虛擬樣機(jī)建模技術(shù)與協(xié)同裝配方法研究.pdf

1、虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping)利用計(jì)算機(jī)建立與物理樣機(jī)相似的數(shù)字化模型，并對(duì)該模型進(jìn)行測試和評(píng)估，它是基于先進(jìn)建模技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、信息集成與管理技術(shù)、工程計(jì)算分析技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合體。虛擬樣機(jī)技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到較好應(yīng)用，主要包括工程機(jī)械、航空航天、造船、機(jī)械電子、國防工業(yè)等，相關(guān)研究工作也成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在我國，圍繞虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究及應(yīng)用正快速展開，以虛擬樣機(jī)技術(shù)為核心的

2、研究得到中國高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)的支持。 虛擬樣機(jī)建模技術(shù)和協(xié)同仿真技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)問題。融合知識(shí)的虛擬樣機(jī)建模技術(shù)主要側(cè)重于解決兩方面的問題：集成與復(fù)用。融合知識(shí)的多領(lǐng)域模型集成技術(shù)可以支持設(shè)計(jì)人員通過模型方便的進(jìn)行交流，滿足多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員協(xié)同設(shè)計(jì)的需求。融合設(shè)計(jì)知識(shí)的復(fù)用技術(shù)支持設(shè)計(jì)人員利用已有的樣機(jī)模型重構(gòu)新產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)模型，使得虛擬樣機(jī)模型具有一定的柔性，從而滿足復(fù)雜產(chǎn)品大批量定制的需求。隨著虛擬

3、現(xiàn)實(shí)設(shè)備的逐漸普及以及相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始越來越多的應(yīng)用于虛擬樣機(jī)的開發(fā)過程。支持自然交互的虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)，使得設(shè)計(jì)人員可以在三維、沉浸等為特征的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，直觀、高效的操縱和評(píng)價(jià)虛擬樣機(jī)。 通常，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要大量的投入，表現(xiàn)為：需要具有豐富專業(yè)知識(shí)的設(shè)計(jì)人員、種類繁多的軟件工具、以及性能較高的硬件平臺(tái)。這使得虛擬樣機(jī)技術(shù)更多的只能應(yīng)用于少數(shù)能負(fù)擔(dān)相關(guān)軟件、硬件以及人員費(fèi)用的大型

4、企業(yè)中。基于語義網(wǎng)服務(wù)模式的虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)支持設(shè)計(jì)者發(fā)布、共享已有的設(shè)計(jì)知識(shí)，同時(shí)間接的共享軟件以及硬件等設(shè)計(jì)資源，為虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了一種新的模式。 本文圍繞融合知識(shí)的虛擬樣機(jī)建模方法、基于語義網(wǎng)服務(wù)的虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和虛擬樣機(jī)協(xié)同裝配仿真技術(shù)等三個(gè)方面展開研究，其目的是為虛擬樣機(jī)技術(shù)在企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)上的解決方法。本文的主要貢獻(xiàn)在于：1.提出了一種融合知識(shí)的虛擬樣機(jī)表示模型，較好的

5、解決了復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)建模過程中的模型重用問題。該模型由設(shè)計(jì)單元與設(shè)計(jì)單元之間的關(guān)系構(gòu)成，描述了三種類型的知識(shí)：在每個(gè)設(shè)計(jì)單元中，利用行為以及行為序列描述建模中的過程式知識(shí)；利用約束集合描述聲明式知識(shí)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性；進(jìn)而利用設(shè)計(jì)單元之間的關(guān)系描述建模過程中的上下文知識(shí)。 2．基于圖論的相關(guān)知識(shí)，提出了一種基于有向圖的模型求解方法。利用有向圖分別描述設(shè)計(jì)單元與作用于設(shè)計(jì)單元的關(guān)系、單元中的屬性與作用于屬性的約束、單元中的行

6、為與作用于行為的序列，進(jìn)而利用圖論的知識(shí)對(duì)有向圖進(jìn)行簡化，得到求解結(jié)果或?yàn)樵O(shè)計(jì)過程提供智能導(dǎo)航。 3.提出了一種分層的虛擬樣機(jī)建模方法。面向CAD設(shè)計(jì)，將零件的建模過程映射為領(lǐng)域特征的組合，然后將領(lǐng)域特征映射為CAD建模過程中傳統(tǒng)特征的組合，領(lǐng)域特征的引入可以更好的體現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。面向工程計(jì)算分析，將基本計(jì)算過程描述為設(shè)計(jì)單元中的原子行為，進(jìn)而給出若干組合規(guī)則，描述更加復(fù)雜的行為。 4．提出了一種基于語義網(wǎng)服

7、務(wù)的虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)方法，支持在Web環(huán)境中，以服務(wù)的形式共享虛擬樣機(jī)建模過程中的知識(shí)以及相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)資源。首先，闡述了一種基于Web服務(wù)的協(xié)同設(shè)計(jì)體系架構(gòu)，將設(shè)計(jì)知識(shí)以及相關(guān)軟硬件資源進(jìn)行服務(wù)封裝和共享，在此基礎(chǔ)上，利用語義網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)描述服務(wù)之間的關(guān)系，利用基于語義網(wǎng)的推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)檢索。 5.提出了支持多通道交互的虛擬樣機(jī)協(xié)同裝配方法，支持跨平臺(tái)的異地裝配仿真。首先，提出了一種復(fù)制式和集中式混合的協(xié)同裝配系統(tǒng)架構(gòu)，

8、較好的解決了復(fù)制式協(xié)同中難以并發(fā)控制、集中式協(xié)同中網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬要求較高的問題。然后，面向虛擬裝配中的自然交互，闡述了一種分層的多通道交互模式；面向裝配任務(wù)的處理，闡述了將裝配任務(wù)映射為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基本操作序列的方法。 6．圍繞上述理論及關(guān)鍵技術(shù)研究工作，開發(fā)了融合知識(shí)的虛擬樣機(jī)建模系統(tǒng)，對(duì)于系列化產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)建模提供較好的支持。開發(fā)了虛擬協(xié)同裝配原型系統(tǒng)，為虛擬協(xié)同裝配關(guān)鍵技術(shù)的深入研究以及推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。