复杂产品虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术

复杂产品虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术

０　引言

虚拟装配技术自９０　年代中期出现以来，经过十多年的发展，取得了长足的进步。虚拟装配技术可以在无物理样件的情况下对产品可装配性、可拆卸性、可维修性和装配过程中的装配精度、装配性能等进行分析、预测和验证，并支持面向生产现场的装配工艺过程的动态仿真、规划与优化，从而有效减少产品研制过程中的实物试装次数，提高产品装配一次性成功率和装配质量。

由于虚拟装配技术具有诱人的应用前景，西方工业国家相继成立了一大批虚拟装配研究机构，并开展了相关应用基础技术的研究，建立了一批虚拟装配系统并在企业得到成功应用，取得了较大的效果［ｉ］。我国自９０　年代末开始虚拟装配技术的跟踪研究，国内清华大学的肖田元、张林？等［ｉｉ］；浙江大学的谭建荣、刘振宇等［ｉｉｉ］；北京理工大学的宁汝新、刘检华等［ｉｖ］；上海交通大学马登哲、范秀敏、武殿梁等［ｖ］；华中科技大学的李世其、王峻峰等［ｖｉ］；哈尔滨工业大学的姚英学、夏平均等［ｖｉｉ］；南京理工大学张友良、汪惠芬［ｖｉｉｉ］；西北工业大学的李原［ｉｘ］；北京航空航天大学的刘继红［ｘ］等相继开展了虚拟装配相关技术的研究，并进行了初步的工程应用。

然而，目前的虚拟装配技术主要是基于理想几何的装配过程模拟，如何推动虚拟装配技术进一步实用化方向的发展是目前虚拟装配技术面临的最大难题。中航沈飞的郭洪杰指出［ｘｉ］：虚拟装配技术的应用解决了二维工艺设计与三维产品设计不衔接、工艺设计周期长优化困难，需要实物验证等诸多弊端，但目前也存在一定的不足，虚拟装配能够发现产品设计上存在的装配干涉，但不能分析生产中较常见的应力装配问题，对于装配误差累计的分析、装配顺序对装配应力的影响、零件制造误差对装配方案的影响等缺乏分析和预见的手段。另外，近年来数字化预装配技术和虚拟装配技术在结构件装配仿真方面进行了大量研究，但很少同时考虑线缆和管路的装配问题。

笔者结合复杂产品研制过程中的需求以及课题组十五和十一五期间在虚拟装配技术的研究成果，对虚拟装配相关技术进行了系统论述，并指出了虚拟装配技术深入发展方向。

１　虚拟装配技术相关概念内涵分析

虚拟装配技术是指综合利用虚拟现实、计算机图形学、人工智能和仿真等技术，在虚拟环境下对产品的装配过程和装配结果进行建模、仿真与分析，从而达到检验、评价和预测产品的装配质量并对产品的装配顺序、装配路径、装配方法、装配资源、人因工程等相关问题进行辅助分析和决策的技术统称。

与虚拟装配技术相关的概念有虚拟现实技术、数字化预装配技术等。为了进一步理解和发展虚拟装配，笔者认为，有必要对虚拟装配技术与其它相关概念之间的关系进行分析。

１）虚拟装配与虚拟现实

虚拟现实技术是一种新的人机交互技术，它允许人沉浸到计算机产生的虚拟环境中，并通过听觉、触觉、味觉、视觉等多感知模式与虚拟环境中的物体进行实时交互。虚拟环境提供的沉浸感、交互性与实时性促进了设计者直觉、想象力与创造力的充分发挥。

对于虚拟装配中虚拟的确切含义，学者们则有不同的理解。有人认为，虚拟装配（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ，　ＶＡ）中的Ｖ　就是ＶＲ（Ｖｉｒｔｕａｌ

Ｒｅａｌｉｔｙ），强调ＶＲ　在装配仿真中的应用，强调通过虚拟现实技术的沉浸感来增强设计人员对所设计的产品或过程的理解，从而发现其中的问题，并认为只有利用了ＶＲ　技术才能称之为虚拟。也有一部分学者从计算机仿真的角度来解释虚拟，认为只要是在建立物理样机前，采用数字化模型和计算机仿真来进行有关产品设计与制造方面的决策，就可以认为是虚拟。

笔者认为，虚拟装配技术中的虚拟应体现在以下三个方面：虚拟原型：虚拟装配研究分析的对象不是产品的物理原型，而是计算机中的数字化模型，也即虚拟原型。虚拟环境：设计人员工作在一个计算机仿真环境中，而不是一个现实的装配环境；但计算机仿真环境（或者虚拟环境）是对现实环境在一定程度上的映射。虚拟过程：装配过程是虚拟的，而不是实际的装配过程，是实际装配过程在一个计算机仿真环境（或者虚拟环境）中的映射。

正如人们所熟知的，反映客观对象本质的模型固然会给人以真实感，但具有真实感的模型却不一定能反映客观对象的本质。虚拟装配从本质上说是建模与仿真技术在机械装配领域的全方位应用，其力图建立与实际产品相同或相近的数字样机装配模型，在此基础上进行高逼真度的仿真来评估与优化装配活动，使人们能够完全或部分预知实际的产品装配过程和装配结果。因此，不妨认为，虚拟装配技术中的虚拟是分层次的，计算机仿真与ＶＲ　是虚拟的两个不同层次，ＶＲ　是计算机仿真的更高发展阶段。或者说，虚拟可以从狭义和广义的角度来理解，狭义的虚拟是指采用了ＶＲ　技术的虚拟，广义的虚拟是指建立在实际系统前，利用计算机仿真环境和数字化模型来进行相关设计和制造活动，就可以称之为虚拟。

２）虚拟装配与数字化预装配

自从戈尔在１９９８　年提出数字地球概念以来，冠以数字的概念多如牛毛，在机械装配领域出现了数字化预装配概念。

迄今为止，还没有一个大家公认的数字化预装配的定义。数字化技术是指利用计算机软（硬）件及网络、通信技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析、综合优化，从而达到精确描述和科学决策的过程和方法［ｘｉｉ］。数字化技术具有描述精度高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点。笔者认为，数字化预装配可理解为在产品数字化定义的基础上进行产品装配过程模拟，其强调产品数字化模型表达的精确性和无二义性，主要解决产品的可装配性与一致性协调的问题，并获得具有良好可装配性设计的产品。虚拟装配技术继承和发展了数字化预装配技术，虚拟装配也是在计算机上实现实际装配，但它强调的是通过建模和仿真技术来实现实际装配在计算机上的本质实现，更注重从过程和物理特性的角度实时地模拟装配现场和装配过程中可能出现的各种问题和现象，并预先提出各种控制与优化策略，从而最终实现产品的科学装配和预测性装配。当然，各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉、互为补充的。没有必要也不可能用一个技术替代另一个，准确地把握其内涵，促进其良性发展才是所有技术发展的必由之路。

２　虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术的工作流程

结合虚拟装配技术的内涵和国内外的发展现状，从推动虚拟装配技术来解决复杂机电产品装配工程实践中的难点来看，还需重点解决以下问题：

１）改变目前虚拟装配技术主要基于理想几何的现状，突破以精度和物性为核心的虚拟装配过程仿真相关关键技术，实现对产品装配精度和装配性能的预分析；

２）改变目前虚拟装配技术主要针对刚性结构件开展研究的现状，突破柔性线缆和复杂管路的布局、装配规划与信息管理相关关键技术，为解决长期困扰线缆和管路的设计、施工和管理集成难的问题提供有效途径。

针对生产现场的需求和虚拟装配技术的发展趋势，笔者提出了一种集精度、物理特性以及结构件与线缆管路仿真分析一体化的虚拟装配过程模拟与装配质量方法。所谓一体化的虚拟装配过程模拟与装配质量预测技术，主要是从生产的实际问题出发，建立面向现场的真实感环境，通过综合考虑工装夹具、装配精度和装配物理特性（质量、质心和转动惯量等）、机构运动学仿真、线缆和管路及结构件交叉装配等一体化的虚拟装配过程仿真与分析，实现在实物试装前预知产品最终的装配质量，其中虚拟装配过程仿真与分析方法是手段，实现装配质量预测是目的。

按照使用人员的不同，该方法分为装配工艺规划和装配车间应用两部分内容，如图１所示。装配工艺规划部分主要从工艺设计的角度，利用虚拟环境下的人机交互、带物性和公差的装配过程仿真、带工装的装配工艺规划等技术来设计可行且优化的装配工艺，并最终输出各种工艺报表和装配过程动画。装配车间应用部分主要以提高装配过程中的质量和装配现场管理现代化水平目标，采用基于遗传算法的选配、装配现场的工艺可视化等技术来提高产品装配质量和现场的管理水平。该方法的工作流程如下：

步骤　１：装配工艺设计人员首先对来自ＣＡＤ　设计模型数据（包括零部件模型、工夹具模型）进行转化，并建立虚拟环境下的产品数字化模型。

步骤　２：工艺设计人员在虚拟环境下，采用集精度、物理特性以及结构件与线缆管路仿真分析一体化的虚拟装配过程仿真方法，进行零部件的装配序列和装配路径的规划。在交互式规划过程中，人是主导，通过所构建的虚拟装配环境，工艺设计人员可以从不同角度最直观地观察零部件的空间结构，根据自己的装配经验，利用各种人机交互设备来操纵虚拟环境中的零部件和工、夹具，建立零部件的装配顺序和装配路径。在装配过程中，系统将同时对装配序列和装配路径等装配过程信息进行记录，并对装配规划过程进行实时监控，通过动态检测干涉、约束自动识别、运动学仿真、物性和精度分析等手段确保装配工艺过程的可行性。

步骤　３：对于所建立的装配序列和装配路径，装配规划人员可以进行编辑、修改和优化，以获取较优的结果，同时装配规划人员还可以对装配结果进行分析、评价。最后系统根据调整后的装配序列和装配路径输出装配过程动画以及各种装配工艺报表。

步骤　４：装配现场的装配工人通过装配现场软件，获取当前的装配任务和配套报表，进行现场装配。在装配过程中，通过工艺可视化技术，可随时提取所需的装配过程动画、标准装配工艺卡，工序简图等工艺信息进行装配现场浏览，从而快速准确地理解装配工艺。同时对关键配合环节，通过带实测值的选择装配技术，提高一次装配成功率和装配精度。

基于以上的工作流程，该一体化的虚拟装配过程模拟与装配质量预测方法首先需解决ＣＡＤ　系统与虚拟装配系统间的数据转换问题，其次必须建立考虑工装和现场环境的装配工艺过程仿真环境，并突破虚拟环境下的装配精度预分析、基于物理属性的物性分析及运动学仿真、柔性线缆建模与布局设计及敷设过程仿真、复杂管路布局设计与安装过程仿真等关键技术，本文结合已开展的部分研究工作，重点从上述几个方面讨论相关技术的实现技术。

３　ＣＡＤ　系统与虚拟装配系统间的数据转换

在虚拟装配系统中，为了满足系统的实时性要求，零部件通常由简化的多边形面片模型（通常为三角形面片模型）来描述的，而不是采用ＣＡＤ　系统（例如Ｐｒｏ／ＥｎｇｉｎｅｅｒＴＭ）中的精确几何和拓扑描述。由于虚拟装配环境中与ＣＡＤ　环境中零部件描述方法的差异，ＣＡＤ　系统与虚拟装配系统间通常需要进行数据转换。目前常用的数据转换方式有：①直接转换模式：即直接利用ＣＡＤ　系统提供的多边形面片模型标准转换接口（例如ＶＲＭＬ）进行产品模型的转换。但是这种只传递多边形面片模型的方式往往会造成零件拓扑信息、精确的几何信息以及几何约束、设计历史等信息的丢失。②基于专用接口的转换模式：即利用ＣＡＤ　系统提供的二次开发工具包（例如Ｐｒｏ／ＥｎｇｉｎｅｅｒＴＭ　的

Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ），将ＣＡＤ　系统中零件的设计信息以可扩充的中性文件形式进行表达，并将相关数据在虚拟装配系统中进行数据重构。

直接转换模式的不足之处如下：①针对每一个ＣＡＤ　系统都需要开发相应的数据转换接口，工作量大且通用性、开放性差；②只实现了ＣＡＤ　系统与虚拟装配系统之间的单向数据传递，虚拟装配系统中直接生成的零件模型（例如线缆、管路模型）不能导入到ＣＡＤ　系统中。针对ＣＡＤ　系统与虚拟装配系统之间的数据集成问题，笔者提出一种基于标准数据格式的信息集成方法。其数据转换过程描述如下：

步骤　１：将ＣＡＤ　系统中的零件模型通过标准数据格式（例如ＳＴＥＰ、ＡＣＩＳ）导出；

步骤　２：ＶＡ　系统通过一个桥梁模块（标准数据／ＶＡ　桥梁模块），将标准数据格式的零件模型数据直接导入到ＶＡ　系统中。ＶＡ　系统中的零件模型由三部分组成：①精确模型，用于保存零件精确的几何、拓扑以及工程设计信息。零件精确模型直接采用ＳＴＥＰ　或ＡＣＩＳ模型，ＶＡ系统通过桥梁模块可直接调用零件的精确几何与拓扑信息。②显示模型（面片模型），用于ＶＲ　渲染和显示，显示模型是在ＳＴＥＰ　或ＡＣＩＳ　模型上直接离散生成。同时通过桥梁模块建立了显示模型与精确模型之间的双向映射关系。通过这种映射，ＶＡ　系统在进行渲染和显示时采用的是零件多边形面片模型，可满足ＶＡ　系统实时性要求，而在虚拟装配环境中进行其它工作时，根据需要又可以充分利用零部件的精确几何与拓扑信息。③碰撞模型，是用于碰撞检测计算，由面片模型生成。

步骤　３：ＶＡ　系统中产生的线缆与管路实体模型，通过桥梁模块转换成标准数据（如ＳＴＥＰ）后，再导入到ＣＡＤ　系统中，从而可有效实现ＶＡ　系统向ＣＡＤ　系统的数据传递。

４　虚拟装配工艺规划技术

由于装配问题的复杂性，复杂机电产品的装配工艺规划一直是其设计制造一体化中的薄弱环节。目前在复杂机电产品的装配工艺规划方法方面，主要还停留在以实物试装和填卡片式的工艺文件直接编辑的方法。虽然利用计算机和人工智能技术可以建立装配关系模型并通过规则推理自动生成产品装配序列，但由于［ｘｉｉｉ］：（１）随着产品所包含的零件数目增多，可能的装配序列数目会出现组合爆炸；（２）

目前人工智能技术的发展水平还很难将装配工艺规划人员的知识和经验抽象成具体规则；（３）实际装配中，操作人员的工作环境和现场管理水平将对装配工艺产生重要影响。虚拟装配工艺规划技术的出现，为从几何、物理、过程等多方面研究装配工艺规划和改变目前复杂机电产品的装配工艺规划技术相对落后的现状提供了一条有效的途径。虚拟装配工艺规划是指针对产品的装配工艺设计问题，基于产品信息和装配资源信息，采用计算机仿真与虚拟现实技术进行产品的装配工艺规划，从而获得可行且较优的产品装配工艺，指导实际装配。虚拟装配工艺规划主要包括产品装配顺序的规划、装配路径的规划、装配资源的规划、装配工艺卡片和各种装配工艺报表的生成等内容。

虚拟装配工艺规划的工作流程，其主要分为四个阶段，即模型数据获取阶段、面向生产现场的装配车间建模阶段、初始装配工艺生成阶段、装配工艺后处理阶段［ｘｉｖ］。

模型数据获取阶段：对来自商品化三维ＣＡＤ　系统（如Ｐｒｏ／Ｅ，ＵＧ　等）的设计模型数据（主要包括零部件、工具、夹具和吊具模型等）进行转化，获得虚拟装配工艺规划系统中所需的标准数据格式模型。

面向生产现场的装配车间建模阶段：利用人机交互式的车间布局技术，建立与装配现场高度相似的虚拟场景，该场景中包括待装配的零部件、工具、夹具、吊具、操作台等。

初始装配工艺生成阶段：基于建立的虚拟装配车间，人机交互地对产品的虚拟模型进行装配仿真，以建立和分析产品各零部件的装配顺序、装配路径、并验证和分析装配工、夹具的空间可操作性，并以此形成产品的初始装配工艺（主要包括装配顺序、装配路径、装配动画、以及装配过程中用到的工夹具等工艺信息）。初始装配工艺生成阶段是虚拟装配工艺规划系统的核心，主要涉及到的关键技术包括：实时碰撞检测技术、虚拟环境下的零部件精确定位技术、虚拟环境下基于约束的物体运动导航等，其具体实现方法详见文献［ｘｖ］。图４　为某发动机的装配仿真结果。装配工艺后处理阶段：在上一阶段形成的初始装配工艺的基础上，补充和完善产品的装配工艺信息，从而形成较为完善的、符合工厂特定格式的装配工艺卡片，同时生成配套清单、工装清单、辅助材料清单等工艺报表。

与传统的装配工艺规划方法相比，虚拟装配工艺规划的主要特点是：

①虚拟性　虚拟装配工艺规划强调充分利用计算机仿真与虚拟现实技术来进行产品的装配规划。特别是虚拟现实技术的应用，为复杂产品的装配规划提供了一种直观、高度逼真、自然的交互环境，人可以沉浸到其中，与环境中的各种虚拟物体融为一体，直接对虚拟原型进行交互操作，并实时地观察装配过程及其产生的效果，这种工作方式改变了传统的装配工艺规划工作模式，最大限度地发挥了人的智慧和创造力。

②协同性　虚拟装配工艺规划强调人机协同地进行装配规划，这种协同，是指在人和机器间建立的一种新型的、各发挥所长的人机一体化系统的协同。所谓人机一体化系统［ｘｖｉ］，就是采用以人为中心，人机一体的技术路线，人与机器处在平等合作的地位上，共同组成一个系统，各自执行自己最擅长的工作，取长补短，共同认识、共同感知、共同思考、共同决策等。其核心就是强调人在系统中的重要性、以及人的主导作用。

③集成性　虚拟装配工艺规划是一种面向装配过程的装配规划技术，实现了装配建模、装配仿真和装配工艺规划的有机集成。装配建模的结果，不但获得了产品的初始装配工艺，同时还获得了产品可装配性等方面的信息。

５　平面机构闭环装配与运动仿真分析平面连杆机构在现代机械工程中的应用最为普遍，复杂机电产品装配过程中往往涉及到平面机构（例如卫星舱门）的装配，因此如何实现虚拟环境下的平面机构闭环装配，并进行平面机构运动仿真以确保机构的运行无干涉，是虚拟装配需要解决的关键技术之一。

所谓平面机构闭环装配，即完成欠约束的平面机构的装配。如图５　所示的四杆机构，如何将杆４　连接到机架１　上。如图可知，如果保持杆２，３　不动，是无法实现杆４　的装配，只有通过杆３，４　的复合运动，或者杆２，３，４　的复合运动才能完成杆４　的装配。机构的闭环装配问题可以归结为已知终止位置的机构运动目标，求解机构所有构件的空间位姿问题。如图５　所示，即当已知杆４　的末端终止位置时，求解杆２，３，４　的空间位姿的问题。机构闭环装配属于机构的运动仿真技术范畴，实现了机构的运动仿真，机构的闭环装配问题也将得到妥善解决。目前对平面机构进行运动仿真模拟及运动学分析的算法主要有两种：即基于多刚体系统动力学和基于几何求解两类［ｘｖｉｉ］。基于几何求解的机构运动学分析的基本思想是：按照某种规律将机构分解为一系列的基本单元，通过对各个基本单元的运动规律的研究来间接实现对整个机构的分析。利用几何法对机构进行运动学分析，避免了非线性方程组的求解过程，只需针对基本单元进行运动规律的分析，并建立基本杆组算法库以备调用。但利用几何法求解机构各构件的速度和加速度时，却不如多刚体系统动力学求解线性方程组方便。并且，利用几何法对机构进行运动学分析时需要建立庞大的算法库。基于多刚体系统动力学的机构运动学求解的基本思想是：建立由各构件位姿约束方程的非线性代数方程组以及速度约束方程和加速度约束方程的线性代数方程组。利用牛顿－拉夫森迭代法求解机构的广义坐标、广义速度和加速度。但由于利用多刚体动力学方法建立的约束方程十分复杂，同时利用牛顿－拉夫森迭代对初值的选取要求很高，求解过程容易产生不收敛，并且对求解结果还需要进行补偿，计算量大。

综合比较上述两种求解方法的优缺点，提出采用多刚体系统动力学进行机构的运动学分析的方法。基于多刚体系统动力学的机构运动学分析包括两种：１）基于拉格朗日坐标的运动学分析。２）基于笛卡儿坐标的运动学分析。其区别在于前者是相对于不同的动参考系来定义刚体的位形，而后者则是相对与同一个总体坐标系来定义。对于复杂机构的分析而言，基于笛卡儿坐标的运动学分析方法更有利于通用程序的实现，其基本思想是通过建立约束方程并对其求解来完成机构运动参数的计算。约束方程分为三类：１．主约束方程。此类方程是通过以运动副为基本分析单元而建立的约束方程，即通过运动副的类型，分析相连的两个构件之间的运动参数关系而建立的约束方程。２．驱动约束方程：其通过对机构进行运动分析时施加的驱动条件而建立的约束方程，如电机的转数，驱动力等。３．常约束方程。机构中有些零部件在运动过程中位姿固定不变（如机架），针对这些零部件固定不变的描述坐标而建立的约束方程称为常约束方程。这三类方程共同组成了基于笛卡儿坐标系的多刚体动力学运动学分析的总约束方程。通过求解总约束方程得到机构广义坐标参数。对总约束方程进行求导得到总速度约束方程，对总速度约束方程求导得到总加速度约束方程。通过求解这两类方程组得到机构的广义速度和广义加速度，从而完成机构运动学分析。

基于多刚体系统动力学进行机构的运动学分析的解算具体步骤为：①确定机构的机架和主动件，并满足：机构的自由度＝主动件个

数。②根据机构的运动副信息建立机构主约束方程。③根据机架数量建立常约束方程。④根据机构自由度建立相应数量的驱动约束方

程。⑤通过求解由机构主约束方程、常约束方程和驱动约束方程组成的总约束方程，获得机构广义位姿信息。⑥对总约束方程求导得到总速度约束方程，求解总速度约束方程获得机构广义速度信息。⑦对总速度约束方程求导得到总加速度约束方程，求解总加速度约束方程得到机构广义加速度信息。⑧输出计算结果。图７　为虚拟装配系统中机构运动仿真及计算结果中位移曲线输出界面。用户在虚拟环境中完成机构的装配后，将运动仿真过程中固定不动的零部件设置为机架，则系统会自动调用独立机构搜索算法，计算场景中独立运动机构的个数（图７　中有３　个独立运动机构）并将相应的零部件和运动副属性存储在对应的独立运动机构数据结构中，然后调用运动学分析算法进行计算并给出计算结果。通过实例分析得出，基于多刚体系统动力学进行平面机构的运动学分析方法完全能满足虚拟现实系统的实时性要求。 ６　装配精度预分析技术复杂机电产品研制过程中常常采用修配法或调整装配法进行产品装配，因此，如何对装配误差累计进行分析，在产品实际装配之前预测产品最终的装配精度，并提前设计出合理可靠的装调方案，是装配工艺师在装配工艺设计中需要解决的核心问题之一。目前国内外的虚拟装配技术大多基于公称尺寸的模型数据，没有考虑公差信息的影响，导致现有的虚拟装配系统基本上无法预测装配误差的大小及由于装配误差引起的装配质量问题。因此，对虚拟环境下的带公差的产品建模技术和装配精度预分析技术的研究是推进虚拟装配技术实用化的关键之一。

建立虚拟环境下的产品精度模型是实现带公差的虚拟装配的前提。在产品装配过程中，由于零部件自身制造偏差、各个工位上装配的定位偏差，以及由于人工、设备、环境等随机因素引起的偏差在装配过程中发生耦合、积累和传播，形成产品最终的综合偏差。因此，虚拟环境下的产品精度模型，不仅需要考虑零部件的设计精度信息（包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度信息）、实际制造精度信息（零件加工后的实测值），还要考虑零部件装配顺序、装配定位方式等信息。

因为涉及到零部件的装配顺序与工装操作等信息，所建立的虚拟环境下的产品精度模型是一个面向装配过程的产品精度模型，如图８所示。每个产品被描述成是由一个装配任务序列来实现的，装配任务在装配历史链表中的先后位置表达了其所装配的组件的装配顺序。每一个装配任务，又包含一个的夹具调整、工具装配空间检测等装配操作链表。由于每个装配任务都对应一个唯一的装配对象（组件），通过该装配对象，可以获得产品的装配组成关系和层次结构关系。同时，一个零件由若干个装配特征组成，一个装配特征又由若干个几何面（或几何元素）组成，几何面包括平面、柱面、球面、锥面、环面和曲面（又分为规则曲面和不规则曲面）等，每一个几何面由若干离散化的多边形面片组成。装配尺寸链包含封闭环和组成环。几何精度包括尺寸精度、形位精度和表面粗糙度，同时几何精度与相关的几何面进行关联。每个零件包含一个几何精度链表。映射机制则将零件所有几何精度信息与相应的几何元素关联起来，并可实现自上而下和自下而上的双向快速查询。图９　为虚拟装配系统中进行公差建模的软件界面，界面中右边的结构树中显示了每个几何面所包含的精度信息。虚拟环境下的产品装配精度预分析是指利用虚拟现实技术，在产品工艺设计阶段或装配实施阶段，根据产品公差设计值或零件加工后的实测值，对产品的装配精度进行预测与控制的技术统称。其核心思想是在复杂产品实际装配前，通过带精度信息的产品装配过程仿真，分析并预测产品最终的装配精度，并提出合理的装调优化方案。

虚拟环境下的产品装配精度预分析方法主要包括试装法、修配法、调整法和选择装配法等。

（１）试装法：在虚拟环境中，采用多种可行装配方案进行试装配，预测不同加工偏差零件组合时的产品装配精度，并进行分析比较，从而可选取获得最优装配精度的装配顺序与零件组合。

（２）修配法：修配法即现场装配时对其补偿环零件的尺寸进行修配，使封闭环达到设计要求的方法。补偿环零件一般选择易于加工且易于拆装的零件。虚拟环境下的产品装配精度预分析方法，可根据零件实测值进行试装配，实时计算分析修配量的大小，用于指导现场装配。

（３）调整法：调整法即用改变补偿环的实际尺寸或位置，使封闭环达到设计公差与极限偏差的要求的方法。一般以螺栓、斜面、挡环、垫片或轴孔连接中的间隙等作为补偿环。

虚拟环境下的产品装配精度预分析方法，可通过零件实测值的预装配分析，实时计算调整量的大小，指导现场装配。

（４）选择装配：选择装配方法主要针对中、小批量产品，通过对待装配零件的检测、挑选，有选择性地进行装配，以达到较高的装配精度的一种装配方法。

７　基于物理属性的虚拟装配技术

基于物理属性的虚拟装配技术，主要指构建与实际产品相同或相近的虚拟样机物理模型，在虚拟环境中直观分析装配变形、装配力等因素对产品装配质量的影响，解决虚拟样机在各种工况下运动、受力等物理仿真问题。目前，虚拟环境下的产品物理属性建模与基于物理属性的装配过程仿真是影响虚拟装配技术实用化的瓶颈之一，也是解决虚拟装配技术仿而不真问题的关键因素之一。基于物理属性的虚拟装配技术研究模型如图１１　所示，分为属性建模、行为建模、工程应用三个层次。属性建模层主要包括零部件物理属性建模和基本物理属性计算。零部件的基本物理属性有材质、质量、质心、转动惯量、速度、加速度、动量、作用力、扭矩、温度、接触面特性等物理属性。基本物理属性的计算包括零部件基本物理属性的计算与确定方法，包括零部件的转动惯量计算、重心等物理属性的计算，从而为整个虚拟环境下装配过程的物理性能仿真与分析奠定数据基础。行为建模层是指虚拟装配仿真中涉及到的零部件行为建模的技术。产品装配过程中，零部件间会发生接触和运动，这种接触和运动将引起变形和产生相互作用力。零部件行为建模就是研究产品装配过程中的物理属性如何影响装配行为。行为建模主要包括接触建模、稳态分析、碰撞检测、动态响应等。接触建模是利用接触力学知识研究零部件接触特性行为。稳定性分析是指装配过程中实时判断装配状态是否能够处于稳定状态，并分析处于稳定状态时零部件间的相互作用力。碰撞检测与响应包括零部件在装配过程中与其它零部件以及环境的碰撞检测算法，并依据碰撞检测结果进行响应，它影响装配仿真过程真实性，是进行装配可行性分析、工具空间检测等研究的重要基础。

工程应用层主要是将基于物理属性的虚拟装配与实际的工程实际情况相结合，从而解决实际工程中的问题，主要包括装配仿真、可装配性分析、装配性能分析、人机功效分析等。

基于物理属性的装配过程仿真是根据零部件的物理属性，在仿真过程中实时计算零部件的装配力和装配特性。基于物理属性的装配过

程仿真能够克服基于几何的装配过程仿真的不真实感，十分真实的模拟实际的装配过程。在装配过程中，由于考虑了零部件的物理属性（例如由于自身重力和与其它零部件的摩擦与碰撞等行为），那么ＶＡ　系统会根据重力大小、摩擦与碰撞状况进行计算分析，并将力和碰撞信息通过传感装置实时反馈给操作者。

当前正在装配的零件在重力作用下向下运动，当零件与已装配零件发生碰撞后，在碰撞力、重力和摩擦力等的共同作用下达到稳定状态。

８　线缆布线设计与装配仿真技术线缆在航空、航天、汽车、船舶等复杂机电产品中占有很大的比重。目前商品化三维ＣＡＤ　软件（例如Ｐｒｏ／Ｅ、ＣＡＴＩＡ　等）虽然提供了三维布线功能，但不能实现线缆的装配过程进行仿真，而且装配中如何根据空间约束合理地走线，并综合考虑运动干涉、捆扎、固定以及线缆和结构件交叉装配等诸多因素。另外，机电系统中还存在一类特殊的线缆，其连接的部件在工作中处于运动状态。例如多轴稳定平台广泛应用于导弹、机载吊舱、卫星等高技术武器系统中，其上所搭载的ＣＣＤ　摄像机、红外成像仪、激光测距仪、雷达天线等设备都要随平台一起运动，这些设备所属的线缆就也要随平台一起运动。此类活动线缆的布局设计和装配工作除具备静态线缆的复杂性之外，还要面临特殊的问题。在几何表达方面，由于活动线缆的位形在工作中发生变化，传统的静态布局设计难以表达其运动所需空间和长度，更无法对其进行分析和优化；在物理作用方面，运动过程中线缆自身也会由运动引发过弯曲损伤、疲劳断裂等。

因为缺乏有效的方法和工具支持，目前复杂产品中的线缆的装配主要还是依靠现场装配工作人员的经验，由此造成的线缆装配过程不规范、一致性差及接插件可靠性问题已成为影响机电产品装配质量的一个重要因素。

虚拟装配技术为线缆的三维布局设计与施工过程仿真提供了良好的人机交互环境，借助于虚拟现实技术提供的沉浸式环境，工艺设计人员可以综合考虑装配空间的制约、装配工具的使用、结构件的装配、线缆的捆扎方式等，从而为解决长期以来线缆的设计、施工和管理集成难的问题提供了一种可行的技术途径。

线缆作为一种典型的柔性体，为解决其布局与装配仿真问题，需要着重解决四个方面的问题：

（１）线缆建模：虚拟环境下的活动线缆建模需要从两方面入手，一是几何建模，二是物性建模。几何建模指建立一个能精确地表达线缆的几何外形及其拓扑关系的模型，该线缆模型不仅要高度逼近真实线缆的几何形状，而且要便于虚拟环境下的线缆布线操作以及对布线操作过程信息的记录。线缆的几何建模采用离散控制点建模方法，所谓离散控制点建模，就是将柔性线缆简化成由一系列截面（通常为圆截面）中心点相连而形成的空间连续矢量化折线段，将这些中心点作为线缆空间位姿的控制点，通过人机交互技术对这些控制点进行操作控制来实现线缆的动态布局和优化［ｘｖｉｉｉ］。由于线缆的实际长度很难事先预测，因此，可以采用基于离散控制点的变长模型，即在线缆布线过程中线缆的长度是动态变化的，待线缆布线完毕后，根据线缆的不同结构特性和性能参数自动地计算出线缆的长度，并以接线表和接头ＢＯＭ　表的形式输出。图１３　所示为虚拟装配系统中线缆布线结果。物性建模是指构造线缆的力学模型来反映其在受到外力作用时发生的位置和形状改变，具体包括用表达式描述变形与负载之间的本构关系，并通过相应的数学模型推导出线缆受力时的平衡方程。线缆变形后可能呈现蜿蜒、缠绕、扭结等复杂的几何形态，为了满足实时性与工程应用的需求，线缆的几何表达应尽可能简单，在刚性截面假设基础上，其几何形态可由截面沿中心线的移动和转动所体现，即将其作为一条空间曲线进行研究。线缆的材料特性复杂，获取完全真实的力学模型较困难。同时，虚拟装配中若采用完全真实的力学模型，计算量过大，将严重影响实时性。细长的线缆在一定的载荷下即使应变很小，也会产生超大变形的整体效果，例如平移、弯曲、旋转。反过来说，尽管其位移和截面的转动相当大，但应变很小，甚至还保持在材料的弹性应变范围之内，因此，仍可将其本构关系抽象为弹性关系。

针对活动线缆所特有的大变形、小应变的特点，提出以弹性细杆为力学模型实现虚拟环境下的线缆物性建模。

（２）线缆布线与优化：从线缆布线与电磁兼容性能的关系、线缆布线与产品可靠性及可维护性的关系、线缆自身结构与可靠性的关系三个方面入手，在保证线缆布线过程中与其它结构件无干涉的前提下，通过对线缆模型的拖拽、旋转、平移、捆扎、固定等操作，实现快速的线缆布线设计；

（３）活动线缆的运动仿真与优化布局：以线缆静态布线设计结果为输入，对线缆装配到产品后的运行过程中活动线缆的运动轨迹进行求解，并基于活动线缆的运动仿真结果优化活动线缆的固定方式和自由长度。

（４）线缆的动态特性与耐疲劳特性分析：建立线缆的有限元模型并进行模态分析与瞬态响应分析，并将分析结果导入到虚拟环境中，以便在虚拟环境下对线缆布局结果进行综合分析。

（５）线缆布线工艺数据管理：通过对线缆模型以及布线过程数据的记录、处理、统计和输出，实现电气设计数据向工艺数据的转化，以达到指导实际生产过程的目的。

结合复杂产品的电气系统的研制流程，建立了虚拟环境下线缆布线设计、装配工艺规划与安装过程仿真流程，如图１４　所示，主要包括五个阶段：线缆数字化建模与布线设计、线缆长度估算、线缆运动学建模、线缆装配工艺规划与线缆安装仿真、活动线缆动态特性和耐疲劳性分析。

９　管路的布局设计及其工艺规划管路装配问题与线缆装配问题有很多相似之处。传统的管路施工主要是采用现场取实样进行弯曲和装配的生产方式，这种利用实样模拟量传递信息的方式很难保证无应力装配和可靠性装配的要求，并且造成装配过程的不规范和装配过程的返工。

虚拟装配技术可为管路布局优化设计提供友好的、真实感环境。虚拟环境提供的沉浸感、交互性与实时性促进了设计者直觉、想象力与创造力的充分发挥。实现虚拟环境下的管路布局设计的关键是导管的数字化建模。导管可采用与线缆相似的分段矢量化建模方法。管路主要由导管和接头组成，导管采用Ｔｕｂｅ　＝　｛Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ，Ｒｊ，ｒ｝（ｉ　＝　１，２　ｎ；　ｊ　＝　ｉ＋１，，ｎ－１）来描述，ｉ　为导管的直线段的个数（即离散控制点的个数），Ｒｊ　为导管在第ｊ　个交点处的弯曲半径，ｒ　为导管的截面半径。在虚拟环境中，先建立控制点的模型，导管的其它模型则根据控制点模型实时动态创建。管路的接头采用接头库，并对接头进行系列化和局部参数化，从而减少接头库的数量。管路建模与布局算法详见文献［ｘｉｘ］，图１５　为虚拟装配系统中的管路布局设计结果。虚拟环境下的管路布局设计的结果经后置处理后，可直接导入数控弯管加工过程仿真模块，以验证其可成形性，并进行工艺参数优化。数控弯管加工过程仿真系统（ＴＢＳ）是一种专门化的弯管加工ＮＣ　代码有效

性检验软件模块［ｘｘ］，它提供的功能包括弯管机床的几何建模和运动学建模、模夹具选取与定义、机床配置定义与调整、导管毛坯建模和装载、碰撞和干涉检验、导管动态造型等。１０　发展和应用前景装配是产品生命周期中的一个重要环节，产品的可装配性和装配质量直接影响着产品的开发质量、效率和成本。据统计，在现代制造中，装配工作量占约整个产品研制工作量的２０％￣７０％，平均为４５％。同时，复杂产品的装配通常占用的手工劳动量大、费用高且属于产品研制工作的后端，提高装配生产率和可靠性所带来的经济效益远比简单地降低零件生产成本所带来的经济效益高。

虚拟装配技术出现以来，为单件小批量生产模式下的复杂大型机电产品（例如飞机、火箭、导弹、卫星、工程机械等）的研发提供了有效工具。复杂大型类机电产品具有结构复杂、零部件繁多、装配精度高且以手工装配为主要作业方式等特点，实物试装周期长且装配结果不可预测，往往需要经过多次的试装、拆卸和返工。例如在导弹和卫星的研制过程中，从部装到总装，经历上百道装配工序，待装配零件中已凝结了大量的人力、物力，一旦在装配过程中出现问题，将前功尽弃。同时在装配工作过程中存在着精密的零件，在装配过程中不得有丝毫损伤。而且导弹和卫星的开敞性差且装填密度大，导致其装配工作非常困难。因此，导弹和卫星研发过程中，装配过程的风险极大。若在此项工作中引入虚拟装配技术，必将发挥巨大效果。

集精度、物理特性以及结构件与线缆管路仿真分析一体化的虚拟装配过程模拟与装配质量预测方法的出现和发展，突破了基于理想几何的虚拟装配技术的局限性。该方法的发展和应用，可真正通过虚拟样机全部或部分代替实物样机进行产品功能验证与性能分析，其必将打破设计－制造－评价和实物验证这一传统模式，从而为复杂机电产品的优质、高效和可靠性装配提供了一条崭新的途径。本文提出的基于标准数据格式的ＣＡＤ　与虚拟装配系统之间的信息集成、虚拟装配工艺规划及其信息管理、虚拟环境下的装配精度预分析、基于物理属性的物性分析及运动学仿真、柔性线缆建模与布局设计及敷设过程仿真、复杂管路布局设计与安装过程仿真技术等，不仅为解决了装配工程中长期存在的难点问题提供了解决途径，而且也将虚拟装配技术向实用化方向的发展推进了一大步。目前，开发的虚拟装配系统已在航天部分产品的研制中得到初步应用。随着带公差和带物性的虚拟装配技术的进一步深入研究，虚拟装配技术将对提高研制产品的装配一次成功率、保证产品装配质量发挥越来越重要的作用。

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关于UG虚拟装配技术中的Top-Down Desingn

1.关于UG虚拟装配技术中的Top-Down Desingn 2007-08-20 12:34 虚拟装配是指通过计算机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评价和预测产品模型，做出与装配相关的工程决策，而不需要实际产品作支持。随着社会的发展，虚拟 制造成为制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一也越来 越引人注目。虚拟装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零 部件从设计到生产所出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本以及优化产 品性能等目的。 在许多世界级大企业中被广泛应用的计算机辅助三维设计（CAD）的高端主流软件UG的装配模块就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型 也可以放入虚拟环境进行实验，可以在虚拟环境中创建产品模型。使产品的外表、形状、和 功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，使产品的缺陷和问题在 当时的设计阶段就能被及时发现并加以解决。 UG虚拟装配设计有自底向上（Bottom-up）设计和自顶向下（Top-down）设计两 种。其中前者是指在设计过程中，先设计单个零部件，在此基础上进行装配生成总体设计。 这种装配建模需要设计人员交互的给定配合构件之间的配合约束关系（如图a所示），然后 由UG系统自动计算构件的转移矩阵，并实现虚拟装配。然而，交互给定构件之间的配合约 束关系不仅费事，并且当构件之间的配合较多时，容易出现约束不当或约束出错等的情况。 也只有在进行装配时才能发现零件设计是否合理，一旦发现问题，就要对零件重新设计，重 新装配，再发现问题再进行修改??而Top-down的设计方式正避免了以上缺点，可以方便、 直接的进行设计。 Top-down的设计方法是指在装配环境中创建与其它部件相关的部件模型，是在装 配部件的顶级向下产生子装配和零件的装配设计方法。即先由产品的大致形状特征对整体进 行设计，然后根据装配情况对零件进行详细的设计。这种设计方法是一个由粗入精的过程，多用于全新的开发过程，可以保证设计出的产品相互间有一个合理的位置。基于Top-down 的装配设计技术也与工程实际相符合，而UG的装配建模技术完全支持Top-down的设计方法 2.初学UG，现在基本功能是掌握了，但是TOP-DOWN还不是明白。有哪个兄弟能给我讲一下在UG里面常用的TOP-DOWN怎么搞吗？只要稍微提点一下就可以了，大概猜想是利用多实体的设计来提取各个零件吧，说的不对的地方请各位兄弟拍砖 在装配模式下利用WAVE来做零件设计 用WAVE做就好了，想关联就关联，不想关联就去除参数 3. Top-down设计方法概述 Top-down(自顶向下)设计是一种设计思想，即设计由总体布 局、总体结构、部件结构到部件零件的一种自上而下、逐步细

浅谈虚拟装配设计系统的特征及意义_杨月 (1)

Design 浅谈虚拟装配设计系统的特征及意义 杨月 吴庆锋 沈阳斯林达安科新技术有限公司 在产品设计中，产品装配过程和仿真占有极为重要的位置。机械产品的配合性、可装配性和可维修性是设计人员常易出错的地方，以往要到产品开发的后期，或最后装配甚至在投入使用一段时间后才能发现，导致零件的报废和工期的延误。而虚拟装配技术在设计阶段就能检验产品结构设计是否合理、方便装配和维修。虚拟装配，是虚拟现实在CAD/CAM中应用的一个重要领域。同时VA也是虚拟制造的关键部分。 一、虚拟装配设计系统的类型及特点 主要有两种虚拟装配系统:一种是JayaramS等人开发的一个“虚拟装配设计系统”——VADE系统:另一种是GuptaR等人提出的利用多模式虚拟环境的装配分析设计原型方法。VADE系统首先由参数化CAD系统(Pro/ENGINEER)生成装配模型；然后，VADE预处理器处理这些模型:零件的视觉属性(如颜色、纹理等)及零件的几何信息和装配信息自动提取；零件的公差、位置、方向及装配的零件集、装配约束一同提取给VADE系统。这样，用户就有了一个“预规划”装配方法。进入沉浸式的装配环境后，用户可以进行装配设计。在装配过程中，用户可选择、生成、修改装配轨迹或进行重装配。碰撞检测警告用户干涉和公差配合方面的问题。由VADE产生的轨迹信息、装配顺序信息、干涉信息等自动被CAD系统设计者利用。多模式虚拟环境的装配分析设计原型方法：这种方法不同于传统的基于表的装配方法，而是通过装配分析对装配方法进行评价，然后从多种方法中择优选择。先在这个系统中建立统一的物理模型，这个模型为环境中的“真实”物体提供动态交互，为用户和“真实”物体提供触觉交互。这个模型可以被处在面向装配设计的虚拟环境（VEDA Virtual Environment for Design for Assembly）中的听觉事件扩大。在这个系统中，设计者可以看到物体，听到物体相撞的声音，也可以通过触觉交互设备和力反馈感觉来操作物体。这个模型既可以仿真物体的重量、形状、大小和公差配合，还可以仿真摩擦力等物理特性。下面主要以VADE样机系统分析其系统配置和特征。 二、虚拟装配设计系统VADE的系统配置及特征 VADE样机系统由Cirmson TM工作站、Reality Engine TM图形加速卡和多通道控制板组成，支持两个头盔显示器。系统还选用了Cyber Glove TM数据手套和Tactools TM触觉反馈系统。其特征表现在以下几个方面: （1）从CAD系统到VR系统的自动数据转换； （2）现实环境和零件最初位置的创建； （3）在虚拟环境中用户和零件的交互作用； （4）零部件装配轨迹信息的编制； （5）VADE允许用户把零部件在装配过程中所掠过的空间作为装配轨迹记录下来，并且能在虚拟环境中编制、存储这些信息； （6）零件的动力学仿真； （7）在虚拟环境中参数设计的修改； （8）虚拟装配信息到CAD信息的转换。 三、自动装配设计的缺点及虚拟装配设计的意义 1.自动装配设计及其缺点 传统的自动装配设计是一种学习拆卸的方法，即用拆卸序列和路径的逆序列，确定产品的装配序列和路径。这种方法尽管能够根据某些产品装配模型产生可行的装配序列和路径，其缺点是: （1）对拆卸来说是最佳的方案并不代表对装配也是最佳的方案； （2）当产品的结构较为复杂时，装配模型中的几何实体信息、三维几何配合约束信息、设计约束信息都将急剧膨胀，不可避免地会导致装配规划的组合爆炸，甚至可能导致后续的装配序列和路径规划难以完成。 2.自动装配和虚拟装配的不同 （1）在自动装配设计系统中，用拆卸序列和路径的逆序列来确定产品的装配序列和路径。而在虚拟装配设计系统中，工程师可以直接获得装配序列和路径； （2）在VADE中，用户将生成有价值的设计信息和进行决策分析，并将这些信息反馈到CAD建模系统。而自动装配设计只是探索一种适合机器人装配的装配序列和路径； （3）虚拟装配设计系统是一种学习、分析、评价并提高装配设计和操作过程的实际工具；自动装配设计系统可被用来寻找一些可行的装配过程设计； （4）虚拟装配设计系统适合有人参加的复杂装配操作，不适合大量零件的装配。自动化装配设计系统适合有许多零件的装配模型，而装配操作比较简单，并且通常由机器人完成。 3.虚拟装配的意义 （1）通过装配分析，技术人员可以在虚拟环境中对机构的各个零件进行运动分析。这样无须付出昂贵的代价，就可以得到产品生产的可行性，从而降低研制费用； （2）用廉价的数字模型，设计人员可以从多方面对产品进行观察和分析，从而得到重要的结论，并预见生产和装配的问题，同时可节省实物样机的制造费用； （3）利用虚拟装配设计系统也能分析维修过程中的问题，可以考虑所需工具、安全性、视线以及拆卸等，这样有利于提高产品的质量、可靠性等； （4）从设计到生产，更加周密的计划对减少材料和产品库存非常有利，降低了产品成本。 四、结论 （1）机械设计过程中的虚拟装配技术对于产品的合理设计，以及后续装配及维修具有重要意义。 （2）重点分析研究了VADE系统和利用多模式虚拟环境的装配分析设计原型方法的虚拟装配设计系统，对VADE的系统配置及特征进行了讨论。 （3）讨论分析了自动装配和虚拟装配的特点，分析表明借助虚拟装配设计系统，在虚拟环境中使用各种装配工具对设计进行检验，可以预见装配系统的完善性。 摘要：通过对目前已有的VADE系统和多模式虚拟环境的分析，来讨论机械设计过程中的虚拟装装配设计技术的类型及特点、配置特征等，最后对其与自动装配之间的不同及优点进行分析。 关键词：机械设计 虚拟装配 自动装配 参考文献: [1] 宋少云,李世其.基于物理的虚拟样机建模技术的研究[J].交通与计算 机.2005(03). 122

ProE链传动虚拟装配设计及运动模拟技术的应用

Pro/E链传动虚拟装配设计及运动模拟技术的应用 本文讲述了链传动的三维虚拟装配与运动学模拟在Pro/ENGINEER软件中的实现方法，并对链传动动力学模拟提出了使用专业模拟平台的建议。 一、链传动概述 链传动有短节距精密滚子链、双节距精密滚子链、短节距精密套筒链、弯板滚子传动链、齿形传动链以及成型链等多种传动类型。链传动的突出特点是构成链条的元件体积小、数量多，链节节距均匀，滚子/套筒结构可以减少啮合时的摩擦和磨损，并能达到缓和冲击的目的。 链传动的运动学模拟效果对于机械总体检查、链节结构设计与改进及链节数量的配置具有重要的验证作用，链传动运动动画对于链传动机构的产品演示、项目开展与交流不可或缺。 由于链节元件小而多的特点决定了链条传动的灵活性和实用性，而元件数量过多使得链传动三维机构模拟在普通计算机上难以实现，巨大的求解数据量对三维软件和计算机硬件的配置提出了很高的要求，在通用CAD三维软件中进行模拟链传动困难很大。本文将探讨在Pro/ENGINEER野火版环境下进行链传动设计与运动学模拟，最后推荐两个专业的链传动动力学模拟软件环境，希望对链传动用户有所帮助。 二、Pro/ENGINEER链传动三维设计与运动学模拟 链传动的设计首先要根据传动功率要求确定大小链轮的齿数、链节运动轨迹以及链节的类型和规格，通过计算确定出链节数量，为链传动机构模拟打好基础。下面是链传动模拟的构建流程。 1.步骤一 设计链传动运动轨迹，确定链节的接口长度和节数。如图1和图2所示，使用草绘曲线绘制轨道，两链轮中心线水平。该次链传动设计共20节链节(这里没有绘制大小链轮)。 图1 链传动轨迹曲线

虚拟化技术及其应用

虚拟化技术及其应用上海市浦东科技信息中心程三艳摘编 虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术的提出可扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程，模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。 1、虚拟化技术的分类 1.1 从实现层次来分，虚拟化技术可以划分为：硬件虚拟化，操作系统虚拟化，应用程序虚拟化等。 硬件虚拟化，又叫做准虚拟化，就是用软件来虚拟一台标准电脑的硬件配置，如CPU、内存、硬盘、声显卡、光驱等，成为一台虚拟的裸机。 操作系统虚拟化，就是以原操作系统为母体样本，利用虚拟化软件克隆出多个新系统。 应用程序虚拟化，主要任务是虚拟操作系统，保证应用程序的正常运行虚拟系统的某些关键部分，如注册表等，轻量、小巧；还可以实现很多非绿色软件的移动使用，通过局域网方便快捷地分发到企业终端上，不用安装，直接使用，在应用范围和体验上超越绿色软件，大大降低了企业的IT成本。 1.2 以应用领域来划分，虚拟化技术可以划分为：服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、桌面虚拟化、CPU虚拟化、文件虚拟化等。 服务器虚拟化，应用了硬件虚拟化和操作系统虚拟化技术，在一台服务器运行安装多个操作系统，并且可以同时运行，就相当于多台服务器同时运行了，利用率大大提高。 存储虚拟化，是将一堆独立分布的硬盘虚拟的整合成一块硬盘，存储虚拟化的目的是方便管理和有效利用存储空间。 网络虚拟化，一般是指VPN，它将两个异地的局域网，虚拟成一个局域网，这样一些企业的OA、B/S软件，就可以像真实局域网一样进行电脑互访了。 桌面虚拟化，是在服务器上部署好桌面环境，传输到客户端电脑上，而客户端只采用瘦客户机的应用模式，即只安装操作系统，接受服务器传输来的虚拟桌面，用户看到的就像本地真实环境一样，所有的使用其实是对服务器上的桌面进行操作。 CPU虚拟化，是对硬件虚拟化方案的优化和加强。以前是用虚拟化软件把一个CPU虚拟成多个CPU，而CPU虚拟化直接从硬件层面实现，这样大大提高的性能。 文件虚拟化，是将分布在多台电脑的文件数据虚拟成一台电脑上的，这样以前找文件要去不同的机器上查找，而现在则像在一台电脑上操作一样。 2、虚拟化技术应用 虚拟化技术具有可以减少服务器的过度提供、提高设备利用率、减少IT的总体投资、增强提供IT环境的灵活性、可以共享资源等优点，但虚拟化技术在安全性能上较为薄弱，虚拟化设备是潜在恶意代码或者黑客的首选攻击对象。 目前常用的虚拟软件有VMware、Virtual PC以及微软在推的windows sever 2008中融入的Hyper-v1.0。自从全球经济危机开始，虚拟化技术被广大企业迅速应用，2009年也是虚拟化技术大潮兴起的一年。 2.1 虚拟化技术在高校信息化建设中的应用 高校信息化建设从20世纪90年代开始，已经经历了单机环境、C/S架构、B/S架构、SOA等多个发展阶段。目前，高校信息化建设已经涉及到高校的教学、科研、管理、生活、服务等相关领域，所需要的计算机平台、存储环境和网络环境多种多样，随之也带来了IT基础设施的资源利用率低和管理成本高等问题。将虚拟化技术应用到高校信息化建设中，既能提高高校信息基础设施的效率，也能提升信息化基础平台的可靠性和可维护性，降低IT相关管理成本。 使用存储虚拟化技术，将高校信息化基础设施中的所有存储资源整合为一个大的存储系统，通过统一存储数据和管理存储空间对外以透明的方式提供存储服务，根据应用系统对存储速率和访问要求的不同，提供不同的存取方式。

云计算虚拟化技术与应用-教学大纲

《云计算虚拟化技术与应用》教学大纲 学时：62 代码： 适用专业： 制定： 审核： 批准： 一、课程的地位、性质和任务 本课程是云计算技术、计算机网络技术、计算机应用技术等专业的一门专业核心课程，主要讲授虚拟化技术发展史、虚拟化技术分类、虚拟化架构特性并对目前主流的虚拟化技术都有涉及，重点讲授虚拟化技术在服务器、桌面及网络上的应用。通过本课程的学习，使学生掌握虚拟化的基本知识，掌握虚拟化的基本原理和方法。能够对目前主流的虚拟化产品进行熟练的使用、部署及维护，并培养学生团结协作、严守规范、严肃认真的工作作风和吃苦耐劳、爱岗敬业等职业素养。 二、课程教学基本要求 1.了解虚拟化的基本概念及发展情况、虚拟化的技术分类及虚拟化的基本技术架构等知识。 2. 了解服务器虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化的基本概念及基础架构原理，了解市场主流虚拟化技术及产品。 3. 了解VMware ESXi的基本概念并熟练掌握VMware ESXi的安装、配置的基本方法与技术；了解VMware ESXi的重要功能并掌握VMware ESXi虚拟机的创建、定制技术。 4. 了解XenServer的功能特性、虚拟基础架构及XenServer系统架构，掌握XenServer服务器和XenCenter管理平台的安装、配置以及创建虚拟机环境的基本方法与技术。 5. 了解Microsoft Hyper-V的功能特性及系统架构，掌握安装Microsoft Hyper-V服务器角色以及创建、定制虚拟机环境的基本方法与技术。 6. 了解KVM的应用前景及基本功能，掌握KVM环境构建、硬件系统维护、KVM服务器安装及虚拟机维护的基本方法与技术。 7. 了解Docker的功能特性及系统架构，掌握Docker的使用技术，包括Docker的安装与卸载、Docker镜像与容器以及Docker Hub的应用技术等。 8. 掌握虚拟机服务器的部署，包括虚拟服务器的配置、工具的部署、虚拟服务器调优、虚拟服务器安全性、虚拟机备份、虚拟机业务迁移及物理机转虚拟机的方法及技术。 9. 了解虚拟化终端的类型及其特点、熟悉常见共享桌面的种类。了解主流虚拟桌面的产品及其厂商，掌握VMware View虚拟桌面的部署步骤过程。 10. 掌握虚拟专用网络VPN的部署与使用方法，包括硬件VPN和软件VPN；掌握虚拟局域网（VLAN）的部署与使用方法，包括标准VLAN、VMware VLAN和混合VLAN；掌握虚拟存储设备的配置与应用，包括IP-SAN在vSphere平台的挂载方法。 11. 掌握虚拟化架构规划的需求分析及设计选型的一般方法，能够针对具体的项目需求给出虚拟化架构规划实施方案。

虚拟装配技术的研究现状及发展趋势分析

虚拟装配技术的研究现状及发展趋势分析 张文建,焦梓实,杜亚维,王晋涛 (华北电力大学工程训练中心,河北保定071003) 摘　要:在阐述虚拟装配技术定义与内涵的基础上,描述了虚拟装配技术的现状及未来,综述了国内外的研究现状,并对国内外发展状况进行简要对比分析,指出了目前虚拟装配技术研究中存在的问题及主要发展趋势。 关键词:虚拟装配;装配工艺规划;装配过程仿真;虚拟现实 中图分类号:TP205 文献标识码:A 虚拟装配技术是将DFA技术与V R技术相结合,建立一个与实际装配生产环境相一致的虚拟装配环境(Virt ual Assembly Environment,VA E),使装配人员通过虚拟现实的交互手段进入VA E,利用人的智慧直觉进行产品的装配/拆卸操作,用计算机来记录人的操作过程,以确定产品的装、拆顺序和路径。像许多新兴学科一样,迄今为止,虚拟装配尚没有统一的定义,许多学者从不同的角度阐述了自己对虚拟装配的理解。其一般定义为:无需产品或支撑过程的物理实现,只需通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段,利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。虚拟装配是一种将CAD技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术。 1　虚拟装配在国内外的发展现状 根据目前的理解,虚拟装配发展至今可以分为3个阶段,第1阶段是虚拟装配理论的提出阶段,第2阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟装配系统的阶段,第3阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。目前国外虚拟装配技术的发展已经进入了第3阶段。 国外对虚拟装配技术的研究起步于20世纪90年代中期,由于政府及工业界对其支持力度比较大,加之研究的基础条件比较好,因此发展势头相当迅猛。 德国Fraunhofer工业工程研究所虚拟现实实验室较早地进行了基于虚拟现实的装配规划系统的研究与开发。他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统获得了1996年慕尼黑计算机展览会的最佳系统奖。该系统可以通过虚拟人体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作。在用户交互的基础上产生装配前趋图,并进行装配时间和装配成本分析。通过对真实装配环境的模拟,规划者在进行产品装配规划时,能够综合考虑装配特征和其他装配条件(如装配空间的制约、装配零件供应以及必需的装配工具等)对产品装配的影响。 美国Washington州立大学VRCIM(virt ual re2 ality and comp uter integrate manufact uring)实验室与美国国家标准技术研究所N IST合作开发的虚拟装配设计环境VAD E(virt ual assembly design envi2 ronment)是一个具有代表性的虚拟装配系统。该研究的主要目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境来探索产品制造中运用虚拟现实技术的可能性。VAD E在SGI Crimson TM工作站上实现,立体视觉由HMD提供(分辨率可达800×600),设计者手的移动由Ascension公司的Flock of Birds TM进行跟踪,所得信息用于控制虚拟环境中虚拟手的位置,手指和手腕的运动由Cyber2 glove TM数据手套监控,而Tactools TM反馈系统用于在手指尖处产生触觉反馈。在这个虚拟装配系统中,设计者可以对公差进行评估,选择最理想的装配顺序,生成装配/拆卸路径规划以及观察最终结果。近来,VRCIM实验室在VADE系统中集成了快速上肢评定算法(The Rapid Upper Limb As2 sessment,RUL A)进行装配过程中人机工程学方面的研究。他们在VADE系统中集成一个可以根据不同人的身高和体形进行调整的参数化人体模型,通过与真实人体相连的6个跟踪设备,对该模型进行跟踪,为RUL A提供输入数据。在进行装配作业时,系统可以对人体模型的姿势进行实时分析。通过尝试多种不同的姿势以及装配过程,根据分析结果找到最佳的工作环境布局。 德国Bielefeld大学人工智能与虚拟现实实验室将虚拟现实交互技术与人工智能技术相结合,基于构造工具箱(Const ruction K it s)的概念,建立了一个虚拟装配系统(COD Y Virt ual Const ructor)。所谓构造工具箱是指在制造领域中可重复使用的、具有多重功能的标准零部件结构库。COD Y是一个基于知识的、三维交互式虚拟装配系统。它允许 ? 9 1 ? 《新技术新工艺》?数字设计与数字制造　2007年　第1期

虚拟现实技术在新产品设计中的运用

虚拟现实技术在新产品设计中的运用 引言 伴随着科学的不断发展，人类礼会进入了崭新的世纪。各种新技术层出不穷，而各个学科相互融合发腱，又产生了许多新的学科技术。产品设计就是这样的一门学科。每一次新科技的出现，都会给产品设计的途径、方式带来新的发展和变化。虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是以计算机支持的仿真技术为前提的，对设计、加工、装配、维护等，经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。虚拟技术产生于20世纪40年代，到90年代才逐步发展完善起来，现在已经应用剑了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域，并且都取得了很人的成功。虚拟技术应川到产品设计中，更会体现出它的很多优势，给设计业带来全新的理念和方式。 1 虚拟现实技术在产品设计中的应用 虚拟现实技术是人的想象力和电子学相结合而产生的一项综合技术，是一种高度逼真地模拟人在自然环境中的视听动等行为的人机界面技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊的环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互。虚拟现实的基本特征有沉浸( Immersion、交互(Interaction)和构想(Imagination)。与其他的计算机系统相比，VR 系统可提供实时交互性操作、三位视觉空间和多通道的人机界面。近年来，虚拟现实技术被越米越多地应用于科学研究，已逐渐被认为是重要的科学探索工具。 将虚拟技术应用于产品的开发设计，称之为虚拟设计，虚拟设计是以虚拟现实技术为基础，它是以机械产品为对象的设计手段。本质上讲，虚拟设计是将产品从概念设计到投入使用的全过程在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。 虚拟设计在现实中的应用有很多的方面，正由于其具有以上的优点而被越来越多的人关注。下面是虚拟设计在现阶段的应用状况。 (1)虚拟原型可视化并取代物理原型。例如1992年美国NASA建立航天飞机数字模型与虚拟风洞川以观察飞机流线分布，验证飞机外型设计的合理性。 (2)沉浸式设计环境。虚拟环境与设计互连，通过建立三维数字模型，设计者使用虚拟现实装备在虚拟环境中直接指导操纵模型。在产品开发的各个阶段，对虚拟产品原形的结构、功能、性能、 加工工艺、装配、生产组织等各个方面进行虚拟环境下的仿真，从而保证设计的可靠、高效。 (3)虚拟装配。产晶往往不是单一的零件，多零件产品的装配干涉是常见错误。传统的设计方法，这一错误要到产品最后装配时才能发现。应用虚拟设计，则可以及早发现干涉甚至完全避免干涉的发生。通过装配模拟软件，设计人员可以对虚拟原型进行试验，分析应力和变形等。若设计不符合标准，可以方便地更改模型,并重新生成模型。 虚拟装配设计（Virtual Assembly Design）是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响力的一个领域。虚拟装配（Virtual Assembly）采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前，就其技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意义。 过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进行各种装

虚拟现实_虚拟装配

SJTU SJTU--CIM CIM--VR虚拟现实研究与应用简介 何其昌 1 上海交通大学计算机集成制造研究所 2009.5.6 术平台 优化平台 术实验室 虚 CIM 研究所/上海市网络化制造 与企业信息化重点实验室 数字化设计制造与管理 集成制造实验室 平台 SJTU-HKPU快速产品开发中心 SJTU-小糸公司快速模具联合 实验室 反求和功能样 件快速制造实 验室 反求和快速 原型制造 企业信息化单 2 上海制造业信息化公共技术服 务平台-上海制造热线 SJTU-UGS PLM 技术中心 元及集成技术 “数字化设计制造与管理”学科建设总目标： ?“三大技术”为主干 ?“三大基地”为支撑 ?制造业信息化技术及开发体系

SJTU-CIM-VR实验室简介|源于1999年立项的国家自然科学基金重点项目“虚拟制造的理论与技术基础”。 |在国家985、211以及上海市网络化制造与企业信息化重点实验室建设经费的支持下，先后建成了支持研究和应用开发的多种类型的虚拟现实系统，形成了较为完整的虚拟现实技术/系统仿真研发和工业应用环境。 |2005年与德国ParderBorn大学 HNI研究所成立“SJTU-HNI虚拟 现实与增强现实联合技术中 3 心”。 |团队成员： z马登哲教授 z范秀敏教授 z武殿梁博士、何其昌博 士、程奂翀工程师 SJTU SJTU--CIM CIM--VR VR实验室研究方向与领域 实验室研究方向与领域 可视化与实时仿真技术基于VR的产品开发技术 VR基础研究、通用开发平台及工具研究 软件开发平台VH TOOL ?可视化监控技术与仿真（采矿、 采油、垃圾处理、数字化码头） ?交互操作仿真（航天、纳米、电 力、驾驶、医学） ?数据场可视化（矢量场、标量场）?产品交互虚拟装配 IV AE/V AWES/DPV AE ?制造过程的可视化仿真 ?生产线仿真与规划 ?产品设计过程的优化与仿真 4 PVRDP（并行渲染），通用虚拟手开发包VH-TOOL，碰撞检测软件包BVCD，粒子生成、线缆生成、分形几何建模等软件工具基础研究：复杂几何模型的动态生成与操作、场景并行渲染、基于网格计算分布式VR、自然交互技术、复杂场景的实时碰撞检测

虚拟现实技术的概念与类型

虚拟现实技术的概念和类型 虚拟现实技术的概念和类型 1. 虚拟现实的概念 虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。 2. 虚拟现实的特征 (1) 沉浸性 虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像．使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者和虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。。 (2) 交互性 虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，

使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。 (3) 想象 由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。 3.虚拟现实技术的类型 (1) 桌面虚拟现实 (2) 沉浸的虚拟现实 (3) 增强现实性的虚拟现实 (4) 分布式虚拟现实 4.虚拟现实技术在网络教育中的作用 (1) 弥补远程教学条件的不足 在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得和真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 (2) 避免真实实验或操作所带来的各种危险

虚拟装配技术的研究与应用现状

虚拟装配技术的研究与应用现状 2009-12-07 18:12:05 作者：admin来源： 装配是按一定的精度和技术要求，将一组零散的零件按一定的次序连接组合成产品的过程，其核心内容是装配序列规划，对产品质量起着决定性... 装配是按一定的精度和技术要求，将一组零散的零件按一定的次序连接组合成产品的过程，其核心内容是装配序列规划，对产品质量起着决定性的作用。据统计[1]，在产品的生产过程中大约1/3以上的人直接或间接从事与装配有关的活动，装配费用则占整个生产成本的30%～50%（对于某些复杂产品，这个比例会更高[2]）。另一方面，装配环节也是制约生产自动化的主要因素，装配性能的好坏是决定产品能否采用自动化装配的关键。因此，一个好的装配顺序规划和工艺规划，对改进产品设计、降低成本、缩短产品生产周期具有重要意义。 传统的产品开发过程中，对产品装配性能的分析和评价通常都是借助实物模型来完成的，这种方法既费时、费力、准确性差，又不能及时、方便地进行修改，延长了产品的设计过程，造成了财力、物力的浪费。虚拟现实技术的发展为解决上述问题提供了新的途径。在虚拟环境下，工程师可以模拟实际的装配过程。这样，在利用装配工程师经验的同时，产生的装配信息又可以用于装配规划，经过整理归纳，经验形成规则被存入知识库，系统可以根据已有的规划处理类似的产品，从而可以解决自动装配规划中类似的装配问题。 虚拟装配技术研究现状 国外对虚拟装配技术的研究起步较早，在理论上的研究涉及面广，且已经有较为广泛的应用。美国华盛顿州立大学的Jyaaram等[3]开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统。利用这个系统，设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题，从而避免了装配设计方面的缺陷。在这个系统中，设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统，然后在虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配，有关产品的可装配性得到检验，同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。Dewar等[4]提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法，该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟部件的装配动作，还能辅助操作人员自动进行装配，并且询问操作人员装配时的装配方法，同时生成装配规划。美国Sandia国家实验室研究开发了一个名为Archimedes[5-6]的用于生成优化和检查装配工艺的交互式装配规划系统。它允许用户定义工艺约束，自动生成装配工艺并判断是否满足约束条件，还可以按照用户提供的指标优化装配工艺。它可以使用当前流行的各种CAD模型，并能以多种形式输出装配工艺规划结果。Archimedes已被成功地应用于多家企业，如NASA、Rockwe公司、洛克希德·马丁公司、休斯飞机公司等，其中休斯飞机公司的产品实例为著名的第4代空空导弹“响尾蛇”AIM-9X，共有471个零件。德国的Michael Weyrich等人[7]通过调用OpenGL,InventorPerformer和Vega库，实现了面向虚拟制造的“虚拟工作台”交互环境。借助1副特殊的LCD眼镜、枝六维笔、1个三维鼠标和1双数据手套，用户能够直接与虚拟对象进行交互，实现顺序控制、运动仿真装配碰撞检查等。德国的BMW公司建立了Virtual Process Week体系[8]，利用虚拟技术对汽车装配流程的合理性加以测试。日本N Abe等开发了机械零件的可装配性验证系统[9]，支持设计者在虚拟环境下进行装配分析；德国Bernhard Jung等人开发了一个基于知识的虚拟装配系统CODY[10]，允许设计者通过三维操作，进行产品装配。 国内虚拟装配技术的研究相对较晚，与发达国家有一定差距。清华大学国家CIMS工程技术研究中心基于CAD软件平台Pro/ENGINNEER开发实现了虚拟装配支持系统VASS

虚拟现实技术的历史与发展

虚拟现实技术的历史与发展 摘要：虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术的计算机领域新技术,已经涉及众多研究和应用领域,被认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。本文介绍了虚拟现实技术的概念、特性以及发展历史和发展趋势，并对虚拟现实技术的应用前景进行展望。 关键词：虚拟现实技术发展历史发展趋势 一、虚拟现实的概念和特性 虚拟现实(Virtual Reality，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物[1]。虚拟现实技术作为一种新的技术，主要有三个特性，分别是沉浸性、交互性和构想性。 1.沉浸性，是指利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉。 2.交互性，在计算机生成的这种虚拟环境中，人们可以利用一些传感设备进行交互，感觉就像是在真实客观世界中一样，比如：当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时，手就有握东西的感觉，而且可感觉到物体的重量。 3.构想性，虚拟环境可使用户沉浸其中并且获取新的知识，提高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，因而可以说,虚拟现实可以启发人的创造性思维。 二、虚拟现实技术的发展历程 虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：1963 年以前，蕴涵虚拟现实技术思想的第一阶段；1963年~1972 年，虚拟现实技术的萌芽阶段；1973 年~1989 年，虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段；1990 年至今，虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。 第一阶段：虚拟现实技术的前身。虚拟现实技术是对生物在自然环境中的感官和动作等行为的一种模拟交互技术，它与仿真技术的发展是息息相关的。中国古代战国时期的风筝，就是模拟飞行动物和人之间互动的大自然场景，风筝的拟声、拟真、互动的行为是仿真技术在中国的早期应用，它也是中国古代人试验飞行器模型的最早发明。西方人利用中国古代风筝原理发明了飞机，发明家Edwin A. Link 发明了飞行模拟器，让操作者能有乘坐真正飞机的感觉。1962 年，Morton Heilig的“全传感仿真器”的发明，就蕴涵了虚拟现实技术的思想理论。这三个较典型的发明，都蕴涵了虚拟现实技术的思想，是虚拟现实技术的前身。 第二阶段：虚拟现实技术的萌芽阶段。1968 年美国计算机图形学之父Ivan Sutherlan 开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD 及头部位置跟踪系统，是虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑。此阶段也是虚拟现实技术的探索阶段，为虚拟现实技术的基本思想产生和理论发展奠定了基础。 第三阶段：虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段。这一时期出现了VIDEOPLACE 与VIEW两个比较典型的虚拟现实系统。由M.W.Krueger 设计的VIDEOPLACE系统，将产生一个虚拟图形环境，使参与者的图像投影能实时地响应参与者的活动。由M.MGreevy 领导完成的VIEW 系统，在装备了数据手套和头部跟踪器后，通过语言、手势等交互方式，形成虚拟现实系统。 第四阶段：虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。在这一阶段虚拟现实技术从研究型阶段转向为应用型阶段，广泛运用到了科研、航空、医学、军事等人类生活的各个领域中，如美军开发的空军任务支援系统和海军特种作战部队计划和演习系统，对虚拟的军事演习也能达到

虚拟装配技术

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/a44846054.html, 虚拟装配技术 作者：霍春明 来源：《商情》2009年第01期 【摘要】虚拟装配技术是虚拟现实技术、计算机仿真技术等多种先进技术在制造装配领 域的综合应用，与一般的装配仿真、基于虚拟现实技术的装配仿真相比较，具有更大的智能性和优越性，可完成或者支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，极大提高机械设计和制造的效率。 【关键词】虚拟装配技术机械设计机械制造计算机辅助设计 传统的计算机辅助装配系统输入输出设备是二维的，而机械虚拟装配技术的输入输出设备是三维的。在虚拟的产品装配环境中，设计人员如身临现实的装配环境，全方位的感受到装配过程，眼可看到、手可摸到虚拟的零件，通过手势、声音等智能设计完成产品的虚拟装配，同时对产品的可装配性做出直接的判断、评定或者修改。 1 虚拟装配技术 1.1常见的虚拟装配系统结构 常见的虚拟装配系统结构一般分为4个模块：模型模块、用户交互模块、环境虚拟模块和输出模块。 (1)模型模块：功能是通过将零件的相关数据信息，包括几何模型、物理特征、零件的公 差等，以及产品的装配模型，输入到虚拟装配系统里，生成需要的虚拟零件模型。 (2)用户交互模块：即各种虚拟外部设备和其支持系统，通常有麦克风、数据手套、光栅 眼镜、数据衣、头盔式显示器等。装配技术人员利用这些虚拟外部设备与虚拟装配系统进行人机交互，进行虚拟装配的各种操作。 (3)环境虚拟模块：是虚拟装配系统的核心，包括各种虚拟现实算法、虚拟装配环境配 置、虚拟装配环境生成、虚拟零件模型、虚拟装配工具包以及虚拟外部设备驱动系统。其中，虚拟现实算法主要包括干涉检验算法、多细节层次模型自动生成算法；虚拟装配环境配置即对装配环境进行配置，包括坐标系的设定、定位、光照设置等；虚拟环境生成即生成虚拟环境所

《机械产品虚拟装配通用技术要求》

《机械产品虚拟装配通用技术要求》 编制说明 一、任务来源 《机械产品虚拟装配通用技术要求》国家标准的制订任务于2008年3月由全国技术产品文件标准化技术委员会提出，2009年1月被正式列入国家标准化管理委员会2008年第三批国家标准制修订计划，项目编号为：20081215-T-469，技术归口单位为SAC/TC146 全国技术产品文件标准化技术委员会（以下简称标委会）。 二、工作过程 1）预研工作 从2007年初,标委会就通过召开相关标准研讨会,对本标准开展了需求调研和方案预研工作。 2）工作组的组成 任务下达以后，标委会根据本国家标准制定任务的具体要求，通过公开征集、择优选择等方式，于2009年2月成立了标准起草工作组（以下简称工作组）。工作组的专家

主要来自机械科学研究总院中机生产力促进中心、中国电子科技集团公司第三十八研究所、北京数码大方科技有限公司、北京清软英泰信息技术有限公司、北京艾克斯特信息技术有限公司、北京理工大学、西安电子科技大学、上海交通大学、广西玉柴机器股份有限公司、上汽通用五菱汽车股份有限公司、广西柳工机械股份有限公司、北京科新纪元信息技术有限公司等单位，涉及应用、软件开发、技术研究等单位。 3）标准的起草过程 工作组成立后，开展了大量的调查、分析与研讨工作，先后起草了标准草案（工作组1稿）、标准草案（工作组2稿）和标准草案（工作组3稿），并召开了2次专题研讨会，对上述标准草案的工作组的各稿进行了深入的研讨，研讨会的时间、地点及参加人数见下表： 经过上述起草和专题研讨工作，工作组于2009年10月22日形成标准草案（征求意见稿）。 三、标准编制原则 1）、侧重基础共性问题，兼顾高低端应用 本标准从机械产品虚拟装配的通用规则出发，面向不同制造企业、不同产品类型和不同产品开发模式，归纳出一般适用的总体要求和技术点，以求解决企业在实施虚拟装配中涉及的基础共性问题。在技术上一方面要考虑数字化设计与制造应用水平较高的企业的需求与可实现的目标，另一方面也需兼顾应用起步阶段的企业需求与可实现的目标。 2）、亲技术，远操作 虚拟装配往往与软件的操作密切相关的，但是，目前不同的虚拟装配软件其特征体系和操作命令都不尽相同，因此，本标准不能基于某一特定的虚拟装配软件平台、也不宜采用软件操作手册的方式来编写，而是需要从不同软件的各种操作中总结和提炼出需要共同遵守的规则和技术点。 3）、立足现状，适度前瞻 数字化设计与制造技术正处于不断发展之中，标准仅定位于成熟技术的积淀，将难以满足技术发展的要求；但标准技术内容过度超前，则易与企业应用脱节，并将面临技术不成熟而带来的风险。因此，本标准需立足现状，适度前瞻。

虚拟化技术介绍及应用

虚拟化技术介绍及应用 1 虚拟化技术简介 目前虚拟化技术深入人心，从服务器到桌面都呈现出一片繁荣的景象，由此相信多数人都不会怀疑虚拟技术的可用性和研究其的必要性。通俗说来，虚拟化就是把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源，以打破物理结构间的壁垒。虚拟化技术就其本质而言属于一种资源管理技术，它将硬件、软件、网络、存储等硬件设备隔离开来,使用户能更合理更充分的控制与管理各种资源。 1.1 术语介绍 1）.宿主机，即虚拟机管理器所在的系统 2）.客户机，即运行在虚拟化管理器之上的系统 3）.VMM, Virtual Machine Monitor. 虚拟机监视器 4）.hypervisor，也称为虚拟机管理系统（包含VMM） 2 虚拟化技术历史 IBM 早在 20 世纪 60 年代开发 System/360?Model 67 大型机时就认识到了虚 拟化的重要性。Model 67 通过 VMM（Virtual Machine Monitor）对所有的硬件接口都进行了虚拟化。但在x86平台上的虚拟化技术起步较晚，但随着x86平台CPU性能越来越强健，在市场上的应用越来越广泛，x86平台下的虚拟化技术同样得到了快速发展，特别是支持虚拟化技术的芯片辅助技术（即CPU虚拟化技术）出现以后，x86平台一直以来对虚拟化支持不佳的形象发生了很大改变，x86 平台已经成为了虚拟化技术发挥作用的重要平台之一。 虚拟化技术的发展大概经历了下面两个阶段。 初级阶段：在虚拟化早期，人们采用模拟软件技术模拟出计算机硬件和软件。模拟层与操作系统对话，而操作系统与计算机硬件对话。在模拟层中安装的操作系统并不知道自己是被安装在模拟环境下的，你可以按照常规的方法安装操作系统。这种虚拟化需要付出很大的性能代价。 高级阶段：随着虚拟技术发展的不断深化，虚拟化被带到了一个更高的级别。在模拟层（负责被虚拟机器的指令翻译）和硬件之间，不需要任何主机操作系统运行硬件上的虚拟机。虚拟机监控器直接运行在硬件上。由此虚拟化变得更加高效。 3 虚拟化技术原理 我们首先简要介绍一下虚拟化技术及其涉及的元素。虚拟化解决方案的底部是要进行虚拟化的机器。这台机器可能直接支持虚拟化，也可能不会直接支持虚拟化；那么就需要系统管理程序层的支持。系统管理程序，或称为 VMM，可以看作是平台硬件和操作系统的抽象化。在某些情况中，这个系统管理程序就是一个操作系统；此时，它就称为主机操作系统。