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    0 引言
    虚拟装配(Virtual Assembly,VA) 是虚拟制造领域的核心技术之一,也是虚拟现实技术在产品装配领域的一个重要应用。虚拟装配技术通过计算机对零部件装配过程进行仿真模拟,检查产品零部件之间的正确装配关系,包括可达性、顺序性、方向性、干涉情况以及公差配合等方面的内容,即以可视化的方式研究和解决产品的可装配性问题。
    目前,一部雷达由几万甚至几十万个零部件组成,其结构复杂,装配工作量约占整部雷达制造工作量的50%-60%,可见雷达装配已成为雷达快速制造的瓶颈。如何通过虚拟装配技术来减少制造样机数目、优化装配过程已经成为越来越突出的问题。因此,针对实际工作,对虚拟装配技术在雷达装配中的应用进行研究具有重要意义。
    1 虚拟装配技术
    虚拟装配的实质是利用计算机图形学和仿真技术在计算机上以可视化方式研究和解决产品的可装配性问题。其中,装配工艺规划、干涉检验技术及装配仿真是虚拟装配研究的主要内容。
    1.1 装配工艺规划
    计算机辅助装配工艺规划研究是从20世纪80年代开始的,主要包括装配序列规划和装配路径规划。
    装配序列规划主要研究装配序列的生成与几何可行性分析。所谓装配序列的几何可行性是:从几何约束的角度来讲,两个装配单元之间的装配操作或分解操作不存在几何干涉现象。为了描述装配体中各零件之间的几何干涉关系及装配序列生成方法,目前主要有装配优先约束法、产品装配结构的关联图模型法、装配割集法、基于层次图的配合条件法、网络表示装配序列路径及基于知识的装配序列规划方法。
    装配序列规划确定了零件装配的顺序,但没有确定零件按照什么方向或路径装配以及装配是否发生干涉。装配路径规划是在装配建模和装配序列规划的基础上,充分利用装配信息进行路径分析和求解,判断并生成一条合理的装配路径,为设计人员提供可视化的辅助设计工具。装配路径规划主要包括装配体及其相关的数据结构模型的前置处理、分离方向的确定、分离平移量的确定、拆分方向的确定和干涉检查。目前国内外对装配路径规划的研究可归纳为以下方法:可视图法(VMap法〉、T - Line法(移动边界线法〉、方向多面锥代数法、位姿空间方法等等。
    1.2 装配过程中的干涉检验
    零件在虚拟装配的过程中可能发生相互碰撞、接触等现象,检验出零部件间的这种相互作用,并输出其结果,为及时修改做准备,是实现虚拟装配操作的重要内容。
    装配干涉检验是检验产品装配过程中零件在空间位置是否发生冲突,即是否在同一时间占有共同的空间。其分为静态干涉检验、动态干涉检验和运动干涉检验三个层次。静态干涉检验主要检验零件在装配最终位置时是否发生干涉,由于静态干涉仅与产品的空间位置有关,因而静态干涉可以直接使用几何空间上的计算方法来确定。动态干涉检验属于碰撞检验,装配过程中装配零件在不同的时间处于不同的位置,最终位置不发生干涉并不能保证中间过程不发生干涉或碰撞,动态干涉检验为产品的可装配性提供了依据。运动干涉检验是对机构进行运动学、动力学分析,在计算机上仿真机构的运动,保证产品的运动零部件在工作时不与周围零部件发生碰撞干涉。
    1.3 装配仿真
    装配仿真就是在计算机上模拟产品的实际装配过程,直观展示产品的装配过程和装配方法,并可通过人机交互调整和控制装配元件的位姿,提供装配干涉的实时检验,改进产品的可装配性。装配仿真按照仿真形式分为静态装配仿真和动态装配仿真。静态仿真主要对装配序列的与或图和二叉树进行图形仿真,表现装配序列的并行性和技术可行性。动态仿真主要以装配序列为基础。可对初始路径及其关键点位姿进行实时交互修改与调整。装配干涉检查不仅指出各条路径是否存在干涉,还检查路径上各相邻关键点之间的干涉碰撞情况。
    装配仿真流程见图1 。图1中的AVI为视频格式。
   


    图1 装配仿真流程


    2 虚拟装配环境构建
    虚拟装配环境是虚拟装配技术的应用平台,是产品虚拟装配过程实现的软、硬件基础。虚拟装配环境包括软件系统和硬件系统两方面。软件系统主要是虚拟装配系统,硬件系统包括局域网络系统、计算机图形工作站及立体投影系统等设备向。在虚拟装配系统方面,主要有商业化虚拟装配软件eM-Engineer。该软件包括eM-Assembler、eMHuman和CAD interface 三个模块。eM-Assembler模块提供了一个三维设计和分析的软件环境,在此环绕下,用户既可以设计和分析产品的装配和分解过程,又可以建立零件在装配或分解过程中的顺序和路径eM-Human模块是一款专业的人机工程分析仿真软件模块,提供多种人体建模模型标准,可以仿真工人在特定工作环境下的人机工程问题。 CAD interface 接口模块可以与主流三维CAD系统实现无缝转换。在硬件方面,主要包括计算机图形工作站,工作站之间可以相互通信,同时根据实际情况的需要在装配输出终端方面可以实物原型1 :2 甚至1 :1 输出演示, 达到更好的效果。

    图2是虚拟装配环境系统的结构和信息流。
    在该虚拟装配环境下可以实现: (1)模拟真实生产环境及产品装配过程;(2)利用交互方式生成流程图、规划和时间表;(3)对装配过程实施动态于涉检验;(4)对装配过程进行人机工程分析。
   


    图2 虚拟装配环境系统结构相信息流


    3 虚拟装配技术在雷达装配中的应用
    雷达是机电一体化的系统,具有复杂的装配关系。虚拟装配环境作为虚拟装配技术的应用平台,为雷达的产品设计、预装配过程提供技术支持。产品设计采用三维CAD系统Pro /E 。设计时首先对装配模型进行初步DFA分析, 对装配模型进行预处理之后由模型数据转换接口无缝导入虚拟装配系统eM-Engineer。 在该系统下对其进行详细虚拟装配设汁。在虚拟装配过程中,对其装配序列、装配路径进行动态修改和控制,按需定义每工序需时,并实现了装配过程中的干涉检验。
    图3为雷达某部件装配过程演示,图4为装配序列表。图5为干涉检验设置条件对话框。


   


    图3 装配过程演示


   
    图4 装配序列表


   
    图5 干涉检验设置条件对话框


    4 总结
    虚拟装配为在实际制造产品之前利用计算机全面分析产品的可装配性提供了更为有效、实用的手段和方法,具有广阔的应用前景和实际应用价值。本文对虚拟装配核心技术及虚拟装配环境构建两方面进行了有益的探索并为虚拟装配的后续研究和应用打下了基础。

发布时间:   来源:万方数据  作者:匿名
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