Machine Virtual Assemble MMT 机械制造工艺学 第6章 机器装配工艺过程设计 Process Planning for Machine Assembling 6.7 机器的虚拟装配 Machine Virtual Assemble 54

6.7.1 虚拟现实与虚拟装配  虚拟现实（Virtual Reality-VR） 6.7.1 虚拟现实与虚拟装配 MMT  虚拟现实（Virtual Reality-VR） 采用计算机、多媒体、网络技术等多种手段构造虚拟境界， 使参与者获得与现实世界相类似的感觉。  虚拟制造（Virtual Manufacturing-VM）  以虚拟现实、计算机仿真技术等为基础，利用制造系统模 型，完成制造系统各环节计算与仿真。  虚拟制造实现了制造的本质过程，可以模拟和预估机器功 能、性能、可加工性等，提高预测与决策水平。  虚拟装配（VirtualAssembly-VA）  无需产品或支撑的装配过程的物理实现。  主要研究内容 虚拟环境下装配顺序和路径、虚拟装配建模、装配中人 机因素分析、装配任务培训等。 55

6.7.1 虚拟现实与虚拟装配  虚拟装配关键技术 MMT  虚拟装配环境构建 6.7.1 虚拟现实与虚拟装配 MMT  虚拟装配关键技术  虚拟装配环境构建 包括：虚拟环境描述与管理，装配动作与感觉信息相互关系处理， 感觉信息综合方法，输入、输出驱动规则等。  装配过程中作用力分析 把零件微观接触状态拓展为宏观世界，瞬时接触延续为虚拟空间 “慢动作”，分析数据可视化处理。  自动生成装配规划 寻找最优装配顺序序列。  虚拟环境中人的知识和技巧的映射 研究人手模型虚拟环境中的映射，检测和处理人的装配动作信号， 装配过程实时交互。  零件物理学属性的虚拟 包括零件物理属性（材质、密度、色彩、韧性等）和运动属性 （速度、加速度、作用力等）。 56

6.7.2 虚拟装配的类型  以产品设计为中心的虚拟装配 MMT 以产品可装配性全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出 6.7.2 虚拟装配的类型 MMT  以产品设计为中心的虚拟装配 以产品可装配性全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出 零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计、 修改，最终保证设计的产品具有良好的可装配性。  以装配工艺规划为中心的虚拟装配  采用计算机仿真和虚拟现实技术进行产品装配工艺规划，以获得可 行且较优的装配工艺方案，指导实际装配生产。  包括装配总体规划和装配工艺规划。  以操作仿真的高逼真度为特色，可以生动、直观地反映产品装配的 真实过程。  以虚拟原型为中心的虚拟装配  虚拟原型是利用计算机仿真系统在一定程度上实现产品外形、功能 和性能模拟，以产生与物理样机具有可比性效果检验和评价产品特性。  虚拟装配和虚拟原型技术结合，可分析装配过程中受力变形对产品 装配性能影响，为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段。 57

6.7.3 虚拟装配环境的建立  桌面式虚拟装配环境  头盔式虚拟装配环境 MMT 和知识的发挥。 桌面式虚拟现实系统 6.7.3 虚拟装配环境的建立 MMT  桌面式虚拟装配环境  采用普通计算机或低端工作站的显 示器作为观察虚拟场景窗口，操作者 佩戴立体眼镜来观察三维图像。  成本较低、使用简单、操作方便。  沉浸感较差，不便于人的装配经验 和知识的发挥。 桌面式虚拟现实系统  头盔式虚拟装配环境  利用头盔显示器和数据手套等交互 设备，把用户视觉、听觉和其他感觉 封闭起来，使用户真正成为系统的一 个参与者，产生比较强的沉浸感。  存在约束感较强，分辨率偏低，长 时间易引起疲劳等缺陷。 头盔式虚拟装配系统 58

6.7.3 虚拟装配环境的建立  洞穴式(CAVE)虚拟装配环境  可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境 MMT 6.7.3 虚拟装配环境的建立 MMT  洞穴式(CAVE)虚拟装配环境  主体由显示屏包围而成的空间，高分辨率投影仪将图像投影到屏 幕上，用户戴上立体眼镜便能看到立体图像。  实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境。  价格昂贵，行走距离有限。  可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境  采用半透明球形幕为显示装置，操 作者处于球体内部，自由行走通过专 门设计的全方位反行走机构完成。  操作者头部、手部与双脚分别装有 3D位置跟踪器，计算机根据操作者的 肢体动作产生不断变化的图像，并通 过投影系统显示在球体表面。  操作者通过佩戴立体眼镜、数据手 套与虚拟环境交互。 洞穴式虚拟装配环境 59

6.7.3 虚拟装配环境的建立 MMT 考虑人体活动的新型虚拟装配系统原理图 1－地基 2－墙壁 3－天花板 4－投影仪 5－球形显示屏 6.7.3 虚拟装配环境的建立 考虑人体活动的新型虚拟装配系统原理图 1－地基 2－墙壁 3－天花板 4－投影仪 5－球形显示屏 6－操作者 7－运动感知器 8－运动控制计算机 9－曲面投影校正单元 10－图形工作站 11－虚拟场景 60

6.7.4 虚拟装配的关键技术 MMT 虚拟环境下的 装配建模技术 装配工艺规划 装配过程人机 因素分析技术 虚拟装配的关键技术 虚拟装配 6.7.4 虚拟装配的关键技术 虚拟装配 关键技术 MMT 虚拟环境下的 装配建模技术 装配工艺规划 与评价技术 装配过程人机 因素分析技术 仿 真 与 可 装 配 建 模 约 束 定 位 碰 撞 检 验 路 径 规 划 人 机 交 互 工 艺 规 划 工 装 夹 具 公 差 质 量 评 价 决 策 过 程 控 制 产 品 设 计 人 机 工 效 知 识 与 智 视 化 设 计 分 析 优 化 改 进 分 析 能 虚拟装配的关键技术 61

6.7.5 虚拟装配应用系统的实现  虚拟装配应用系统体系结构 MMT 虚拟装配系统硬件平台结构图 6.7.5 虚拟装配应用系统的实现 MMT  虚拟装配应用系统体系结构 虚拟装配系统硬件平台结构图 1－CRT显示器 2－开发维护端 3－数据服务器 4－应用服务器 5－Onyx4 6－操作人员 7－交换机 8－视频分配器 9－投影机 10－同步信号发射器 11－投影屏幕 12－戴立体眼镜的用户 62

MMT 虚拟装配应用系统体系结构  软件平台组成模块  CAD建模环境  虚拟装配规划环境  现场应用与示教环境  软件平台接口  虚拟装配接口 虚拟装配应用系统体系结构 63

6.7.5 虚拟装配应用系统的实现  虚拟装配技术实际应用 MMT  虚拟装配实施方案与步骤  装配仿真建模  装配序列设计 6.7.5 虚拟装配应用系统的实现 MMT  虚拟装配技术实际应用  虚拟装配实施方案与步骤  装配仿真建模  装配序列设计  虚拟环境中装配语义识别。  可装配性分析  交互式装配顺序规划。  人体位姿分析。  装配仿真  输出仿真结果  虚拟装配应用实例  波音787虚拟装配  IVAE系统 64

6.7.5 虚拟装配应用系统的实现 MMT 飞机虚拟装配 65

MMT  IVAE系统 用户可以利用虚拟现实输入设备交互地进行装配建模、装配操作、 装配序列规划和装配路径规划等装配工艺设计工作。 6.7.5 虚拟装配应用系统的实现  IVAE系统 MMT  用户可以利用虚拟现实输入设备交互地进行装配建模、装配操作、 装配序列规划和装配路径规划等装配工艺设计工作。  对约束的处理分为捕捉、确认和导航三个阶段。  压缩机部件虚拟装配实例。 a）压缩机部件最终装配状态 b）压缩机部件的组成零件及编号 压缩机部件装配图及零件组成 66

6.7.5 虚拟装配应用系统的实现 MMT 压缩机部件虚拟装配过程 轴对齐标记 a）第一个捕捉零件、确认约束阶段 面贴合标记 6.7.5 虚拟装配应用系统的实现 轴对齐标记 MMT a）第一个捕捉零件、确认约束阶段 面贴合标记 轴对齐标记 c）第二个捕捉零件、确认约束阶段 b）具有一个约束的导航阶段 d）具有两个约束的导航阶段 压缩机部件虚拟装配过程 67