航天产品虚拟装配工艺设计技术及其应用基础分析-virtual assembly process design technology of aerospace products and its application foundation analysis.docx

摘要航天产品结构复杂、零部件繁多，传统装配工艺设计需要建立大量物理模型以进行模装试 验才能确定设计，并且纸质装配工艺文件难以清晰描述复杂装配工艺，使得产品装配周期长、 成本高，无法满足企业敏捷制造的要求。虚拟装配技术为上述问题的解决提供了新的研究思路， 本课题以企业应用为背景，展开面向航天产品敏捷总体装配的虚拟装配工艺设计及其应用基础 研究，该项研究对于实现航天产品装配工艺的快速和低成本设计、提高企业的紧急动员生产能 力，具有重要的现实意义和应用价值。论文完成的主要工作及取得的成果如下：1. 设计了桌面式虚拟装配工艺设计系统的总体框架。 首先分析了虚拟装配工艺设计系统的功能需求，在此基础上阐明了桌面式虚拟装配工艺设计系统的研究内容和特点，将系统结构分为交互层、功能层、支持层和数据层，建立了完整的 系统层次体系结构，给出了系统的工作流程：数据预处理阶段、装配工艺设计阶段和工艺文件 输出应用阶段。2. 研究了面向航天产品的虚拟装配建模技术。 分析了航天产品虚拟装配模型的需求，对装配场景模型进行了分类，将装配场景模型分为刚性零件模型、电缆零件模型和其他模型，并分别给出了实体表达及信息描述方法，提出了包 括刚性零件和电缆零件的刚柔混合装配层次关联模型，并对模型的信息描述和数据结构表达进 行了详述。分析了装配模型在虚拟环境中的建立内容和流程，提出了零件模型信息的转换与存 储方法，最后给出了刚柔混合装配层次关联模型的建立流程。3. 研究了虚拟装配的交互辅助技术。 提出了虚拟环境下具有交互辅助功能的装配流程，提出了基于约束元素包围盒的装配意图捕捉算法及效率评估方法，根据约束元素的特征参数和配合类型，提出了基于位姿变换元素分 解的约束精确定位求解算法，将位姿变换分解为点到线上、点到面上和直线平行 3 种位姿变换 情况。并通过对零件自由度的求解和目标约束方向上的运动分量映射，提出了基于约束元素投 影的装配运动导航方法，上述方法可有效减少约束的误识别和漏识别现象，并保证虚拟环境下 零件的装配运动精度。研究了装配约束关系的动态解除方法和紧固件装配工具的操作及可达空 间验证方法。研究了基于质点弹簧系统的电缆零件装配方法及仿真流程，分析了电缆束质点弹 簧系统的动力学特性，使用 Verlet 积分法对质点弹簧动力学微分方程进行求解，并提出了弹簧 动态变形约束算法和电缆束的网格变形更新算法来增强仿真的真实性。4. 研究了面向虚拟装配工艺的顺序规划和路径规划方法。基于粒子群遗传算法，结合虚拟装配系统良好的交互性，提出一种人机协同的航天产品装 配顺序优化方法。使用优先约束关联矩阵来描述零件间的优先约束关系和关联关系，并研究了 粒子群遗传算法的基因组、染色体以及粒子的编码表达方法。综合考虑装配连续性、装配资源 的变动和仪器设备的影响，提出了有工程意义的适应度函数的表达式，根据优先约束关联模型 生成随机的可行初始装配序列，并利用粒子群算法重构遗传算法的交叉算子对装配顺序进行优 化。用一个实例表明该方法较常规遗传算法有较好的收敛性和稳定性。研究了面向虚拟装配工 艺的装配路径生成方法。提出了装配物料清单和装配动画的生成以及工艺文件数据的提取策略。5. 开发并实现了桌面式虚拟装配工艺设计原型系统。 原型系统由装配建模、虚拟装配仿真、装配顺序规划、装配工艺文档设计与示教四个模块组成，详述了各模块划分及模块间的数据流向，并介绍了原型系统的开发架构和开发环境。以 航天产品某部件的装配模型为例，对其在原型系统中的虚拟装配工艺规划工作流程进行了详细 说明，通过介绍各个模块的主要功能界面，验证了各个模块的功能，得到了初步应用。关键词：虚拟现实、虚拟装配、装配工艺设计、航天产品、敏捷制造、装配建模、交互辅助、 装配顺序规划AbstractTraditional assembly process planning for aerospace products requires plenty of physical mock-up trials to verify designs because of their complicated structures and large number of components. Meanwhile papery process files are difficult to express complex assembly process clearly. As is stated above, the problem leads to long assembly cycle and high cost, so traditional assembly process planning can’t satisfy the agile