2015/12/22 16:12:22 汽车交互虚拟装配中的工具与设备操作仿真

工具和设备是交互虚拟装配仿真的重要组成部分,在用于辅助装配工艺规划时尤为重要。由于装配工具和设备在结构和操作功能上复杂多样,在交互式虚拟装配仿真中工具和设备的操作仿真一直是个热点问题。

交互虚拟装配工具功能需求分析

1.1  虚拟装配中的交互操作过程

在虚拟装配操作仿真中可以有多种交互方式,使用虚拟现实外围设备是最常用的方式,如位置跟踪器和数据手套,虚拟场景中的虚拟手与真实手可以同步运动,用户可以通过真实手的动作来驱动虚拟手完成各种操作。

一个典型的交互操作过程是抓取、移动和释放。在上述过程中,大部分装配处理工作均是在对象移动过程中处理的,因此虚拟手移动过程的处理最为复杂。

1.2  交互虚拟装配操作中的工具仿真功能

在虚拟装配过程中,工具作为一种特殊的对象,其操作也是通过虚拟手进行的,操作过程也可以归属到上述的三个阶段。在工具被抓取后的移动过程中,需要完成全部的对被操作对象的处理,包括工具选择被操作对象、与被操作对象之间建立工作约束、驱动操作对象等,因此虚拟手抓取工具的移动过程与抓取一般的零件或子装配移动过程的处理逻辑完全不同。

在实际装配中,按照工具的工作方式和驱动原理则可以将工具分成手动、自动和半自动三类,他们的操作方式和驱动方式均有明显差别。

汽车虚拟仿真软件

根据上述分析,在交互虚拟装配中工具与设备应具备如下功能需求:

(1)碰撞检测:相应工具之间、工具与其他对象之间的碰撞和干涉必须能够实时检测到并且进行响应。

(2)被操作对象选择与定位:工具需要能够选择要操作的零件或部件,选择之后需要能够与被操作对象之间建立正确的工作约束使得被操作对象与工具之间正确定位。

(3)  工具驱动与被操作对象的驱动: 各类工具均需要能够处理自身的运动关系,以及根据自身的组件与被操作对象之间的定位关系来正确驱动被操作对象。

(4)  确定装配是否完成:  

工具必须能够确定被操作对象当前是否装配到位或是否可以操作,当被操作物体装配到位后工具与被操作对象之间的定位约束需要即时解除,而此时必须能够处理工具与被操作对象以及环境中其他对象之间的碰撞和干涉。

2  虚拟装配工具的建模与操作方法

2.1  面向交互操作的虚拟装配工具模型表达

对于虚拟加工环境的建模,徐建国等提出可重构可扩展的层次结构的虚拟加工环境模型。对于虚拟环境中的装配工具,本文提出一个装配工具模型来表达各类装配工具和设备。  

该模型采用面向对象的方法来构建,一个虚拟工具将被看作是装配工具类的一个实例。本节将给出这个装配工具模型的组成以及主要属性和方法。 如图 1 所示,  一个工具或设备模型首先含有一个组成成员表,其成员可以是一个零件、一个组件或一个其他工具;此外一个工具模型还含有一个机构模型表、一个工作约束表,分别用于处理工具自身的机构运动以及工具与被操作对象之间的定位约束。一个组件成员又含有自己组件表,甚至自己的机构模型;而一个成员工具则可能就是另一个完整工具模型。工具的零件模型与产品的零件模型相同,主要含有点表、线表和面表等几何特征,以及用于可视化的多边形模型。工具的工作约束表记录工具再工作时可能与被操作对象建立的各种几何约束,如线-线对齐、面-面贴合等,每个约束定义在两个几何对象的两个元素上,在实际操作时动态建立。机构模型用于描述工具成员之间的相对运动规律,每个机构均由一定数量的构件以及构件之间的约束关系表组成,还含有机构运动的求解方法。

根据上述机构模型的定义,依据面向对象的方法可以定义一个用于描述各类工具和设备的通用工具类,以及工具类成员对应的类,工具类的主要属性和操作方法见表 1

 汽车虚拟仿真装备

典型虚拟装配工具的操作方法

工具或设备可依据自动类型分为三类:  手动工具、半自动工具、自动工具。本节将针对这三种工具给出相应的驱动方法或流程。

一个手动工具的运动和工作均依靠操作者来驱动.  在虚拟装配的操作中,它由用户的虚拟手来操作。用户通过虚拟手操作手动工具来选择被操作对象,然后再通过虚拟手来操作工具使得被操作对象正确装配到相应的位置。

半自动工具的典型操作过程如下:


第一步,通过虚拟手抓取虚拟工具,然后操作虚拟工具来选择将要操作的零件或部件(通过碰撞检测);

第二步,选择被操作对象之后,移动虚拟工具来捕捉工具与对象之间的约束,直到所有的工作约束均建立起来;

第三步,发送半自动工具启动信号

最后,工具自身开始运动,直到物体被装配到最终位置(可能是到了预定位姿,也可能是建立了装配约束),在此过程中,虚拟手始终与工具的被抓取部分固联。

自动工具的特点是自身的驱动和工作中的运动均由其自身完成,用户仅仅需要发送起/停信号即可。各类装配机器人或自动装配设备均属于自动工具。通常自动工具工作之前,被操作对象已经被摆放到相应位置,切自动工具本身的初始位置已经到位。

用于多个螺栓或螺母同时拧紧的自动拧紧设备是汽车装配线最常用的自动工具之一,它通常含有多个旋转头,这些旋转头能同时开始旋转。为一个典型的自动拧紧器,它可以同时操作 8 个螺栓或螺母进行旋紧操作。该工具含有静态部件(机架),运动部件(一个移动部件,安装 8个旋转头,旋转头可旋转和上下移动)。本节以该工具为例说明自动工具的一般操作过程。

用户通过鼠标/键盘或数据手套发送一个启动信号;启动之后,移动部件沿导轨方向移动,直到 8 个旋转头与被操作的螺栓或螺母接触,接触后旋转头与被操作对象建立约束;

然后,旋转头开始旋转,驱动被操作对象进行旋转和伴随旋转的移动,直到被操作对象到达最终装配位置并和相关零部件建立装配约束;  

最后,旋转头与被操作对象脱离,移动部件带着旋转头回到初始位置。

与简单的装配工具相比,装配设备通常含有复杂的运动机构、更多的工作约束,可以是手动、半自动或自动的。通常用于夹持、搬运或复合的装配操作,设备通常属于某个特定的装配工位,只能操作一种或几种对象,因此它属于专用的装配工具。图 3(c)  显示汽车装配线上的两个装配设备,他们分别用于大件搬运和特殊位置的拧紧。大部分装配设备的操作流程与半自动工具类似,一些独立的工具可以作为装配设备的组成部分,图  3(c)的设备就是一个多杆机构与一个半自动工具结合而成,半自动拧紧工具被固联在它的一个杆件上。

  汽车虚拟仿真模型

3:虚拟仿真的应用

上述虚拟装配工具与设备的建模及操作方法已经集成到 DPVAE 虚拟装配软件系统中。DPVAE 是一个用于多用户实时协同虚拟装配操作仿真的软件平台。在某型汽车的装配工艺设计中,DPVAE 平台被用于验证和分析装配工艺是否合理,如零部件与工夹具之间是否产生干涉、工位的安排能否保证工具的可达性等。以下为后悬架装配工位的操作仿真情况:

(1)  操作仿真前的准备

数据准备

本案例中汽车的模型均在 CATIA 中设计,因此汽车产品的数据准备分为如下几个步骤:

产品模型信息获取:

 在 CATIA 环境中使用针对 CATIA的数据接口将 CATIA 模型输出成 DPVAE 预定义的*.mif 格式文件,该文件记录装配层次信息、装配约束信息、零件信息;  将汽车的各零件模型输出成 stl 或 vrml 等多边形模型格式,它将用于在仿真中作为零件的显示模型. 制作仿真文件:  DPVAE 的前处理模块提供生成仿真文件的功能,用户可根据产品的 mif 文件和各零件的多边形模型文件生成用于仿真初始化的仿真文件(*.ave 文件)。软硬件准备本案例的硬件需求见表 2, PC 机群通过千兆局域网联结, PC 机的基本配置是 Pentium  IV  1.86  GHz  CPU,  2.0GB  内存。


主控结点的操作者将制作好的仿真文件传送给每一个用户。然后包括主控结点操作者在内的所有用户启动自己的系统,一般用户需要登录到主控结点,然后读入仿真文件进行仿真场景初始化。初始化成功之后的汽车车身处于后悬架工位上。

(3)  协同装配操作仿真

后悬架装配工位:  

第一步,  一个操作者通过数据手套抓取搬运装备(一种手动的机械臂),将货架上的后悬架总成搬运到车体下方的半自动升降台上固定好

第二步,在后悬架总成上安装两个减震弹簧,另一个用户发送升降台运动信号,升降台自动将后悬架总成安装到车体的底盘上,如图 4(b)所示。第三步,等后悬架总成到达正确位置之后,两个操作者分别插入两根固定螺栓,然后使用拧紧工具将螺栓紧固,从而使得后悬架与底盘联结。图 4(c)为一个用户结点上看到的螺栓拧紧操作的状态,此时该用户使用一个绿色的 L 形拧紧工具,而另一个用户使用一个红色的拧紧工具。最后,一个用户发送启动输送信号,已经安装了后悬架总成的车身和底盘被生产线上部的挂架运送到下一个工位,即前悬架装配工位。

汽车虚拟仿真参数配置

本文分析了交互式虚拟装配操作的特点,以此为基础提出一种装配工具统一模型,并给出三类典型的装配工具的实现方法。针对手动、半自动和自动工具在交互式虚拟装配中的应用特点,设计了他们的操作流程。将本文的装配工具建模与实现方法集成到分布式并行虚拟装配平台 DPVAE 中,并使用某型汽车总装线的两个实际工位的操作仿真验证了装配工具建模与操作方法。下一步的研究将集中在让用户在虚拟装配环境中能够定义和配置自己的装配工具,从而能够大大扩展对各种装配工具与设备的仿真范围。


 
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