基于物理屬性的虛擬裝配技術(shù)研究.pdf

1、產(chǎn)品裝配是產(chǎn)品開發(fā)過程中最重要的、耗費(fèi)大量人力和物力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是獲得產(chǎn)品整體性能的最后環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、開發(fā)周期和生產(chǎn)成本有重大影響。通用CAD系統(tǒng)根據(jù)零件間的約束關(guān)系將待裝零件定位到最終裝配位置，忽略了裝配過程信息，無(wú)法模擬零件間的碰撞干涉并驗(yàn)證裝配路徑的可行性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬樣機(jī)上建立近乎真實(shí)的裝配環(huán)境，操作者能夠進(jìn)行與實(shí)際一致的裝配過程仿真，在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證零部件可裝配性、裝配空間布局合理性、裝配操作可達(dá)性和操作者的舒

2、適性等。利用虛擬裝配環(huán)境在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段對(duì)裝配方案和產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)潛在的裝配沖突和設(shè)計(jì)缺陷，促使設(shè)計(jì)人員盡早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并修改，從而優(yōu)化產(chǎn)品裝配性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
　　本論文旨在建立一套完整的基于物理屬性的虛擬裝配仿真及可裝配性評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際高度一致的裝配過程仿真及產(chǎn)品可裝配性的量化評(píng)價(jià)，主要涉及到基于物理屬性的虛擬裝配系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、虛擬零部件建模、基于物理屬性的裝配過程仿真、虛擬裝

3、配引導(dǎo)、碰撞檢測(cè)方法、人機(jī)因素分析和產(chǎn)品可裝配性評(píng)價(jià)等相關(guān)理論及關(guān)鍵技術(shù)。全文內(nèi)容概況如下:
　　1.闡述了基于物理屬性的虛擬裝配的研究目標(biāo)與研究思路，在此基礎(chǔ)上，分析了基于物理屬性的虛擬裝配系統(tǒng)的功能需求，建立了基于物理屬性的虛擬裝配系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，給出了系統(tǒng)的工作流程，對(duì)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和各階段的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)分析，將系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)劃分為基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)和功能性關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)每一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。
　　2.

4、通過對(duì)虛擬裝配中零部件物理屬性進(jìn)行需求分析，建立了虛擬零部件的物理屬性模型，詳細(xì)描述了該模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及在程序中的表達(dá)方法，給出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置等基本物理屬性的計(jì)算方法。在對(duì)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容和求解流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了虛擬裝配環(huán)境下多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。提出了基于自適應(yīng)檢測(cè)線的碰撞檢測(cè)算法，解決了高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)的穿越問題，給出了檢測(cè)線的構(gòu)造方法和發(fā)生穿越后的處理方法，通過實(shí)例對(duì)方法的檢測(cè)精度

5、和運(yùn)行效率進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果顯示該方法通過將“體體”求交問題轉(zhuǎn)化為“線體”求交問題，在保證高精度的同時(shí)，提高了碰撞檢測(cè)的效率。
　　3.提出了基于力的裝配引導(dǎo)方法，在外力及力矩的共同作用下，通過解算動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，得到待裝零部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和位姿響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬零部件的智能引導(dǎo)和精確定位。建立了用于動(dòng)力學(xué)分析的牛頓-歐拉方程，給出了運(yùn)動(dòng)參數(shù)和位姿變換矩陣的求解方法。提出了考慮人機(jī)因素和不確定性的裝配力和裝配轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法，

6、利用蒙特卡洛方法對(duì)虛擬環(huán)境下零部件的目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)，反映了運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)的智能性和模糊性。給出了基于碰撞響應(yīng)的接觸力計(jì)算方法，避免了零部件發(fā)生碰撞后相互嵌入，保證了最基本的裝配真實(shí)感。
　　4.研究了粒子濾波技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，闡述了蒙特卡洛方法、重要性采樣方法和重采樣方法的基本思想和實(shí)現(xiàn)過程，給出了利用MH抽樣的MCMC粒子濾波算法的原理和求解步驟。在此基礎(chǔ)上，提出了基于粒子濾波的裝配引導(dǎo)方法，解決了現(xiàn)有方法無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)裝配并

7、反映真實(shí)裝配過程的問題。給出了方法流程和詳細(xì)的位姿變換步驟，討論了采樣粒子數(shù)和零件外形對(duì)方法性能和裝配效率的影響，以及已裝零件對(duì)裝配效率的影響。
　　5.提出了面向人機(jī)因素的產(chǎn)品可裝配性量化評(píng)價(jià)方法，給出了裝配過程中人機(jī)因素的量化計(jì)算方法，分析了人機(jī)因素對(duì)裝配性能的影響。建立了基于物性裝配仿真的零件可裝配性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析了結(jié)構(gòu)因素對(duì)零件可裝配性的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合裝配順序和所有子裝配體的可裝配性，提出了產(chǎn)品可裝配性量化評(píng)價(jià)