面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模理论、方法及应用研究

【摘要】： 系统地提出了面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模理论与方法，对虚拟环境中装配模型与零件模型表达、装配关系识别、装配运动导航、物理建模、装配历史重用等关键技术进行了深入的研究。在理论研究的基础上，开发了虚拟装配原型系统，支持设计者在虚拟环境中直观自如地进行以产品装配建模为核心的一系列装配设计活动。面向过程与历史的虚拟装配建模，在虚拟环境中将基于几何约束的装配建模发展到基于工程语义的装配建模，将基于几何模型的装配建模发展到基于物理模型的装配建模，将面向结果的装配建模发展到面向过程的装配建模，有效地增强了虚拟装配设计的灵活性、智能性与集成性。研究成果已在多个科研项目和实际产品开发中得到应用。 全文的组织结构为： 第一章综述了虚拟设计与虚拟装配技术研究及应用的发展现状，讨论了存在的问题。论述了面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模的研究意义与研究内容。 第二章提出了面向过程与历史的虚拟装配模型，提出采用分层次的零件信息模型表达零件属性信息、以装配语义描述装配体中零件间的装配关系，采用装配历史模型记录虚拟装配建模的过程与历史信息。面向过程与历史的虚拟装配模型，不仅支持设计者以装配语义的形式表达产品装配关系，而且记录了设计者在虚拟环境中执行的装配操作与装配任务，表达了零件的装配路径与装配顺序约束，反映了零件间装配层次关系与装配配合关系的生成历史，蕴涵了设计者的经验知识。 第三章提出了虚拟环境中基于装配语义的装配关系自动识别方法。研究了虚拟环境中装配关系的交互表达技术，提出了从装配语义元的空间位置属性匹配、空间方向属性匹配、类型属性匹配与参数属性匹配四个方面进行装配语义的识别，提出了语义引导的装配几何约束识别方法。通过语义与约束识别捕捉虚拟装配建模过程中设计者的装配设计意图，有效地提高了装配关系识别的速度与准确性，将虚拟装配建模交互方式从低层次的几何体素操作发展到具有工程语义的装配任务级操作，实现了装配关系从交互指定到自动识别的飞跃。 第四章提出了基于运动自由度分析的虚拟装配运动导航技术。通过运动自由度分析确定零件的可自由运动方向，提出采用装配定位求解、零件运动信息映射与语义导航器等方法进行虚拟装配运动导航。虚拟装配运动导航有效地支持了设 摘 要 计者在虚拟环境中自如准确地进行零件的装配与拆卸。 第五章提出了基于物理模型的虚拟装配建模方法。研究了虚拟装配建模中物 理约束模型的建立方法，提出了基于约束映射的运动副约束生成方法。提出了基 于变刚度弹簧模型的装配力交互输入方法，实现了几何量（位移）与物理量（装 配力）的输入映射。 第六章提出了虚拟环境中装配历史记录、有序化与回溯方法。提出了面向装 配历史局部调整的装配任务序列有序化方法，当设计者对零件装配顺序进行交互 调整后，自动实现装配历史模型中相关任务序列的自适应调整。提出了基于虚拟 装配历史模型的虚拟拆卸方法。提出了基于任务时间的虚拟装配历史整体回溯与 基于任务对象的虚拟装配历史局部回溯方法。通过装配历史信息的重用，不仅精 简了不必要的交互操作，而且充分利用了装配历史模型中的设计信息与设计知 识。 第七章开发了以面向过程与历史的虚拟装配建模技术为核心的虚拟装配原 型系统VIRDAS。VIRDAS支持设计者在虚拟环境中直观自如地进行产品装配建 模、装配序列与装配路径优化、装配分析等一系列装配设计活动。介绍了VIapAS 的体系结构、人机交互技术与主要的装配功能，以汽车发动机关键零部件、洒水 装置、齿轮油泵、机械手的虚拟装配为例说明了本文方法在虚拟装配设计中的应 用。 第八章总结了本文的主要研究成果，并给出了今后研究工作的方向。