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一个基于虚拟现实装配工艺计划系统
发表时间：-8-8 e-works教授： 刘检华 起源：e-works
关键字：工艺 虚拟 装配
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复杂产品装配工艺计划是一项费时和艰巨工作，虚拟装配工艺计划技术出现为产品装配工艺计划提供了一条新有效路径。文中提出一个实用集成化VAPP系统，介绍了VAPP系统体系结构，并对CAD系统到VAPP系统数据转换、虚拟产品装配模型、装配过程中知识辅助决议、线缆装配工艺计划、装配现场可视化等VAPP系统关键技术进行了叙述。现在VAPP系统已经在航天产品装配工艺设计中得到试用，取得了良好效果。
一、引 言
九十年代中期，“虚拟产品开发（Virtual Product Development, VPD）”技术出现，引发了大家广泛关注。VPD基础思想就是经过计算机虚拟模型来模拟和估计产品功效、性能及可加工性等，在产品开发过程中，大家能够在计算机“虚拟”环境中构思、设计、制造、测试和分析产品，以处理产品在TQCSE方面存在重大问题。
虚拟装配计划技术是VPD关键关键技术之一。和传统装配计划相比，虚拟装配工艺计划含有以下两个显著特点：其一，设计者可经过三维输入设备，直接对零部件进行三维装配操作，所以很直观，且含有较高交互性，能最大程度地发挥人发明力；其二，三维立体显示能让设计者像在真实世界中一样观察物体，所以能立即正确地发觉装配工艺设计中存在问题，从而提升产品装配工艺设计效率和质量。
二、系统研究背景分析
现在，虚拟装配计划技术研究已经取得了部分进展[1,2]，但总来说，将虚拟现实技术应用于产品装配计划时间还不长，多种理论和方法还不成熟，造成虚拟装配计划系统工程实际应用程度不高，其原因关键集中在以下多个方面：
（一）现在对虚拟装配计划研究还局限于虚拟装配计划本身，如虚拟装配建模、装配次序计划、装配路径计划等，没有考虑虚拟装配计划系统和其它系统集成，而虚拟装配计划系统作为“VPD”一部分，应该考虑和虚拟产品开发其它部分集成。
（二）现在虚拟装配计划系统中，大多采取完全沉醉式虚拟环境。在虚拟装配计划系统中，完全沉醉式虚拟装配计划系统不一定很理想。因为在虚拟装配计划过程中有很多文字信息（或数据）需要输入和显示。在完全沉醉式虚拟环境中，处理大量ASCII码信息比较困难。但其次，沉醉式虚拟环境在观察、体验、分析和评价装配工艺设计方面还是含有显著优势。所以，怎样将沉醉式和非沉醉式装配环境相结合，在现在技术条件下对提升虚拟装配计划系统实用性显得很关键。
（三）现行虚拟装配计划系统大全部采取多边形面片模型进行产品信息表示，而采取多边形面片模型丢失了CAD模型中大量工程语义信息，使得虚拟装配系统难以捕捉和维护产品设计意图和产品设计约束等工程信息，同时也为表示和确定零件间装配关系带来了困难。
（四）虚拟装配计划系统中碰撞检测算法除了要含有实时性以外，还需考虑多边形模型表示对碰撞检测影响。比如，圆柱孔中插入等半径圆柱轴时，会检测到轴孔之间发生碰撞干涉（因为多边形表示中圆柱面已近似地表示为棱柱面），这就造成等半径轴孔在虚拟装配环境中无法进行装配。所以，基于虚拟装配实时碰撞检测给虚拟环境下碰撞干涉检测算法带来了新问题。
（五）现在虚拟装配系统普遍缺乏对装配公差进行分析和综合手段，对于一些关键配合步骤（如孔轴过盈配合），没有优化配合手段，造成实际产品装配精度不高。
（六）现有虚拟装配计划系统大多只考虑刚体零部件装配工艺计划，极少考虑线缆等柔性体装配工艺计划。而线缆类零件装配在航空、航天、汽车、计算机、家用电器等产品中占有很大比重。实际上，线缆装配过程不规范及可靠性问题是影响机电产品装配质量一个关键原因，甚至成为影响工程系统成败关键。
笔者针对以上造成虚拟装配计划系统实用性不高原因，并结合“十五”总装预先研究资助项目“数字化预装配技术”，和国防某企业合作项目“虚拟装配工艺和工装设计及其信息管理系统” 等项目标具体需求，以实用、集成为出发点，自主开发了虚拟装配工艺计划系统VAPP（Virtual Assembly Process Planning），该系统能够在产品设计阶段基于三维数字化实体模型实施数字化预装配，生动直观地计划和验证装配工艺过程，从而提升产品装配一次成功率。
三、体系结构
虚拟装配计划系统是在一定体系上组成和运行，体系优劣直接关系到虚拟装配计划系统开发成败。系统、合理虚拟装配计划系统体系结构，不仅应把虚拟装配计划过程中各个步骤有机地集成起来，同时，虚拟装配计划系统作为虚拟产品开发关键组成部分，也需要在产品数据管理系统（PDM）统一控制下运行，从而实现虚拟产品开发全过程信息、功效和过程集成。同时该体系应含有层次化控制方法和“即插即用”开放式结构，含有很好可扩展性。
VAPP系统体系结构图1所表示，它关键由4层组成，分别是人机交互层、应用层、关键服务层和数据层。
（一）人机交互层：人机交互层关键实现设计者和VAPP系统信息交流，关键包含虚拟外设数据读取，装配计划过程中装配操纵指令和参数输入、虚拟场景漫游等。
其中，命令解释器负责对用户指令进行解释，并调用应用层对应模块进行相关处理。经过命令解释器转发，使人机交互层含有很好可扩展性。
（二）应用层：包含CAD数据接口、装配次序计划、装配路径计划、装配知识管理、零部件选择装配、装配工艺后处理、装配信息管理和装配现场动画浏览等模块组成。VAPP系统支持设计者进行面向过程装配建模，并经过装配约束关系自动识别来实现零部件正确定位，同时实时干涉检测能够确保装配路径有效性。其次，VAPP系统将虚拟装配建模过程进行统计，并经过装配工艺后处理模块，形成对实际装配操作有指导意义装配工艺卡片和装配过程动画。
（三）关键服务层：关键为应用层提供底层支撑。包含碰撞干涉检测、约束识别、装配知识辅助决议、运动仿真、场景管理和和行为控制。其中场景管理负责整个装配环境显示控制（包含不一样物体方位设置，隐藏设置等）。行为控制负责装配环境中不一样零部件行为响应控制（如物体间发生碰撞时行为），用户在虚拟装配环境中视点控制和环境中发生对应事件时响应控制。
（四）数据层：系统数据层关键包含装配过程数据存放区和装配知识库两个部分。其中：装配过程数据存放区保留了VAPP系统全部装配相关数据信息，包含各零部件几何数据、属性信息、管理信息、装配结构信息、装配工艺文件描述信息、装配约束信息、装配次序、装配路径等全部装配过程信息。装配知识库保留经过整理规范表示装配知识，包含零部件装配优先规则，装配工艺知识（工具、夹具、工艺方法等）。在系统运行过程中，系统访问知识库，能够取得悉识帮助并辅助用户进行决议。
作为虚拟产品开发关键组成部分，VAPP系统是在PDM系统控制下运行，经过PDM和虚拟产品开发其它部分如工装夹具设计、CAPP等发生联络，产生结果文件如工艺计划结果、装配设计反馈意见等也经过PDM公布出去。
VAPP系统采取半沉醉式桌面虚拟环境，即沉醉式和非沉醉式用户界面相结合，沉醉式界面和非沉醉式界面能够很轻易地进行切换。非沉醉式用户界面关键基于通常二维菜单、二维鼠标和一般键盘。它通常见来完成零部件管理属性查询、虚拟环境参数设置、装配工艺后处理等功效。而沉醉式用户界面则关键基于数据手套、位置跟踪器、三维鼠标、立体眼镜和三维菜单。它能使用户沉醉到虚拟环境中，并为用户提供抓取零部件、移动抓取零部件、旋转抓取零部件、释放抓取零部件等直接交互装配操作功效。这种沉醉式和非沉醉式用户界面相结合特点，能方便用户灵活处理虚拟装配计划中多种活动或操作，同时也充足发挥了沉醉式和非沉醉式用户界面各自优势。
四、系统关键关键技术
（一）CAD系统到VAPP系统数据转换 数据转换问题源于虚拟环境中和CAD环境中物体描述方法差异。在VAPP系统中，零件实体是经过简化多边形面片模型（通常为三角形面片模型）来描述，而不是CAD系统采取正确几何描述。VAPP系统经过对CAD系统进行二次开发接口程序，将VAPP系统所需信息（关键包含装配体几何面片信息、管理属性信息、几何特征信息和装配特征信息等）导出，并在VAPP系统中进行重构，实现外部CAD系统数据向VAPP系统数据转换[3]。
（二）虚拟产品装配模型 装配模型是整个VAPP系统基础，其关键问题是处理怎样在计算机中表示和存放产品装配信息。虚拟产品装配模型是一个集成化信息模型，作为虚拟产品模型子集，它支持广义产品设计中和装配相关活动和过程，能有效地存取所需多种信息。不仅要考虑装配零部件几何特征、管理属性信息和物理特征信息，还要考虑装配工艺信息；不仅要能处理系统输入信息，还应能处理设计过程中中间信息和结果信息。所以，虚拟产品装配模型将伴随设计过程推进而逐步丰富和完善。VAPP系统装配模型关键由管理、物体特征、几何、拓扑、工程语义和装配工艺等六部分组成[4]。
（三）装配过程中知识辅助决议 虚拟装配计划系统利用虚拟现实技术提供沉醉性和交互性为设计人员建立了一个高逼真度多模式交互计划环境，使其能充足发挥本身智慧和经验，但其次，因为人机交互操作增加，可能降低产品装配计划效率。所以，将虚拟现实技术和计算机辅助推理相结合，建立基于虚拟现实人机协同计划环境，使装配工艺计划人员能够在关键和复杂问题上充足发挥自己智慧和经验，而在常规问题又能充足利用计算机来替换人脑反复思索，这对提升装配计划效率含有实际意义。
VAPP系统提出了将事例性知识和规则性知识有机结合来辅助人在虚拟环境下进行装配序列计划方法，并提出了装配次序递进分层推理模型（Progressive Hierarchical Reasoning, PHR），将计算机利用几何层和语义层知识自动推理和人主观决议相结合，人机交互地来处理装配序列计划问题，使装配计划人员在虚拟环境下可视化、快速进行装配工艺计划。和此同时将计划中产生新知识经验利用虚拟环境特有模式加以统计、整理再利用，达成装配知识良性循环使用，提升虚拟装配效率目标。
（四）选择装配 VAPP系统经过建立一个对实际加工尺寸零部件根据加工误差进行选配机制，建立对应选配优化方法，经过选配，提升产品装配质量，获取比较稳定较高装配精度。
（五）装配工艺后处理 提供一个交互式装配工艺卡片生成环境，以虚拟装配工艺计划过程中形成装配计划结果为主干，补充和完善产品装配工艺，形成较为完善、符合工厂特定格式装配工艺卡片。
（六）实时干涉检测 提出一个面向VAPP系统分层正确碰撞检测算法，该算法分为四层[5]：包围盒层、中间层、面片层、正确层。该算法不仅能满足虚拟装配实时性要求，还能满足虚拟装配正确性要求。
（七）线缆装配工艺计划 线缆作为柔性体，其建模和装配计划过程和其它刚性零部件有很大区分。依据虚拟环境特点，VAPP系统提出了线缆离散控制点建模技术，将线缆简化成由一系列截面中心点（控制点）相连而形成空间连续折线段，经过对控制点操纵实现线缆三维空间布线。
（八）装配现场可视化 利用VAPP系统提供动画制作功效，计划人员能够把零部件装配次序、装配路径和特殊装配操作技巧以动画形式统计下来，并和相关装配工艺描述文档（如装配工艺卡）进行关联，提交到装配工艺部门数据服务器上；现场装配人员经过安装在装配现场用户端，利用局域网查询和浏览所需装配工艺文档和装配过程动画。从而使现场装配人员更清楚了解装配意图，提升装配效率，降低装配错误。
五、系统关键特色
装配是产品生命周期中关键步骤。VAPP系统经过构建一个半沉醉式桌面装配工艺计划环境，使装配工艺设计人员能在可视化环境下交互地对产品计算机三维模型进行试装，以建立和分析产品各零部件装配次序、装配路径、装配过程中动态干涉和装配空间合理性，并验证和分析装配工、夹具空间可操作性和相互位置关系，以此形成装配工艺主体内容，并经过装配工艺后处理，和装配过程动画生成等手段，形成能直接指导工厂装配车间进行现场装配可视化装配工艺。概括起来讲，VAPP系统含有以下功效特色。
（一）集成化 VAPP集成关键表现在两个方面：首先表现在VAPP系统信息集成、功效集成和过程集成。VAPP系统涵盖产品装配工艺设计中和之相关多个方面，这些方面并不是孤立，而是相互制约、相互影响。VAPP系统所需相关数据，包含零部件模型，工装、夹具模型等（关键包含模型几何信息和属性信息）起源于不一样应用系统，数据格式各异；其次，虚拟装配产生装配分析结果、装配工艺、装配过程动画等信息也要反馈给相关设计步骤和工程应用系统。VAPP系统经过统一PDM平台，实现和其它应用系统数据集成。同时，经过统一PDM平台，也实现了VAPP系统中对应信息流、权限等控制。
其次，VAPP集成也表现在其沉醉式和非沉醉式装配环境集成上。在VAPP系统中，用户能够很方便地进行沉醉式和非沉醉式装配环境切换，充足发挥沉醉式和非沉醉式装配环境优势。
（二）面向工艺装配建模过程 传统数字化预装配系统是在产品设计过程中，为了愈加好帮助设计人员进行和装配相关零、部件结构设计决议而对产品模型进行分析系统，这种面向设计系统本身是为零、部件结构设计服务，并没有考虑装配过程中零、部件装配次序和装配路径。而VAPP系统将使用户以直观方法直接考察装配约束施加过程、分析装配约束对零件运动限制、检测装配过程中碰撞干涉。装配建模结果不仅建立了产品装配模型，而且还生成了整个产品初始装配序列和初始装配路径。同时VAPP系统经过对装配建模结果局部修改等功效，实现了装配模型优化。VAPP系统这种面向工艺装配建模过程，首先能在产品设计早期阶段就立即地发觉实际装配过程中问题，降低了返工，从而提升装配一次成功率，其次，装配建模同时形成装配工艺信息（如装配次序、装配路径等）输入到装配工艺后处理模块，能够很方便地生成符合工厂要求装配工艺卡片，大大减轻了装配工艺设计人员工作难度和工艺编制时间。
（三）知识辅助决议和人机交相互结合 VAPP系统中知识库为装配知识提供了一个保留机制。知识库包含了在长久装配实践中形成相关装配次序、方法、装夹手段等经验。同时系统还提供对知识库各项操作，包含知识扩充，修改等。由确定知识引导人机交互装配过程，降低无效装配动作，从而能起到快速装配作用。
（四）三维可视化装配工艺文档 现有车间现场装配过程大多以纸质装配工艺文件为指导，装配工人了解困难，轻易发生错装。而VAPP系统将装配次序和装配路径以动画形式输出，用于指导装配车间现场装配，经过实时显示装配次序和路径，和各装配阶段所用到工装夹具，使装配工人愈加明确装配任务和过程，从而降低错装，提升装配速度和一次成功率。
（五）完善装配信息管理 VAPP系统经过一套有效管理机制，使用户在装配过程中实时、方便地浏览和编辑各零、部件属性信息和装配工艺信息（包含装配工、夹具选择，填写装配操作步骤说明等）。同时经过装配工艺后处理模块，生成装配工艺卡、工装清单和配套清单等符合工程实际要求装配工艺文档。另外，VAPP系统还能对装配完成零部件进行统计，并给出相关汇报，以免漏装。
六、系统应用
VAPP系统已经在中国航天产品装配工艺计划中得到初步试用，经过该半沉醉式桌面虚拟装配计划系统，用户在进行装配建模同时，生成对实际装配操作有指导意义装配工艺卡片，并经过装配车间现场可视化，使装配工人愈加明确装配任务和过程，从而降低错装，提升装配速度和一次成功率。图2为VAPP系统主界面，装配体零部件模型经过数据接口导入到VAPP系统中，零件初始时被依次排列在操作台上，在系统中经过虚拟手（或三维鼠标）拾取、移动、转动零部件进行装配操作。图3为装配好某产品装配模型。图4是零件装配路径（用离散装配路径点形式来表示装配路径）。
为了降低虚拟手套所带来手疲惫，VAPP系统关键采取三维鼠标Spaceball 5000来控制零部件运动。在虚拟装配工艺计划过程中，装配过程实时决议系统为系统计划提供实时决议信息。装配工艺计划形成数据结果，经过优化后，一部分反馈给CAD系统，用于对产品设计修改。一部分反馈给CAFD系统，用于对夹具、工具设计修改。一部分导入到装配工艺计划后处理模块中，以形成最终标准装配工艺卡，图5为装配工艺计划后处理主界面。
七、结 论
虚拟装配计划技术为处理产品装配工艺计划问题提供了一个新有效路径。本文介绍半沉醉式桌面虚拟装配工艺计划系统VAPP，能够使设计人员在可视化环境下交互地对产品计算机三维模型进行试装，以建立和分析产品各零部件装配次序、装配路径、装配过程中动态干涉和装配空间合理性，并验证和分析装配工、夹具空间可操作性和相互位置关系，并以此形成装配工艺主体内容，在此基础上，经过装配工艺后处理模块，形成对实际装配操作有指导意义装配工艺卡片，并经过装配车间现场可视化，使装配工人愈加明确装配任务和过程，从而降低错装，提升装配速度和一次成功率。现在，VAPP系统已在实际产品设计和开发过程中得到了试用，在复杂产品装配工艺设计和现场装配等方面有较高实用价值，为虚拟装配计划系统工程实际应用进行了有益尝试。同时，该半沉醉式桌面VAPP系统，其所采取底层关键技术，和完全沉醉式虚拟计划系统基础是一致，只是在人机交互层上和完全沉醉式虚拟计划系统有所不一样。在现在虚拟现实硬件条件不是很成熟情况下，半沉醉式VAPP系统实际上也是对完全沉醉感虚拟装配计划系统局部改善和完善。
参考文件：
[1] Bullinger H J，Richter M. Virtual assembly planning. Human Factors and Ergonomics In Manufacturing，，10(3)：331－341
[2] Sankar Jayaram，Hugh I Connacher，Kevin W Lyons. Virtual assembly using virtual reality techniques. Computer-Aided Design，1997，29(8):575－584
[3] 刘检华, 姚珺, 宁汝新. CAD系统和虚拟装配系统间信息集成技术研究.计算机集成系统（CIMS）, ,1: 44~47
[4] 刘检华, 姚珺, 宁汝新. 虚拟装配工艺计划实现技术研究. 机械工程学报, ，40:138－143
[5] 刘检华, 姚珺, 宁汝新. 基于虚拟装配碰撞检测算法研究和实现.系统仿真学报, ，16:1775－1778
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