基于EON studio的馬鈴薯覆膜機(jī)的虛擬裝配技術(shù)研究*

陶 燚，賀成柱，金建國(guó)，賈曉鋒

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730030)

基于EON studio的馬鈴薯覆膜機(jī)的虛擬裝配技術(shù)研究*

陶 燚，賀成柱，金建國(guó)，賈曉鋒

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730030)

通過計(jì)算機(jī)仿真，將之前只有在物理樣機(jī)試驗(yàn)階段才能得到的數(shù)據(jù)通過虛擬仿真獲得，以縮短設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)所需的高額費(fèi)用?；贓ON studio對(duì)馬鈴薯覆膜機(jī)的裝配仿真，對(duì)其裝配層次表達(dá)方法，裝配序列和路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究，以達(dá)到對(duì)裝配工藝優(yōu)化的目的。

計(jì)算機(jī)仿真；VR；虛擬仿真；裝配序列；路徑規(guī)劃

1 引 言

馬鈴薯覆膜機(jī)是一種集播種，施肥，起隆，覆膜為一體的農(nóng)業(yè)機(jī)械，適合各種土壤。在平原、丘陵、大中小地塊使用的較多。馬鈴薯覆膜機(jī)的裝配是產(chǎn)品制造的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)過程中對(duì)于產(chǎn)品的裝配性檢查和評(píng)價(jià)往往是通過產(chǎn)品實(shí)物模型來實(shí)現(xiàn)的，需要花費(fèi)較多的開發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本，不利于提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。目前較先進(jìn)的虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新方法，應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即快速地檢查產(chǎn)品的裝配性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而提高產(chǎn)品開發(fā)效率。因此，在馬鈴薯覆膜機(jī)物理樣機(jī)未制造之前，就其裝配層次、裝配序列、裝配路徑等可裝配性進(jìn)行了研究。而能實(shí)現(xiàn)馬鈴薯覆膜機(jī)虛擬裝配的軟件有Quest3D，EON Studio等，其中EON studio是一種可讓使用者快速簡(jiǎn)單的將生產(chǎn)研發(fā)與行銷整合的3D模擬互動(dòng)工具。以3D動(dòng)態(tài)的方式與CAD結(jié)合后，進(jìn)行生產(chǎn)模擬、組裝分解功能操作模擬、彌補(bǔ)CAD檔案在Internet上的檔案過大而無法即時(shí)傳輸且無法即時(shí)操控所模擬的產(chǎn)品功能。

2 馬鈴薯覆膜機(jī)層次結(jié)構(gòu)規(guī)劃

建立合理的產(chǎn)品裝配模型是進(jìn)行裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，典型的裝配模型包括圖結(jié)構(gòu)模型、層次模型、關(guān)系型模型等。一般來說，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)具有層次性，產(chǎn)品通常由若干功能部件和零件裝配而成，部件還可以向下拆分，直至不可拆分的零件為止。由若干零部件組成的裝配單元稱為裝配體。不同層次零件的裝配存在先后順序約束，下層零件的裝配優(yōu)先于上層零件的裝配，不同子裝配體的零件可以并行裝配。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的層次特性隱含了部分裝配順序信息，因此，采用產(chǎn)品層次樹結(jié)構(gòu)模型，更能夠體現(xiàn)問題的本質(zhì)，有利于裝配問題的分析和求解。具體的裝配模型層次結(jié)構(gòu)樹狀圖如圖1所示。與之相對(duì)應(yīng)的馬鈴薯覆膜機(jī)的層次結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖2所示。

圖1 裝配模型層次結(jié)構(gòu)樹狀圖

其中播種系統(tǒng)，帶動(dòng)鏈條播種種子和施肥；動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，傳遞動(dòng)力帶動(dòng)起隆系統(tǒng)；起隆系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)隆起土堆；被動(dòng)輪系，支撐和在牽引作用下帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)作，同時(shí)帶動(dòng)播種系統(tǒng)。

在EON studio中，為了使得仿真流暢，在總裝和部裝之間的轉(zhuǎn)換利用Change channel節(jié)點(diǎn)，以減少一次性內(nèi)存載入的數(shù)據(jù)量過大，使仿真運(yùn)行流暢。

圖2 馬鈴薯覆膜機(jī)的層次結(jié)構(gòu)規(guī)劃圖

3 馬鈴薯覆膜機(jī)的裝配序列規(guī)劃

裝配序列規(guī)劃是產(chǎn)品裝配規(guī)劃的重要環(huán)節(jié),其優(yōu)劣將直接關(guān)系到產(chǎn)品的可裝配性、裝配質(zhì)量和裝配成本。對(duì)于復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品來說,裝配過程的時(shí)間和成本大約占整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間和成本的40%左右。

裝配序列規(guī)劃主要研究裝配序列的生成與幾何可行性分析。具體的研究思路如圖3流程圖所示。

圖3 裝配流程圖

具體的方法有以下幾種：基于裝配優(yōu)先約束關(guān)系的裝配序列生成方法(優(yōu)先約束滿足法)、基于組件識(shí)別的裝配序列求解方法、拆卸法求解裝配序列的方法、基于知識(shí)(經(jīng)驗(yàn))的求解方法、基于矩陣算法的方法、人工干預(yù)的裝配序列規(guī)劃法。本文采用了拆卸法求解裝配序列的方法和人工干預(yù)的裝配序列規(guī)劃法相結(jié)合進(jìn)行裝配序列規(guī)劃。

4 馬鈴薯覆膜機(jī)的路徑規(guī)劃

裝配路徑規(guī)劃為給定的零部件尋找合理可行的裝配路徑。馬鈴薯覆膜機(jī)的裝配路徑規(guī)劃要以避免碰撞、滿足裝配及維修訓(xùn)練需要、提高裝配精度和減少裝配時(shí)間等內(nèi)容為主要目的。裝配路徑規(guī)劃方法主要有以下5種：方向多面錐方法、位姿空間方法、人工勢(shì)場(chǎng)法、單元分解法、遺傳算法 。具體到馬鈴薯的裝配路徑規(guī)劃，采用位姿空間法比較方便。馬鈴薯覆膜機(jī)虛擬裝配主要是用戶在虛擬環(huán)境中拆卸、安裝零部件，以及在裝配過程中評(píng)估和優(yōu)化的過程，因此裝配評(píng)估和優(yōu)化是整個(gè)虛擬仿真過程的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)馬鈴薯覆膜機(jī)各組件間的約束關(guān)系對(duì)拆卸、裝配路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，可以保證其裝配和拆卸互為可逆過程。裝配模型主要表現(xiàn)零部件之間的相互關(guān)系信息，可以利用面向?qū)ο蟮姆椒▉砻枋鏊?/p>

根據(jù)零件的拆卸特征建立零件類，具體的拆卸零件就是零件類的對(duì)象，零件對(duì)象中幾何信息和各種物理信息都是該零件類的屬性。通過調(diào)用零件對(duì)象的各種方法來獲取零件信息，可以為拆卸規(guī)劃等后繼功能模塊提供信息支持。通過推理和分解子拆卸體生成所有可行的裝配序列，最后在虛擬環(huán)境下進(jìn)行拆卸、裝配，評(píng)估在此過程中的優(yōu)劣，以此達(dá)到優(yōu)化裝配工藝。

在EON studio中，采用Key frame節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行裝配路徑的規(guī)劃設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)應(yīng)用此節(jié)點(diǎn)主要針對(duì)物理的六自由度進(jìn)行位置路徑的設(shè)置。具體的邏輯圖和路徑設(shè)置如圖4所示。

通過Record path元件對(duì)優(yōu)化的裝配路徑進(jìn)行記錄，通過多次比較和系統(tǒng)及設(shè)計(jì)人員的評(píng)估，選擇最優(yōu)路徑，以對(duì)裝配工藝進(jìn)行指導(dǎo)。記錄數(shù)據(jù)如表5所示。

圖4 Key frame裝配路徑

通過表1可以看出，裝配零件在初始位置到目標(biāo)位置過程中的裝配過程，具體的表現(xiàn)在其空間六自由度的變化情況。同時(shí)可以表現(xiàn)出零件的可裝配性。

表1 路徑記錄表

5 馬鈴薯覆膜機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)構(gòu)成

通過以上研究，開發(fā)了馬鈴薯虛擬裝配系統(tǒng)，如圖5所示，有部件與部件間、部件與零件間、零件與零件間的裝配，同時(shí)可以從各個(gè)角度觀察零部件的裝配情況，而且針對(duì)裝配序列和裝配路徑進(jìn)行了研究，具體以類似裝配流程工藝的形式展現(xiàn)出來。

圖5 虛擬裝配系統(tǒng)

6 總 結(jié)

針對(duì)馬鈴薯覆膜機(jī)裝配工藝規(guī)劃相關(guān)問題進(jìn)行研究，就裝配層級(jí)結(jié)構(gòu)、裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)分析，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配及拆卸，為用戶提供直觀的裝配過程圖形仿真，同時(shí)通過細(xì)化的干涉檢驗(yàn)以及路徑的調(diào)整與完善，達(dá)到系統(tǒng)的評(píng)估及優(yōu)化的目的，形成最終的裝配路徑與裝配工藝。

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Research on Virtual Assembly for Potato Laminating Machine Based on EON Studio

TAO Yi ,HE Cheng-zhu, JIN Jian-guo，JIA Xiao-feng

(GansuAcademyofMechanicalSciences,LanzhouGansu730030,China)

Through computer virtal simulation to get the data that can only get from the testing stage of physical prototype before，which can shorten the design cycle and reduce the high costs of the test. Based on the assembly simulation of potato EON studio on potato laminating machine，the assembly-level expression, assembly sequence and path planning study are all researched in order to achieve the optimization of the assembly process.

computer simulation；VR；virtual simulation； assembly sequence；path planning

2013-11-20

十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家科技部項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAD20B01).

陶 燚(1983-),男,甘肅慶陽人,工程師，主要從事虛擬樣機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)的研究。

TP391.9

A

1007-4414(2014)01-0093-03