CN100435049C - 一种面向生产现场的半沉浸式装配工艺规划方法 - Google Patents
一种面向生产现场的半沉浸式装配工艺规划方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种面向生产现场的半沉浸式装配工艺规划方法，属于先进制造领域中虚拟制造技术的范畴。本发明为解决复杂机电产品的装配工艺规划难、装配质量难以预测和装配现场管理落后等问题，充分融合沉浸式虚拟环境和传统工程环境的各自优势，提出了一种半沉浸式的装配工艺规划方法，该方法由模型数据获取、面向生产现场的装配车间建模、初始装配工艺生成和装配工艺后处理四部分组成。本发明在一定程度上为解决复杂产品的装配工艺规划难的问题提供了一条有效的途径和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型机电产品装配工艺规划方法，属于先进制造领域中的虚拟制造技术范畴，特别涉及半沉浸式的虚拟装配工艺规划方法。
背景技术
由于装配问题的复杂性，复杂产品的装配工艺规划一直是机电产品设计制造一体化中的薄弱环节，特别是对于导弹、卫星等复杂武器装备的装配，由于其具有多品种、变批量、装配精度要求高、装配填充密度大、装配质量难以预测、以手工装配为主以及有时还要求安全性装配或不可逆性装配等特点，其装配工艺规划与优化问题一直是研究的热点和难点。
目前，在计算机辅助导弹和卫星等复杂武器装备的装配工艺规划方法方面，主要还停留在以实物试装和填卡片式的工艺文件直接编辑的方法。虽然利用计算机和人工智能技术可以建立装配关系模型并通过规则推理自动生成产品装配序列，但由于：1)随着产品所包含的零件数目增多，可能的装配序列数目会出现组合爆炸；2)目前人工智能技术的发展水平还很难将规划人员的知识和经验抽象成具体规则；(3)实际装配中，操作人员的工作环境和现场管理水平将对装配工艺产生重要影响，所以目前复杂武器装备的装配工艺规划制定大部分仍停留在依靠实物试装的手工制定阶段。
虚拟装配技术的出现，为从几何、物理、过程等多方面研究装配工艺规划和改变目前复杂机械产品的装配工艺规划技术相对落后的现状提供了一条有效的途径。美国华盛顿州立大学与国家标准技术研究所NIST合作开发的虚拟装配设计环境VADE是一个具有代表性的虚拟装配系统[1，2]，其主要目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境来探索产品制造中运用虚拟现实技术的可能性。希腊Patras大学制造系统实验室Chryssolouris等开发了虚拟装配工作单元，并以快艇的螺旋桨的装配为例，对影响装配时间的因素(如装配者的力量、工作单元布局等)进行了分析评价，并建立了半经验式的时间模型[3，4]。美国Arizona州立大学Nong Ye与Illinois大学Prashant Banerjee等学者对传统工程环境(TE)、非沉浸式桌面虚拟环境(DVR)以及沉浸式CAVE虚拟环境(CVR)进行了对比试验，得出[5]：1)采用虚拟装配技术可以大大缩减实际装配的时间。2)采用虚拟装配技术可以大大减少实际装配过程中出现问题的数量。3)采用虚拟装配技术可以大大减少实际装配过程中复杂装配工序的数量。4)采用虚拟装配技术可以使实际装配工序之间采用更多的相似性。
参考文献
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发明内容
为解决复杂机电产品的装配工艺规划难、装配质量难以预测和装配现场管理落后等问题，提出了一种半沉浸式的虚拟装配工艺规划方法，该方法由模型数据获取、面向生产现场的装配车间建模、初始装配工艺生成和装配工艺后处理四部分组成。所谓“半沉浸式”是指在虚拟装配工艺规划的过程中，不片面追求在装配工艺规划全过程都采用沉浸式的虚拟环境，而只是在最需要的装配顺序和路径规划阶段，采用沉浸式的虚拟环境，以充分利用人的经验和智慧；在其它环节，如装配路径优化、系统参数设置、装配工艺后处理、装配过程中的信息查询、装配过程动画获取等则采用非沉浸式的环境。
该方法将技术与管理有效集成，支持设计者在沉浸式虚拟环境中直观地进行交互式规划操作，建立产品各零部件的装配顺序、装配路径，并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性，实时地模拟装配现场和装配过程中可能出现的各种问题和现象，为从几何、过程等方面研究装配工艺技术和改变目前装配工艺相对落后的现状提供了一条有效的途径。
本发明为工艺设计人员和车间装配人员提供了一种新型的机电产品装配工艺规划方法，充分发挥了沉浸式虚拟环境和传统工程环境的各自优势，为解决复杂产品的装配工艺规划难的问题提供了一条有效的途径。
附图说明
图1为本发明的半沉浸式的机电产品装配工艺规划的工作流程
图2为本发明的几何描述文件格式
图3为本发明的面片模型文件格式
图4为本发明的面向生产现场的装配车间
图5为本发明的初始装配工艺生成的基本工作流程
图6为本发明的装配好的变速箱
图7为本发明的产品装配顺序的数据存储结构示意图
图8为本发明的装配路径显示
图9为本发明的装配工艺后处理的工艺编辑器
具体实施方式
一、半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法流程
半沉浸式的机械产品装配工艺规划的工作流程如图1所示，其主要分为四个阶段，即模型数据获取阶段、面向生产现场的装配车间建模阶段、初始装配工艺生成阶段和装配工艺后处理阶段。
模型数据获取阶段：设计者对来自商品化三维CAD系统(如Pro/E，UG等)的设计模型数据(主要包括零部件、工具、夹具和吊具模型等)进行转化，获得半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法中所需要的中性文件。
面向生产现场的装配车间建模阶段：利用人机交互式的车间布局技术，建立与装配现场高度相似的装配工艺规划沉浸式场景，该场景中包括待装配的零部件、工具、夹具、吊具、操作台等。
初始装配工艺生成阶段：设计者基于建立的虚拟装配车间，人机交互地对产品的虚拟模型进行三维可视化装配，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性，并以此形成产品的初始装配工艺(主要包括装配顺序、装配路径、装配动画、以及装配过程中用到的工夹具等工艺信息)。
装配工艺后处理阶段：在上一阶段形成的初始装配工艺的基础上，补充和完善产品的装配工艺信息，从而形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片，同时生成配套清单、工装清单、辅助材料清单等工艺报表。
半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法中的“半沉浸”，是指在装配工艺规划的过程中，不追求装配工艺规划全过程都采用沉浸式的虚拟环境，而只是在最需要利用虚拟现实技术的面向生产现场的装配车间建模阶段和初始装配工艺生成阶段中的部分环节，采用沉浸式的虚拟环境；在其它环节，如模型数据获取和装配工艺后处理等，则采用非沉浸式的环境(传统工程环境)。非沉浸式的用户界面主要基于通常的二维菜单、二维鼠标和普通键盘等交互手段和设备，它一般用来完成零部件的管理属性查询、虚拟环境参数设置、装配工艺后处理等功能。而沉浸式的用户界面则主要基于数据手套、位置跟踪器、三维鼠标、立体眼镜和三维菜单，它能使用户沉浸到虚拟环境中，并为用户提供抓取零部件、移动零部件、旋转零部件、释放抓取的零部件等直接三维可视化的交互装配操作功能。这种沉浸式和非沉浸式用户界面相结合的特点，能方便用户灵活处理三维装配工艺规划中的各种活动或操作，同时也充分发挥了沉浸式和非沉浸式用户界面的各自优势。
二、模型数据获取
半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法中采用的模型(包括零部件、工具、夹具和吊具模型等)数据格式，与商品化三维CAD系统(如Pro/E，UG等)中的模型数据格式存在着差异，因此需要将商品化三维CAD系统中的模型数据转换成半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法中的模型数据格式。
半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法中采用中性文件的形式来实现模型信息的表达，对于每一个零件(工具、夹具和吊具)，其模型数据由两部分构成，即几何描述文件(文件扩展名为.gdf)和面片模型文件(文件扩展名为.slp)，具体含义如下：
几何描述文件(.gdf文件)：描述每个零件的相关属性信息，包括各零件的特征组成，几何要素，零件的总体属性(如颜色，材料，密度，重量)等，同时，通过零件名称链接到该零件的几何面片描述文件(.slp文件)，其文件形式如图2所示。
面片模型文件(.slp文件)：描述零件的几何面片组成，主要由一系列的三角形面片数据组成，其文件形式如图3所示。
三、面向生产现场的装配车间建模
利用虚拟现实建模工具，建立与装配现场高度相似的虚拟装配工艺规划沉浸式场景，包括装配车间、操作台等，同时导入待规划的零部件、工具、夹具、吊具模型数据等(通过中性文件的形式导入)，并将以上模型摆放在合适的位置。所建立的沉浸式装配工艺规划场景如图2所示。
四、初始装配工艺生成
初始装配工艺生成主要包括装配顺序和装配路径的确定，装配工具和工装的使用等工艺信息的生成，
初始装配工艺生成主要是基于建立的虚拟装配车间，利用人机交互技术对产品的数字化零部件模型进行装配，以搭积木的形式仿真产品的实际装配过程，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径以及装配工具和工装的定位和安装方法等，同时通过对装配操作的过程和历史信息进行记录，形成产品的初始装配工艺。
1)初始装配工艺生成的基本工作流程
初始装配工艺生成的基本工作流程如图5所示，其基本步骤为：
步骤1：设计者启动沉浸式虚拟环境，零部件初始时被依次排列在虚拟操作台上(如图4所示)，用户通过交互设备(数据手套、键盘或三维鼠标等)可以调整自己在虚拟环境中视点位置，在环境中进行浏览；
步骤2：确定待装配组件。
步骤3：利用虚拟手抓取组件(零件或部件)。
步骤4：通过数据手、三维鼠标或键盘等交互设备，在虚拟环境中移动或转动待装组件，使其向装配目标靠近。
步骤5：检测待装组件与虚拟场景中其它虚拟物体(包括操作台、其它零部件、工夹具等)之间的干涉碰撞。
步骤6：如果待装组件与其它虚拟物体发生干涉碰撞，则将待装组件退回到其初始状态，并重新移动或转动该待装组件。
步骤7：记录待装组件的空间轨迹，形成其装配路径。
步骤8：如果需要使用工装，则抓取相应的工装，并进行工装的定位和安装操作，同时对工装操作过程信息进行记录。
步骤9：判断该组件是否装配到位，如果没有，返回步骤4；否则释放该组件。
步骤10：将该组件加入装配序列链表，回到步骤2。图6为在虚拟场景中装配好的变速箱。
在上面装配操作的过程中，设计者可以利用手势、菜单和键盘执行各种命令操作，包括撤消操作、重新开始、查看(隐藏)装配路径、对虚拟环境设置参数进行设置等。
2)装配顺序的记录
产品的装配顺序是通过一个装配任务序列来进行记录的，该装配任务序列的数据存储结构如图7所示。每一个装配任务，都有唯一的装配任务对象(即零件或部件)，而且对于装配任务对象是部件(也叫子装配体)的装配任务，其又包含一个下层的装配任务序列，同时对于每一个装配任务，都包含一个装配操作链表，用来描述装配工艺规划过程中的工夹具的安装和定位等装配工艺信息。如图7所示，该产品由一个装配任务序列(AT1，AT2，AT3，…，ATn)组成，其中该装配任务序列中的AT2所对应的任务对象为一个子装配体，该子装配体又由一个下层装配任务序列组成。而下层装配任务序列中的装配任务AT22又包含了一个装配操作序列，该操作序列表示了装配零件22时，需要进行的工具操作、夹具操作和装配基体调整等辅助装配操作工艺信息。
3)装配路径的记录
装配路径记录了虚拟物体从初始方位到目标装配位置的运动过程。在交互式的虚拟装配操作的过程中，当设计者利用三维鼠标、数据手套或键盘直接操纵虚拟物体(包括零部件、工具，夹具等)运动时，该虚拟物体的装配路径是通过记录该物体所经过的一系列离散空间点的位置信息得到的。装配路径通过一个离散点序列来描述：Path＝{pt1，pt2，pt3，...，ptn}，其中pti表示第i个序列节点，可以描述为：pti＝{xi，yi，zi，αi，βi，γi}，其中xi，yi，zi表示该虚拟物体所处的空间位置信息，αi，βi，γi表示其姿态信息。图8为产品的装配路径显示。
半沉浸式的机械产品装配工艺规划方法中对满足以下条件的装配路径点才进行记录(被记录的装配路径点也叫有效采样点)，有效采样点需要满足的条件如下：
①虚拟物体的初始位置点，即虚拟物体在装配操作过程中的第一个路径点是有效采样点。
②虚拟物体在装配过程中的第二个采样点也是有效采样点。这是因为第一、二个采样点定义的方向即是虚拟物体的可自由移动方向，亦即初始装配方向。
③虚拟物体的最终装配位置点，即虚拟物体的目标装配位置点，电即虚拟物体在装配过程中的最后一个采样点是有效采样点。
对于其它采样点P，它必须满足方程(1)和(2)才能成为有效采样点：
Dot_product(P1P2，P2P)＞＝0.0， (1)
其中P是当前采样点，P1和P2是位于P之前的有效采样点。
Distance_product(Pi-1，Pi)＞＝0.0， (2)
其中Pi是当前采样点，是Pi-1是当前采样点的前一个采用点。
五、装配工艺后处理
装配工艺后处理是在初始装配工艺的基础上，通过交互式的装配工艺编辑，对产品装配工艺进行完善，形成符合工厂实际需求的装配工艺卡，同时输出产品配套表、工装表和辅助材料表等报表。
装配工艺后处理主要是通过提供一个交互式的装配工艺卡片的生成环境(如图9所示)，在初始装配工艺的基础上补充和完善产品的其它工艺信息，如辅助材料、专用工装仪表、工序简图、工艺的文字描述、质量检验信息等，从而形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺文档。
Claims (2)
1、半沉浸式的虚拟装配工艺规划方法，其特征在于，综合了沉浸式虚拟环境和传统工程环境的各自优势，将装配工艺规划方法划分为如下四个阶段：
模型数据获取阶段：对来自商品化三维CAD系统的设计模型数据进行转化，获得所需要的中性文件；
面向生产现场的装配车间建模阶段：利用人机交互式的车间布局技术，建立与装配现场高度相似的装配工艺规划沉浸式场景；
初始装配工艺生成阶段：基于建立的虚拟装配车间，人机交互地对产品的虚拟模型进行三维可视化装配，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径，并验证和分析装配工具和夹具的空间可操作性，并以此形成产品的初始装配工艺；
装配工艺后处理阶段：在上一阶段形成的初始装配工艺的基础上，补充和完善产品的装配工艺信息，从而形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片，同时生成配套清单、工装清单、辅助材料清单；
所谓“半沉浸式”是指在虚拟装配工艺规划的过程中，不片面追求在装配工艺规划全过程都采用沉浸式的虚拟环境，而只是在面向生产现场的装配车间建模阶段和初始装配工艺生成阶段中的部分环节采用沉浸式的虚拟环境；而在模型数据获取阶段和装配工艺后处理阶段则采用传统工程环境。
2、初始装配工艺生成方法，其特征在于，通过在沉浸式虚拟环境中直观地进行交互式规划操作，建立产品各零部件的装配顺序、装配路径，并验证和分析装配工具和夹具的空间可操作性，实时地模拟装配现场和装配过程中可能出现的各种问题和现象，该方法基本步骤为：
步骤1：启动沉浸式虚拟环境，零部件初始时被依次排列在虚拟操作台上，通过交互设备可以调整虚拟环境中视点位置，在虚拟环境中进行浏览；
步骤2：确定待装配组件；
步骤3：利用虚拟手抓取组件；
步骤4：通过交互设备，在虚拟环境中移动或转动待装组件，使其向装配目标靠近；
步骤5：检测待装组件与虚拟场景中的操作台、其它零部件、工夹具之间的干涉碰撞；
步骤6：如果待装组件与虚拟场景中的操作台、其它零部件、工夹具之间发生干涉碰撞，则将待装组件退回到其初始状态，并重新移动或转动该待装组件；如果待装组件与虚拟场景中的操作台、其它零部件、工夹具之间不发生干涉碰撞，则跳过步骤6，直接执行步骤7；
步骤7：记录待装组件的空间轨迹，形成其装配路径；
步骤8：如果需要使用工装，则抓取相应的工装，并进行工装的定位和安装操作，同时对工装操作过程信息进行记录；如果不需要使用工装，则跳过步骤8，直接执行步骤9；
步骤9：判断该组件是否装配到位，如果没有，返回步骤4；否则释放该组件；
步骤10：将该组件加入装配序列链表，回到步骤2；
在上面装配操作的过程中，可以利用手势、菜单和键盘执行各种命令操作，包括撤消操作、重新开始、查看装配路径、隐藏装配路径、对虚拟环境参数进行设置。
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