型的例子有軸向層次包圍盒AABB2423, 方向層次包圍盒OBB 等。北京理工大學的研究人員在進行電纜虛擬裝配研究時將電纜看作是 細長型! 零件, 為了減少包圍體的邊角空隙, 選擇使用OBB 層次包圍盒進行碰撞檢測計算。同時提出了面向虛擬裝配的分層精確碰撞檢測算法, 以電纜控制點為參考對電纜進行分層細分, 縮短了計算時間。然而由于電纜的裝配空間通常都比較復雜, 包含的零件體積相對較小、數(shù) H er genro t h er 使用的質點 彈簧系統(tǒng), 在各個2825圖3 H ergenro ther 的質

19、點 彈簧系統(tǒng)698機械科學與技術表1 各仿真方法的比較建模方法樣條曲線質點彈簧有限元法逆運動學法復雜程度+反映物理特性否是是否仿真精度+第29卷勢能。模型如圖3所示。計算方法為:固定電纜的起止點, 將彈簧進行偶數(shù)分段, 計算當彈簧的中間點位于某一位置時, 系統(tǒng)中質點的勢能和彈簧的彈性勢能。計算時他將電纜進行分段設計, 分別仿真每個分段電纜的變形后, 再進行合并。按照能量最小的原則, 確定彈簧的位置。有限元法將電纜離散為網(wǎng)格, 用插值函數(shù)描述每個網(wǎng)格內(nèi)的變形和應力, 計算出結點處的應力或者變形。有限元方法可以避免發(fā)散級數(shù)的出現(xiàn)。而且相比于質點 彈簧方法, 該方法可以將電纜重量、剛度等物理屬性計算

20、的更加精確。但是有限元法需要離散的網(wǎng)格數(shù)目較大, 計算時間量大, 不能滿足虛擬環(huán)境良好的實時性的要求。除了基于物理屬性的仿真, 另一個被使用的幾何建模方法是逆運動學法。逆運動學問題是機器人關節(jié)控制中研究的主要問題。它根據(jù)機器人末端需要達到的位置和姿態(tài), 反求機械人各關節(jié)的關節(jié)變量。求解方法有主要有代數(shù)法、幾何法和數(shù)值法。魏發(fā)遠使用該方法進行了電纜幾何形狀仿真, 將每束要安裝的電纜看作一個 蛇形機器人! , 利用D H 算法解出個關節(jié)點的最終位置, 如圖4所示。逆運動學方法具有非常好的收斂性, 適合于在線計算。缺點是由于沒有考慮到電纜的受力, 因此仿真結果 與真實情況有一定的偏差。1229應用情

21、況+2 4 裝配工藝信息虛擬裝配的目標之一是進行裝配規(guī)劃, 獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝信息, 用于指導生產(chǎn)。因此在虛擬環(huán)境中對電纜的裝配過程進行仿真, 并記錄電纜裝配的工藝信息, 包括電纜的裝配路徑、裝配順序、工裝夾具的操作信息、裝配工藝參數(shù)等工藝信息, 對實際裝配具有指導意義。魏發(fā)遠等14認為電纜的安裝過程是拆卸的逆過程。因此首先對需要裝配的系統(tǒng)進行了拆卸, 得到包含拆裝對象、拆裝方法、拆裝步驟的拆裝序列。在此基礎上將該過程反向操作, 得到電纜的裝配工藝序列。這種 可拆即可裝! 的裝配方法, 在一定程度上能夠解決裝配工藝設計的問題。但是實際生產(chǎn)過程中, 裝配和拆卸可能不完全互逆。因此該方法所得

22、到的裝配工藝并不總能反映實際的裝配過程。只適用于零件模型少、裝配工藝簡單的裝配。這方面, 北京理工大學數(shù)字化設計與制造實驗12室進行了更多的研究。萬畢樂在對電纜的虛擬裝配過程中, 引入了裝配任務和布線任務的概念。一個裝配任務完成對一個零件的裝配工作, 包括抓取, 移動, 釋放等操作。布線任務實現(xiàn)對電纜零件的顯示屬性, 模型數(shù)據(jù), 電纜的位姿進行修改或調整。一個布線任務對應一個特定的電纜對象。在進行裝配時, 通過鏈表進行布線任務和裝配任務的管理, 完成裝配工藝規(guī)劃。同時考慮到工序簡圖、裝配工藝卡片和各種報表仍是生產(chǎn)組織中不可缺少的指導性文件, 系統(tǒng)對布線任務中包括的導線、接頭以及尼龍扎帶等輔助材

23、料進行統(tǒng)計, 輸出相應的材料清單, 生成工藝卡片。有效地指導了生產(chǎn)工作的進行。目前, 電纜虛擬裝配工藝規(guī)劃方面面臨的主要問題是缺乏裝配過程的智能引導和優(yōu)化。研究人員往往獲得的是可行的裝配順序, 而不一定是最優(yōu)的裝配順序。2 5 有效的評估與檢測裝配系統(tǒng)的評估和驗證主要包括面向設計的裝配驗證和面向裝配的裝配驗證。圖4 蛇形機器人! 模型這幾種模型相比較而言, 質點 彈簧模型的原理簡單明了, 無論是在建模還是在求解方法上都已形成成熟的理論, 影響模型求解速度和精確度的主要因素在于電纜分段的多少、數(shù)值方法的選擇和時間步長的選取。限制這一方法普遍應用的原因是在實際環(huán)境中, 電纜在特定環(huán)境中所受的約束力

24、形式都不盡相同, 如何給出合理的數(shù)學表達形式是未來研究的主要方向之一。表1是各仿真方法的比較。第5期原 彬等:電纜虛擬裝配的關鍵技術及其發(fā)展699證, 裝配結果正確性的驗證。電纜的虛擬裝配本身就是裝配過程的模擬, 因此在裝配過程中即可實現(xiàn)對可裝配性的驗證。裝配結果的正確性的評價指標之一是電纜長度的驗證。在實際裝配過程中, 電纜長度是影響裝配質量的重要因素。王峰軍在對電纜布線進行仿真之后, 使用空間積分的方法計算電纜的長度, 再與實際結果進行比較驗證。結果顯示在仿真的20條電纜中有3條與實際結果出入較大。通過分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)偏差的主要原因為沒有合理考慮電纜裝配中的裕量問題。作者雖未提出解決問題的方法

25、, 但是指出 在電纜路徑規(guī)劃方面的仿真, 還很難合理處理實際布線時的各種情況! 。面向裝配的驗證包括裝配過程中的人機工程學分析, 即裝配系統(tǒng)對實際裝配的指導作用。R it ch i e 挑選了10位男性工程師對所開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)進行試驗。通過對操作人員的工作時間進行分析, 指出如果操作人員使用計算機的經(jīng)驗太少, 則不能很好地使用該裝配系統(tǒng)模擬實際的電纜裝配過程。同時該試驗還對系統(tǒng)中設計的3種裝配仿真模式進行檢驗, 指出與實際最接近的裝配模式。對于裝配過程中的其他人機工程學的分析, 國外已經(jīng)有學者在剛性產(chǎn)品的虛擬裝配進行研究, 例如VRCI M 實驗室的人體姿勢的實時分析。但是關于電纜虛擬裝配

26、過程中的人機工程的分析目前還沒有。3 存在的不足及發(fā)展趨勢虛擬環(huán)境下的電纜裝配由于受到虛擬現(xiàn)實技術水平, 電纜數(shù)學模型建立、電纜布線約束條件等因素的影響, 仍然存在著不足和有待發(fā)展的地方。(1 改進電纜建模算法, 提高算法的精確度, 減少計算時間。實時性是虛擬仿真的一個顯著特點, 也是評價虛擬環(huán)境是否逼真的主要指標。而目前考慮了電纜物理屬性的仿真算法, 時間復雜度都較高, 因此使得仿真過程不能夠很好地滿足虛擬仿真實時性的特點。(2 優(yōu)化碰撞檢驗的方式使其適合更復雜的幾何環(huán)境。碰撞檢驗一直都是虛擬研究人員的主要研究內(nèi)容。碰撞檢驗算法的效率對虛擬裝配過程仿真效果有著至關重要的影響。由于虛擬環(huán)境中產(chǎn)

27、品模型的復雜程度不斷提高, 系統(tǒng)實時性、真實性和沉浸感的要求也不斷增強, 因此需要進一步提高碰撞檢測算法的效率。(3 考慮非彈性變形的影響。目前的電纜變形仿真還是只考慮電纜的彈性變形。而實際的電纜受830常出現(xiàn)非彈性變性。全面考慮電纜的受力狀態(tài), 給出最接近的數(shù)學模型將是下一個研究重點。(4 更加合理、完善的評估模式。雖然目前已經(jīng)有學者對于虛擬裝配對于實際生產(chǎn)的指導作用進行了評估、檢驗。但是這只是一個研究的初步階段。如何對虛擬裝配系統(tǒng)進行科學的評估并沒有統(tǒng)一的標準。因此有必要提出更加合理、完善的評估模式。(5 知識的提取與應用。電纜的裝配過程中經(jīng)驗起著非常重要的作用。在虛擬裝配環(huán)境中如何把這些

28、知識提取出來, 獲取裝配意圖, 指導裝配過程, 對裝配過程進行合理規(guī)劃, 這也是一個要解決的問題。參考文獻1 NG FM, R i tch ie JM, S i m mons J E L . The des i gn and p lanningof cab le h arness asse mb liesJ.Journa l ofM a terials P rocess i ng Technology , 2000, 107:37432 劉檢華, 萬畢樂, 寧汝新. 虛擬環(huán)境下基于離散控制點的線纜裝配規(guī)劃技術J.機械工程學報, 2006, 42(8:1251303 徐福祥. 衛(wèi)星工程概論M.宇

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35、大提高計算效率, 能直觀地看出功能隨機過程極值 的概率函數(shù)分布, 這反映出概率密度演化方法能更 加真實地反映機構運動中統(tǒng)計規(guī)律傳遞的過程。需 要注意的是, 利用差分方法進行概率密度演化的程 序復雜, 誤差不可避免, 選取不當?shù)牟罘指袷交蛘卟?正確的網(wǎng)格劃分形式甚至會造成錯誤的計算結果。 參考文獻 1 Zio E R eliab ility engineering: old problem s and new challenges . J . R eliability Engineering and System Safety 2009 94( 2 , , 2 3 4 孫志 禮, 李良巧. 實用

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