專利名稱：一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)虛擬仿真的方法，特別是一種力弓I導(dǎo)的虛擬裝配方法。
背景技術(shù)：
虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和CAD技術(shù)在工程設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用，是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，借助它設(shè)計(jì)者可以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少甚至避免物理模型的制作、縮短開(kāi)發(fā)周期、減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、降低制造成本、提高零部件裝配的質(zhì)量和效率并對(duì)操作人員的技能進(jìn)行培訓(xùn)。傳統(tǒng)虛擬裝配方法都是根據(jù)預(yù)先定義的約束規(guī)則，一旦裝配件滿足約束條件，就將其直接定位到目標(biāo)位置和姿態(tài)，忽略了裝配過(guò)程中零件間復(fù)雜的碰撞、受力以及其他影響因素，無(wú)法模擬真實(shí)的裝配過(guò)程。而在實(shí)際裝配中，零件間不存在約束信息，也不可能自動(dòng)“飛”到目標(biāo)位置，零件定位是通過(guò)零件間的相互碰撞以及由操作者施加的外力及其力矩的共同作用完成的。此外，實(shí)際裝配過(guò)程還受很多因素影響，例如零件屬性(形狀、質(zhì)量、尺寸、配合公差、表面粗糙度等)、裝配過(guò)程的人機(jī)因素(如裝配所需時(shí)間、裝配操作的舒適程度、安全性等)、操作者視覺(jué)因素等。

發(fā)明內(nèi)容
·
本發(fā)明的目的是提供一種可準(zhǔn)確定位虛擬零件、模擬裝配件真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程、對(duì)產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)產(chǎn)品可裝配性能進(jìn)行優(yōu)化的力引導(dǎo)的虛擬裝配方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，其特征是:至少包括如下步驟:步驟101:開(kāi)始力引導(dǎo)的虛擬裝配過(guò)程；步驟102:完成前期裝配，即固定基本件位置，并在CAD系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)者的裝配意圖對(duì)零件進(jìn)行預(yù)裝配，得到裝配體中零件間的相對(duì)位姿關(guān)系；步驟103:根據(jù)基本件的位姿和零件間的相對(duì)位姿關(guān)系計(jì)算裝配件的目標(biāo)位姿，使零件從所處的空間初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；步驟104:實(shí)時(shí)對(duì)裝配件和基本件進(jìn)行碰撞檢測(cè)；步驟105:判斷裝配件和基本件間是否碰撞，若是進(jìn)行步驟106，否則進(jìn)行步驟107 ；步驟106:綜合考慮視覺(jué)和人機(jī)因素對(duì)零件定位造成的影響，計(jì)算碰撞后，裝配件的重力沒(méi)、裝配力$接觸力戶及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩，并計(jì)算裝配轉(zhuǎn)矩Qi ；步驟107:綜合考慮視覺(jué)和人機(jī)因素對(duì)零件定位造成的影響，計(jì)算裝配件的重力
5、裝配力及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩，并計(jì)算裝配轉(zhuǎn)矩Qi ；步驟108:依據(jù)上一步得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，建立當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組；步驟109:求解步驟108所得運(yùn)動(dòng)方程，得到零件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，S卩加速度、角速度和角加速度；步驟110:將步驟109所得零件運(yùn)動(dòng)參數(shù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算從i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位移和轉(zhuǎn)角大小；步驟111:計(jì)算從i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位姿變換矩陣APi ；步驟112:根據(jù)i時(shí)刻的位姿Pi和位姿變換矩陣APi,計(jì)算i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1 ;步驟113:判斷i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1是否滿足裝配誤差，若滿足，進(jìn)行步驟115，否則進(jìn)行步驟114 ；步驟114:將i進(jìn)位加1，以便進(jìn)行下一輪的判斷和計(jì)算；步驟115:結(jié)束當(dāng)前力引導(dǎo)的虛擬裝配過(guò)程。 所述步驟106中，對(duì)裝配力7方向的確定，需要依據(jù)視覺(jué)誤差和人手抖動(dòng)，并充分考慮操作者的視覺(jué)因素即裝配區(qū)域在視野中的位置和操作過(guò)程中的人機(jī)因素對(duì)裝配件定位產(chǎn)生的影響，利用蒙特卡洛方法對(duì)裝配件i+Ι時(shí)刻的目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)記為<+1，施加由
Ti指向Γ的裝配力。而裝配力戶的大小，需要利用胡克定律進(jìn)行計(jì)算，凡為裝配件i時(shí)刻位置。作用于零件質(zhì)心的裝配轉(zhuǎn)矩，其大小和方向由零件的當(dāng)前姿態(tài)和目前姿態(tài)關(guān)于坐標(biāo)軸的角度差所決定，計(jì)算方法和裝配力類(lèi)似。所述步驟112中，對(duì)i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1的計(jì)算，至少包括如下步驟，其特征是:步驟201:依據(jù)i時(shí)刻，裝配件所受的裝配力和接觸力等合外力，以及合外力相對(duì)質(zhì)心所產(chǎn)生的力矩和 裝配轉(zhuǎn)矩，建立裝配件的牛頓-歐拉方程；步驟202:將由步驟201得到的加速度代入運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，得到i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位移步驟203:將次沿X，Y，Z軸方向進(jìn)行投影，得到位置變換矩陣ATi ；步驟204:利用四階龍格-庫(kù)塔方法，得到裝配件的加速度、角速度和轉(zhuǎn)角；步驟205:計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，得到姿態(tài)變換矩陣Λ Ri ；步驟206:計(jì)算位姿變換矩陣Λ Pi= Δ Ri Δ Ti ；步驟208:得到裝配件在i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1= Δ PiP^本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明可以模擬裝配件真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的每個(gè)仿真時(shí)刻，建立關(guān)于零件受力及力矩的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組，求解方程組得到零件運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和位姿相應(yīng)，對(duì)虛擬零件進(jìn)行準(zhǔn)確定位。同時(shí)，本發(fā)明還可以依據(jù)相關(guān)計(jì)算參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品可裝配性能進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配過(guò)程的真實(shí)模擬，解決了虛擬裝配中“虛而不擬，仿而不真”的問(wèn)題。故而應(yīng)用本發(fā)明，可以很好地在虛擬環(huán)境中對(duì)實(shí)際裝配過(guò)程進(jìn)行真實(shí)仿真。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:圖1本發(fā)明總流程圖；圖2位姿計(jì)算流程圖3裝配力的計(jì)算；圖4裝配轉(zhuǎn)矩的計(jì)算；圖5姿態(tài)矩陣各分量在YOZ平面投影。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，如圖1所示，至少包括如下步驟:步驟101:開(kāi)始力引導(dǎo)的虛擬裝配過(guò)程；步驟102:完成前期裝配，即固定基本件位置，并在CAD系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)者的裝配意圖對(duì)零件進(jìn)行預(yù)裝配，得到裝配體中零件間的相對(duì)位姿關(guān)系；步驟103:根據(jù)裝配基體的位姿和零件間的相對(duì)位姿關(guān)系計(jì)算裝配件的目標(biāo)位姿，使零件從所處的空間初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；步驟104:實(shí)時(shí)對(duì)裝配件和基本件進(jìn)行碰撞檢測(cè)；步驟105:判斷裝配件和基本件間是否碰撞，若是進(jìn)行步驟106，否則進(jìn)行步驟107 ；步驟106:綜合考慮視覺(jué)和人機(jī)因素對(duì)零件定位造成的影響，計(jì)算碰撞后，裝配件的重力沒(méi)、裝配力、接觸力Pcy及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩，并計(jì)算裝配轉(zhuǎn)矩Qi ；步驟107:綜合考慮視覺(jué)和人機(jī)因素對(duì)零件定位造成的影響，計(jì)算裝配件的重力G裝配力P及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩，并計(jì)算裝配轉(zhuǎn)矩Qi ;步驟108:依據(jù)上一步得到的各種數(shù)據(jù)，建立當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組；步驟109:求解步驟108所得運(yùn)動(dòng)方程，得到零件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(加速度、角速度和角加速度);步驟110:將步驟109所得零件運(yùn)動(dòng)參數(shù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算從i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位移和轉(zhuǎn)角大小；步驟111:計(jì)算從i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位姿變換矩陣APi ；步驟112:根據(jù)i時(shí)刻的位姿Pi和位姿變換矩陣Λ Pi,計(jì)算i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1 ；步驟113:判斷i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1是否滿足裝配誤差，若滿足，進(jìn)行步驟115，否則進(jìn)行步驟114 ；步驟114:將i進(jìn)位加1，以便進(jìn)行下一輪的判斷和計(jì)算；步驟115:結(jié)束當(dāng)前力引導(dǎo)的虛擬裝配過(guò)程；所述步驟106及步驟107中，對(duì)裝配力和裝配轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法如下:
1、裝配力A的計(jì)算:需要依據(jù)依據(jù)視覺(jué)誤差和人手抖動(dòng)，并充分考慮操作者的視覺(jué)因素(裝配區(qū)域在視野中的位置)和操作過(guò)程中的人機(jī)因素(如操作舒適性)對(duì)裝配件定位產(chǎn)生的影響，利用蒙特卡洛方法對(duì)裝配件i+Ι時(shí)刻的目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)(記為<+ )，施加由i時(shí)刻位置1\指向
(+1的裝配力。而裝配力的大小，需要利用胡克定律進(jìn)行計(jì)算。如圖3所示，在i時(shí)刻，理想的裝配力方向由裝配件當(dāng)前位置Ti=Upyi, Zi)指向其目標(biāo)位置Tt=(Xt，yt, zt)。但是在實(shí)際裝配中，由于視覺(jué)誤差和人手的抖動(dòng)，裝配力的方向難以與理想方向完全一致的，會(huì)產(chǎn)生一定偏差，具有模糊性。在裝配件逐步接近目標(biāo)位置的過(guò)程中，操作者會(huì)不斷調(diào)整裝配力的大小和方向，減小裝配中的操作誤差，因此，實(shí)際裝配力的施加又具有智能性。為了模擬實(shí)際裝配力的施加，需要考慮操作者的視覺(jué)因素(裝配區(qū)域在視野中的位置)和操作過(guò)程中的人機(jī)因素(如操作舒適性)對(duì)裝配件定位產(chǎn)生的影響，利
用蒙特卡洛方法對(duì)裝配件i+Ι時(shí)刻的目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)(記為/ )，施加由Ti指向7；+1的裝配力(如圖2所示)。通過(guò)式(I)進(jìn)行計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，其特征是:至少包括如下步驟: 步驟101:開(kāi)始力引導(dǎo)的虛擬裝配過(guò)程； 步驟102:完成前期裝配，即固定基本件位置，并在CAD系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)者的裝配意圖對(duì)零件進(jìn)行預(yù)裝配，得到裝配體中零件間的相對(duì)位姿關(guān)系； 步驟103:根據(jù)基本件的位姿和零件間的相對(duì)位姿關(guān)系計(jì)算裝配件的目標(biāo)位姿，使零件從所處的空間初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)； 步驟104:實(shí)時(shí)對(duì)裝配件和基本件進(jìn)行碰撞檢測(cè)； 步驟105:判斷裝配件和基本件間是否碰撞，若是進(jìn)行步驟106，否則進(jìn)行步驟107 ；步驟106:綜合考慮視覺(jué)和人機(jī)因素對(duì)零件定位造成的影響，計(jì)算碰撞后，裝配件的重力5、裝配力、接觸力及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩，并計(jì)算裝配轉(zhuǎn)矩Qi ; 步驟107:綜合考慮視覺(jué)和人機(jī)因素對(duì)零件定位造成的影響，計(jì)算裝配件的重力G U配力7八各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩，并計(jì)算裝配轉(zhuǎn)矩Qi ; 步驟108:依據(jù)上一步得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，建立當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組； 步驟109:求解步驟108所得運(yùn)動(dòng)方程，得到零件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即:加速度、角速度和角加速度； 步驟110:將步驟109所得零件運(yùn) 動(dòng)參數(shù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算從i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位移和轉(zhuǎn)角大??； 步驟111:計(jì)算從i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位姿變換矩陣Λ Pi ； 步驟112:根據(jù)i時(shí)刻的位姿Pi和位姿變換矩陣Λ Pi，計(jì)算i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1 ； 步驟113:判斷i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1是否滿足裝配誤差，若滿足，進(jìn)行步驟115，否則進(jìn)行步驟114 ； 步驟114:將i進(jìn)位加1，以便進(jìn)行下一輪的判斷和計(jì)算； 步驟115:結(jié)束當(dāng)前力引導(dǎo)的虛擬裝配過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，其特征是:所述步驟106中，對(duì)裝配力方向的確定，需要依據(jù)視覺(jué)誤差和人手抖動(dòng)，并充分考慮操作者的視覺(jué)因素即裝配區(qū)域在視野中的位置和操作過(guò)程中的人機(jī)因素對(duì)裝配件定位產(chǎn)生的影響，利用蒙特卡洛方法對(duì)裝配件i+Ι時(shí)刻的目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)記為，，施加由Ti指向G1的裝配力。而裝配力的大小，需要利用胡克定律進(jìn)行計(jì)算Ji為裝配件i時(shí)刻位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，其特征是:作用于零件質(zhì)心的裝配轉(zhuǎn)矩，其大小和方向由零件的當(dāng)前姿態(tài)和目前姿態(tài)關(guān)于坐標(biāo)軸的角度差所決定，計(jì)算方法和裝配力類(lèi)似。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，其特征是:所述步驟112中，對(duì)i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1的計(jì)算，至少包括如下步驟，其特征是: 步驟201:依據(jù)i時(shí)刻，裝配件所受的裝配力和接觸力等合外力，以及合外力相對(duì)質(zhì)心所產(chǎn)生的力矩和裝配轉(zhuǎn)矩，建立裝配件的牛頓-歐拉方程； 步驟202:將由步驟201得到的加速度代入運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，得到i到i+Ι時(shí)刻裝配件的位移步驟203:將沿X，Y, Z軸方向進(jìn)行投影，得到位置變換矩陣Λ Ti ；步驟204:利用四階龍格-庫(kù)塔方法，得到裝配件的加速度、角速度和轉(zhuǎn)角；步驟205:計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣，得到姿態(tài)變換矩陣Λ Ri ；步驟206:計(jì)算位姿變換矩陣Λ Pi= Δ Ri Δ Ti ；步驟208:得到 裝配件在i+Ι時(shí)刻的位姿Pi+1= Δ PiPio
全文摘要
本發(fā)明涉及一種力引導(dǎo)的虛擬裝配方法，步驟101開(kāi)始；步驟102完成前期裝配；步驟103使零件從所處的空間初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；步驟104實(shí)時(shí)對(duì)裝配件和基本件進(jìn)行碰撞檢測(cè)；步驟105判斷裝配件和基本件間是否碰撞；步驟106如果是，計(jì)算重力裝配力接觸力及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩和裝配轉(zhuǎn)矩Qi；步驟107如果否，計(jì)算重力裝配力及各項(xiàng)外力產(chǎn)生的力矩和裝配轉(zhuǎn)矩Qi；步驟108建立當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組；步驟109得到零件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；步驟110計(jì)算從i到i+1時(shí)刻裝配件的位移和轉(zhuǎn)角大?。徊襟E111計(jì)算位姿變換矩陣ΔPi；步驟112計(jì)算i+1時(shí)刻的位姿Pi+1；步驟113判斷i+1時(shí)刻的位姿Pi+1是否滿足裝配誤差；步驟114將i進(jìn)位加1；步驟115結(jié)束。它能準(zhǔn)確定位虛擬零件、模擬裝配件真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103246785SQ201310196158
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月21日
發(fā)明者邵曉東, 劉煥玲, 高巍, 葉雨桐 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)