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1、虚拟维修关键技术研究 摘 要：介绍了虚拟修理系统构成所需的四大模块，分别对虚拟修理关键技术进行了深化分析，重点探讨了虚拟修理系统如何建模、信息怎样表达、如何规划技术、干涉问题的解决以及修理工具的制作。 关键词：虚拟修理；系统建模；信息表达；碰撞检测；工具制作 中图分类号：TP391.9 自从20世纪80年头末虚拟现实的概念提出以来，虚拟现实作为一门新兴学科正在蓬勃发展。虚拟修理技术是建立在虚拟现实技术发展起来的，用来解决修理性和修理训练的技术手段，是利用修理仿真软件对产品进行虚拟的修理分析，发觉可能存在的修理问题。后还可运用于修理训练领域，可指导修理人员进行修理，对修理人员进行修理的培训1。虚
2、拟修理技术是多种技术的融合，包括系统建模、信息表达、工艺规划、干涉分析、修理工具制作等。 1 虚拟修理系统 一般虚拟修理系统结构包括四部分：修理总体信息的输入，包括各种修理属性；进行虚拟修理时四周的环境状态；进行虚拟修理时，须要的各种外部设备；虚拟修理数据库。如图1所示2： 2 关键技术 2.1 建模技术之虚拟修理。虚拟修理系统模型可以看作是实际修理系统的描述、造型、仿照或抽象，通过实物、图形或符号来代表修理样机、人及环境等组成部分之间的相互关系。三维建模是虚拟修理的基础，建模的好坏干脆关系到交互性和沉醉感的实现。传统建模技术大多停留在点、线框、表面和实体建模的基础上，主要处理的是产品的纯几何
3、信息、物理信息和行为信息。考虑到虚拟修理的特点，新一代特征建模更为有效。许多商业化三维CAD软件如Solidworks、pro/Engineer、UG等都可以用来建立实体模型。 2.2 表达技术之虚拟修理。虚拟修理中除了要描述各零件的基本属性外，还应表达部件存的相互之间的关系，应描述各零部件之间的相互关联的性质与结构。装配体的信息包括以下三方面3：零部件本身的属性，包括物理、几何、工程设计等属性信息；装配体之间的装配关系：1）零件与零件之间的相对位置与相对方向关系，2）零件与装配体之间的相对关系；装配体各层次关系信息：装配体的层次信息可由装配树来表达。由图2，装配体由若干层子的子装配体组成，子
4、装配体又由下一层次的子装配体或各零件组成，呈树状结构。装配树可直观描述装配关系及依次。 2.3 规划技术之虚拟修理。虚拟修理规划包括修理依次规划和修理路径规划等。在进行虚拟修理过程中，由操作人员对虚拟装备进行拆卸、修理和安装。整个交互式过程被虚拟修理系统记录下来，从而记录了依次、路径、工具、修理方法、修理时间等信息。 虚拟修理系统包括沉醉式与非沉醉式两种。规划主要用于非沉醉式，但随着虚拟装备系统浩大，零部件数量多，拆装依次的组合方式也快速增长。而且很多修理方式与阅历很难通过编程和公式来进行描述。环境的描述、设计分析也须要精确。对修理过程序列进行规划是探讨虚拟修理规划的重点内容。可采纳AND/O
5、R图、有向图、连接图、混合图和Petri网等方法对拆装过程序列进行分析、规划。综合各图法特点，目前虚拟修理过程规划探讨最常用的为Petri网方法，该方法可对虚拟修理规划进行定量与定型分析，便于扩展，有良好的数学基础。 虚拟修理环境的信息假如已知，采纳全局路径规划；假如虚拟修理环境的信息未知或部分环境未知，则采纳局部路径规划。对于全局路径规划和局部路径规划所采纳算法有所不同，目前对于非沉醉式虚拟修理的全局路径规划采纳的算法有：拓扑法、构形空间法、栅格法、概率路径图法以及可视图法。对于非沉醉式虚拟修理的局部路径规划采纳的算法有：基于神经网络的方法、遗传算法、模糊逻辑算法以及人工势场法等。 2.4
6、干涉问题分析之虚拟修理。在对虚拟修理系统进行设计时，须要对零部件之间干涉问题进行分析。而碰撞检测则是干涉分析中的一种较有效的技术。碰撞检测可影响虚拟系统环境的真实感和沉醉感，是面对对象人机交互的技术基础。碰撞检测可分为静态碰撞检测和动态碰撞检测两种。在对装备零部件进行设计时，采纳静态干涉检验，静态检验零部件之间相对位置间隙及干涉状况，依据检验分析结果再对零部件设计进行修改。在对装备可装配性进行设计评估时，采纳动态干涉检验零部件装配时之间的约束关系、装配路径以及装配关系，从而对拆装和修理姿态进行调整、修改。并且算法也分静态算法和动态算法两种。目前，探讨较多的为离散型动态碰撞检测算法，因为该算法的
7、实时性能够满意虚拟修理系统中的设计需求。离散型碰撞检测的方法通常是利用三维几何体进行求交，或利用零部件二维投影的图像和深度来进行求交，从而推断干涉与否。众多算法中，采纳层次结构模型，基于图形的碰撞检测应用最为广泛。该方法的几何对象由体积略微大于几何体的包围盒来描述，并且仅对包围盒重叠部分进行测试，得到相交结论。这样的几何模型被层次结构渐渐靠近，最终得到修理装备的几何特性4。 2.5 工具的制作之虚拟修理。在实际对装备进行拆装、修理中，修理工具必不行少，特殊是一些特别零部件必需采纳专用工具操作才能完成。因此在对装备进行虚拟修理过程中，采纳工具来对装备进行拆装、修理，例如采纳工具完成紧固件的拆卸、
8、抓取、移动以及安装等操作，需采纳虚拟工具来完成特定的操作，才能更真实地反映虚拟修理过程。在修理工具建模时，常采纳关节模型、逻辑模型、显示模型、碰撞模型等对虚拟修理工具进行描述。在虚拟修理工具操作方面，须要对工具的位置和可操作空间进行分析和描述。虚拟修理过程是一个困难的过程，涉及到的修理装配工具许多，在对修理工具进行制作时，应充分的考虑到各零部件之间的相对运动约束关系，以及修理工具与修理对象之间的约束关系，从而才能对修理工具的操作进行约束和设计。要考虑到修理工具首先要选择修理对象，并与对象固定联接后进行驱动。在运用修理工具过程中，修理系统须要实时检测修理对象的状态，一旦装配或修理动作完成，停止对
9、工具的操作，修理过程结束。除此以外，还需考虑与修理对象碰撞检测、约束识别、抓取、释放等方面的问题。 3 结束语 虚拟修理技术是热门而又前沿的技术，采纳虚拟修理技术可有效降低修理训练成本，在装备设计与修理领域具有广泛的应用前景。本文对虚拟修理的关键技术进行了深化的探讨，给出了虚拟修理技术探讨的重点内容。 参考文献： 1WanH G，Gao SM， Peng Q S. Virtual Assembly In ACAVE Environment A.In： Proceedings of the Seventh International Conference on Computer Aided De
10、sign and Computer GraphicsC.Kunming：International Academic Publishers，2001：552-557. 2成小英.綠色修理理论及其评价体系探讨D.安徽理工高校，2004：28-30. 3陈定方等著.虚拟设计M.北京：机械工业出版社，2002. 4马麟.虚拟修理过程模型的探讨D.北京：北京航空航天高校，2022. 作者单位：95890部队政治处，武汉 430033 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页