沉浸式虚拟装配仿真技术研究

提出了一种基于多体动力学计算引擎的虚拟装配仿真框架,并对该仿真框架涉及的多面体近似凸集分解算法、并行碰撞检测、仿真场景构建、仿真模型定义与处理等关键技术进行了研究.基于该仿真框架,维修装配人员可以完全沉浸在虚拟装配环境中,采用数据手套、光学跟踪器和其他虚拟外设与装配零部件进行交互,从而体验真实的维修装配感觉,达到装配维修训练与试装配的目的.最后,在一个多人沉浸式虚拟现实硬件平台下开发虚拟维修装配仿真原型系统,以齿轮箱的拆装作为实例,验证了该仿真框架的有效性,为装配操作人员提供了一种优良的沉浸式用户操作界面.     

基于3DVIA Studio的民航发动机虚拟装配实验系统设计与开发

以3DVIA Studio为虚拟仿真平台开发一套发动机虚拟装配实验系统。利用CATIA创建发动机虚拟样机,并利用3DS MAX对大修车间、虚拟维修人员建模,将模型导入到3DVIA Studio虚拟环境中,运用行为设计、流程图编程及VSL、SDK等开发方式实现人机交互功能,利用Get Local Position、Interpolator和Set Local Position等行为模块实现虚拟装配控制。开发人机交互设备kinect与3DVIA Studio的数据接口,在可视化沉浸式虚拟环境中,使用人体肢体语言对发动机进行虚拟装配,对发动机零部件的可装配性作出直接的评价。采用虚拟样机装配替代发动机实物可节省大量培训经费,缩短培训周期,提高发动机装配的质量,保证装配人员工作的安全。     

人在回路的沉浸式虚拟装配技术研究

针对传统产品开发的序贯过程,很多问题要待到实物装配时才能充分暴露,导致零部件装配缺陷发现滞后,提出了人在回路的沉浸式虚拟装配技术。研究了人在回路的沉浸式虚拟装配环境、虚拟装配关键技术、虚拟装配应用系统,提出了人在回路的沉浸式虚拟装配原理,基于Virtools搭建出虚拟装配原型系统,并进行了工程验证。结果表明,所设计的人在回路的沉浸式虚拟装配系统具有一定的工程应用性。     

基于数字样机的虚拟维修系统总体框架研究

虚拟维修系统是解决产品维修设计的重要手段之一,但目前虚拟维修研究侧重在关键技术研究,缺乏完整的虚拟维修在产品设计中应用的总体框架,限制虚拟维修系统应用.简要分析了虚拟维修系统研究的现状,分析了支撑虚拟维修的沉浸式虚拟维修环境的组成,针对应用需求给出了相应的沉浸式虚拟维修环境配置.针对复杂产品的维修性设计特点,提出了基于数字样机的虚拟维修系统总体框架.采用IDEFO分析方法,对虚拟维修系统进行了详细的功能分析,阐述了各个模块的功能及实现方法.给出了基于数字样机的虚拟维修系统应用示例.结合已开展的研究工作和存在的问题,给出了下一步虚拟维修系统研究急需开展的工作.     

基于车辆传动系统虚拟装配平台的虚拟试验研究

虚拟装配是机械与制造行业新的重要研究方向,国内车辆行业在虚拟装配整体和集成方面的研究还处于起步阶段。从工程和总体的角度搭建了车辆传动系统虚拟装配平台的系统结构,简要分析了系统各功能层次的作用及特点,分析了采用桌面式和沉浸式VR系统集成模式的必要性和可行性,并建立了基于该混合模式的虚拟装配平台。基于该平台建立了视景仿真环境,并提出了新的车辆结构设计虚拟预装配、传动系统性能虚拟试验的研究方法。该系统在试验研究中进行了应用,且效果良好。     

基于OBB算法和数据手套的模具虚拟装配系统研究

开发了一个基于MFC的半沉浸式模具虚拟装配系统M—VAS,应用OBB算法有效解决了虚拟操作中的碰撞检测、手的穿透防止、抓取释放等关键问题,为克服传统防穿透算法的失真,提出了一种新的基于前向预防的防穿透机制。通过复杂电机壳体模具的装配仿真实验,表明该系统具有较理想的反应速度和操作真实感,为模具的数字化设计与制造提供了一种技术手段。     

虚拟装配中基于多刚体动力学的物性装配过程仿真

基于物理模型的虚拟装配过程仿真是虚拟装配技术的发展趋势之一.针对当前虚拟装配技术对质量、力等物理属性考虑不足,其仿真过程没有反映真实世界中零部件装配运动的本质规律的问题,提出虚拟装配中基于多刚体动力学的物性装配过程仿真方法,实现以力为输入参数的零部件装配过程仿真.同时详细阐述该方法中的三项关键技术的实现方法,即面向物性仿真的基本物理属性建模技术、虚拟装配中多刚体动力学的数学建模方法、虚拟装配中刚体碰撞过程仿真与分析方法.目前该方法已在虚拟装配工艺规划系统(Virtual assembly process planning,VAPP)中进行了实现,并通过实例进行了验证.     

加注设备虚拟装配仿真训练系统设计

设计了火箭推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了加注设备的三维实体模型,开发了加注设备的拆装演示、交互装配操作和装配工艺规划模块,并编制了功能模块调度与管理界面程序.设计的系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助.     

复杂产品分布式并行协同虚拟装配系统研究

为解决复杂产品异地协同设计中零部件数模验证和装配评审的困难,研究了基于网络的分布式协同虚拟装配技术,提出基于高层体系结构/运行时间框架的分布式协同虚拟装配方案,解决虚拟环境中的用户管理、操作协同和交互式装配操作等问题.以此为基础开发出了支持实时协同交互装配仿真的分布式并行协同虚拟装配系统,并以某汽车部分总成网络协同装配为例验证了该方案.结果表明,该方案可以实现复杂产品设计中的异地协同装配仿真与评审.     

EON Studio环境下基于Petri网的虚拟维修技术研究

在描述维修过程方面,现有的虚拟维修过程建模缺乏将抽象的维修任务描述与底层的仿真动作相结合.针对此问题介绍了一种基于Petri-Eon Studio的虚拟维修仿真系统,给出了一个虚拟维修系统框架.对维修过程采用任务层和动作层元素相结合进行描述,组成维修任务、维修工序、维修工步、动作单元和基本姿势构成的多层次结构.用Petri网描述维修任务并对维修过程进行建模,用Eon Studio提供的动作仿真方法进行动作层的实现.将Petri网模型和Eon Studio的仿真程序集成在Visual C++6.0平台上,用Petri网模型的分析结果驱动虚拟场景进行维修仿真,并控制维修仿真过程.     

Live parametric design modifications in CAD-linked virtual environment

This paper presents a solution to support parametric design modification in a virtual reality (VR) environment. It builds upon a novel computer-aided design (CAD) and VR integration framework, namely, CAD-linked virtual reality environment. With this framework, semantic information in CAD models, such as constraints, design features, and parametric settings can be automatically extracted during the creation of VR environment and be integrated into the virtual assembly (VA) models. Moreover, the persistent naming mechanism originating from feature-based modeling technology is introduced into the CAD–VR integration, based on which a persistent linkage between VA models and their CAD counterparts can be established. Users are able to visualize design features and to access the associated parametric info in VR environment and also to change the parametric settings online whenever necessary. The modified parametric settings are then sent back to the linked CAD models so that parts can be re-evaluated. The modified CAD part can then be reloaded into the VA model under an automated mechanism. Such communications between CAD and VR applications are supported in a live mode utilizing the COM interfaces provided by CAD server. With this solution, a quick return loop from VR to CAD is achieved. Therefore, it provides the possibility to support quick design change review and “what-if” evaluations for applications such as collaborative system design and immersive project review in VR. This constitutes the major contribution of the work to product development process.     

Constrained behavior manipulation for interactive assembly in a virtual environment

Interactive assembly based on virtual reality offers users an opportunity to interact with a virtual prototyping rather than a physical one and to validate assembly performance of products in a realistic way. Such evaluations could be available very early in the product development process ahead of any physical prototyping. The reduction or elimination of physical prototyping needed for assembly performance validation can substantially shorten the product development cycle and reduce development cost. Although virtual reality technology provides users an intuitive and immersive 3D interactive interface, it tends to be inaccurate because humans have difficulty in performing precise positioning tasks. Therefore, it is necessary to implement effective motion manipulation for assembly operations so that users can perform precise positioning efficiently in virtual assembly systems. This paper presents a constrained behavior management approach that realizes assembly relationship recognition, constraint solution and constrained motion for interactive assembly in a virtual environment. A constrained behavior manager (CBM) has been developed and applied in virtual assembly systems. Test cases confirm that constrained behavior manipulation proposed in this paper not only increases the efficiency of assembly relationship recognition, but also facilitates assembly interaction in a virtual environment.     

A pragmatic system to support interactive assembly planning and training in an immersive virtual environment (I-VAPTS)

Assembly planning for complex products is a difficult task requiring both intensive knowledge and experience. Computer aided assembly planning (CAAP) systems have been the subject of considerable research in recent years without achieving a wide application in manufacturing industry. In this paper an alternative approach to the generation of an optimal assembly planning scheme is presented based on the adoption of immersive virtual reality. A product is assembled from CAD models by providing a CAD interface to transfer assembly constraint information from the CAD system to a virtual environment. In the virtual environment an efficient dynamic recognition and management method based on surface geometry is employed, and a process-oriented assembly task model is established to support interactive assembly planning and evaluation. The system is implemented using an object oriented methodology, and has been successfully applied to train and guide the assembly workers in a pump assembly process.     

车身装配虚拟样机建模研究

传统的车身装配设计需要多轮实物试制,增加了周期和费用,为此提出了支持虚拟样机技术的车身装配集成建模框架。该集成框架分为基于焊装特征的装配建模、偏差传递计算模型和装配环境仿真模型等三个子模型,并以产品数据管理为平台,通过接口方式实现了各子模型中装配数据和过程信息的协调管理。最后给出了一个某实际车身前地板装配设计的实例。初步实践认为,该集成框架可对缩短装配开发周期、降低车身试制费用提供有效支持。     

虚拟装配环境下运动副自动识别方法

为有效地减少在装配仿真完成后进行机构运动仿真的前处理工作量,提高机构运动仿真的智能化程度,提出了一种在虚拟装配环境下面向运动仿真的机构运动副自动识别方法。通过提取虚拟装配环境下零部件间的装配约束信息,计算两个相连接零部件间所有约束的约束度,并利用计算所得的约束度自动映射出运动仿真机构中相应的运动副,为机构运动仿真中建立机构信息模型提供了基础信息。结合自主研发的原型系统虚拟装配工艺规划软件,给出了基于虚拟装配系统实现运动仿真的底层数据结构、机构模型的数据结构、信息传递过程和算法实现流程,并通过具体实例验证了方法的有效性。     

面向过程的虚拟环境中产品装配建模研究

提出了面向过程的虚拟装配建模方法,在虚拟环境中将装配建模与装配仿真相结合,建立装配关系模型的同时,实现了对装配过程的创建与仿真,从而,在虚拟环境中将面向结果的装配建模发展为面向过程的装配建模.设计者采用直接三维交互进行装配建模操作的同时,系统通过装配关系识别自动捕捉设计者的装配设计意图,通过装配约束运动确定零件的装配路径,通过虚拟装配建模过程信息重用为装配规划提供有效的支持.开发了面向过程的虚拟装配建模原型系统.实践表明,面向过程的虚拟环境中产品装配建模方法有效地提高了产品装配设计的质量与效率.     

雷达结构交互式虚拟装配系统研究

文中针对雷达结构传统装配设计中存在的效率低、一次装配成功率不高等问题,提出了一种基于虚拟现实技术的交互式虚拟装配系统构建方案。该系统集成交互式外设在不需要任何雷达实物的情况下,完全在虚拟环境下通过用户的自然操作,实现雷达结构装配的全过程。文中介绍了系统中虚拟装配功能模型的构建方法,重点分析了虚拟手在系统中的动作实现过程,阐述了雷达结构装配仿真规划的方法,最后还介绍了原型系统的开发过程和系统功能的实现。     

电缆虚拟装配的关键技术及其发展

电缆的装配质量是影响产品质量的重要因素之一。对电缆装配过程进行基于虚拟现实的仿真,可以减少电缆实际装配过程中错装、漏装等现象的发生,缩短产品装配周期、降低装配成本、提高装配质量及效率。笔者对电缆虚拟装配关键技术即电缆布线,装配对象与装配环境之间的碰撞干涉检验、电缆的几何形状仿真、虚拟装配过程的评估及验证、装配工艺规划的现状进行了综述,并在此基础上对电缆虚拟装配技术的发展趋势做了进一步探讨。