随着国民经济的飞速发展,从化学化工管路、供热管路、供气管路、电缆管路、地下管路、供油管路等,到火箭与导弹内部的各种连接管路,机电产品的液、气的传递过程也需要大量的管路来实现其连接通路,管路的应用可谓日新月异,无处不在。本文将虚拟装配技术应用到了管路系统的设计工作中,借助于数据手套、定位跟踪器、立体眼镜等虚拟设备,通过开发一系列的高效实用的算法,构建起一个实时、实用、三维立体感强的面向管路装配的虚拟装配系统(Pipeline-Oriented Virtual Assembly Environment, POVAE),并且将其应用到了火箭发动机中。本研究首先分析了POVAE系统的功能需求,提出了面向管路系统设计的虚拟装配体系结构。其体系结构主要由4层组成:物理层、支撑层、功能层和数据层,提供了对POVAE系统硬件、软件、算法、数据等层次上的支持;POVAE系统的工作流程分为三个阶段:数据预处理阶段、管路设计环境构建阶段和管路设计阶段,充分利用沉浸式虚拟环境的优势,依靠装配人员的装配经验,人机交互地进行装配组件的装配定位和管路的设计与布置。数据预处理阶段实现了CAD系统到虚拟装配系统的数据转换。本文采用CAD系统建立装配体模型,由于CAD系统和虚拟装配系统之间不存在转换标准,虚拟装配系统不能直接利用CAD的模型数据。为此本文提出了信息分解转换法,将CAD模型信息分解为几何信息、拓扑信息和装配信息等,通过开发几何转换接口生成图形数据文件实现了几何信息的转换,利用数据库技术实现了拓扑信息和装配信息的转换,并且在转换过程中构造了装配中的一个重要概念——几何面。管路设计环境构建阶段开发了基于四元数和自由度规约的分步式约束满足算法,实现了POVAE系统中虚拟物体的面向过程的装配定位。制订了装配约束的分解规则,将物体之间的配合关系分解为多个基本的几何约束,利用三种基本约束的满足算法和基于四元数的自由度规约算法对虚拟物体渐进添加约束,从而达到简化装配的目的;同时结合基于数据手套的虚拟操作技术,实现了POVAE系统的面向过程的装配定位,使得整个装配过程更加自然、高效。管路设计阶段实现了在虚拟装配环境下的管路设计和布置。建立了标准管件数据库,研究了标准管件和部分非标准管件的参数化造型方法,并且开发了面向过程的管路约束满足算法和直管与弯管的受控处理算法,实现了在POVAE系统中根据周围环境的特征,快速地进行管路设计。然后在CAD中调用管路的参数信息和中心线参数信息实现了管路的造型,用于指导管路的加工和装配。最后,利用虚拟现实软件开发包,开发了面向管路设计的虚拟装配系统POVAE。POVAE系统以火箭发动机为原形,对POVAE系统的各项技术,包括CAD到POVAE系统的数据转换技术、面向过程的装配定位技术、基于特征的管路设计技术等进行了应用和验证。