航空发动机教学实验系统的虚拟装配技术研究

航空发动机虚拟教学实验系统的建设是将VR(Virtual Reality)技术与实验相结合的一次综合性的实验探索与尝试.该系统是将虚拟装配及拆卸、模化实验、模型流场的动态显示及发动机试车等综合仿真实验系统,重点论述了教学实验系统开发中的虚拟装配技术,在对虚拟装配的研究现状分析和总结的基础上,对航空发动机虚拟装配的关键技术和虚拟装配系统的实现方法进行了分析和研究,包括基于数据手套的虚拟手操作、实时碰撞检测、装配路径和装配顺序规划等问题.最后还展示了利用航空发动机三维可视化虚拟装配系统完成虚拟装配操作的实例,并分析了虚拟装配系统与传统装配相比较的优势和特点.     

利用 WebGL 技术实现机房动态虚拟装配设计的可视化

本文设计并实现了一个面向机房的动态虚拟装配系统.该系统将传统的三维虚拟装配分解为二维装配和三维可视化两部分.在二维装配阶段,用户只需简单的交互操作就可完成机房的装配,配置结果记录在系统动态生成的配置文件中;在三维可视化阶段,系统根据配置文件可视化装配结果,实现虚拟装配.这种动态虚拟装配的架构有效提高了装配的效率,使装配更简捷、修改更容易.此外,该系统采用 WebGL 技术实现可视化,使得该系统的操作可全部在浏览器端完成,系统的发布和使用更加便捷.     

基于物理模型的虚拟装配技术研究

虚拟装配是虚拟现实技术在产品设计领域的一个重要应用 .为了从运动学与动力学的角度来考察虚拟装配过程中零件的运动 ,以便更真实地反映虚拟环境中零件装配运动的本质规律 ,提出了一种虚拟装配环境中用于将装配几何约束自动映射为运动副约束的基于运动自由度分析的物理约束生成方法 ,同时 ,提出了基于变刚度弹簧模型的装配力交互输入方法 ,并实现了位移输入与装配力输入的映射 .另外 ,还给出了基于物理模型的虚拟装配的基本过程 .该方法在虚拟设计与装配原型系统的研究与开发中已得到实现 .     

基于情境上下文的智能虚拟装配动作预测模型

针对现有虚拟装配系统普遍缺乏对复杂情境的分析能力,难以根据上下文有效预测用户动作意图的问题,给出了虚拟装配中情境上下文的形式化定义,建立了智能虚拟装配动作预测模型.该模型通过对装配动作模式的挖掘,进行基于实例的动作意图预测,实现系统的智能虚拟装配.结合水轮发电机组的转轮体装配实例,给出了模型的实现框架.通过实验验证,该模型能够根据情境上下文准确预测用户的动作意图,实时调整零部件的动作以自动完成装配.     

协同虚拟装配系统的实现

产品设计在产品开发过程中至关重要,传统的过程是通过物理样机进行实验、评价,开发周期比较长.本系统采用虚拟装配技术模拟该过程,可大大缩短开发周期,降低产品成本.文中介绍了支持协同的虚拟装配系统的主要功能和创新点,并对其中的关键技术进行了简要的说明,最后是对技术的发展展望.     

设备拆装混合现实系统中的拆装逻辑设计

针对机械部件在拆装过程中存在设备投资大、损耗程度高、危险性大、拆装效率低等问题, 本文采用混合现实技术, 设计出一套虚拟拆装系统. 其中, 拆装逻辑是拆装系统的核心, 拆装系统的通用性取决于拆装逻辑的设计. 为了解决虚拟拆装系统通用性差的问题, 本文通过对常见机械模型的连接方式和装配关系进行分析和总结, 设计出一种基于图遍历算法的数据结构来表达各个模型的逻辑关系, 并针对特种阀门、六关节机械臂等设备的拆装进行实验. 实验结果表明: 该拆装逻辑解决了拆装顺序的可定义和通用性等问题, 能够对模型部件按工艺流程进行虚拟拆解和装配, 最终实现虚拟拆装系统的通用性.     

基于增强人机交互技术的虚拟装配

提出了基于虚实融合、增强信息和约束代理的增强交互技术,从视觉、信息和操作三个方面来改善虚拟装配环境的人机交互效率.虚实融合在保留虚拟现实全部交互方式的同时附加真实装配场景来丰富装配过程感知;基于文字和特征表示的增强信息为用户提供装配知识来引导装配操作;约束代理及其匹配规则可视化重建零件装配约束关系并避免了复杂计算.增强人机交互技术为虚拟装配的应用提供了一种便捷的交互手段.最后介绍了虚拟装配辅助支持平台的体系构架,并用实例说明了虚拟装配系统的运行流程.     

实物界面下的虚拟装配

基于增强现实技术,将实物用户界面应用到虚拟装配系统中,在单摄像头的条件下,将虚拟零件模型加载至实物标记上,用户通过操作实物标记来控制虚拟模型,完成装配过程。相比于传统的虚拟装配交互方式,增强了用户操作的切实感。根据装配任务需求设计了4类实物标记。提出了3种交互技术,包括接近性原理,匹配约束信息提示与判定,以及视点控制等,并且结合碰撞检测来实现精确而又自然的虚拟装配。该系统可以帮助设计人员方便地对产品设计进行分析和改进,降低用户的学习难度。     

虚拟装配仿真系统相关技术的研究

研究了一种等离子体增强化学气相沉积(PECVD)装备虚拟装配仿真系统,介绍了系统的装配模型以及装配顺序和路径的规划.建立了虚拟装配仿真场景结构图,并采用细节层次技术对仿真场景进行优化.为了能够实时、方便地修改装配序列和装配路径,准确地描述零部件在装配或拆卸过程中的位置姿态信息,提出了一种虚拟装配的描述语言代码(V代码)和虚拟装配函数(V函数).最后采用基于包围盒逐层分解的干涉检验方法,实现装配过程的干涉检验.该仿真系统有助于缩短产品开发周期、提高设计质量、降低装配成本.     

基于STEP和OSG的虚拟装配系统

针对传统虚拟装配系统中装配灵活性不足以及模型格式的局限造成的问题,对工业CAD设计中STEP标准进行了研究,并结合开源虚拟现实引擎OSG (OpenSceneGraph)的技术特点,设计出一个虚拟装配系统,并解决了其中关键技术问题,仿真出一个原型系统.系统采用OSG组织STEP产品模型的拓扑结构,并采用NURBS曲线曲面方法表达STEP模型的几何形状信息,将STEP模型读入系统,根据模型特征面、线之间的配合关系实现装配.系统的实现不仅增强了装配的灵活性,还使工业CAD与虚拟现实系统无缝结合、数据双向通信,同时也扩展了OSG的应用范围,从单纯的图形渲染走向虚拟装配制造领域.为虚拟装配设计、教学培训提供了方便有效地支持.     

基于语义的虚拟装配仿真模型研究及应用

针对虚拟装配中装配模型的信息完备性与虚拟仿真系统的交互效率之间的矛盾,提出一种轻量化的基于树-图分离结构的虚拟装配模型,该模型包括装配树模型和语义关系图模型。装配树模型以二叉树的形式表达虚拟产品的层次结构以及零部件间的装配顺序,语义关系图以二分图的形式表达零件之间的装配关系。将该模型应用于水轮机组虚拟装配仿真系统中,不仅满足了虚拟仿真过程对装配模型信息表达的要求,而且减少了系统存储负担,提高了交互效率。     

基于行车的Fusion虚拟装配系统的设计研究

核装置体积大、结构复杂、装配精度高,为降低该类型装置的装配风险,节约装配成本,提出了一个以面向PC平台、支持大型复杂装置装配规划、训练、演示为主要目标的基于行车的虚拟装配系统(FVAS).文中通过对三维场景交互、大模型实时碰撞检测、装配定位、装配过程记录、多视点漫游观察等虚拟装配主要技术环节的研究,利用面向对象的视景仿真开发包Open Inventor,结合VC 和商用CAD软件Unigraphics,实现了FVAS的原型设计.该系统成功仿真了我国即将运行的先进超导托克马克实验装置EAST的装配方案,并在先进的聚变驱动次临界堆FDS-I概念设计研究中得到应用.     

应用VRML技术的脉冲爆震发动机拟实验系统开发

在脉冲爆震发动机的教学科研中,迫切需要开发一个演示系统结构与运行过程的虚拟实验室系统.以VRML虚拟现实技术为平台和UG三维实体建模为单元,构建了具有交互功能的脉冲爆震发动机虚拟动态实验系统,实现了脉冲爆震发动机的虚拟拆卸与装配以及脉冲爆震发动机系统的虚拟运行.该虚拟实验系统避免了实际试验过程的危险性和涉密性等问题,具...     

分布式虚拟装配训练通用平台研究

针对当前部队训练中存在大量协同装配训练的问题,对基于系统通用性的分布式虚拟装配训练通用平台进行研究,提出了平台的功能模块和体系结构,研究了层次化装配体模型构建、基于运动副自由度规约的运动仿真、分布式虚拟训练以及碰撞检测等关键技术,开发并实现了分布式虚拟装配训练通用平台;实验结果表明,该平台能够满足协同装配的训练需求,且具有很好的通用性。     

气动力反馈数据手套设计与验证

针对目前面向大型复杂机电产品的虚拟装配环境中力反馈装置所能提供的触觉力偏小的问题,提出一种基于微型低摩擦气缸的内置式力反馈数据手套.首先介绍了手套结构及其工作原理;然后搭建了实验系统,基于牛顿迭代法进行运动学方程组求解,验证了手套的角度测量和力反馈功能;最后开发了手套的人机交互控制系统,采用D-H理论来描述虚拟手的空间位置,基于虚拟墙的弹簧-质点模型计算虚拟力.实验结果表明,所设计的数据手套可实现大触觉力的反馈,满足虚拟装配系统虚拟抓取的需求.     

虚拟装配交互界面中的隐式交互算法研究

针对现有虚拟装配系统中交互是以设备为中心的显式交互,不能有效地感知用户操作意图,用户认知负担和操作负担较高的问题,为了提高虚拟装配系统的智能性,将隐式人机交互引入虚拟装配系统,提出一种基于场景任务的用户意图感知算法.首先建立场景知识模型和用户知识模型,并分别构建显式交互知识库和隐式交互知识库;然后利用专家系统推理用户显式操作意图和隐式操作意图,实现人手向目标位置平移时场景主动拉近和抓放场景物体时物体主动旋转2种情景下的人机相向互动.实验结果表明,该算法实现了人机协同交互,降低了用户的操作负担和认知负担.     

基于Virtools的机车虚拟装配展示系统

针对实际产品操作中传统人工装配的弊端,设计了一虚拟装配展示系统,以此提高产品一次性装配的成功率。该系统基于Virtools软件开发平台,结合Maya建模工具;以机车为研究对象,采用了递进网格简化算法并运用LOD(Levels of Detail)场景优化等技术,设计实现了机车装配规划和测试,以及使用说明等虚拟展示;同时,加入了多媒体元素生动化展示效果。通过完成机车装配的仿真实验,证实了该平台良好的展示效果,并具有很好的通用性。     

虚拟装配中基于相对于位置的碰撞干涉检测

对基于虚拟装配的碰撞检测和碰撞干涉问题进行了描述,提出了碰撞干涉检测的相对位置法。实验表明,该方法能够很好地满足虚拟装配系统的实时性和交互性要求。     

基于框架的虚拟装配系统研究

根据框架理论构建虚拟装配系统,将典型装配过程性知识封装到过程框架中并在系统中保存。系统采用场景匹配的方式来捕获用户的交互意图,提高了系统的认知能力。以匹配成功的过程框架引导装配活动,并根据框架中规定的动作和时机来完成装配件的精确定位,有效克服了操作者通过交互设备对装配零件运动控制不精确的问题。     

虚拟装配通用性的研究与应用

虚拟装配是虚拟设计和虚拟制造中的一个重要组成部分,通过它可以验证产品的可装配性以及获取正确的装配序列。介绍软件复用的思想以及构件技术的概念,设计并开发一个基于Vega Prime的通用的虚拟装配的构件,同时介绍构件中几个重要功能的实现。最后将该构件应用于某方向舵虚拟仿真系统中。