虚拟装配应用系统

虚拟装配应用系统（精选九篇）

虚拟装配应用系统 篇1

虚拟现实技术 (Virtual Reality, VR) 是以计算机技术为核心, 生成与一定范围真实环境高度相似的虚拟环境, 用户借助必要的装备与虚拟环境中的对象进行交互, 可以产生亲临对应真实环境的感受和体验[1,2]。虚拟手作为虚拟现实环境中的重要交互工具, 从20世纪80年代起一直受到了国内外许多学者的研究, 并取得了一些成果[3]。孙静静等[4]建立了虚拟手的几何和运动模型, 完成了人手到虚拟手的动作映射, 实现了虚拟手的动态控制。Chen W.F.等[5]提出了基于对偶四元数 (Dual quaternion) 的虚拟手模型, 采用双四元数混合 (dual quaternion blending) 伪肌肉层的虚拟手模型代替传统的线性混合 (linear blending) 和四元数混合 (quaternion blending) 虚拟手模型, 取得了良好的视觉/运动效果。孙立博等[6]提出了虚拟手的运动学建模以及虚拟手模型的驱动方法, 对数据手套和数据衣采集的数据进行动态校准, 建立了弹簧模型计算虚拟手和虚拟产品之间的交互作用力, 并给出了视觉力反馈。Takahiro Endo等[7,8]提出了一个具有防撞控制器的双手多指触觉交互系统 (bimanual HIRO) , 可以检测人手十个指尖的三个方向的力反馈。Han X X等[9]提出了基于虚拟手触觉交互的框架, 使用复杂的虚拟手模型重点研究了视觉现实、运动现实以及力量的感知。Liu X H等[10]建立了虚拟手的常用手势, 实现了虚拟维修系统中的抓取姿势管理。罗迎[11]定义了与待实现的操作命令相对应的手势集, 通过手势匹配实现了目标动作, 并在Quest3D漫游场景中进行了应用。

目前很少有文献研究虚拟现实技术在飞机装配中的应用。基于此, 本文建立了虚拟手的几何模型和运动模型, 实现了虚拟手在飞机虚拟装配中的交互式应用。针对飞机装配中的常用工种, 建立了虚拟手位姿知识库, 并运用到飞机虚拟装配中虚拟手的位姿库中。通过推理机, 实现了目标工种所需虚拟手位姿的快速查找, 然后驱动虚拟手完成目标工种的操作。

1 虚拟手建模

虚拟手交互是虚拟装配中实现高精度装配的重要途径。虚拟手模型的好坏, 将直接影响到操作的可靠性、方便性以及装配质量的好坏。

1.1 虚拟手的结构

人手结构比其它任何动物的器官结构都要复杂, 这也使其能够完成对物体的各种各样的复杂操作。

由解剖学的知识可知, 人手骨骼是由腕骨、掌骨和指骨共27块骨骼组成。要建立人手模型, 需要对骨骼进行简化。根据该简化模型, 采用层次结构的方法建立手的层次结构树, 如图1所示。

由图1知, 虚拟手由手掌和5个手指组成。其中大拇指由2个指骨组成, 分别是远指骨和近指骨;其余手指都有3个指骨, 分别是远指骨、中指骨和近指骨。相应地, 大拇指有2个关节, 分别是拇指指间关节 (TIJ) 、拇指指掌关节 (TMPJ) ;而其余四指有3个关节, 分别是指端关节 (DIJ) 、指间关节 (PIJ) 和指掌关节 (MPJ) 。指掌关节 (MPJ) 和拇指指掌关节 (TMPJ) 都有2个自由度 (DOF) , 指端关节 (DIJ) 、指间关节 (PIJ) 和拇指指间关节 (TIJ) 都有1个自由度, 加上手掌的2个自由度, 该手模型共有21个自由度。各个关节之间是有关系的, 关节之间的连接箭头表示关节之间父子关系, 箭头根部为父节点, 头部为子节点。父节点的运动状态传递给子节点, 而子节点的运动状态对父节点不产生影响。然后基于该结构, 采用3DS Max作为建模软件建立手的几何模型, 如图2所示。

1.2 运动映射

运动映射的本质是通过跟踪人手手指的运动来控制虚拟手手指的运动, 目的是让虚拟手实现类似人手的复杂和多样性的操作。运动映射包括位置映射和姿势映射, 前者通过3D跟踪器来控制虚拟手的平移、旋转等整体运动, 后者通过数据手套来控制手指的弯曲和伸展等变形。

1) 位置映射。本文借助磁跟踪的方式, 通过计算获得位置探头和发射源之间的位置关系来控制虚拟手在虚拟环境中的空间位置与旋转角度。在虚拟环境中的世界坐标系相对固定, 为绝对坐标系, 虚拟手要随动作和操作对象的不同不停地变换位置, 其上的局部坐标系为相对坐标系, 故要进行坐标转换。人手模型在空间运动时, 变换顺序一般先旋转变换再平移变换, 故运动的矩阵变换为:P′=TRP。其中, 齐次矩阵T为平移矩阵, 齐次矩阵R为绕坐标轴的旋转矩阵。T、R的表达式如式 (1) 所示:

其中α表示关节绕坐标旋转的角度。

2) 姿势映射。采用关节角映射的方法通过数据手套来控制虚拟手的姿势。人手可以做出多种姿势, 但有3种极限姿势, 该3种姿势也决定了人手相邻手指之间的夹角和各手指的关节角, 如表1~表3。当人手运动时, 虚拟手的关节角要符合以上范围。虚拟手的运动简化模型如图3所示。

手指关节的旋转角度可根据对应的传感器数据确定。理想情况下, 传感器数据与手指关节旋转角度θ成线性关系, 即:

式中:θ为手指弯曲角度值, rawmax和rawmin分别为对应数据手套的最大和最小输出值, rawval表示数据手套的实际输出值, Max表示每个手指的最大弯曲角度值。由于不能直接获取手指中关节和顶关节之间的弯曲数据, 因此需要根据根关节数据推断中关节和顶关节的近似弯曲度。按照手指弯曲的生理特征, 当前关节弯曲度取前一关节的2/3[12]。

2 虚拟手知识库

2.1 知识库内容

在虚拟飞机装配环境中, 虚拟零件的抓取与在现实环境中的抓取是一样的。为了实现对各种形状飞机零件的精确抓取, 根据现实飞机零件的形状抽象出了3种基本形状, 分别是立方体、球形、圆柱体[13]。复杂的形状可以是这3种基本形状的组合。基于基本形状和虚拟装配任务, 定义了相应的抓取姿势, 如表4所示。

通过这几种姿势的单独使用或组合使用, 可以完成飞机虚拟装配中的各种任务。

飞机装配的工种有铆接、螺栓连接、胶接和焊接等, 针对这些工种定义了握、铆接握、捏、抓和释放等手势。在操作每一个工种时, 根据知识前提条件, 通过推理机的推理, 得到目标工种的位姿。手势的添加是动态的, 可以随时根据飞机装配任务需求定义新的手势, 即知识库的可维护性。虚拟手知识库如图4所示。

2.2 知识表达

知识的表示方法有产生式规则表示法、框架表示法、语义网络表示法、谓词逻辑表示法和面向对象表示法[14]。本文采用面向对象表示法对飞机虚拟装配虚拟手选择知识进行表示。每条知识都是一个对象实例, 成为能够处理的一种数据结构。根据虚拟手选择知识的表现形式, 可把虚拟手选择知识描述如下:虚拟手选择知识={ID, 前提条件, 结论}。而前提条件={工艺种类, 材料, …, 工具};结论={关节角, 指间角…}。运用上述对象描述方法, 可建立面向对象的虚拟手位姿对象模型, 如图5所示。

飞机虚拟装配中虚拟手选择知识基类CHandposition以及继承于它的位姿握类Hold Handposition的C++伪代码如图6。

2.3 推理机

本文的推理过程采用基于知识检索策略[15], 即根据目标工种, 利用知识库中的知识, 采用某种推理策略得到完成目标工种所需手的位姿。如图7所示, 首先判断属性“工种”的匹配度, 当超过预先设定的阀值时, 再继续计算其它属性的匹配度, 最后结合各属性的权值计算总匹配度。当总匹配度超过其阀值时, 则输出所求工种的位姿。根据该位姿所对应的关节角、指间角等, 驱动虚拟手完成目标工种的操作任务。

虚拟手位姿知识的推理是一种不确定推理。知识的相似度量是推理过程中的最主要工作。在相似度量过程中, 往往以不同的权重 (值) 来反映该属性对匹配结果的影响作用。知识属性权值的确定有Delphi法、层次分析法等, 本文采用层次分析法。首先比较两两知识属性的重要程度, 其结果记为μij, 表示第i个属性相对第j个属性的重要程度, 取值为1~9及其倒数。根据该比较结果构造初始矩阵A=[μij]n×n, 且有μji=1/μij。根据初始矩阵, 采用式 (3) 计算出每个属性的权重wi。

则虚拟手位姿求解的总相似度为:

式中:R为总相似度;Simi为各属性的相似度;wi为各属性的权重系数。

根据各属性类型及内容, 分为数字型和概念型属性两类。在进行属性的相似度计算时, 采用如下两种方法。

1) 数值类型属性。

式中:S为虚拟手知识库中属性值;o为目标问题中的属性值;Sim () 表示相似度。如预紧力相似度的计算。

2) 概念型属性。材料等概念类型属性采用矩阵或二维表的形式表示相互间的相似度, 如表5所示。

3 系统实现

3.1 系统框架

如图8所示, 本文的系统分为4层, 分别是用户层、虚拟设备层、交互层和数据库层。4个部分相互作用, 共同完成飞机虚拟装配任务。当人手在真实环境中移动时, 通过数据手套和三维跟踪器捕获的数据会驱动虚拟手移动。针对具体的飞机装配任务, 根据虚拟手选择知识前提条件, 推理出匹配位姿, 进而驱动虚拟手完成目标虚拟装配任务。

3.2 系统实例

某飞机整流罩装配过程中, 通过虚拟手实现钻孔的过程如图9和图10所示。

4 结语

虚拟装配应用系统 篇2

【摘 要】虚拟装配技术是一种全新的设计概念。它可有效支持自顶向下的并行产品设计以及与Master Model相关的可制造性设计和可装配性设计，以缩短产品开发周期。本文在分析了虚拟装配技术基本思想后，提出了在某型焊接小车设计中实施虚拟装配技术应用的基础环境以及具体的实施方法和途径。

【关键词】 虚拟装配 主模型 并行设计 引言

近年来，世界机械制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务成为每一个现代企业必须面对的问题。近20年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代化企业生存、发展的必由之路。同时，先进的产品研制方法、手段以及实施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。以波音公司为例，在数字化代表产品--波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与集成产品开发团队IPT（Integrated Product Development Team）（238个Team）的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。研制周期从过去的8年时间缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。“虚拟装配”（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有2种定义：

(1)虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。

(2)虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

本文结合焊接小车研制的特点，给出如下的定义：虚拟装配是在计算机上完成产品零部件的实体造型，并且进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程，实现产品的三维设计过程与零部件装配过程的高度统一。虚拟装配技术在机械设计的应用研究中，是一种全新的设计概念，它为产品的研制提供了一种新的设计方法与实施途径，它的成功依赖于对产品总体设计进程的控制。同时，产品的零部件模型数据的合理流动与彼此共享是实现虚拟装配技术的基础。虚拟装配包括设计过程、过程控制和装配仿真三部分。2 虚拟装配基本设计思想及内涵

2.1 以设计为中心的虚拟装配

以设计为中心的虚拟装配（Design-Centered Virtual Assembly）是指在产品三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想，这表现在以下三个层次，如图1所示。

图1 虚拟装配层次图

2.1.1 面向装配的设计（DFA）

即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行物理装配，能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。

2.1.2 自顶向下（Top-down）的并行产品设计（CPD）

并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计，强调开发人员从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量。

2.1.3 与Master Model相关的可制造性设计和可装配性设计

产品研制是多部门的协同工作过程，各部门间的合作往往受到各个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的生产能力和生产特性，改进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的Master Model为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现CAD/CAM/CAE系统的高度集成，有效提高产品的可制造性和可装配性。

2.2 以过程控制为中心的虚拟装配 以过程控制为中心的虚拟装配（Process-Centered Virtual Assembly）主要包含以下两方面内容。

2.2.1 实现对产品总体设计进程的控制

在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，人为地将虚拟装配技术应用于产品设计过程，该过程可以划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制，以及虚拟装配设计流程。

（1）总体设计阶段。总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产品初步的总体布局，主要包括：建立主模型（Master Model）空间；进行产品初步的结构、系统总体布局。

（2）装配设计阶段。装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）以及应力控制。

（3）详细设计阶段。详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产品三维实体模型的最终设计，主要包括 ：完成产品三维实体模型的最终设计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。

2.2.2 过程控制管理

过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作等方面内容。通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管理，从而实现优化产品开发过程的目的。

2.3 仿真为中心的虚拟装配

以仿真为中心的虚拟装配（Simulate-Centered Virtual Assembly）是在产品装配设计模型中，融入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要目标是评价产品的可装配性。

2.3.1 优化装配过程

目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能并行地进行装配。

2.3.2 可装配性评价 主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设计是否需要修改。应用研究

3.1 基础应用环境

虚拟装配技术在焊接小车设计中的应用，需要以一定的基础应用环境作为平台，主要包括以下几个方面：协同工作环境、统一的信息编码系统以及机械通用基础标准。

（1）协同工作环境。有一个协同工作的基础环境，实现支持异地设计、异地装配、异地测试的工作环境，特别是基于网络的三维图形的异地快速传递、过程控制、人机交互的基础环境是非常必要的。

（2）统一的信息编码系统。焊接小车的设计是一项复杂的系统工程，各项工程数据在IPT内部以及IPT之间进行合理流动，因此有效的管理是实现虚拟装配技术的重要环节，必须能够实现平台的协同设计，又能对各种产品数据进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使用的人。因此，采用统一的信息编码系统是一项重要的应用基础环节。

（3）机械通用基础标准。虚拟装配技术如果要实现行业CAD/CAE/CAPP/CAM技术的有效集成和厂所之间的数据交换，必须采用机械通用基础标准。

3.2 焊接小车部件级产品实施方法及途径

3.2.1 软硬件环境

硬件：COMPAQ服务器一台；P4，2.7G，1M内存的微机8台。

软件：Pro/ENGINEER 2001及其支持环境。

3.2.2 焊接小车的传动装置虚拟装配技术应用研究

我们选择传动装置的虚拟装配技术应用研究作为工程实例，对虚拟装配技术的工程应用思想、方法、具体实施途径作进一步研究，为下一阶段整个小车的应用提供一种基本的理论支持。

（1）总体设计阶段。IPT根据小车总体设计要求以及基本的总体设计参数，建立蜗轮蜗杆和齿轮的主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段的模型如图2所示。在此阶段，主要包括以下基本步骤：根据已有工程图样建立粗糙模型；布置部分初始模型（蜗轮、蜗杆、齿轮等）；对系统构件进行初步布置、建立初始模型。

图2 总体设计阶段模型

本阶段结束时，必须冻结已经建立的产品主模型空间，作为模型设计共享的基础。

（2）装配设计阶段。这是小车模型具体建立阶段。本阶段主要包括以下基本步骤：建立各部件的实体模型；定义具体结构装配的分解线路（建立装配层次、装配区域）；建立模型间的具体装配约束（Constraints）关系；从共享数据库中提取相应的结构模型； 进行计算机装配（Computer Mock-Up，简称CMU），以及进行干涉检查。

（3）详细设计阶段。本阶段完成焊接小车所有零件的设计工作，保证小车内所有零件干涉自由，设计模型如图3所示。

图3 详细设计阶段模型 结束语

虚拟装配应用系统 篇3

计算机的出现和发展，适时地满足了人类社会生产发展快速多样化的需要，在它被广泛应用到生产制造领域后，彻底改变了传统的生产制造模式，从设计到装配成成品的产品生产全生命周期过程都可以在计算机的虚拟环境中模拟仿真。在研究和应用的过程中产生各种各样与计算机辅助相关的概念方法，如：计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工程等，即人们熟知的“CAD/CAM/CAE”。虚拟现实技术的发展为计算机辅助方法的发展提供了更为便利和实用的条件。

虚拟现实技术的分支之一——产品虚拟装配是目前研究的热点 （虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计出来的产品三维模型、成件模型等进行预装配，在满足产品性能和功能的条件下，通过分析、评价、规划和仿真等改进产品的设计和装配的结构，实现产品的可装性和经济性 ），是实际装配过程在计算机上的本质体现，是虚拟现实技术与装配技术相结合的产物，为彻底解决传统装配中存在的弊端带来了希望。尤其是对于结构复杂、零部件繁多且加工精度高的产品。各类光电侦查设备，在其加工、制造尤其是装配过程中，往往需要经过多次的试装、拆卸和返工，造成了大量的人力、物力和财力的浪费，并延长了研制周期，虚拟装配技术的发展为解决这一问题提供了一条有效途径。传统产品开发过程如图 1所示。

本文主要阐述将虚拟装配技术应用到机械装调工艺中，使得装配工艺更为直观全面，以装配过程三维爆炸视图显示，甚至动画的形式直观地表达装配过程，便于操作工人对于装配工艺的理解。本文以光电侦查设备为研究对象，基于 SolidWorks、NX三维软件，以虚拟装配、运动仿真和爆炸视图等为手段，通过对光电产品典型组件装配过程三维爆炸视图以及动画的再编辑，从而实现装配工艺三维可视化，通过三维爆炸视图在装配工艺规程的应用，以及产品装配前对操作者的多媒体动画培训，实现机械装调工艺的改进、发展。并行设计工作模式如图 2所示。

图 2并行设计工作模式

1.传统机械装配工艺规程概况

机械装调是机械制造中的后期工作，是形成产品的关键环节，机械装调是依据产品设计规定和精度要求等，将构成产品的零件、成件等结合成组件、部件，直至产品的过程，机械装配工艺是根据产品结构、制造精度、生产批量、生产条件和经济情况等因素，将这一过程具体化。机械装配工艺必须保证生产质量稳定、技术先进和经济合理。机械制造工艺是机械制造的重要组成部分。

我们一直沿用的机械装调工艺方案的选择主要依据：产品整体结构、零件大小、制造精度和生产批量等因素，我们依此来选择装配工艺的方法、装配的组织形式，装配过程主要为钳工通过手工的测量、刮削等来完成的，这样能做到在装配过程中及时对零部件进行修配以保证装配任务的完成，但是也存在不足。

（1）须等零件全部加工完成后才可进行装配，而且一些必要隐含的装配尺寸问题很难及时发现，问题难定位，需要重复拆装。

（2）能体现并行设计的思想。

（3）一般要反复修改，进行多次试装配，周期长，成本高，不能适应当前敏捷制造的需要。

2.虚拟装配技术主要优点

（1）实物产品的数字化再现，即生成产品数字模型。

（2）冲突检测，是指组成产品、各个级别的装配体的零部件进行集合上的干涉检查，这里的检查包含有零部件在装配体中的静态空间位置的相交性，也包含零部件在构成产品的装配过程中在空间上的集合干涉。

（3）生成装配序列和路径，在产品建模和排除“冲突”的过程中，生成优化的装配序列和路径，减少实际生产中的装配时间。

利用虚拟装配技术可以进行虚拟零部件设计和虚拟装配设计，并进行相应的装配检验，对产品的零部件及结构设计进行分析、评价，并根据检验结果，修改设计，从而在计算机虚拟环境中完成了产品的开发设计过程，大大缩短了新产品的开发设计过程，降低了开发设计成本和生产成本。

3.“虚拟装配技术”在工艺技术中应用现状和发展趋势

公司自 2009年以来，在编制机械加工、装配工艺规程中逐步地应用 SolidWorks、NX和 Pro/ENGINEER等三维软件进行辅助工艺设计，例如按照加工步骤进行零件三维模型的建立；成件、电子元器件三维模型的收集以及实测实建；组件模型的建立，干涉检验；组件三维爆炸视图动画显示，优化整合最合理的装配路线；结合现今 CAPP信息化系统以及工艺文件需要的三维爆炸视图的 CAD二维转化，零件过程模型的应用等。

经过近几年来的不断尝试和积累，以及 CAPP信息化技术的发展，结合实际工作需要，公司正在进行现有 CAPP信息化系统进行升级改造，向着三维 CAPP信息化系统发展。

二、产品虚拟装配技术在装调工艺中应用的必要性

1.生产现场对工艺规程的需求

在生产现场，操作者根据装配工艺的要求进行操作，他们对工艺文件的理解以及工艺内容的掌握程度将直接影响装配质量和装配效率。目前，装配工艺一般是以文字叙述为主，以说明图（设计二维图样）为辅的工艺表述形式，有些复杂的装配图示不直观，容易造成操作者理解上的偏差，且理解和掌握起来需要花费较多的时间和精力。而利用计算机仿真和虚拟装配技术，将装配工艺以的三维爆炸视图展现出来，并在爆炸图上进行文字说明（如图 3某型号升降机构运动部件装配图所示），使得工艺文件能够以一种直观、细致的方式对装配工艺进行描述，从而达到提高效率的目的以满足快节奏的生产需要。

2.工艺人员完成高质量装配工艺的需要

进行产品的虚拟装配，已经成为了工艺技术人员全面解读设计意图，梳理装配路线，选择高效可行的工艺方法的需求，并且能够很好的进行工艺路线、工艺方法的可行性验证。

随着光电产品型号的不断增多，产品研发生产周期的压缩，单纯的二维设计图样已经不能满足工艺工作的需要，由于产品研发段模型与最终设计图样的偏差，这就需要：工艺人员认真审核图样、模型，确认最终的零件模型；对部分成件重新建模；对电路板的主要特征进行建模，对根据零部件、成件等的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位置和姿态关系来对各零件进行装配并生成装配模型。

如图 4所示，为某型号消旋电机组件主轴装调的三维爆炸图所示，依据虚拟装配，可以检查干涉情况，明晰组件轴承系启动力矩本质为，增减推力轴承内外调圈得出公式： L=L1+L2，有助于装调方法的确定，以及明、细化工艺规程，便于现场生产。

3.科研产品“并行设计模式”的实现

虚拟装配技术对于科研产品优化设计、产品性能完善，减少开发过程产品反复，提高产品质量等有着重要意义。结合本公司现行生产模式，生产部门单纯依据设计 CAD二维图样进行加工、装配，很难全面把握产品，工艺人员进行重新建模，核对、确认（过程中与设计协调）零件最终技术状态；但是单纯依据设计装配图样，很难核对组件装配是否干涉，以及组件是否满足设计功能要求。

拿近期一个生产实例来说明，图 5为某型号俯仰组件外俯仰部分的装配图局部，以及相应的旋变压圈、右侧旋变座的零件图样局部视图，外俯仰旋变内圈的出线需通过缝隙 B、右轴过线孔、缝隙 A，此例主要来分析旋变内圈导线是否存在装配隐患。

单纯依据装配图，旋变内圈出线貌似不受影响，而实际情况如图 6所示（图 6为依据设计图样进行零件建模，依据旋变实物进行测绘建模，按照装配关系进行约束组装）， B缝隙仅有 0.2mm， A缝隙仅有 0.8mm，而且 A、B两处均有相对转动，存在旋变线磨损切断的隐患，由于实际装配过程，该处较为隐蔽，不容易发现，交付用户后使用一段时间问题才会暴漏出来。

在进行模型虚拟装配过程中，工艺人员于此进行反馈，并提出更改建议：（1）更改旋变压圈尺寸 Φ35为 Φ41（拓宽缝隙 B）；（2）更改右侧旋变座尺寸 0.3为 2.9（拓宽缝隙 A，且满足设计需要：轴承不脱出），增加内孔圆角 R1.5，减少磨损导线的隐患。

通过对模型装配的分析，预见性的消除生产过程中的隐蔽问题，很好的做到了设计反馈、生产反馈的流畅执行，有效地辅助于设计优化、产品性能完善，可见虚拟装配技术应用的必需性。

三、虚拟装配技术在机械装调工艺中的实际应用

在此我们结合生产实例，以及近年来工程技术室虚拟装配在机械装调工艺中的应用经验积淀，来说明虚拟装配技术在机械装调工艺中的实际应用的几个要点，以及应用方法。

1.装配建模

本文的装配建模是应用 SolidWorks2008完成的，工艺规程由艾克斯特 CAPP信息化完成，装配模型的建立是以零件几何模型的建立为基础的，成件、元器件等依据资料以及实物进行测量绘制。虚拟装配建模就是在虚拟环境中根据零部件的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位置和姿态关系来对各零件进行装配并生成装配模型。

零件模型的建立，主要依据设计图样，零件建模的正确性关系到零件加工工艺的编制，以及后续虚拟装配的正确性；成件模型的建立，模型建立依据一方面来自资料的查询，另外就是依据实物，进行实测实绘，对于复杂的成件表述出成件与装配相关的关键特征；电路板模型的建立，依据设计图样，以及装配位置，绘制接插件位置，以及可能装配干涉的器件，力求尽量详尽表述。

例如某型号俯仰电机组件，首先依据设计图样建立零件模型：“左侧端盖、俯仰电机法兰、左轴、左轴承外压圈、俯仰内调圈、俯仰外调圈、左轴承内压圈”；因软件中自带标准件库，则 GB/T68M3×8、GB/T68螺钉 M3×10、 QJ2963.2弹簧垫圈 2.5、GB/T97.1垫圈 2.5、GB/T65螺钉 M2.5×8、GB/T276轴承 61805按参数要求生成，而成件 J128LYX001力矩电机依据实物测绘。图 8所示为该组件模型。

2.组件虚拟装配，组件配套检查以及干涉性、功能性检查

依据装配图，按照约束关系，将该组件的零件、成件、标准件进行组装。在转配体中插入首个零件时，首先判断后续大致视图方向，通过基准面约束调整首个零件位置，然后参照装配图明细表（如图 9所示），逐个进行约束定位装配。

（1）组件配套检查，生成组件明细卡。

装配过程中，核对标准件等的种类数量是否正确，（例如本组件中明细表序号 2、3、4的标准件 GB/T65螺钉 M3×10、平垫圈 3、弹簧垫圈 3为固定固定左侧端盖，结合实际模型，该处应为沉头螺钉，所以该处应更改为： “GB/T68-2000螺钉 M3×10数量 8”；序号 6数目应由 22更改为 16，序号 14、15、16数量应由 28更改为 8；序号 16所用标准件为 GB/T65螺钉 M2.5×6，结合模型分析，应更改为 M2.5×8，以增强其可靠性。）对应的完成如表所示“俯仰电机组件明细卡”，并在备注栏内标明标准件的用途、数量，便于后续的核对工作。

（2）组件装配干涉性、功能性检查。

在完成模型虚拟装配后，通过模拟组件运动方式，结合软件自身的透视、剖视功能，观察分析各零件、成件是否存在装配干涉，针对于存在轴承、电机的组件，我们还要分析轴承是否能有效压紧，碳刷是否在合适位置，以及应用何种方式来安装电机，以避免碳刷的损伤等。

3.组件爆炸视图在工艺中应用

（1）生成组件爆炸视图。

生成组件爆炸视图，是在充分分析组件组成的基础上，根据装配逆顺序生成组件的爆炸视图。生成爆炸视图的过程其实就是组件装配路线规划的过程。

在进行“俯仰电机组件”装配路线规划的过程中，首先考虑为如和避免电机碳刷的损伤，如何保证轴承启动力矩与调试时的尽量一致，如何高效装配，再次基础上我们确定装配工艺路线为：“装配准备（清洗）→成对轴承游隙调整（启动矩调整）→压装电机定子（不安装碳刷）→电机转子组合装配（包含电机转子、成对轴承、左轴承外压圈）→电机组装（并在转子定子之间均匀的垫上青稞纸）→左侧端盖安装→碳刷安装→电机跑和”。

生成的爆炸视图如图 8所示，调整各组成之间的爆炸间隙，使得视图中各组成可见，并能明确装配关系。

（2）三维爆炸视图的二维 CAD转换。

我们在应用 CAPP信息化系统编制工艺文件时，为了工艺附图的可编辑，以及便于标记图示说明，需要将三维爆炸视图进行二维 CAD文件转换。操作步骤为，首先利用 SolidWorks2008中“从装配体到工程图”的命令，生成该装配体的平面视图，如图 10所示，选择“模型视图”，选择装配图，然后选择“当前模型视图”，就可以生成模型当前爆炸视图的平面图，当然我们还可以生成一些剖视图，就更为明确的表述了组件的装配状态，然后将文件另存为DWG文件，就完成了三维爆炸视图的二维 CAD转换。

（3）二维爆炸视图用于 CAPP工艺文件。

将二维爆炸视图应用于 CAPP工艺文件中，是指编制的机械装调工艺文件，利用二维爆炸视图作为工艺附图，使得工艺文件能够以一种直观、细致的方式对装配工艺进行描述。

利用 CAPP自身的“新建 DWG工艺附图”功能，在CAD中粘贴爆炸视图，调整视图绘制比例，使得图形居中，然后补齐中心线等参照线，然后应用 CAD引线功能进行爆炸视图的标注说明，完成工艺附图编辑。

4.组件装配动画的生成与培训

随着产品复杂程度和工艺要求的不断提升，进行装配前操作者针对性的工艺培训显得越来越重要，在培训中，明确组件装配的注意点，以及便捷高效的装配方法，使得操作者更为方便的掌握要点，高效地完成产品装配。如果将虚拟装配过程动画作为培训教材，那么就能够更为形象的将作品的过程展示在操作者面前。

目前，我们可以应用 SolidWorks2008软件中的动画爆炸功能，完成装配、拆卸过程的循环动画播放，结合软件自带的的“动画向导”和“保存动画“功能，完成最终的动画编辑和视频文件的保存，如图 11、12所示。在“动画向导”模块，选择生成动画类型为“接触爆炸”，即三维虚拟装配的实际过程。

四、结语

本文结合三维爆炸视图在机械装调工艺文件中的实际应用，以及产品装配前对操作者的多媒体动画培训可行性的分析，为机械装调工序后续的发展验证了方向，实现机械装调工艺的改进、发展。虚拟装配技术应用到机械装调工艺中，使得装配工艺更为直观全面，且能够在计算机模拟装配过程中，更为全面的把握产品，熟识产品装调要点，屏蔽可能存在的隐患，更为便捷地完成设计反馈，对于产品设计优化、产品性能完善，减少生产过程中产品反复，提高产品质量等有着重要意义。

本文重点研究了虚拟装配技术在机械装调工艺中应用所涉及到的几个关键技术，即装配建模、装配工艺规划（爆炸视图）、CAD系统之间的数据转换、爆炸视图在 CAPP工艺文件中的实际应用，以及装配动画的编辑、输出，并给出相应解决方案，但三维虚拟装配技术在工艺中的应用和完善是一个循序渐进的过程，还需要在实践中不断地摸索，进行理论上的研究和应用上的创新。

船舶管系建模与虚拟装配应用研究 篇4

在船舶的设计和生产过程中, 船舶管系的设计与装配部分占有十分重要的位置。现代大型船舶的管路系统有30多个, 管子数量约为15 000根左右。由于管路系统的种类繁杂、数量较大, 船舶管子的制装过程在整个舾装工程中占了20%以上的工作量, 同时废返率占管子总数的8%~15%[1]。有些船厂在管子入船组装前都要提前在车间对管系进行组装, 以此来对管系进行干涉检验等相关检验。这样的方法虽然保证了船舶管系的正常的设计与装配, 但也相应的增加了船舶生产、设计的工作量, 降低了船厂的生产效率, 增加了管系的废返率。随着虚拟现实技术和计算机技术的不断发展, 对船舶管系进行建模, 再对装配过程进行虚拟操作成为现实, 这将有效地减少船舶生产、设计的工作量和管系的废返率, 提升船厂的生产效率。

1 船舶管路三维建模

船舶管路系统非常庞杂, 管子与零件数量众多。因此, 在建模过程中容易造成不同种类管系混接的情况, 整体建模也容易使模型太大影响到软件的稳定性。因此, 可以按照管路的不同系统、不同模块或者是不同的工艺装配过程分别建模, 建模完成后再进行合成。由于3ds Max软件具有良好的兼容性以及强大的前、后期处理能力, 所以采用3ds Max对船舶管系进行建模。

1.1 船舶管系的布置

在管系建模前, 首先应明确管系的走向与布置。在管系布置时, 应该注意管系的完整性和正确性, 以确保最终的模型与设计建造中的管系布置相同, 同时在管系布置中应注意以下几个问题。

(1) 管系布置合理性。如所有的淡水管路不得通过油舱, 以免管子有破损或渗漏情况发生时, 对水质产生污染。同样, 油管路也不得通淡水舱。燃油舱柜的空气管、测甭管等管路应避免通过居住舱室、贮藏舱室等相关舱室。

(2) 管系布置安全性。如油管、蒸汽管和水管等, 应避免布置在配电板及其他电器设备的周围, 油管还应避免在锅炉、蒸汽管及废气管等管路的上方通过。

(3) 管系布置完整性。如燃油管系应具有燃油净化系统、燃油日用系统和燃油输送系统等, 同时, 管子、阀门等附件设备完备, 以保证各系统能够正常的运行。

(4) 管系布置可操作性。如装在管路间的阀门要留出相应的操作空间, 管路之间、管路与设备之间要具有合适的距离以方便操作人员工作的进行。

(5) 管系布置可维护性。如管路与设备、舱壁等保持合适的距离以方便装卸、检查和维修, 同时在适当的部位对管子及相关附件、设备等装设放泄阀, 以利于排放管内剩余气体或液体。

1.2 船舶管系的建模

在3ds Max中进行建模时, 可将其他软件 (如Tribon, Foran) 中所需要的可兼容模型导入并加以调整, 再对剩余部分进行建模。建模过程如图1所示。

在建模过程中, 由于船舶管系排布交叉、大小和形状各异, 故在不影响船舶整体性和管系完整性的情况下, 可对关系进行适当的优化。优化的主要内容如下:

(1) 将不同长度的直管简化成统一型号, 增加建模的速率;

(2) 将不同的阀门、附件等设备规定为几种型号、规格, 减少阀门和附件的建模数量;

(3) 在保证不影响船舶整体空间的布置的情况下, 尽可能的减少弯管的数量, 同时减少管的分段数量和建模面数;

(4) 整合位置较近、无材质差别的管路模型, 减少模型烘焙渲染等处理的数量。

1.3 船舶管系模型合成

在管路各系统模型建成后, 需要将各管路系统进行合并。在合并前, 需要确定模型间的相对位置关系, 以确保各管路系统模型合成后在船舱内处于正确的位置。因此, 可在船体和各管路系统中各选择几个结构特殊点, 确定各管路系统的特殊点与相近的船体结构特殊点之间的偏移方向和偏移量, 再进行管路系统模型的合并。

在模型进行合并时, 应注意如下问题:

(1) 不同系统、不同模块间管子及其附件的间距是否符合船舶实际要求, 是否存在合并时在船体中位置不合适的情况;

(2) 不同系统、不同模块间管子及其附件是否存在位置重叠或部分重叠的现象;

(3) 管系中的弯管和阀门等布置的位置是否合适, 在合并后是否能够满足实际使用的需要;

(4) 管系间的相对位置是否需要进行优化;

(5) 复杂弯管、阀门及相关附件等的建模是否可以进行简化。

此外, 较多的船舶管路系统在模型合成后不易区分, 应对不同的管路系统标注不同的颜色加以区分, 方便后期的检查和装配等工作的进行。

2 船舶管系的虚拟装配

船舶管系在建模等上诉工作完成后, 便可以对管系虚拟装配的过程进行分析, 并选择适当的方法进行虚拟装配。其目的是确保装配过程既能够方便操作, 又可以简单明确。对场景效果的处理, 使用了现阶段较为流行的Unity 3D软件完成处理。

2.1 管系的安装方式

在船舶生产制造过程中, 较为常见的管系安装方式有系统安装法、单元组装法和分段预装法等。在现代船舶制造业中, 分段预装法因为其减少了高空作业与仰装作业的数量, 有效的降低了实际工作中管系安装的难度而被船厂广泛的使用。因此, 选用分段预装法对船舶管系进行虚拟装配。

该方法可分为三个阶段:第一阶段是在各分段内的舱室中安装所需的管路;第二阶段是对各分段进行合拢, 确定剩余管路的安装位置;最后一个阶段是将剩余管路安装完毕, 即全船管系合拢。

2.2 管系的虚拟装配序列

虚拟装配序列是根据各装配体之间的各种约束关系和相关功能确定所有部件的安装顺序, 生成装配序列, 其实就是寻求装配体适当的部件安装的顺序, 合理的装配序列将有助于提升产品的生产效率。

现在几种主要的装配序列包括:组件识别法、装配优先约束关系法、知识求解法和拆卸法等装配序列方法。由于船舶管系的装配需要具有较强的实际可操作性, 故采用拆卸法求解装配序列。

拆卸法的特点就是“可拆可装”, 即装配体部件的装配过程和拆卸过程互为逆过程。可以依据模型拆卸顺序反演得到适当的装配顺序, 这也是该方法可以应用的一个前提条件。

2.3 管系的虚拟装配路径

装配路径是零件从存放位置到安装位置所经过的无物理碰撞的运动轨迹, 合适的装配路径既能避免装配部件间的干涉, 又能保证装配路径的合理性和可操作性。常用的路径规划方法较多, 如位姿空间法、可视图法、基于遗传算法的路径规划法等, 并且装配路径的轨迹也没有固定的路线, 所以在路径规划时, 要根据各管路系统实际的情况采用不同的规划方法和装配路径轨迹。

在确定以上方式及相关数据后, 就可以在Unity 3D中完成管系虚拟装配, 其流程如图5所示。

2.4 管系的漫游检查

在Unity 3D中可对管系进行漫游检查, 这可以帮助用户更好的了解管系模型, 并对其中关键部位进行有效的调整。这就需要对该过程进行脚本编辑, 脚本采用Java Script进行编程。

漫游控制脚本程序:

3 结语

应用虚拟现实技术和计算机技术对船舶各系统进行虚拟仿真已经逐步成为国内造船行业的一个重要的发展方向, 对船舶管系装配过程进行虚拟仿真, 有利于船舶设计人员与实际操作工人间的沟通, 减少实际装配中的错误, 减少船舶生产中管系的废返率, 提升船厂的生产效率, 也在一定程度上优化了船舶管系的配置, 提升船舶设计的质量。同时, 该方法还可用于教学实践中, 以提升学生的认知和理解能力。综合来看, 该方法的应用具有较强的实际意义。

参考文献

[1]罗国荣.机舱管系的综合布置与施工[J].广船科技, 2000 (4) :7, 16-18.

[2]路慧彪.基于仿真的船舶机舱管路三维自动布置方法研究[D].大连:大连海事大学, 2011.

[3]刘鑫.三维建模在船舶管系放样中的应用[J].中国水运, 2010 (6) :5-7.

[4]王博.船舶虚拟装配工艺优化仿真研究[D].大连:大连理工大学, 2006.

虚拟装配应用系统 篇5

目前虚拟装配是装配领域近年来的一个新兴的研究方向,它的研究与发展极大地推进了虚拟制造技术完善,具有广阔的应用前景。通过虚拟装配技术的研究和应用,有助于在产品设计阶段就能够解决后续装配中可能存在的问题,保证了产品的可装配性,提高产品设计效率,减少返工的概率,并且可以省去部分或全部实物样机,从而缩短产品设计周期,实现产品快速研制。为了使产品在早期的研发方案阶段避免出现人机工程方面的问题,实现较为理想的装配设计,研究虚拟装配环境下的人体模型就尤为重要。利用人体模型来对产品总体设计的合理性、装配操作的舒适性、可见性、装配的可达性等进行虚拟检验,并进行人机工效的评估,这样可以对产品的不同装配方案进行评估和筛选,实现优化选择,提高产品装配的人机工程设计的效率和准确度,获得满意的装配方案,使产品在设计阶段就充分考虑产品的可装配性。另外使得产品的设计更科学合理,缩短产品研发周期,节约产品的设计开发费用。

由于人机工程领域对人体建模技术有巨大需求,国内外很多科研机构做了大量人体建模方面的研究工作,搭建了很多人体建模系统。20世纪60年代后期,英国诺丁山大学首先开发了计算机化人体建模系统“SAMMIE”。美国宾西法尼亚大学开发的JACK人体建模系统,在FORD、TOYOTA等汽车公司得到应用[1]。

本文根据DELMIA中的人体模型,分析了人体结构,对其进简化,用于计算装配操作时的人手的作业域,检查虚拟装配设计中是否存在不符合装配要求的地方,从而验证装配设计中考虑人机工程的重要性。

1 DELMIA中人体模型

人体几何模型就是所建立的适合研究需要的人体可视化几何模型,是其他人体模型的载体。人体建模的方法有很多,主要有棒状模型、表面结构模型和层次结构模型等。各种模型的精度、逼真度不同,应用范围也不同。一般的说,人体模型的精度和逼真度越高,需要的数据量越大,因此,并不是模型的精度和逼真度越高越好,在确保产品开发中人机工程设计与分析所需要人体模型精度和逼真度的前提下,需要研究适宜的人体几何模型、建模方法以及模型的适当简化问题[2]。进行虚拟装配设计时,装配人员的作业域是可装配性的一个重要方面。要求解作业域,就必须根据适宜人体模型进行运动学分析,得到操作者人手的作业域。所以在进行虚拟装配设计时,需要引入人体模型,并进行适宜简化,求出人手作业域,为产品设计提供参考,进而缩短研发周期,节约开发费。此文中我们引入DELMIA中人体模型,并进行适当简化。

DELMIA公司成立于2000年6月,是Dassaul Systemes(达索系统集团)整合旗下Deneb,Delta和Safework三家软件公司的解决方案而合并组成的e-Manufacturing软件公司。提供了以生产工艺过程为中心的最全面的数字制造方式与解决方案。DELMIA软件的人机工程模块提供了工业界第一个和设计环境完全集成的商业人体工程模型。使用人机工程模块可以评估人体行为因素,用户和设计人员在其软件虚拟环境中可以解决装配设计问题,可以快速为人体运动进行建模和分析。作为成熟的CAD/CAM软件,DELMIA把人体测量学中的各种知识和理论直接嵌入程序内部,这样在实际的设计过程中,只需要把人体模型直接放入所考虑的装配设计之中,省去了做人体模型的繁复工作。DELMIA中的人体模型可根据选取的百分位数或具体的人体数据进行实时调整,其人体模型如图1所示。

2 人体模型的运动分析

在研究人体的运动时,一般以关节作为坐标点,在模拟人体某个手臂运动时,人体手臂的位置将被某个确定的坐标系来描述,而手的运动则是以某个中间坐标系,如固接于手臂端部的坐标系来确定的。

用笛卡儿坐标系描述手的运动时,必须把确定手的运动的各中间坐标系变换为一系列能够由手臂驱动的关节位置,这样确定手的位置、姿态和各个关节位置[3]。研究人体运动特性。由于人体的运动受到关节的活动度和力量的约束,要研究人体运动,首先要分析人体运动系统的解剖特性,并以此为基础进行自由度的简化并确定关节活动度。从运动机构的角度来看,可以把人体看成是由许多关节和节段组成的机构体,每一节段可以用一连杆来代替[4]。DELMIA中人体模型的结构特性正体现了这个特点,图2所示为DELMIA中人体模型的结构特点,由图2显示,人体运动可以看作人体简化为由关节和节段组成的连杆运动体系。人体的运动可以由这些连杆组成的运动体系来求出可达区域。图3所示是为从DELMIA人体模型结构中抽出的人体运动连杆模型。

人体运动解析中手或脚在任一空间的位置由式(1)确定其方法是先建立一个三维基坐标系(X,Y,Z),然后在每一个运动肢体上建立一个固接的相对坐标系(xn,yn,zn),人体在运动时,手或脚在空间的位置通过下述坐标变换最终能用基坐标系来表示[5]。

式中[pn]为(xn,yn,zn)在基坐标系中的坐标原点,[Tn]为(X,Y,Z)与(xn,yn,zn)两坐标系角度变换矩阵,[Tn]可通过坐标系(xn,yn,zn)绕坐标轴xn,yn,zn进行旋转α,β,γ后可得。

3 人机工程在虚拟装配中的应用

在虚拟装配设计中,利用人机工程技术,根据虚拟装配环境,通过对虚拟人体的控制,模拟装配人员在装配时的各种实际作业操作,并进行测试和分析,实现虚拟装配方案设计的人机工效学评估,以及时发现产品设计与装配设计中存在的问题,完善产品的设计。应用人机工程主要可以完成以下分析:

可达性检验。主要是考察产品各个零部件装配顺序、装配路径对人体可达性的影响,检查零部件是否处于装配操作的舒适范围之内,发现产品哪些零部件处于装配作业域之外。

可见性检验。主要检查产品零部件因为装配次序不同,装配路径不同导致的是否存在装配时待装配零件或者位置不可见。

作业空间的合理性与舒适度检验。检查装配作业空间是否符合人体作业需要,总体布局是否合理,装配操作是否舒适。

4 人机工程在虚拟装配中的应用示例

对于所设计的产品进行虚拟装配设计时,装配人员的作业域是必须要考虑的一个重要方面。设计者必须事先确定装配操作的工作空间和工作范围,而装配空间是指装配操作人员在固定的装配工位上,在空间内能够触及到的点的总和。在虚拟装配设计的同时计算手的作业域,可以提前发现产品哪些零部件处于手作业域之外,这样对于在作业域之外的零部件,在产品装配序列与路径规划时进行优先考虑,通过分解装配、附加设施等额外措施来解决作业域外的零部件。对于无法解决装配的零部件则可以直接反馈产品设计部门,重新考虑产品设计,避免产品在实际装配中出现不可装配的问题,出现重大损失。

求出虚拟装配中人手的装配作业域后,进行虚拟装配设计时就可以在安排装配序列与路径规划的同时考虑装配的可达性问题,对于人体不可达的零部件,优先安排装配,装配路径规划时可以添加辅助设施,比如吊臂、扶梯、移动台阶等来满足装配可达性要求,或者对产品进行分解装配,这样满足所有的零部件都在人手的作业域范围之内,以满足虚拟装配设计要求。无法通过更改装配次序、分解装配或者添加辅助设施进行装配的零部件则应该属于产品设计中不符合装配要求的缺陷,必须反馈产品设计部门进行重新设计。由此可见,在产品设计同时就考虑产品可装配性是非常必要的,这可以减少产品设计的缺陷,提高装配设计效率。

在DELMIA中进行产品虚拟装配设计时,除了选择比较优化的装配次序和路径外还需要考虑零部件的装配可达性。通过计算人手的作业域发现产品装配的可达性中可能存在的问题。图4所示为虚拟人进行装配时自然站立双手能够达到的作业域,图5为虚拟人体最大弯曲时双手能够达到的作业域。

由图可以看出产品的顶部与底部为作业的盲区,很难通过人体自我调节来达到装配要求,此时可以考虑分解装配。比如将产品分解在不同生产线进行装配后再进行总装,或者利用附加设施,比如扶梯、机械吊臂等来辅助完成,并且在安排装配次序时,优先安排难以达到的作业空间里的待装配零部件,这样在使用辅助工具情况下装配时能够顺利完成。另外进行装配时还需要考虑视觉的盲区,优先选择盲区内的零部件进行装配。

5 结论

由此可见在虚拟装配中,在设计的早期阶段进行人机工程分析能够减少方案的整体设计时间,使设计者在进行产品设计和装配设计时考虑到人的因素,避免出现难以装配的设计缺陷,从而提高装配设计的效率,及时发现并纠正错误,缩短设计周期和降低研制费用。通过人机工程仿真在DELMIA中应用,得到了人手作业域,从而可以直观的评估虚拟装配的装配次序和路径安排的合理性与装配的可达性,体现了人机工程在虚拟装配中有很大的应用前景。

摘要：在虚拟装配中,可以通过人机工程的仿真和运用来评估虚拟装配设计的质量和零部件的装配可达性。本文将人体模型作为虚拟装配的一个重要因素来研究,根据DELMIA中人体模型特点,阐述了人机工程在虚拟装配中的应用,并在DELMIA中进行了人机工程仿真应用示例。

关键词：虚拟装配,人体模型,人机工程,仿真

参考文献

[1]杨立强,刘西刚,秦立斌.人机工程学领域人体建模技术发展综述[J].装甲兵工程学院学报,2006,20(2):61.

[2]刘维平,刘西刚,杨立强.虚拟人机工程技术及其在装甲车辆研发中的应用[J].装甲兵工程学院学报,2006,20(2):66-67.

[3]陈信,袁修干.人-机-环境系统工程计算机仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[4]袁修干,庄达民,张兴娟.人机工程计算机仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

虚拟装配应用系统 篇6

1 虚拟装配的概念

虚拟装配技术一种虚拟现实技术, 就是将机械的零件的三维模型利用CAD或者其他三维制图软件构建出来, 然后操作三维图形实现零件的安装工作, 是计算机图形技术发展的一个新的阶段。这项技术是近几年才提出的, 所以没有特定的软件, 现在一般都是利用CAD来操作, 但是CAD中没有力学的分析, 所以这项技术还有很大的发展空间。

虚拟装配时一项跨越了多个学科的技术, 这项技术中需要计算机技术、数字模型技术、虚拟现实技术的支持。也可以把这项技术理解为基于虚拟现实的CAD技术。

2 动车组转向架虚拟装配的关键技术

虚拟装备的关机技术分为五个方面, 以动车组转向架的虚拟安装为例, 向大家介绍安装的技术要点。

2.1 环境的构建。

环境的构建是虚拟装配的基础工作, 想要完成虚拟装配就需要对需要装配的零件的三维图像输入在电脑中, 虚拟装配不一定必须采用CAD技术, 只要能构建3D图案的软件都可以是虚拟装配的演示软件。但是CAD更常用, 功能也相对全面。将动车组和转向架的三维图案录入软件后就完成了虚拟装配的第一步。

2.2 零件的仿真。

虚拟和现实得去区别在于虚拟中零件是可以重叠的, 但是在实际中, 零件之间不能直接重叠, 所以需要在软件中开启实体或者模块不可叠加选项, 保证CAD中的零件图形不能相互的穿越。实现零件的虚拟现实。

2.3 装配工作符合规范。

虚拟装配中零件是不存在重力和其他力的效益, 在虚拟安装列车转向架中, 需要一定的操作顺序, 如果不按照这个顺序列车零件就会造成应力断裂、弯曲。变形等现象。但是在CAD中模拟零件是不会变形和损坏的, 所以在转向架模拟安装中一定要注意这个问题, 要确保零件不会出现故障才能进行这个步骤的虚拟安装, 同时不能把列车翻转, 虽然翻转情况下很多零件的装备都变得简单, 但是既然是模拟安装, 在现实中不能把列车翻转, 所以在模拟安装也不弄如此投机取巧, 虚拟安装的意义就是在真实安装的场景。所以不能采用式样的方式, 零件的安装应该符合实际规范。

3 动车组转向架虚拟装配系统的设计方案

系统通过VC++2005、OSG与Qt相结合的方法模块化设计, 分为一个主控模块和五个功能子模块, 功能子模块分别为:虚拟环境建立模块、模型操作模块、数据库管理模块、数据转换模块和系统界面模块。系统的五个模块受同一主模块控制。

3.1 各模块的主要功能

3.1.1 系统主控模块:这个模块协调和控制以下五个模块的运行。可以方便地在一个程序中实现不同的功能。

3.1.2 数据库管理模块:

根据产品装配模型进行数据库整体结构设计。用面向对象技术把装配模型中的信息存储于数据库 (SQL2000) , 并实现装配模型的显示和对数据库中的数据管理和装配结果处理等相关功能。

3.1.3 装配视口建立模块:

它是通过OSG建立的图形显示视口, 是用于装配装配显示的虚拟环境, 并包括摄影机视口的相关动作, 可以从不同的角度、放大或缩小观看物体, 其间还可以改变背景色和光照。

3.1.4 模型操作模块:

它完成对虚拟环境中的物体模型进行操作, 是进行虚拟装配的关键模块, 通过该模块完成对装配体的点选、旋转和拖拽等功能。

3.1.5 系统界面模块:

通过Qt编写, 是系统直接面向用户的窗口。用户对于系统的所有操作都是通过系统界面进行操作的, 它是所有功能子模块前端显示的容器。本系统采用面向对象技术实现系统的框架结构, 系统中的每个模块由对象组成, 并通过消息传递信息。对象在同一个模块或不同模块中彼此相连, 当一个对象接受到一条消息, 将发生一个可能的动作或将此消息传送给某个模块中的另一对象。系统采用的是VC++和Qt类库的文档 (Document) 视图 (View) 结构。

3.2 多窗口、多视图化信息处理。

系统通过视图的处理, 将动态信息直接保持在系统是, 实现装配工作的记录和拆解。装备过程的文件资料是公共的数据资料, 利用这种公共的数据资料可以从多个视图多个窗口观察零件之间配合的过程, 每一个视图都是一个相对独立的模块, 但是视图之间的位置关系又固定, 这就形成了装配的多窗口处理, 很多时候一个窗口时不能了解装配的实际情况, 三视图有时也不能完成目标, 需要操作立体图形, 然后同时观察六视图才能完成正确的装配, 这就是系统的多窗口, 多视图的处理方式。

3.3 装配建模。

面向对象的建模方法是一种对应于真实世界概念的抽象思维方式, 它按照问题领域的基本事物实现自然分割, 按人们通常的思维方式建立问题领域的模型。这样, 从问题空间到求解空间是一种自然的映射, 相互间有着直接的对应关系。面向对象建模方法关心的是系统涉及的对象及其相互间的联系, 围绕组成问题领域的事物进行分析, 将这些对象进行一般化处理, 抽象成类, 建立类之间的关联, 并确定多阶性。面向对象的建模方法采用功能模型、对象模型和动态模型来建立系统模型。在实际应用中, 面向对象建模方法根据其抽象方向可分为自底向上方法、自顶向下方法和混合方法。自底向上方法通过用户需求文档中的每个句子来建立对象模型或动态模型, 具有强调可追踪性的优点;自顶向下方法则通常使用判断从问题领域中选择重要信息, 抽象出需求模型, 然后再对其进行细化, 最后得出比较详细的系统模型。

4 结论

列车装配工作是虚拟装配的一个重要课题, 尤其是转向架的虚拟安装, 一方面转向架零件很多, 不容易操作, 同时需要在安装中考虑实际的受力情况, 同时要考虑安装的合理性。虚拟安装的要求是要尽可能的模拟现实的实际情况, 现在的虚拟装配软件, 不具有受力方面的功能, 还有很大的发展空间, 但是这也给我的实际装配有优良的指导作用, 通过虚拟装配明确装配的流程, 让施工人员快速上手, 实现列车转向架的快速装配, 同时对列车设计有重要的意义, 能够快速排除零件中可能存在的问题。

参考文献

[1]王春莉, 梁立波, 王宝玉.计算机三维重建技术发展与应用[J].沈阳大学学报, 2003 (2) .

[2]田丰, 程成, 陈由迪, 戴国忠.面向虚拟装配的三维交互平台[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2002 (3) .

[3]万华根, 高曙明, 彭群生.VDVAS:一个集成的虚拟设计与虚拟装配系统[J].中国图象图形学报, 2002 (1) .

虚拟装配应用系统 篇7

虚拟装配技术是近年来数字化设计制造中的一个新兴的研究方向,在产品设计中应用虚拟装配技术,有利于并行工程的实现和实现产品的数据的统一管理,有效地缩短产品研发、设计和制造的周期,提高产品的设计质量,降低设计和制造的成本。

虚拟装配可以分为以设计为中心的虚拟装配、以过程控制为中心的虚拟装配和以仿真为中心的虚拟装配三种。本文研究应用以设计为中心的虚拟装配技术进行手机上盖模具的主体设计。

1 基于UG平台以设计为中心的虚拟装配技术

基于UG平台以设计为中心的虚拟装配技术是指在产品设计过程中,结合面向装配的设计理论与方法,使用UG软件提供的装配设计模块,在设计初期就把产品设计过程与制造过程有机结合,从设计的角度来保证产品具有良好的装配和制造工艺性。通过完成产品的实体造型,装配与分析等协调的设计过程,实现产品设计过程与零部件制造,装配过程的统一。

UG的装配模块中提供了自顶向下的基于装配的产品设计技术和产品开发方式。应用主模型、上下文设计、WAVE技术、装配分析和质量管理等技术,能很方便地完成产品的虚拟装配设计。

基于UG虚拟装配技术的产品设计的特点是:

1)便于实行并行工程,主模型技术提供了一个面向设计群体的装配设计环节,能实现多部门协同工作的过程,允许在同一部件的设计中多个技术人员同时进行不同结构部分的设计。

2)在产品设计的初期阶段,就可以在虚拟环境中进行模拟和测试,使产品的缺陷和问题在当时的设计阶段就能被及时发现并加以解决,使产品的设计从开始就被有效地控制在最终产品可装配的范围之内,从而提高产品设计质量。

3)能方便地对产品进行设计和更改。详细设计在概念设计并未全部完成就可以开始。在设计过程中或设计完成后,一旦装配中任何部件进行修改,其它相关的数据会自动更新,不需要对具体的零部件作逐一的修改,大大减少修改设计的工作量,从而提高产品设计速度。

2 手机上盖模具的主体设计

手机上盖模具的主体设计包括手机上盖的实体模型、分型面、型芯、型腔等。设计过程中各部件之间的参照和引用的关联性很强,整个设计采用UG提供的自顶向下的设计方法,以手机上盖作为主模型,并以其为主线,利用WAVE参数关联设计技术,分别对缩水率、分型面、型芯、型腔等部件进行设计,在设计过程中,利用上下文设计能使初步设计与详细的设计交替进行,从整体到局部来完成整个设计过程。这种设计方法可以保证设计出的产品相互间有一个正确和合理的位置,也与模具设计实际相符合。

2.1 手机上盖模具主体的相关装配信息和结构的规划分析

在初期的设计阶段,主要建立手机上盖模具主体的主模型空间,划分主要的装配结构层次和装配区域。手机上盖模具的结构设计主要有5部份,分别为主模型设计、缩水率设计、分型面设计、型芯系统设计及型腔系统设计。型腔系统和型腔系统还包含有子装配区域。其结构布局如图1所示。

在UG中,新建一个装配文件mobile_top_mould,作为总装配文件。然后进入装配环境。在装配模式下按图1所示的结构布局进行创建新的组件的操作,划分虚拟装配区域和层次。在总装配下分别建立了主模型、缩水率、分型面。型腔部件和型芯部件四个子装配区域,在型腔部件和型芯部件下建立型腔和型芯子装配。整个装配设计的规划,即装配区域和层次在装配导航器中的装配目录中显示出来,如图2所示。

2.2 主模型的设计

主模型技术是指UG的产品模型中使用的多文件构架。主模型的设计方法的重点在于使集成环境中各应用模块之间保持完全的相关性,如何建立装配文件,共享产品模型,在装配文件中引用一个零件文件或子装配文件,然后将每一个这种子装配文件引用到整个产品的装配中,利用不同的模块来完成同一产品的不同的设计工作。

利用UG装配的上下文设计的功能,把手机上盖的主模型文件mobile_top转换为“工作部件”和“显示部件”,对手机上盖主模型进行实体造型设计。

在装配环境中零件的设计方法和普通零件的设计方法相同,在设计中,可利用建模环境中的建立草图、拉伸、扫描等各种建模命令构建三维实体模型,并自动生成设计参数变量表。图3为在装配环境下设计出来的手机上盖的主模型。

设计主模型时,其上下文设计使主模型能建立起部件之间的几何或尺寸相关性,通过“工作部件”和“显示部件”之间的转换从而使产品的总体设计与详细设计可以同步或穿插进行,部件之间的几何对象可以相互参照和引用,提高了产品设计的效率和准确性。

2.3 零部件的设计

利用自顶向下的设计方法根据手机上盖模具的主体的装配顺序分别对各个部分进行设计。其创建过程和主模型创建过程相同。在其它零部件的设计中依据其相关性,分别应用了上下文设计和WAVE技术。

UG/WAVE技术是指参数关联设计技术,它能基于一个部件的几何体的形状、尺寸及位置去设计另一个部件,即不同的部件间的参数化建模。利用该技术可以建立产品的控制结构,这样就可通过集成系统级工程与参数化建模技术来实现产品的快速开发,降低产品设计成本。通常应用于参数化建模、加工工艺编制中的毛坯及工序的建模、模具设计等。

首先设计缩水率部件。缩水率部件是在主模型的基础上进行放大,利用上下文设计将缩水率部件mobile_top_shrink转换成“工作部件”,然后利用UG的参数关联技术将主模型链接复制,把主模型引用到缩水率文件中来,使得所有参数都存在于缩水率文件,然后根据设计要求用比例缩放命令进行缩放。

其次设计分型面。将分型面转换成“工作部件”,用WAVE技术将缩水率部件引用到分型面文件中,用缩水率文件为参照进行设计。分型面的形状可选择平面、斜面、阶梯面和曲面等,分型面的选择要有利于脱模。根据手机上盖模具的结构特点,取在塑件尺寸最大处,并采用平面和直纹面作为分型面。设计中应用了扩大面、拉伸面、修剪、缝合等操作完成其分型面的设计。如图4所示。

型芯系统和型腔系统的设计主要是分别设计好型芯面和型腔面。在型芯和型腔部件目录下都设立了装配子目录,分别用于设计型芯面和型腔面。在设计过程中,分别将其转换成“工作部件”,使用WAVE技术链接复制缩水率部件,用UG建模中的简化、提取等设计方法进行曲面设计,然后与分型面分别进行缝合,设计完成的型腔面和型芯面如图5和图6所示。用设计完成的型芯面和型腔面分别修剪毛坯,完成型芯系统和型腔系统的设计。

在设计过程中,手机上盖模具主体各个部分的零部件的总体设计与详细的设计可交替进行。还可根据各部份装配路径、装配关系和约束条件,进行调整、修改,直到满足最终的设计要求。

利用WAVE技术和匹配关系对上述的五个部分进行组合,完成整个初步设计过程。图7所示是其设计完成后手机模具主体装配体的爆炸图。

2.4 手机上盖模具主体的干涉检查

利用UG的分析功可以对设计好的装配体进行干涉检查,进行间隙分析。对手机上盖模具主体的装配体结构进行干涉检查可初步评价其结构设计是否合理,以利于及时修改不合理的结构。分析结果如图8所示。

从干涉检查结果看,存在着三处接触干涉,即两对象接触但不相交,符合模具的设计要求,装配体各部份的结构是合理的。另外,如果两对象之间产生相交的硬干涉,干涉分析结果还会给出详细的干涉数值,通常作为修改模型和重新设计的参考。

这样设计的模具主体具有良好的装配结构和制造工艺性。随后可利用UG软件的制造模块或其它的CAM制造软件对模具主体直接进行刀路设计和模具的后续设计。

3 结束语

通过在手机上盖模具主体设计中应用虚拟装配技术,可以实现并行设计和以主模型相关的可制造性设计。为模具的后续的设计、制造和分析打下了良好的基础。虚拟装配技术从根本上改变了传统的产品设计、制造模式。虚拟装配的实现有助于解决零部件从设计到生产所出现的技术问题,以达到缩短产品开发周期、降低生产成本以及优化产品性能等目的。以设计为中心的虚拟装配技术在工业产品研制与设计中正逐步得到应用和具有巨大的发展潜力。

摘要：从分析基于UG以设计为中心的虚拟装配技术出发,并结合手机上盖模具主体设计的设计过程,对在产品设计中如何应用虚拟装配技术,提高产品的设计的质量和效率作了研究和探讨。

关键词：设计,虚拟装配技术,应用,UG

参考文献

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虚拟装配应用系统 篇8

1 概述虚拟装配技术的涵义

虚拟装配技术是一种人与机器进行实时交互的新型技术。人们通过听觉、视觉、触觉、味觉等感知模式, 同时与计算机虚拟的物体进行实时交互, 因此, 虚拟装配技术能够使得人们能够沉浸计算机的虚拟环境中。设计者可以借计算机的虚拟环境的交互性、沉浸感、实时性等特点, 从而充分发挥其想象力、创造力、直觉等感知, 因此, 虚拟环境对人们 (设计者) 起到巨大的作用。

最早的虚拟装配技术是在90年代中期研发出现的, 并且经过将近20年时间的发展终于取得巨大的进步。这种技术在没有物理实体样件的情况下, 可以对某一产品的所有性能进行分析、预测与验证, 例如:产品的可装配性、可拆卸性、可维修性、装配精度等。另外, 虚拟装配技术可以对产品的生产现场装配工艺全程进行动态仿真, 并且可以对其进行规划与优化, 从而使得产品实物在生产的过程中提高试装成功率, 大大提高了其产品的装配质量。

2 介绍虚拟装配的工艺规划特点

虚拟装配工艺规划与传统装配工艺相比, 具有以下特点:

2.1 虚拟性

虚拟装配的工艺规划最大的特点就是具有虚拟性, 其充分利用计算机仿真以及虚拟现实技术来有效的、高效的对实物进行装配规划。虚拟装配技术可以为高复杂性产品的装配进行高度逼真、自然直观的交互环境进行规划, 充分发挥出设计者的智慧与想象力, 使得人们沉入虚拟环境中, 并与环境中各种虚拟物体融合一体, 从而对虚拟出来的高复杂性的产品进行交互性操作, 并且可以对其进行观察。

2.2 协同性

协同性是针对设计者与计算机协同进行装配规划而言的, 在虚拟装配工艺规划中, 特别强调人机一体化协同, 因此, 虚拟装配技术具有人机一体化的协同性。在虚拟装配技术一体化系统中主要是以人为中心, 与计算机同处于平等合作的平台上, 各自发挥其优势, 从而实现人机共同对产品进行装配规划, 在这种虚拟装配技术中主要强调设计者的重要性。

2.3 集成性

虚拟装配技术是一种针对产品装配全过程进行规划的新型技术, 因此, 虚拟装配技术是将产品的建模、仿真、工艺等进行装配规划, 并且科学的、有机的将这些综合集成。虚拟装配技术不仅可以获得产品的最初装配工艺, 而且对产品的相关装配性能进行掌握。

3 分析在我国水电站机安装施工中其虚拟装配技术的实际应用

虚拟装配技术在经过将近20年的发展且逐渐成熟起来, 是当今世界应用最广泛的一种先进的、新型的科学技术。这种技术在我国进行水电站机电安装施工的过程中发挥着重要的作用。这种技术是在网络计划技术中完成的, 在进行水电站机电安装施工工程建设中, 一度将其作为一种科学、有效的计划管理方法。因此, 本文以下针对网络计划技术在我国水电站机安装施工中的应用进行介绍分析, 并借我国大朝山水电站金结、机电安装为例:

第一, 我国大朝山水电站位于深山峡谷恶劣地势中, 其施工场地较小且施工布置地方紧张, 而金结、机电安装进行拼装的地方更加紧缺, 其中可进行施工安装厂房面积仅有50*23.5, 从而导致金结、机电安装进度的一些关键因素被严重限制, 例如:上下机架组装件被限制、发电机零部件等组装被限制、施工工地进场交通限制、蜗壳大头不足以进入当地安装厂房进行拼装等等, 这些因素都被严重制约, 但是为了完成此水电站机安装, 施工人员以及设计人员等相关人员共同编制了工位网络图, 同时, 要求业主对其增设两个工作平台。

第二, 由于大朝山电站其地理位置比较差, 电站的相关设备运输条件被限制, 因此, 在距离电站位置的300千米的地方设置了一个转运站。另外, 针对次电站的气候环境较恶劣的情况下, 相关设计技术人员巧妙的利用了虚拟技术, 将电站所需的相关设备制定出一套其运输的计划, 从而解决了其电站所需相关设备运输制约的问题。

第三, 由于金结、机电安装的工期比较紧张且与土建施工重叠, 所以, 机电安装需要快速完成并尽快与土建施工紧密协调, 甚至机电安装与土建施工的某些工序是穿插进行的。

第四, 由于机电安装具有特殊性, 其要求在水电站的水轮机上要设有筒形阀, 另外筒形阀、上下机架都需要进行预装, 而虚拟装配技术在进行预装的过程中发挥了巨大的作用, 从而使得此次预装过程进行的非常顺利, 大大的节约了经济成本以及时间。

第五, 由于大朝山电站是采用联营体新运作方式, 所以, 大朝山电站机电组是由不同的安装单位安装的, 其中1号机到3号机和4号机到6号机二者安装方式不一样。为了实现二者安装在施工过程中能够配合衔接, 因此, 需要对其制定缜密的计划, 那么虚拟装配技术在此过程中发挥了巨大的作用, 虚拟装配技术针对二者安装能够衔接配合进行分析与试验, 并且采用了网络计划对其进行修正, 从而实现二者之间的衔接成功。综上所述, 虚拟机上的网络计划在装配施工工程中发挥了重要的作用, 同时体现出其具有科学性、先进性。因此, 在进行大朝山水电站机电安装施工过程中每一个关键项目都在虚拟装配技术与网络计划的有效控制之中, 并且对安装施工的人力资源、物力资源、财力资源、自然资源等根据实际情况进行有效计算与安排, 从而大大的节约了安装过程的经济成本以及时间。

4 分析虚拟装配技术在机电安装施工中的应用

综上所述, 在大朝山水电站进行安装机电施工过程中采用了虚拟装配技术以及网络计划的运用, 在各种因素制约的情况下以及环境恶劣的背景下实现了机电组的安装, 因此, 虚拟装配技术在机电安装施工中发挥了巨大的作用。

第一, 虚拟装配技术在大朝山水电站地理位置局限性以及工期较紧张的情况下解决了这些难题, 并且针对这些问题为机电安装工程的空间进行归纳、调整、优化, 从而实现机电安装工程工作顺利、安全、快速了完成。

第二, 虚拟装配技术以及网络计划针对大朝山水电站机电安装工程中出现的各种不确定因素以及协调工作容易偏差的问题而进行动态监控管理, 从而将这些问题进行有效的解决。

5 结束语

本文主要将虚拟装配技术以及网络计划在水电站机电安装施工中的应用进行分析阐述, 从文中可以看出虚拟装配技术 (下转第117页) (上接第115页) 以及网络计划在水电站机电安装施工过程中发挥了巨大的作用。虚拟装配技术是一种新型的、先进的科学技术, 其作为一种特殊的生产力, 保证了水电站机电安装工程顺序完成。因此, 我们需要对其引起足够的重视, 并不断的探索、创新, 从而使得这种技术在任何恶劣、极限的环境下都能发挥出其作用。

摘要：随着我国社会经济的发展, 科学技术的创新进步, 而水电站机电安装施工工程是一种系统工程, 其具有工序复杂性的特点, 并且施工过程中交叉作业较多, 因此, 需要借助当今的高新科技来完成这复杂、难度高的施工作业。随着人们的积极探索与创新, 终于发掘了一种新型技术——虚拟装配技术, 有了这种技术不但顺利、安全的完成水电站机电安装施工工程, 而且在其施工中对资源进行合理分配, 从而大大提高了经济收益并节约了成本与时间。

关键词：机电安装,虚拟装配,网络计划

参考文献

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[3]杨海霞.电力:体制改革更进一步专访中国国际工程咨询公司能源业务部电力二处处长周家骢[J].中国投资, 2010 (01) .

虚拟装配应用系统 篇9

随着全球经济全球化发展水平不断提升, 为了缩短制造周期, 降低制造成本, 这已经成为很多行业竞争之关键。对于成本提升, 生产规模大, 复杂产品有着重要作用。复杂的产品一般指的是成本比较高、技术要求高、规模比较大的密集型产业。该产业在我国经济建设所占的比重比较大, 例如比较典型的大型船舶、航空发动机、商业信息网络等等, 文中复杂产品一般指的是的零件构件成制造型产品。随着虚拟现实技术不断发展, 数字样机逐渐取代了物理样机, 这样取代的过程变成了可能。当前, 虚拟的装配原型系统主要包含VADE (Virtual Assembly Design Environment) 系统, 虚拟装配工作单元及VDVAS (Virtual Design and Virtual Assembly System) 系统, 这些系统主要针对的是机械产品, 相对于复杂的产品研究不多。虚拟装配基础技术, 在装配建模过程中, 需要基于虚拟环境中将实体模型表达出来。前者提供的是一种装配信息内容形式, 而后者提供的是一种实体组织形式。模拟了复杂环境中, 实体混合模型表达, 基于四级多层次关联模型中进行装配。在该基础上, 需要研究出虚拟环境, 而且在该环境下进行装配操作。

2 虚拟环境下装配仿真操作

2.1 环境配置

环境配置工作至关重要, 应该在在VC++6.0中建立一个项目文件, 该文件加入一定的程序语言, 这样才可以获得对Open GL库参数支撑。一般程序语言加入时, 会根据实际研究而确定。同时, 还需要进行设置roject菜单, 在该菜单中需要调整好像素格式。其中需要取出25个顶点值, 在基于二维坐标中, 根据一定的缩放比例演示, 基于1/100比例进行处理。不断的在坐标中平稳移动, 使得二维坐标重会到原点中。最后的工作非常重要, 要根据实际的复杂产品移动特点和对应的特征进行确定坐标点。合适对这个25个坐标顶点进行调整, 从而获得坐标赋值。坐标赋值获得之后可以在建立起三维坐标, 在在CLeaf View类添加一点的变量, 这便逐渐实现赋值环节。这样可以得到大量的数据值, 每一个点对应的坐标不同, 可以获得可视化图形模拟效果。在使用之前, 需要对这个函数进行处理, 需要建立出一个NURBS对象。重新建立出一个对象, 使用到的原型函数为:GLUnurbs Obj*glu New Nurbs Renderer (void) , 这个建立过程比较简单, 步骤也比较少。当建立完成之后, 需要返回保障指针指向对象, 否则将在返回过程中出现一个空指针现象。目标建立之后需要对对象进行渲染, 以上已经解析了渲染步骤, 这些对象属性应该改变, 这样才能保障渲染和绘制效果。

2.2 构建环节

基于建模基础上, 将每个复杂产品的构件罗列出来, 建立起虚拟的操作流程, 模拟出实际操作流程。在这个步骤中, 基本包含了零件部件拾取、零部件定位以及约束导航等。装配建模相关的程序, 这些程序都比较复杂, 需要依靠虚拟选择出一个面片模型, 该模型对应的零件就可以逐渐实现建模需求。如图1所示。

每个零件都有对应的零件单元, 根据原图将这些装备根据步骤完成。在该过程中, 一般会遇见两种情况。第一种情况是装配没有完成, 那么选取的零件一般是主动体, 将该零件设置为选中零件。第二种情况是, 已经完成了配件, 选取的部分, 这些零件包含的着转配体。零件所在的图, 从该图纸出发, 向反向方向去寻找它的父节点或者是父节点所在的位置。当这些父节点转配完成之后, 将其标志为已经完成。每个层次的父节点都应该将其标注在图中, 这样就可以满足最高层次的单元配置, 从而满足每个层次需求。如果最高装配单元为产品级别单元, 这个时候的产品装配已经完成。如果需要退出流程, 那么需要获得最高转配模块支撑, 对应的子配节点以及模块单元, 这些都应该得到配置。进行最高装配配置时, 应该根据每个对应的零件节点进行选中, 开始进行设置。对应一些子装配级的模块, 在进行单元配置时, 应该判断这个零件所在的子图中, 这个状态是否基于完成状态中。如果这个状态是全部装备状态, 那么可以选中这些零件。如果没有经过这一过程, 那么子装配还是没有完全完成。而且, 上层的装配还是无法进行, 虽然装配工作没有完成, 但是整个流程已经结束。在该过程中, 哪些选中的零件一般都会生成主动体的链表, 阶梯性实现目标零件链接。使用算法处理时, 流程一般都是自下而上。在一定装配原则中开展工作, 避免出现任意装配问题, 也更好的避免了逻辑混乱问题, 这满足了一个装配习惯需求。

2.3 实践操作

这些环节都完成之后, 可以将其引入实践操作中。一般而言, 复杂产品的零件都比较多, 结构体积也比较大, 一般都是典型的复杂产品。例如:船舶机舱复杂产品。在某个区域内一共有六个设备, 40个管零件以及一个过滤器等等, 所需装配的零件一共有55个。这些零件错综复杂的混合在一起, 每个零件都需要得到精密装配。启动装配时, 开始建立起虚拟场景实体模型表达, 建立起4级多层次关联模型。在进行自主开发中, 这些模型已经被推广使用。确定了装配流程开始对系统进行装配, 在该环节中, 还需要虚拟出一个装配仿真过程, 将其当成一个场景, 模拟出一个个管子零件, 在这些虚拟场景汇中不断移动。一旦有碰撞其他零件问题出现, 该管子零件将无法持续移动, 这就需要更换移动方向。这个过程虽然比较复杂, 但是可以为建模进行准确的评判, 从而得出准确的参考值, 提升装配质量。

3 产品装配建模技术要点

3.1 复杂产品的实体模型表达

虚拟环境中实体表达一般分为装配实体以及背景实体, 背景实体主要指的是工作台、固定场景以及装备背景等等实体。这类型的实体满足碰撞检测或者渲染检测需求就可以。因此, 一般都会选择多边形的模型将其当成最真切的表达方式, 将实体表达出来。基于背景实体不同, 装配实体在满足了需求同时, 还应该对实体之间的装配约束关系进行描述, 实体需要从装配约束中实现连接关系进行描述, 这样就可以仿真出零部件。文章选择的是CAD模型进行多边形面片进行准确定位, 将实体表达出来。这个过程中, 实时显示和碰撞检测就已经完成, 每个零部件之间的约束关系也会依靠模型得以实现。它们对应的系统模型库也不一致, 有的对应精确模型库、面片模型库以及碰撞模型库。一般在该三个模型库中, 它们都是形成对立关系, 三者之间可以形成映射关系。很多零件都可以在精确模型库中寻找到, 根据对象将片面模型以及对应的碰撞模型的ID确立出来, 这样就可以确定出模型地址, 而且在地址和地址之间, 实现模型精度建设, 可以将模型之间的反射表达出来, 这样的表达才会更加精准, 当完成了装配之后, 实体的表达模型也得以确立。

3.2 基于单元4级多层次关联装配模型

众所周知, 复杂产品零件数量比较多, 装配关系也比较复杂, 需要建立在装配模型上得以运行。根据照“化整为零”的思想, 将这些复杂的产品进行级别划分, 装配模块级、子装配级和零件级4个装配级别, 每个装配级别需要获得相应的单元零部件匹配, 这是一个广义上的零件汇集, 但是在进行表达时, 可以将其表达成无向关联图。基于单元的4级多层次关联模型装备过程中, 需要基于单元划分基础上进行整合, 结合模型进行层次模型划分, 每个特点都不同, 应该详细划分好。装配模型中, 每个级别中包含的内容不同, 根据单元之间的级别, 基于层次组织进行划分, 这样就可以保障实心圆子装配体, 每个节点对应的图、边都可以表述出来。图的装配, 当前的状态是包含了所有的图解过程, 而且约束的部分理当得到解除, 图中的装配应该根据每个装配级别得以实现, 在约束中从整个元素类型上看, 有清晰的几何类型, 有点、线、面等等装备特征。从这个定义上看, 图对象成员之间, 都会有清晰的节点对象。, 而每个节点对象的成员子图指针指向节点对应的子图, 图和节点间用双向链表来实现层次关系, 节点对象的成员节点类型用来区分零件节点和子装配节点.同时, 若节点对象的成员子图指针为NULL, 表明它没有子图, 是零件节点, 否则子图指针指向节点对应子图地址。如果这个节点对象, 信息指针指向了NULL, 这样就可以表示该子装配体节点得以确定下来。而且, 这些节点信息指针会指向零件节点信息特定地址。

3.3 确定实体产品参数

进行建模时, 需要拥有相应的曲面公式, 对公式的理解和掌握对研究有重要作用。复杂产品建模公式中, 每一种字母代表不同的含义。其中有很多的控制变量, 还有控制顶点, 这些都和基本函数相关。从公式中看出, 每一条线段都存在各自的意义, 其中线段包含的数据内容比较复杂。有控制顶点数据, 有权因子数据, 还有参数次数, 最后是节点顺序数据等。这些数据的收集和准备, 都需要进行计算得出, 一般计算环节比较简单, 只要根据研究对象参数加以选择便可以。在Open GL的GLU实用库中会一套齐全的URBS函数, 这些函数具备灵活性, 可以给用户选择自由。用户根据研究实际情况设置出相应的附加选项参数值, 这样可以保障获得精准的绘制结果。主要接口过程为, 第一, 需要建立一个URBS函数对象, 需要注意的是在一定环境下进行建立。函数对象建立中起到的作用是, 可以对对象属性进行设置。建模过程中, 相对比较复杂, 需要的函数参数也比较多, 从实体复杂原件中进行分析, 在放置在虚拟环境中进行装配, 这个过程难度比较大, 需要控制的环节也比较多。当装配环节都准备到位之后, 确定了这些环节之间的关联性, 就开始在模拟环境下开展。每个环节都是环环相扣, 装配中不能出现越级问题, 为了保障虚拟环境中, 装配质量就应该根据规则进行。

4 结语

需要注意的是这些环节都是在虚拟环境中执行的, 做好虚拟装配制造工作显得至关重要。在该过程, 应该充分利用虚拟装配, 对该装配进行操作验证, 当保障操作正确基础上, 才可以执行工作。装配建模是虚拟装配中, 这是一个基础技术, 进行合理的建模, 可以使得仿真效果会更加明显, 文章提出了4级多层次关联装配模型的装配建模, 证实其能为复杂产品后续的装配仿真和可装配性评价提供良好的基础, 这个基础奠定下来之后, 才更好的提升生产效率, 复杂产品种类比较多, 结构层次也比较复杂, 装配过程应该掌握技术, 保障装配质量。

摘要：当前产品设计越来越复杂, 基于设计复杂基础下模拟出装备建模技术, 在该技术指导下, 进行实体模型、装配模型、实体表达进行混合建立模型。在单元划分基础上, 需要构建出每个复杂产品基本单元层次, 做好将其放置在四级多层次中, 进行关联装配模型分析。基于建模基础上, 建立起虚拟的转配操作基本流程, 这样就可以更好的保障装配建模有效性。

关键词：复杂产品,虚拟装配,多层次关联模型

参考文献

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