基于数据手套及OBB算法的虚拟装配系统研究

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作为虚拟制造的关键技术之一,虚拟装配技术受到了学术界和工业界的广泛关注。通过建立产品数字化装配模型,可以在计算机上创建近乎实际的虚拟环境,以便对产品的装配过程进行模拟与分析,预估产品的装配性能,及早发现潜在的装配冲突与缺陷,并将这些装配信息反馈给设计人员。运用虚拟装配技术,可以用数字样机代替传统设计中的物理样机,这不但有利于并行工程的开展,而且还可大大缩短产品开发周期,降低生产成本,提高产品在市场中的竞争力。因此,虚拟装配技术的研究对于敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有重要的意义。本文在分析国内外虚拟装配技术研究现状的基础上,对虚拟装配关键技术进行了深入的研究。结合虚拟现实的特点,提出了虚拟装配系统的总体设计方案及软硬件结构体系,并最终设计实现了一个基于普通PC机的半沉浸式模具虚拟装配系统VASYS。该系统利用数据手套、六自由度三维位置跟踪仪等作为交互设备,设计了相应的数据读取模块及运动映射模块,以较高的效率和精度实现了驱动虚拟手的交互操作。通过基于OBB算法的RAPID碰撞检测库配合WorldToolKit仿真平台的接口支持,有效地解决了虚拟装配中的碰撞检测问题,保证了虚拟装配系统操作的准确性、快速性。采用基于前向预防的闭环控制思想,解决了虚拟手操作中的虚拟手抓取、释放及防穿透等关键问题,使虚拟手操作真实、自然、精确。最后,利用Pro/Toolkit二次开发工具和ODBC数据库技术,开发了针对Pro/E装配体模型的装配约束信息提取接口,提取虚拟装配系统中约束导航所依赖的各类装配约束信息,较好地解决了CAD系统与虚拟装配系统之间的模型数据集成问题。虚拟装配过程中,考虑到硬件条件下的触觉反馈缺失,采用约束导航及视觉反馈的思想,逐步限制零部件的运动自由度并通过零部件的颜色变化向用户传递信息,使用户得以自然、精确、流畅地完成装配仿真操作。系统提供装配路径的生成和管理模块,记录信息可用于装配规划及装配评价。最后,设计实现了基于Visual C++ 6.0的复杂电机壳体模具的虚拟装配系统。仿真实验表明该系统具有较理想的反应速度和操作真实感,为产品的数字化设计与制造提供了一种新的技术手段,有助于企业产品设计的优化及装配质量的提高。
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