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虚拟环境中交互式工位规划与装配过程仿真技术研究
杨润党1
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摘要
产品装配设计是产品开发的一个重要环节，是产品功能实现的主要过程，对产品的质量、周期和成本有重大影响。 通用CAD系统中的装配忽略了装配过程，只能根据装配的约束关系使零部件到达最终的装配位置，对于装配过程中的碰撞与干涉以及装配路径无法进行验证和模拟。传统的工位规划是凭借工业工程师的判断和经验以及在实物模型上的反复试验改进获得优化装配工艺和工位布局。 为了减少实际的试装次数，利用虚拟现实技术，建立装配线工位规划与装配过程仿真的虚拟试验环境，操作者能够交互式的进行工位规划和装配过程仿真，在此基础上验证产品在装配工位环境中的几何空间可装配性、装配操作顺序、装配工位设施选择和装配工位设施空间布局的合理性以及操作对象的可达性和操作者的舒适性。利用虚拟试验环境在产品实际制造之前对装配工位规划进行验证和评价，从而提高产品质量，缩短新产品开发周期，减少成本，提高产品的竞争力。 主要的研究工作概括如下： 1．首先对虚拟试验环境中对象的类型以及之间的关系进行了分析，采用了面向装配过程的建模方法表达虚拟环境中工位、产品装配等模型。提出了虚拟环境中集多种功能(逻辑模型、显示模型和碰撞模型)为一体的复合零件模型表达方法和表达装配成员之间装配层次的装配树模型、描述零部件之间装配关系的约束模型以及面向装配过程的复合工位模型，不仅描述了工位中的装配操作内容和操作过程，而且表达了所有对象在工位中的角色以及它们之间的关系。 2．然后对虚拟环境下用户与虚拟对象的交互方式进行了研究，提出了基于虚拟手的对象操作逻辑与方法，用户利于数据手套和位置跟踪器(FOB)等外设自然的和虚拟对象进行交互；实现了工位布局和装配操作过程中虚拟手与对象的交互方式与过程，用户通过对操作对象的抓取、移动和释放三个过程交互式的完成工位布局和装配操作任务；提出了虚拟环境中基于双手操作的逻辑和方法，解决了双手操作的冲突与协调性。 3．研究了基于几何约束和自由度分析的虚拟装配过程的实现方法。建立了装配几何约束的统一表达方法、约束与自由度的等价关系，采用运动自由度的归约方法获得零件在约束作用下的运动自由度；提出了虚拟装配过程中约束自动识别算法、基于零部件位姿变化量最小原则的约束自动定位求解算法和基于增量驱动和自由度归约原理的约束运动导航解算等实现了虚拟装配过程中零部件的精确定位。 4．提出了基于几何推理的虚拟工具表达模型以及基于几何约束的工具装配方法。能够支持虚拟环境中工具信息的相互传递、查询与更新；操作者根据操作对象选择相应的装配工具，利用虚拟手在虚拟环境中操作工具，动态建立工具与操作对象的几何约束关系，建立工具与操作对象之间的固联关系；利用工具交互的驱动操作对象，使其到达最终的装配位置，实现产品的虚拟装配。 5．给出了虚拟环境中操作者人机工程学评价和分析的方法。在交互式装配过程中，以虚拟手为纽带建立的虚拟装配环境与实际操作者的映射关系，以此获得操作者的运动数据，根据这些数据对操作者的疲劳和能耗量进行计算和分析，以评价工位布局对操作者的影响。 6．基于上述方法和关键技术开发了虚拟环境下基于交互的装配工位规划与过程仿真的原型系统VAWPS(Virtual Assemblv WorkplacePlanning and Simulation)。以某型号汽车发动机曲轴分装工位为例说明了VAWPS的系统应用，验证了原型系统和本文所述算法和方法的正确性与有效性，证明了在虚拟环境中交互式的进行工位设计和装配操作仿真的可行性。
关键词
虚拟现实/虚拟装配/模型表达/交互式操作/工位布局/自由度/约束识别/运动导航/装配工具/人机工程学评价引用本文复制引用
授予学位
博士学科专业
机械制造及自动化导师
严隽琪学位年度
2007学位授予单位
上海交通大学语种
中文中图分类号
TH