虛擬樣機建模技術與協(xié)同裝配方法研究.pdf

1、虛擬樣機技術(Virtual Prototyping)利用計算機建立與物理樣機相似的數(shù)字化模型，并對該模型進行測試和評估，它是基于先進建模技術、多領域協(xié)同仿真技術、信息集成與管理技術、工程計算分析技術和虛擬現(xiàn)實技術的綜合體。虛擬樣機技術在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)得到較好應用，主要包括工程機械、航空航天、造船、機械電子、國防工業(yè)等，相關研究工作也成為學術界、產(chǎn)業(yè)界關注的熱點。在我國，圍繞虛擬樣機技術的研究及應用正快速展開，以虛擬樣機技術為核心的

2、研究得到中國高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)的支持。 虛擬樣機建模技術和協(xié)同仿真技術是目前研究的熱點問題。融合知識的虛擬樣機建模技術主要側(cè)重于解決兩方面的問題：集成與復用。融合知識的多領域模型集成技術可以支持設計人員通過模型方便的進行交流，滿足多個學科領域設計人員協(xié)同設計的需求。融合設計知識的復用技術支持設計人員利用已有的樣機模型重構(gòu)新產(chǎn)品的虛擬樣機模型，使得虛擬樣機模型具有一定的柔性，從而滿足復雜產(chǎn)品大批量定制的需求。隨著虛擬

3、現(xiàn)實設備的逐漸普及以及相關技術的逐漸成熟，虛擬現(xiàn)實技術開始越來越多的應用于虛擬樣機的開發(fā)過程。支持自然交互的虛擬樣機仿真技術，使得設計人員可以在三維、沉浸等為特征的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，直觀、高效的操縱和評價虛擬樣機。 通常，虛擬樣機技術的應用是一個復雜的過程，需要大量的投入，表現(xiàn)為：需要具有豐富專業(yè)知識的設計人員、種類繁多的軟件工具、以及性能較高的硬件平臺。這使得虛擬樣機技術更多的只能應用于少數(shù)能負擔相關軟件、硬件以及人員費用的大型

4、企業(yè)中?；谡Z義網(wǎng)服務模式的虛擬樣機協(xié)同設計技術支持設計者發(fā)布、共享已有的設計知識，同時間接的共享軟件以及硬件等設計資源，為虛擬樣機技術的推廣應用提供了一種新的模式。 本文圍繞融合知識的虛擬樣機建模方法、基于語義網(wǎng)服務的虛擬樣機協(xié)同設計技術和虛擬樣機協(xié)同裝配仿真技術等三個方面展開研究，其目的是為虛擬樣機技術在企業(yè)產(chǎn)品設計過程中的應用提供理論和技術上的解決方法。本文的主要貢獻在于：1.提出了一種融合知識的虛擬樣機表示模型，較好的

5、解決了復雜產(chǎn)品虛擬樣機建模過程中的模型重用問題。該模型由設計單元與設計單元之間的關系構(gòu)成，描述了三種類型的知識：在每個設計單元中，利用行為以及行為序列描述建模中的過程式知識；利用約束集合描述聲明式知識，驗證設計結(jié)果的合理性；進而利用設計單元之間的關系描述建模過程中的上下文知識。 2．基于圖論的相關知識，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計單元與作用于設計單元的關系、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，進而利用圖論的知識對有向圖進行簡化，得到求解結(jié)果或為設計過程提供智能導航。 3.提出了一種分層的虛擬樣機建模方法。面向CAD設計，將零件的建模過程映射為領域特征的組合，然后將領域特征映射為CAD建模過程中傳統(tǒng)特征的組合，領域特征的引入可以更好的體現(xiàn)設計人員的設計意圖。面向工程計算分析，將基本計算過程描述為設計單元中的原子行為，進而給出若干組合規(guī)則，描述更加復雜的行為。 4．提出了一種基于語義網(wǎng)服

7、務的虛擬樣機協(xié)同設計方法，支持在Web環(huán)境中，以服務的形式共享虛擬樣機建模過程中的知識以及相關的軟硬件設計資源。首先，闡述了一種基于Web服務的協(xié)同設計體系架構(gòu)，將設計知識以及相關軟硬件資源進行服務封裝和共享，在此基礎上，利用語義網(wǎng)相關標準描述服務之間的關系，利用基于語義網(wǎng)的推理技術實現(xiàn)服務檢索。 5.提出了支持多通道交互的虛擬樣機協(xié)同裝配方法，支持跨平臺的異地裝配仿真。首先，提出了一種復制式和集中式混合的協(xié)同裝配系統(tǒng)架構(gòu)，

8、較好的解決了復制式協(xié)同中難以并發(fā)控制、集中式協(xié)同中網(wǎng)絡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；面向裝配任務的處理，闡述了將裝配任務映射為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本操作序列的方法。 6．圍繞上述理論及關鍵技術研究工作，開發(fā)了融合知識的虛擬樣機建模系統(tǒng)，對于系列化產(chǎn)品的虛擬樣機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)同裝配關鍵技術的深入研究以及推廣應用提供了基礎平臺。