基于虚拟技术的破碎机装配工艺设计系统

引言计算机辅助工艺设计（CAPP）是企业信息化中的重要一环，它所产生的工艺数据是企业生产活动的重要依据。虚拟装配是虚拟现实技术应用研究的热点，它直接操作虚拟场景中的零件模型进行产品装配过程的动态模拟，对零件可装配性和装配路径有效性进行检查，对设计验证、产品装配顺序的求解有着重要的意义，并为面向复杂产品的装配设计提供更好地支撑。随着三维CAD技术在企业中的广泛应用以及虚拟装配技术的优越性，基于以上两点考虑，我们将虚拟技术应用于机械工艺设计，提出并设计了基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统。目前，国内外学者从不同角度和应用领域对虚拟装配(VirtualAssembly，VA)技术进行了研究，也取得了一定的进展，但总的来说，将虚拟现实技术应用于产品装配规划的时间还不长，各种理论和方法还不成熟，不能实现与前端CAD数据的资源共享，尤其大多虚拟装配都采用完全沉浸式的，其所需的输入输出设备（数据手套）的精度和费用有限制，同时完全沉浸的虚拟环境中无法解决CAPP的很多工艺文字信息（或数据）需要输入和显示，所以导致虚拟装配的工程实际应用程度不高，鉴于以上情况，本文提出并设计了基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统3D-VAPP。1系统结构与功能设计1.1系统主要功能本文提出并设计了基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统3D-VAPP。该系统具有如下功能:①通过与CAD系统的数据接口,获取和建立VA的装配模型;②在可视化的虚拟场景中，交互式建立装配顺序与路径、动态分析装配干涉情况，得出最优路径和次序；③装配过程中零部件位姿和视点变化矩阵的记录以及装配过程的反演，生成装配动画指导生产；④在工艺知识库的支持下，结合装配顺序交互式定义、编辑与完善装配工艺卡片；⑤通过Access数据库对系统生成的工艺文件进行有效管理，对工艺知识库进行积累。1.2系统主界面及结构设计本软件系统采用OPENINVENTOR+VC6.0并辅助Access数据库自行开发完成。系统主界面如图1所示。图1基于虚拟技术的三维计算机辅助装配工艺设计系统整个系统划分为装配工艺设计、虚拟装配和工艺管理三个部分，其详细功能模块划分如图2所示。图2系统详细功能模块划分本系统各个模块的结构关系如图3所示，包括数据库、数据库管理、装配工艺设计、虚拟装配和外部装配体文件等。图3系统各个模块的结构关系图2系统关键技术和解决方案2.1机械模型信息提取在VR系统中，由于碰撞检测及实时交互的需要，机械零部件模型一般为离散的多边形面片，其中仅包含顶点、颜色或纹理等图形信息，并用场景树对其进行管理；而CAD系统则采用精确的几何描述模型，零件包含精确的拓扑与几何信息，装配体通常都由装配约束组织起来，由CAD系统的内部数据库进行管理；由于CAD系统和VR系统的上述差异，在本系统中要调用CAD系统所建模型，就要从中分别提取零件的图形信息和零件的参数与位置信息。并在VAPP系统中进行重构，实现外部CAD系统数据向VAPP系统数据的转换。在本系统中，我们针对SolidWorks进行二次开发建立接口程序，将CAD模型的图形信息经过转换写成VRML格式。将零部件的拓扑信息、零件的形状参数、零部件在装配体中的定位参数等信息写入数据库中。本系统与SolidWorks的模型数据接口关系如图4所示。图4模型数据接口2.2可视化交互式装配工艺设计可视化交互式装配工艺设计模块给工艺设计人员提供一个虚拟的拆卸/装配操作环境，在该环境中能够依照零部件三维装配视图，借助工艺人员的经验，同时结合产品零部件信息（包括部件三维装配视图和零件三维模型视图），对零部件装配模型进行精确的拆卸操作及路径规划，并以逆序输出，得到装配模型的装配序列和装配路径。（1）装配顺序规划综合考虑各种装配顺序求解方法，并结合系统实施企业的实际情况，本文提出了两种分析方法相结合的办法来规划装配工艺顺序：①分层次装配顺序求解方法根据产品零件的组件分类，确定组件之后，分层次生成组件的装配顺序。②拆卸法求解装配顺序方法一般来说，零件的装配和拆卸互为可逆过程，系统提供完备的人机交互方式，借助工程师的实际经验和分析判断能力，确定拆卸顺序，手动拆卸零部件。（2）装配路径规划装配路径规划是指从被安装零部件存放的位置，直到零件被装配到机体中所走的轨迹。路径规划通常只考虑工作空间中的几何信息，生成结果是针对每一具体零部件的无碰撞的几何路径。装配路径可以是简单的直线，也可以是复杂的多维曲线。在虚拟装配中，零部件路径规划，包括位置和方向，是以离散节点的形式进行纪录，这些节点通过链表的形式组织起来。由于基于VR的装配路径规划方式在虚拟设备上的投入相当庞大，并且虚拟交互手段在现阶段并不是特别的成熟，所以在本系统中采用基于CAD的装配路径规划方式，产品装配的装配路径总体表示形式为：其中：表示零件的装配路径，静态子装配体用表示，欲装配的自由零件用表示。装配总转换矩阵由装配零件的初始位置和零件所要达到的最终位置所决定。（3）交互式装配工艺设计的算法流程虚拟环境中模型的装配顺序和装配路径规划动作包括确定移动方向、选取模型、确定移动方式、移动、释放五个步骤，其算法流程图如图5所示。图5可视化交互式装配工艺设计的算法流程2.3虚拟装配过程的记录、编辑与反演虚拟装配过程的记录、编辑与反演是优化装配序列和装配路径、提高装配速度、验证装配工艺的正确性与可行性的重要方法。用户在虚拟环境中进行装配操作的同时，系统自动记录整个装配过程，包括零件的移动过程、视点的变换过程和每个零件的装配路径。其中要验证装配顺序和路径的可行性，基于虚拟零部件的精确碰撞检测是必需的，同时，由于零件之间的遮挡关系，要动态观察不同方位的零部件装配细节，就必须考虑虚拟装配过程中的多镜头多角度自动切换。在这一方面做了大量的研究工作。(1)基于多层次面片机械模型的精确碰撞检测算法在虚拟装配反演过程中，由于路径规划的失误，经常会发生当前移动的物体（包括零部件、工具、夹具）与静止物体（虚拟装配场景、已装配的零部件、工具、夹具）发生动态干涉的情况，因此只有在零件装配过程中动态检测零件沿规划轨迹运行过程中的干涉情况，才能使装配顺序和路径的正确性得到保证。同时，由于装配实时性的要求，在本系统中，碰撞检测算法既要能大大提高碰撞检测的效率，又要提高碰撞检测的精度。图6分层精确碰撞检测算法基于上述原因，从虚拟装配的应用需求和实际出发，由于虚拟装配环境的时间步长很小(每秒不低于30帧)，因此本文采用基于离散点的静态干涉检测算法。为了提高干涉检测的效率，满足虚拟装配对实时性、精确性的要求，本文在现有干涉算法的基础上，提出了一种面向机械虚拟装配的分层精确碰撞检测算法，该算法分为四个层次：零件包围盒层、面片包围盒层、三角面片层、特征剔除层，算法流程如图6所示。(2)装配过程多角度观察镜头自动切换算法在机械零件模拟装配过程中，由于零件之间可能存在遮挡关系，必须考虑多个观察镜头的自动切换以避免某些装配细节被场景中的其他静态实体遮住。为此，本文提出了一种动态装配过程多角度观察镜头自动切换算法，算法流程如图7所示。图7装配过程多角度观察镜头自动切换算法2.4装配工艺设计知识库的建立与工艺文件管理工艺知识库的好坏，直接影响着整个系统输出工艺文件的质量。在本软件系统中，我们针对上海路桥的产品特征，建立了装配工艺设计知识库，作为用户进行装配工艺设计的辅助支持。在装配工艺知识库中，总结了装配体装配工艺一般应该满足的通用化规则及典型工艺知识、包含了在长期的装配实践中形成的有关装配顺序、方式、装夹手段等经验。用户在进行装配工艺设计的时候，根据当前机械零件的种类和装配体的种类，从装配工艺设计知识库中选择相应的条款，加入当前装配工序图中，如图8所示。工艺工序图中的内容会自动存储到工艺文件数据库中，用户可以通过提交报表的形式产生装配工艺卡片。如果工艺知识库中缺少某种工艺内容，用户可以在当前的工序图中加入该内容，同时该工艺也将自动扩充到工艺知识库中。图8装配工序图对于CAPP系统，工艺文件的管理是必需的，本系统的工艺管理模块使用户在装配过程中实时、方便地浏览和编辑零、部件的属性信息和装配工艺信息（包括装配工、夹具的选择，填写装配操作流程说明等）。同时通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的装配工艺文档以及装配动画与三维爆炸图，如图9所示。4结论本系统实现了从模型输入、可装配性分析、装配顺序和装配路径规划、装配过程动态模拟验证、装配工艺知识维护、装配工艺文件管理等一系列功能。将计算机辅助工艺设计和虚拟技术有机结合起来，同时实现了CAPP与CAD的无缝衔接，对于企业提高工艺设计水平，实现企业信息化具有很好的辅助作用。但从广义上讲，装配工艺规划不仅包括产品零件装配顺序的选择，还必须综合考虑工作场地、工具和工人等物理因素。为此，我们可以充分利用虚拟装配系统所能够提供的交互式可视化工具，对零部件之间的配合约束和运动路径关键点处的干涉进行检查，求解优化的零部件装配顺序和可行的装配路径，并且对所求得的规划进行验证和调整,从而制订出一份完整的工艺规程。