1、一個基于虛擬現實的裝配工藝規劃系統發表時間：2005-8-8  e-works專家： 劉檢華 來源：e-works關鍵字：工藝 虛擬 裝配 信息化調查找茬投稿收藏評論好文推薦打印社區分享復雜產品的裝配工藝規劃是一項費時和艱巨的工作，虛擬裝配工藝規劃技術的出現為產品的裝配工藝規劃提供了一條新的有效途徑。文中提出一個實用的集成化VAPP系統，介紹了VAPP系統的體系結構，并對CAD系統到VAPP系統的數據轉換、虛擬產品裝配模型、裝配過程中知識輔助決策、線纜裝配工藝規劃、裝配現場可視化等VAPP系統的關鍵技術進行了論述。目前VAPP系統已經在航天產品的裝配工藝設計中得到試用，取得了良好效果

2、。    一、引 言        九十年代中期，“虛擬產品開發（Virtual Product Development, VPD）”技術的出現，引起了人們的廣泛關注。VPD的基本思想就是通過計算機虛擬模型來模擬和預測產品功能、性能及可加工性等，在產品的開發過程中，人們可以在計算機的“虛擬”環境中構思、設計、制造、測試和分析產品，以解決產品在TQCSE方面存在的重大問題。        虛擬裝配規劃技術是VPD的核心關鍵技術之一。與傳統的裝配規劃

3、相比，虛擬裝配工藝規劃具有以下兩個明顯的特點：其一，設計者可通過三維輸入設備，直接對零部件進行三維裝配操作，因此非常直觀，且具有較高的交互性，能最大限度地發揮人的創造力；其二，三維立體顯示能讓設計者像在真實世界中一樣觀察物體，因此能及時準確地發現裝配工藝設計中存在的問題，從而提高產品裝配工藝設計效率和質量。        二、系統研究背景分析        目前，虛擬裝配規劃技術的研究已經取得了一些進展1,2，但總的來說，將虛擬現實技術應用于產品裝配規劃的時間還不長，各種理論

4、和方法還不成熟，導致虛擬裝配規劃系統的工程實際應用程度不高，其原因主要集中在以下幾個方面：        （一）目前對虛擬裝配規劃的研究還局限于虛擬裝配規劃本身，如虛擬裝配建模、裝配順序規劃、裝配路徑規劃等，沒有考慮虛擬裝配規劃系統與其它系統的集成，而虛擬裝配規劃系統作為“VPD”的一部分，應該考慮與虛擬產品開發的其它部分的集成。        （二）目前的虛擬裝配規劃系統中，大多采用完全沉浸式的虛擬環境。在虛擬裝配規劃系統中，完全沉浸式的虛擬裝配規劃系統不一定很理想。因為在

5、虛擬裝配規劃的過程中有很多文字信息（或數據）需要輸入和顯示。在完全沉浸式的虛擬環境中，處理大量的ASCII碼信息比較困難。但另一方面，沉浸式虛擬環境在觀察、體驗、分析和評價裝配工藝設計方面還是具有明顯的優勢。因此，如何將沉浸式和非沉浸式的裝配環境相結合，在目前的技術條件下對提高虛擬裝配規劃系統的實用性顯得非常重要。        （三）現行的虛擬裝配規劃系統大都采用多邊形面片模型進行產品的信息表達，而采用多邊形面片模型丟失了CAD模型中大量的工程語義信息，使得虛擬裝配系統難以捕捉和維護產品的設計意圖與產品設計約束等工程信息，同時也為表

6、達和確定零件間的裝配關系帶來了困難。        （四）虛擬裝配規劃系統中的碰撞檢測算法除了要具有實時性以外，還需考慮多邊形模型表達對碰撞檢測的影響。例如，圓柱孔中插入等半徑的圓柱軸時，會檢測到軸孔之間發生碰撞干涉（由于多邊形表達中圓柱面已近似地表達為棱柱面），這就導致等半徑的軸孔在虛擬裝配環境中無法進行裝配。因此，基于虛擬裝配的實時碰撞檢測給虛擬環境下的碰撞干涉檢測算法帶來了新的問題。        （五）目前虛擬裝配系統普遍缺乏對裝配公差進行分析與綜合的手段，對于某些關

7、鍵配合環節（如孔軸過盈配合），沒有優化配合的手段，導致實際產品的裝配精度不高。        （六）現有的虛擬裝配規劃系統大多只考慮剛體零部件裝配工藝規劃，很少考慮線纜等柔性體的裝配工藝規劃。而線纜類零件的裝配在航空、航天、汽車、計算機、家用電器等產品中占有很大的比重。實際上，線纜裝配過程的不規范及可靠性問題是影響機電產品裝配質量的一個重要原因，甚至成為影響工程系統成敗的關鍵。        筆者針對以上造成虛擬裝配規劃系統實用性不高的因素，并結合“十五”總裝預先研究資助項目

8、“數字化預裝配技術”，以及國防某企業的合作項目“虛擬裝配工藝與工裝設計及其信息管理系統” 等項目的具體需求，以實用、集成為出發點，自主開發了虛擬裝配工藝規劃系統VAPP（Virtual Assembly Process Planning），該系統能夠在產品設計階段基于三維數字化實體模型實施數字化預裝配，生動直觀地規劃與驗證裝配工藝過程，從而提高產品裝配的一次成功率。        三、體系結構        虛擬裝配規劃系統是在一定的體系上構成和運行的，體系的優劣直接關系到虛

9、擬裝配規劃系統開發的成敗。系統的、合理的虛擬裝配規劃系統體系結構，不僅應把虛擬裝配規劃過程中的各個環節有機地集成起來，同時，虛擬裝配規劃系統作為虛擬產品開發的重要組成部分，也需要在產品數據管理系統（PDM）的統一控制下運行，從而實現虛擬產品開發全過程的信息、功能和過程集成。同時該體系應具有層次化的控制方法和“即插即用”的開放式結構，具有較好的可擴展性。        VAPP系統的體系結構如圖1所示，它主要由4層組成，分別是人機交互層、應用層、核心服務層和數據層。    （一）人機交互層：人機交互層主要實

10、現設計者與VAPP系統的信息交流，主要包括虛擬外設數據的讀取，裝配規劃過程中裝配操縱指令和參數的輸入、虛擬場景的漫游等。    其中，命令解釋器負責對用戶指令進行解釋，并調用應用層相應模塊進行相關處理。通過命令解釋器的轉發，使人機交互層具有較好的可擴展性。        （二）應用層：包括CAD數據接口、裝配順序規劃、裝配路徑規劃、裝配知識管理、零部件選擇裝配、裝配工藝后處理、裝配信息管理和裝配現場動畫瀏覽等模塊組成。VAPP系統支持設計者進行面向過程的裝配建模，并通過裝配約束關系的自動識別來實現零部件的

11、精確定位，同時實時干涉檢測能夠保證裝配路徑的有效性。另一方面，VAPP系統將虛擬裝配建模的過程進行記錄，并通過裝配工藝后處理模塊，形成對實際裝配操作有指導意義的裝配工藝卡片和裝配過程動畫。        （三）核心服務層：主要為應用層提供底層支撐。包括碰撞干涉檢測、約束識別、裝配知識輔助決策、運動仿真、場景管理和和行為控制。其中場景管理負責整個裝配環境的顯示控制（包括不同物體的方位設置，隱藏設置等）。行為控制負責裝配環境中不同零部件行為的響應控制（如物體間發生碰撞時的行為），用戶在虛擬裝配環境中視點的控制以及環境中發生相應事件時的響應

12、控制。        （四）數據層：系統的數據層主要包括裝配過程數據存儲區和裝配知識庫兩個部分。其中：裝配過程數據存儲區保存了VAPP系統所有的裝配相關數據信息，包括各零部件的幾何數據、屬性信息、管理信息、裝配結構信息、裝配工藝文件描述信息、裝配約束信息、裝配順序、裝配路徑等所有裝配過程信息。裝配知識庫保存經過整理的規范表達的裝配知識，包括零部件裝配優先規則，裝配工藝知識（工具、夾具、工藝方法等）。在系統運行過程中，系統訪問知識庫，可以獲得知識幫助并輔助用戶進行決策。      

13、60; 作為虛擬產品開發的重要組成部分，VAPP系統是在PDM系統的控制下運行，通過PDM與虛擬產品開發的其它部分如工裝夾具設計、CAPP等發生聯系，產生的結果文件如工藝規劃結果、裝配設計反饋意見等也通過PDM發布出去。        VAPP系統采用半沉浸式的桌面虛擬環境，即沉浸式和非沉浸式的用戶界面相結合，沉浸式界面和非沉浸式界面能夠很容易地進行切換。非沉浸式的用戶界面主要基于通常的二維菜單、二維鼠標和普通鍵盤。它一般用來完成零部件的管理屬性查詢、虛擬環境參數設置、裝配工藝后處理等功能。而沉浸式的用戶界面則主要基于數據手套、位置跟

14、蹤器、三維鼠標、立體眼鏡和三維菜單。它能使用戶沉浸到虛擬環境中，并為用戶提供抓取零部件、移動抓取零部件、旋轉抓取零部件、釋放抓取零部件等直接交互裝配操作功能。這種沉浸式和非沉浸式用戶界面相結合的特點，能方便用戶靈活處理虛擬裝配規劃中的各種活動或操作，同時也充分發揮了沉浸式和非沉浸式用戶界面的各自優勢。四、系統主要關鍵技術        （一）CAD系統到VAPP系統的數據轉換數據轉換問題源于虛擬環境中與CAD環境中物體描述方法的差異。在VAPP系統中，零件實體是通過簡化的多邊形面片模型（通常為三角形面片模型）來描述的，而不是CAD系統

15、采用的精確的幾何描述。VAPP系統通過對CAD系統進行二次開發的接口程序，將VAPP系統所需的信息（主要包括裝配體的幾何面片信息、管理屬性信息、幾何特征信息和裝配特征信息等）導出，并在VAPP系統中進行重構，實現外部CAD系統數據向VAPP系統數據的轉換3。        （二）虛擬產品裝配模型裝配模型是整個VAPP系統的基礎，其核心問題是解決如何在計算機中表達和存儲產品裝配信息。虛擬產品裝配模型是一種集成化的信息模型，作為虛擬產品模型的子集，它支持廣義產品設計中與裝配有關的活動和過程，能有效地存取所需的各種信息。不僅要考慮裝配零部件

16、的幾何特征、管理屬性信息和物理特征信息，還要考慮裝配工藝信息；不僅要能處理系統的輸入信息，還應能處理設計過程中的中間信息和結果信息。因此，虛擬產品裝配模型將隨著設計過程的推進而逐步豐富和完善。VAPP系統的裝配模型主要由管理、物體特征、幾何、拓撲、工程語義和裝配工藝等六部分組成4。        （三）裝配過程中知識輔助決策虛擬裝配規劃系統利用虛擬現實技術提供的沉浸性和交互性為設計人員建立了一個高逼真度的多模式交互規劃環境，使其能充分發揮自身的智慧和經驗，但另一方面，由于人機交互操作的增加，可能降低產品裝配規劃的效率。因此，將虛擬現實

17、技術與計算機輔助推理相結合，建立基于虛擬現實的人機協同規劃環境，使裝配工藝規劃人員能夠在關鍵和復雜問題上充分發揮自己的智慧和經驗，而在常規問題又能充分利用計算機來代替人腦的重復思考，這對提高裝配規劃的效率具有實際意義。       VAPP系統提出了將事例性知識和規則性知識有機結合來輔助人在虛擬環境下進行裝配序列規劃的方法，并提出了裝配順序的遞進分層推理模型（Progressive Hierarchical Reasoning, PHR），將計算機利用幾何層和語義層知識的自動推理與人的主觀決策相結合，人機交互地來解決裝配序列規劃問題，使裝配規劃

18、人員在虛擬環境下可視化的、快速的進行裝配工藝規劃。與此同時將規劃中產生的新的知識經驗利用虛擬環境特有的模式加以記錄、整理再利用，達到裝配知識的良性循環使用，提高虛擬裝配效率的目的。        （四）選擇裝配VAPP系統通過建立一種對實際加工尺寸的零部件按照加工誤差進行選配的機制，建立相應的選配優化方法，通過選配，提高產品裝配質量，獲取比較穩定的較高裝配精度。        （五）裝配工藝后處理提供一個交互式的裝配工藝卡片的生成環境，以虛擬裝配工藝規劃過程中形成的裝配規劃結

19、果為主干，補充和完善產品的裝配工藝，形成較為完善的、符合工廠特定格式的裝配工藝卡片。        （六）實時干涉檢測提出一個面向VAPP系統的分層精確碰撞檢測算法，該算法分為四層5：包圍盒層、中間層、面片層、精確層。該算法不僅能滿足虛擬裝配實時性的要求，還能滿足虛擬裝配的精確性要求。        （七）線纜裝配工藝規劃線纜作為柔性體，其建模與裝配規劃過程與其它剛性零部件有很大的區別。根據虛擬環境的特點，VAPP系統提出了線纜離散控制點建模技術，將線纜簡化成由一系列截面中心

20、點（控制點）相連而形成的空間連續折線段，通過對控制點的操縱實現線纜的三維空間布線。    （八）裝配現場可視化利用VAPP系統提供的動畫制作功能，規劃人員可以把零部件的裝配順序、裝配路徑以及特殊的裝配操作技巧以動畫的形式記錄下來，并與相關裝配工藝描述文檔（如裝配工藝卡）進行關聯，提交到裝配工藝部門的數據服務器上；現場裝配人員通過安裝在裝配現場的客戶端，利用局域網查詢和瀏覽所需的裝配工藝文檔和裝配過程動畫。從而使現場裝配人員更清晰的理解裝配意圖，提高裝配效率，減少裝配錯誤。        五、系統主要特色&

21、#160;       裝配是產品生命周期中的重要環節。VAPP系統通過構建一個半沉浸式的桌面裝配工藝規劃環境，使裝配工藝設計人員能在可視化的環境下交互地對產品的計算機三維模型進行試裝，以建立和分析產品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配過程中的動態干涉和裝配空間的合理性，并驗證和分析裝配工、夾具的空間可操作性和相互位置關系，以此形成裝配工藝的主體內容，并通過裝配工藝后處理，以及裝配過程動畫生成等手段，形成能直接指導工廠裝配車間進行現場裝配的可視化裝配工藝。概括起來講，VAPP系統具有以下功能特色。     

22、;   （一）集成化VAPP的集成主要體現在兩個方面：一方面體現在VAPP系統的信息集成、功能集成和過程集成。VAPP系統涵蓋產品裝配工藝設計中與之相關的多個方面，這些方面并不是孤立的，而是相互制約、相互影響的。VAPP系統所需的相關數據，包括零部件模型，工裝、夾具模型等（主要包括模型的幾何信息和屬性信息）來源于不同的應用系統，數據格式各異；另一方面，虛擬裝配產生的裝配分析結果、裝配工藝、裝配過程動畫等信息也要反饋給相關的設計環節和工程應用系統。VAPP系統通過統一的PDM平臺，實現與其它應用系統的數據集成。同時，通過統一的PDM平臺，也實現了VAPP系統中相應的信息流、權

23、限等的控制。        另一方面，VAPP的集成也體現在其沉浸式和非沉浸式裝配環境的集成上。在VAPP系統中，用戶可以很方便地進行沉浸式和非沉浸式裝配環境的切換，充分發揮沉浸式和非沉浸式裝配環境的優勢。        （二）面向工藝的裝配建模過程傳統的數字化預裝配系統是在產品設計過程中，為了更好的幫助設計人員進行與裝配有關的零、部件結構設計決策而對產品模型進行分析的系統，這種面向設計的系統本身是為零、部件的結構設計服務的，并沒有考慮裝配過程中零、部件的裝配順序和裝配路徑。

24、而VAPP系統將使用戶以直觀的方式直接考察裝配約束的施加過程、分析裝配約束對零件運動的限制、檢測裝配過程中的碰撞干涉。裝配建模的結果不僅建立了產品的裝配模型，而且還生成了整個產品的初始裝配序列和初始裝配路徑。同時VAPP系統通過對裝配建模結果的局部修改等功能，實現了裝配模型的優化。VAPP系統這種的面向工藝的裝配建模過程，一方面能在產品設計早期階段就及時地發現實際裝配過程中的問題，減少了返工，從而提高裝配的一次成功率，另一方面，裝配建模的同時形成的裝配工藝信息（如裝配順序、裝配路徑等）輸入到裝配工藝后處理模塊，能夠很方便地生成符合工廠要求的裝配工藝卡片，大大減輕了裝配工藝設計人員的工作難度和工

25、藝編制時間。        （三）知識輔助決策和人機交互相結合VAPP系統中的知識庫為裝配知識提供了一種保存的機制。知識庫包含了在長期的裝配實踐中形成的有關裝配順序、方式、裝夾手段等經驗。同時系統還提供對知識庫的各項操作，包括知識的擴充，修改等。由確定的知識引導人機交互的裝配過程，減少無效的裝配動作，從而能起到快速裝配的作用。        （四）三維可視化的裝配工藝文檔現有的車間現場裝配過程大多以紙質裝配工藝文件為指導，裝配工人理解困難，容易發生錯裝。而VAPP系統將裝配順

26、序和裝配路徑以動畫的形式輸出，用于指導裝配車間現場的裝配，通過實時顯示裝配的順序與路徑，以及各裝配階段所用到的工裝夾具，使裝配工人更加明確裝配的任務和過程，從而減少錯裝，提高裝配的速度和一次成功率。        （五）完善的裝配信息管理VAPP系統通過一套有效的管理機制，使用戶在裝配過程中實時、方便地瀏覽和編輯各零、部件的屬性信息和裝配工藝信息（包括裝配工、夾具的選擇，填寫裝配操作流程說明等）。同時通過裝配工藝后處理模塊，生成裝配工藝卡、工裝清單和配套清單等符合工程實際要求的裝配工藝文檔。此外，VAPP系統還能對裝配完畢的零部件進行

27、統計，并給出相關報告，以免漏裝。六、系統應用        VAPP系統已經在我國航天產品的裝配工藝規劃中得到初步的試用，通過該半沉浸式的桌面虛擬裝配規劃系統，用戶在進行裝配建模的同時，生成對實際裝配操作有指導意義的裝配工藝卡片，并通過裝配車間現場的可視化，使裝配工人更加明確裝配的任務和過程，從而減少錯裝，提高裝配的速度和一次成功率。圖2為VAPP系統主界面，裝配體的零部件模型通過數據接口導入到VAPP系統中，零件初始時被依次排列在操作臺上，在系統中通過虛擬手（或三維鼠標）拾取、移動、轉動零部件進行裝配操作。圖3為裝配好的某產品裝配模

28、型。圖4是零件的裝配路徑（用離散的裝配路徑點的形式來表達裝配路徑）。     為了減少虛擬手套所帶來的手疲勞，VAPP系統主要采用三維鼠標Spaceball 5000來控制零部件的運動。在虛擬裝配工藝規劃過程中，裝配過程實時決策系統為系統的規劃提供實時決策信息。裝配工藝規劃形成的數據結果，經過優化后，一部分反饋給CAD系統，用于對產品設計的修改。一部分反饋給CAFD系統，用于對夾具、工具設計的修改。一部分導入到裝配工藝規劃后處理模塊中，以形成最終的標準裝配工藝卡，圖5為裝配工藝規劃后處理的主界面。        七、結 論        虛擬裝配規劃技術為解決產品裝配工藝規劃問題提供了一種新的有效途徑。本文介紹的半沉浸式的桌面虛擬裝配工藝規劃系統VAPP，能夠使設計人員在可視化的環境下交互地對產品的計算機三維模型進行試裝，以建立和分析產品各零部件的裝配順序、裝配路徑、裝配過程中的動態干涉和裝配空間的合理性，并驗證