虚拟装配理论与方法研究

【摘要】：面对激烈的市场竞争，如何以最快的速度将新产品推向市场，迅速占有市场是企业能否存活的关键，为此各国学者提出了许多新的产品开发策略、生产模式和先进制造技术。但是这些策略、模式和技术都无法从根本上摆脱产品开发过程中生产用样机反覆试制的过程，究其原因，主要是产品设计中关于装配和维护的问题往往只有在生产过程或产品售出后才能暴露出来，因此人们将虚拟现实技术应用于产品的装配设计，诞生了虚拟装配技术。由于虚拟装配技术能够将装配工程师的知识和经验融于产品装配设计中，所以装配工程师可以在产品设计的早期阶段就对产品的可装配性和可拆卸性做出合理的评价，虚拟装配技术深受企业欢迎。但是就虚拟装配技术本身而言，它是一种全新的技术，关于虚拟装配技术的理论和方法都不成熟，虚拟装配技术也缺乏相应的标准。虽然虚拟装配技术已经在一些汽车及航天制造业得到了应用，并取得了初步的成效，但是这些应用缺乏相应的理论和方法的支持。所以论文将对虚拟装配技术涉及的理论和方法进行深入的分析和研究，论文研究的内容及成果包括： ①为了将虚拟装配技术应用于企业,系统分析了制造业设计方法的变革，DFX设计方法学在产品设计中的重要性，以及虚拟装配技术在产品设计中的地位等问题，在论述用户对虚拟装配系统的要求的基础上，提出了虚拟装配系统的4层模块结构：数据接口模块、用户界面模块、虚拟装配环境模块和数据输出模块。并且提出了虚拟装配技术在产品开发中的方法。 ②分析了目前虚拟装配系统中虚拟零件模型存在的问题：零件模型由CAD系统导入虚拟装配系统时设计信息发生丢失，造成装配工程师在虚拟环境中很难捕捉产品零件间的装配约束关系。针对这些问题，提出了虚拟环境中零件的虚拟模型与零件的CAD模型之间的映射机制，通过这种映射机制将零件CAD模型上的几何特征所体现的装配约束关系映射于零件的虚拟模型，装配工程师就可以在虚拟环境中快速的捕捉零件的装配约束关系。在此基础上提出了虚拟环境下基于装配关系信息集的产品虚拟装配建模方法，装配工程师在装配建模的同时，分析零件的尺寸与公差，根据公差的特点选择合适的装配方法与工具，生成产品的装配顺序规划。最后研究了虚拟装配系统的各种输出信息的记录与存储方法。 ③分析了传统基于二维隐喻的交互方式的缺陷及虚拟环境下人机交互的特点。为了克服在虚拟环境的空间无限性和生成虚拟环境的场所的空间有限性的矛盾及在虚拟环境中难易操作对象的困难，根据人手的解剖结构和数据手套的原理，提出了基于手势命令虚拟装配方法，设计了虚拟环境下利用虚拟手进行漫游、 WP=5 选取和操作的手势，并提出各种手势的实现方法；针对语言是人们之间最自然的交流方式的特点，设计了几种简单的语音命令辅助装配工程师进行虚拟装配；最后为了验证装配工具的可达性和可操作性，提出了在虚拟环境中利用各种约束方法操作装配工具进行虚拟装配的方法。 ④为了设计性能优良的虚拟装配系统，提出了利用面向对象技术对虚拟装配系统进行建模的思想。在分析面向对象建模原则的基础上，对虚拟装配系统的功能需求进行了详细的分析，得到虚拟装配系统的6大功能需求；在对虚拟装配系统进行Use Case分析的基础上，总结出虚拟装配系统应该具备的对象，对对象进行抽象得到虚拟装配系统的各种类及类之间的关系，并且对各种类进行了详细的定义和描述，为虚拟装配系统的软件设计打下了基础；最后根据不同类型的虚拟装配系统对硬件的需求，设计了虚拟装配系统的物理配置。 ⑤分析了现有DFA方法，指出现有方法的弊病。为了克服这些弊病，根据模糊神经网络的特点，提出了模糊神经网络可装配性评价模型。将产品设计分为零件设计、结构设计和装配顺序设计，分别提出影响它们可装配性的影响因素，并分别举例对产品设计进行可装配性评价。