塔機虛擬裝配的精度與規劃研究

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　　【摘  要】機械裝配是機械產品制造和生產工作的重要部分，在機械的生產過程中，裝配是占產品生產制造用時最長的工序。機械裝配的質量在很大程度上影響著機械產品本身的質量，因此，裝配工藝的科學性和規范性就顯得尤為重要。裝配工藝規劃是根據機械產品的裝配特點表現來進行程序和技術上的規劃，使裝配更加高效，對實際的裝配生產起著重要的指導性作用。
　　【關鍵詞】塔式起重機;虛擬平臺;規劃研究
　　1 引言
　　目前國內針對復雜產品的裝配方法比較落后，針對非確定性多項式優化的裝配工藝順序規劃研究，項目采用交互式評價方法與智能啟發式算法相結合的方法，在減少人為決策的前提下，綜合考慮了裝配的機械可行性、技術可行性、幾何可行性因素，運行計算生成復雜產品的最優可行的裝配工藝順序。
　　2 搭建模型構架
　　首先開發接口提取三維模型的裝配層次信息、配合約束信息及其幾何引用項信息，完成裝配意圖的捕捉、精確定位求解與裝配運動導航、動態約束的解除等，從而搭建出虛擬裝配平臺框架。然后在虛擬裝配的場景中，借助交互輔助技術，對產品零件進行裝配，建立并優化零件之間的裝配優先關系，根據裝配優先關系生成初始可行裝配序列，并使用粒子群改進的遺傳算法對初始可行裝配序列計算出工藝最優的裝配順序，最后根據計算出的最優裝配順序在虛擬裝配環境中進行仿真驗證，直至得到滿足工藝需求的最優裝配順序。建立幾何精度的可視化模型以及精度信息與顏色值的映射關系，結合計算機圖形學基于OpenGL技術能將最終裝配體的裝配公差以不同顏色可視化出來。
　　編程實現約束識別、碰撞檢測、約束解除、位置跟蹤、裝配確定等基本交互手段搭建虛擬平臺，進而在機械研究院采棉機車間進行考察，并根據各項裝配影響因子的權重制定適應性函數，求解運行生成最優的裝配順序。
　　3 虛擬平臺的二次開發
　　基于圖形系統OpenGL Performer的虛擬裝配平臺裝配層次信息、配合約束信息及其幾何引用項信息的讀取，精確定位、導航及基本交互功能的實現。采用交互式評價方法與智能啟發式算法相結合生成復雜產品的最優可行的裝配工藝順序。借助虛擬環境相關渲染技術，實現了對幾何偏差或誤差值的相對幾何精度可視化，以及對公差等級的絕對幾何精度可視化。通過顏色的變化來表達幾何相對精度和絕對精度的高低，將現實世界中不可感知的幾何精度信息以直觀的方式顯示出來。
　　根據一級裝配單體案例分析出不同的裝配次序會產生不同的裝配公差，相反適當的裝配順序能減小，甚至吸收裝配公差。分析自動裝配序列規劃和交互式裝配序列的優缺點，提出了將虛擬現實技術和智能優化算法結合起來，提出了智能裝配順序推理和交互式裝配規劃評價相結合的新方法，其基本思想是：一方面利用智能優化算法的智能性，充分發揮計算機的優勢，直接推理出初始可行或接近較優的裝配順序，從而對產品的裝配序列規劃過程進行智能引導和優化;另一方面利用虛擬現實技術的直觀性，充分發揮人的經驗和智慧，實現人機交互式裝配規劃和仿真，從而對智能算法得到的初始優化的裝配順序進行進一步分析、仿真、評價和優化，直到得到產品的最佳裝配順序，實現人機協同的智能裝配規劃與優化。建立可視化模型與偏差約束幾何、幾何精度三維標注模型之間的關聯，以實現可視化信息、產品幾何精度信息和產品幾何模型信息之間的傳遞與關聯。基于顏色幾何裝配精度可視化，關聯三維標注模型，獲取可視化的數據信息，并根據標注的點位和方向轉化獲得幾何精度可視化顏色條、文本框的點位、方向信息，進而實現可視化信息的編輯和交互。相對幾何精度可視化包括特定幾何偏差或誤差值的可視化和公差域的可視化兩方面。特定幾何偏差與特定顏色進行映射;公差域與顏色域進行映射，在某偏差自由度方向用漸變顏色條表示?；谌S標注模式，在標注一側顯示顏色條;為了使顏色與數值的映射關系更為直觀，便于判斷偏差的偏離程度，對應顏色條底端、中間和頂端顏色處標明幾何的下限偏差值、中間偏差值和上限偏差值，并實時繪制標志箭頭指示到當前偏差值對應的顏色位置。
　　4 機械裝配工藝規劃的關鍵點
　　4.1 裝配工藝規劃的層次化
　　機械產品結構復雜，而且零部件的種類繁多，數量大，特別是重型機械產品，在重量和尺寸上都很大，裝配難度高。在進行裝配工藝規劃時，要對機械產品進行深入地分析，根據其結構、組織和功能進行層次化地規劃，為產品裝配部門和工作人員提供詳細可靠的指導和參考。
　　4.2 BOM變換
　　在對機械產品裝配工藝規劃后，在實際裝配中很難避免會有一定的偏差存在，在對零部件進行調整時，可能位置要有一定的變化。因此，在進行裝配工藝規劃時，要對零部件的變化進行詳細地解釋說明，為裝配操作人員提供參考信息，便于裝配操作的順利進行。
　　4.3 做好進度計劃
　　機械產品在裝配時一定要按照規劃的順序進行裝配，正確的裝配思路能夠有效地減少裝配中的重復操作，提高裝配效率，也避免零部件之間出現不良銜接。生產部門要根據裝配工藝規劃，結合實際裝配經驗，對生產計劃進行合理地掌控，把握時間節點，保證產品裝配的按時完成。
　　4.4 裝配工序的規劃
　　一個機械產品的裝配涉及到多方面的工序內容，裝配信息會由多人提供，因此在對裝配工藝進行描述時可能會有模糊不清的問題存在。在對裝配工序規劃時，盡可能地保障裝配說明的詳細性，對各個工序的安排、零部件的使用，裝配的順序、開工和完工的時間、各項工藝參數、裝配工裝的要求、裝配基準等問題力爭詳細、具體、準確，保證裝配工作的有序進行。
　　5運行結果
　　最終搭建出一套人機交互的虛擬裝配平臺，研究出針對塔式起重機的最優裝配工藝方法，求解生成最優的裝配順序，并利用數據手套等外設順利完成對塔式起重機減速箱部件的虛擬裝配。本項目采用有效的集合約束實現精確定位、導航，基于虛擬現實提供的多通道感知環境和虛擬菜單、三維鼠標、數據手套、位置跟蹤器等多種交互手段，對具有物理屬性的零部件直接進行操作，開發實現基礎的虛擬裝配平臺。
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