基于Virtools的钻夹具虚拟装配的研究与开发-机械工程;机械电子工程专业论文.docxVIP

第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 当代科学技术飞速发展，人们为了适应未来信息化社会的需求，势必要提 高自身与信息社会的接口能力和其对信息的理解能力。人们不仅要求通过打印 输出在外部去观察信息处理的结果，还要求能通过人的视觉、听触觉以及形体、 手势或者口令等参与到信息处理的环境中去，从而获得身临其境的体验。而二 维的信息展示方式已经不能满足人们对信息获取的需要,三维的信息显示方式 已经成为今后信息展示的主流发展方向，它建立在一个定性与定量相结合，感 性认识与理性认识相结合的综合集成环境中。虚拟现实就是支承这个三维信息 空间的关键技术。虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)是利用电脑模拟产生一个 三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使 用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，基于 虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品说开发、产品维护以及操作培训方面具 有独特的作用[1]。 虚拟装配是虚拟现实技术在产品开发上的典型应用，在交互式虚拟装配环 境中，用户可以使用各类交互设备像在真实环境中一样对产品的零部件进行各 类装配操作。随着高等教育的改革，找到一种既具有先进性，又体现创新性的 手段。培养和提高学生的三维设计能力是目前的迫切任务。将三维技术应用到 机械类课程教学及实践性环节，建立三维模型，进行虚拟装配、三维动画演示 等，可以显著提高学生的学习兴趣，使学习者能直接、自然地与虚拟对象进行 交互，以各种形式参与事件的发展变化[2]，并获得最大的控制和操作整个环境 的自由度。这种呈现多维度信息的虚拟学习和培训环境，将为学习者掌握一门 新知识、新技能提供前所未有的新途径。因此，该项技术的发展可应用于虚拟 科学实验室、立体观念、生态教育、残疾朋友学习以及专业训练等诸多领域。 机电系统往往是由多个元件装配在一起的组合体，因而它们在设计过程中 有相似的原理和方法可循，如果能够在三维 CAD 软件中将系统的装配过程虚拟 演示出来，必将加快系统的设计。在各种机电系统中，机床夹具是在机床上用 以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有个正确的位置， 并在加工过程中保持这个位置不变。机床夹具在机械制造中占有重要的地位， 对保证产品加工质量，提高生产率，降低成本，扩大机床工艺范围，保证生产 安全，缩短产品周期等都有重要意义。而且，机床夹具的种类繁多，装配色彩 比较鲜明，设计过程中包含问题非常广泛，如果能解决夹具的虚拟装配问题， 则其他机电系统（如各种电气扎线布线系统）的虚拟装配问题也可触类旁通。 如将建好的夹具模型导入到 Virtools 软件中，按照一定的约束条件或连接方式， 将各零件组织成一个整体，便完成了一个完整机构的组装，轻松实现零件模型 的虚拟装配。对于缺少生产现场实践的操作环节，不了解整机的装配工艺，又 不具备完善的空间想象力的学生来说这确实是一种切实可行的设计模式，帮助 学生理解机械设计过程，提高学生的结构设计能力。 1.2 国内外研究动态 虚拟装配技术是虚拟现实技术在工程领域的一个全新的应用，还处于萌芽 阶段，与虚拟装配技术相关的一系列标准还没有完善，所以国内外的研究人员 都在不断的对虚拟装配技术进行理论探索。Virtools 是一个高效方便的实时三维 开发平台，具有开发方式方便灵活，功能强大，场景实时渲染效果美观，速度 快，能处理海量大场景三维模型数据等特点，是开发三维仿真系统的理想选择， 在国内外得到了较好的应用。 1. 国外发展现状 美国是虚拟现实技术的发源地，在 VR 领域的基础研究主要集中在感知、 用户界面、后台软件和硬件等方面。美国桑地亚的国家实验室开发了一个用于 生成、优化和检查装配工艺的交互式装配规划系统。它除了允许用户定义工艺 约束，自动生成装配工艺并判断是否满足约束条件外，还可以按照用户提供的 指标优化装配工艺。另外，德国发展也不示弱，其一工业工程其研究所 VR 实 验室较早地对基于 VR 技术的装配规划系统进行了研究与开发，德国大学人工 智能与虚拟现实实验室将 VR 技术与人工智能技术相结合，建立了一个基于构 造工具箱的概念虚拟装配系统。加拿大大学在虚拟装配中引入仿生智能，使用 仿生神经网络进行装配序列规划，最终生成机器人指令，并进行评价和优化。 2. 国内发展现状 在国内，虚拟装配的研究起步比较晚，而且虚拟装配技术所需硬件价格昂 贵，大多数研究机构都是在进行理论探索与研究。但近年来有关部门已将此技 术的研究列为重点攻关项目，许多科研机构和高校也积极投入到这一领域中。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟现实研究、最有权威的单 位之一，其虚拟现实与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境[3]，指出了 目前虚