虚拟维修拆卸过程规划与仿真

华中科技大学硕士学位论文虚拟维修拆卸过程规划与仿真姓名：李小俊申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：王峻峰;李世其2011-01-15I华中科技大学硕士学位论文摘要采用虚拟现实技术可以提升维修训练的水平，解决传统维修培训手段落后的情况。论文通过对虚拟维修拆卸过程规划与仿真系统的关键技术的研究，构建了虚拟维修拆卸过程规划与仿真的原型系统，为虚拟维修训练和仿真提供辅助平台。针对虚拟维修场景的构建问题，给出了虚拟维修场景开发的两种策略，针对CAD系统与VR现实系统的不完全兼容问题，研究了模型的转换技术和模型优化技术。在分析国内外学者对拆卸序列规划的研究上，研究了基于零件约束关系的Petri网拆卸序列规划，对模型特性进行了分析和验证，用获得的拆卸序列建立拆卸序列数据链表，存储零件的信息。在拆卸序列规划的基础上，研究了在EON环境下的拆卸路径规划问题，为了保证拆卸过程的有效性，实时进行碰撞检测，记录拆卸路径关键点，将路径关键点的信息赋给拆卸序列数据链表，为拆卸过程的仿真提供支持，研究了虚拟维修系统的场景和对象的交互控制问题，设计了TPO视点变化函数，根据维修对象的拆卸行为建立视点变化模型，设计了拆卸对象六自由度运动交互控制方法。昀后，对上述各种技术研究之后，利用虚拟现实开发平台EONStudio5.0和VC++6.0高级编程语言及Script脚本在WindowsXP系统上对原型系统进行了初步开发，这个原型系统可以完成虚拟维修拆卸的典型技术环节，像模型的加载，拆卸路径规划，拆卸过程仿真等。关键词：虚拟维修；场景构建；拆卸规划；过程仿真；II华中科技大学硕士学位论文AbstractVirtualrealitytechnologycanincreasethelevelofmaintenancetrainingtosolvethecurrentlaggardsituation.Inthethesisthekeytechnologiesarestudiesforvirtualmaintenancedisassemblyprocessplanningandsimulationsystem.Aprototypesystemisbuiltfortoprovidesupportingplatformforvirtualmaintenancetrainingandsimulation.Fortheproblemofthesceneconstructionforthevirtualmaintenance,twostrategiesaregivedinthethesisforvirtualmaintenancescenedevelopment.TothenotfullycompatibleoftheCADsystemandtheVRsystem,modeltransformationandmodeloptimizationarestudiedinthethesis.Petrinetdisassemblysequenceplanningisstudiedbasedonconstraintsbetweencomponents.Adatalistofdisassemblysequenceisestablishedwiththemodelcharacteristics.DisassemblypathplanningisbasedonEON.Inordertoensurethefeasibilityofdisassemblyprocess,real-timecollisiondetectionandkeypointsrecordofthepathareperformedinthedisassemblyprocess.Theinformationofthepathkeypointsisassignedtodisassemblysequencedatalistandusedtosupportdisassemblyprocesssimulation.Theinteractioncontrolofscenariosandvirtualmaintenanceobjectinavirtualmaintenancesystemarealsostudied,suchasdesigningthefunctionabouttheviewchangesofTPOanddesigningtheinteractcontroloftheobjectbysixdegreesoffreedom.ApreliminaryprototypeisdevelopedbyusingthevirtualrealitydevelopmentplatformEONStudio5.0,VCandScriptprogramminglanguageundertheWindowsXPsystem.ThisSystemcanimplementsomerepresentativefunctionofVirtualmaintenancedisassemblysuchasmodelloading,disassemblypathplanning,anddisassemblyprocesssimulationandsoon.Keywords：Virtualmaintenance;sceneconstruction;disassemblyplan;processsimulation;独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。1华中科技大学硕士学位论文1绪论在国防和公共安全需求下，航空、航天及复杂设备的技术要求越来越高，军品的竞争也越来越激烈，有些设备的研发周期长、研制成本高且质量难以保证，并且有些设备是在恶劣的环境下工作的，这就对设备的可靠性和维修性要求更高，为此，虚拟维修技术已成为国防高科技发展的关键技术之一，成为设计、生产、维护大型复杂国防武器装备的重要工具，虚拟维修广泛应用于航天、航空及武器装备等领域，随着虚拟现实技术的发展，维修已经从传统的手工维修发展到以虚拟现实技术为基础的“实地”“实时”的维修环境，它能对设备的操作训练、设备的技术保障训练等提供先进的模拟与实验，我国的复杂设备在设计与制造上都已取得重要的成绩，虚拟现实软硬件技术也迅速得到发展，但在维修性领域，特别是在虚拟维修领域发展滞后，虚拟现实技术是提高维修训练手段的一种有效的方法，虚拟现实技术在维修性设计、维修保障、维修训练等方面带来了巨大的军事效益及经济效益。本文对虚拟维修训练与仿真系统中的虚拟维修场景实现、虚拟维修拆卸规划、虚拟维修拆卸过程中的碰撞检测和虚拟维修拆卸仿真等技术进行了研究。1.1课题研究的背景与意义虚拟维修是虚拟技术近年来的一个重要研究方向，是采用计算机仿真和虚拟现实技术在计算机上真实展现设备的维修过程，增强设备寿命周期各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修性设计分析、维修性演示验证、维修过程核查、维修训练实施等，是以维修训练为研究对象，在计算机技术和虚拟现实技术的基础上，是在包含了维修对象、维修工具、维修人员和维修环境的虚拟维修场景中，为维修训练建立一个“真实”的仿真环境。虚拟维修是在维修过程中能进行人机交互的仿真，虽然不是真实存在的维修，但事实上能够达到真实维修的效果。所以，虚拟维修技术可理解为：通过模拟实际的维修过程来研究设备维修过程中的本质问题。利用虚拟维修与仿真平台，在虚拟环境下构建和真实环境一样的维修环境，并进行实时的人机交互操作，使受训者在虚拟的环境下进行维修训练。训练的时效性：在没有物理样机或者物理样机还没有完全制造出来之前，就可以开展实战的训练工作，将虚拟2华中科技大学硕士学位论文维修技术应用在维修训练方面可以进行提前训练突破了以往对训练时间的限制；训练的仿真性：在虚拟现实技术的支持下，训练更加的灵活与真实，虚拟培训通过这样具有真实感的训练，达到了培训维修人员的目的；训练的开放性：虚拟训练不受时空的限制，具有极强的复制性；训练的超时空性：虚拟训练具有超时空的特性，它能将过去世界，现在的世界，未来的世界，宏观世界、微观世界，主、客观世界中的事物、事件等随时给训练人员进行培训。总之，对设备虚拟维修训练与仿真系统的研究，即可以减少培训费用，又可以提高受训人员的科技素质，维修训练突破了时空的限制。在虚拟环境下对设备进行拆卸规划与仿真，改变了传统的培训模式，提高维修人员进行虚拟维修的效率，利用计算机产生逼真的样机模型，加入实时的人机交互性操作，使虚拟维修系统具有友好的操作界面，使维修人员能快速地掌握设备维修知识，模拟设备维修过程，这些研究对推动虚拟维修技术的发展及虚拟维修技术在训练方面的应用很有意义的。本文通过对虚拟维修拆卸过程规划与仿真原型系统的初步开发，可以进一步探讨拆卸序列规划，拆卸路径规划及人与计算机的交互方式，在拆卸过程中碰撞检测算法的改进上，虚拟维修场景的实现上，设备拆卸信息的建模上进行研究。1.2国内外研究概况虚拟维修技术的发展源于航天军事的需求，虚拟维修系统具有高可靠性、不受空间和场地的限制、可多次使用且成本较低，故不仅应用在军事领域，也广泛应用于工业、建筑、教育等领域，虚拟维修在维修训练、维修性设计及保障性设计方面得到广泛应用。1992年，英国的ARRL（先进机器人研究实验室）利用虚拟维修技术在较低的成本下对罗尔斯-罗伊斯公司的飞机发动机进行故障检测和维修程序学习，该项目也是虚拟维修训练在维修训练方面应用的一个典范[1]，1995年，洛克希德马丁战斗机系统（LMTAS）利用虚拟维修技术对CAD模型进行维修性分析和人因工程分析、验证与评估，在较短的时间内以较低的成本对虚拟样机模型进行设计与分析，淘汰原有的金属模型，极大的改善了维修性设计的手段[2]。利用数字样机技术来确定维修过程中的内容，维修仿真分析的结果成为交互式虚拟维修训练的资料，减少了大量重复性工作。新加坡南洋理工大学开发了基于桌面式的V-REALISM虚拟维修培训系统[3]。同发达国家相比，我国虚拟维修技术还存在一定的差距，虽然我国虚拟维修起步晚，但紧跟国际新技术，目前发展迅速。我国一些重点高校和研究所等也深入地对虚拟维修3华中科技大学硕士学位论文进行了研究。在虚拟维修技术综述方面：清华大学工业工程系的杨宇航[4]、李志忠、郑力对虚拟维修研究进行了综述，刘佳[5]、刘毅分析从狭义和广义两方面研究了虚拟维修技术的特点、研究内容及关键技术指出了虚拟维修技术存在的问题及未来发展趋势；在虚拟维修性设计、分析、验证与评估方面：航空航天大学的马麟[6]用Petri网对虚拟维修过程模型进行研究，万华根[7]、高曙明、彭群生研究了一个集成的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS）,采用交互式拆装得到装配的顺序和路径，刘诚[8]、付宜利研究了沉浸式虚拟维修仿真系统及其实现，实现了维修样机的任务仿真，进行障碍和拆卸时间的分析，林萌[9]、张荣华等研究了基于虚拟维修仿真的维修性分析系统设计与实现；在虚拟维修训练方面：杨彩云[10]、朱文革等对注塑机虚拟维修系统进行了研究，苏群星[11]、刘鹏远对大型复杂装备虚拟维修训练系统进行设计，该系统由虚拟样机和虚拟维修过程仿真两部分组成，研究了