時(shí)間：2023-03-28 15:05:00
序論：在您撰寫虛擬裝配技術(shù)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
【關(guān)鍵詞】Unity3D；HTML；腳本；交互；虛擬裝配
1、引言
Unity3D不只是單純的游戲引擎，而是已經(jīng)涉及到多種不同領(lǐng)域的一個(gè)跨平臺(tái)的三維游戲與虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，該工具支持多腳本語(yǔ)言以及強(qiáng)大的物理引擎等特點(diǎn)。論文通過(guò)研究Unity3D與HTML交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中對(duì)象的動(dòng)態(tài)交互行為，也就是控制各裝配體的裝配順序并實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、零件實(shí)時(shí)編輯等功能，從而使得整個(gè)裝配過(guò)程具有邏輯合理性和可控制性。
2、Unity3D與HTML交互機(jī)理
2.1 Unity3D瀏覽器調(diào)用HTML網(wǎng)頁(yè)中的函數(shù)
Unity3D瀏覽器通過(guò)執(zhí)行Application.ExternalCall（）來(lái)調(diào)用任何在HTML網(wǎng)頁(yè)里定義JavaScript函數(shù)，比如下面一句調(diào)用了HTML網(wǎng)頁(yè)里SayHello（）函數(shù)，并傳遞了一句話作為參數(shù)。
Application.ExternalCall（ "SayHello"， "The game says hello！" ）；
2.2 HTML網(wǎng)頁(yè)調(diào)用Unity3D瀏覽器中的腳本函數(shù)
Unity3D 瀏覽器的插件或ActiveX控件都有一個(gè)SendMessage（）的函數(shù)，HTML網(wǎng)頁(yè)通過(guò)這個(gè)函數(shù)與Unity3D進(jìn)行通信，通過(guò)該函數(shù)可以傳遞對(duì)象名、函數(shù)名以及簡(jiǎn)單參數(shù)，然后SendMessage（）就會(huì)調(diào)用Unity3D中GameObject上綁定的函數(shù)。在調(diào)用SendMessage（）函數(shù)之前，必須先得到Unity Web Player的引用。這里可以使用JavaScript 對(duì)象Document的getElementById（）函數(shù)來(lái)獲得該引用。
3、減速器虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)
3.1交互界面設(shè)計(jì)
交互式虛擬裝配的重點(diǎn)不僅在于產(chǎn)品虛擬裝配的過(guò)程，還在于它可以與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。系統(tǒng)界面分為兩部分：網(wǎng)頁(yè)中為利用HTML提供的控件加入按鈕、列表框、滾動(dòng)條、文本區(qū)、標(biāo)簽等；Unity3D瀏覽器中為利用Unity提供的GUI接口加入按鈕、窗口、標(biāo)簽等控件分別實(shí)現(xiàn)了減速器裝配體的自動(dòng)裝配、手動(dòng)裝配、原理演示、零件查看、零部件實(shí)時(shí)編輯等功能，充分實(shí)現(xiàn)用戶參與下的人機(jī)實(shí)時(shí)交互。
3.2碰撞檢測(cè)及裝配順序規(guī)劃
虛擬裝配是一個(gè)實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)，如用戶可以在虛擬場(chǎng)景中用鼠標(biāo)選取裝配體的零件進(jìn)行拆裝。Unity3D引擎本身提供了基本形體的碰撞器，通過(guò)PhysX物理引擎自動(dòng)檢測(cè)碰撞。根據(jù)Unity3D碰撞器提供的OnCollisionEnter方法，獲得相關(guān)碰撞信息，然后由它繼續(xù)調(diào)用其他處理過(guò)程（相對(duì)位置檢測(cè)、碰撞檢測(cè)等），實(shí)現(xiàn)手動(dòng)裝配過(guò)程。
虛擬裝配過(guò)程中零件拆裝順序的檢測(cè)也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，用戶選擇零件正確與否直接決定該零件是否進(jìn)行拆裝。系統(tǒng)為每一個(gè)零件定義一個(gè)唯一識(shí)別拆裝順序的順序號(hào)，當(dāng)用戶選擇某一零件后，調(diào)用相應(yīng)的拆裝順序檢測(cè)模塊進(jìn)行比較當(dāng)前選擇零件的順序號(hào)與系統(tǒng)預(yù)定的順序號(hào)是否一致決定拆裝是否進(jìn)行或者根據(jù)零件間的位置約束關(guān)系判斷某零件當(dāng)前是否可以移動(dòng)來(lái)決定拆裝是否進(jìn)行。
3.3 裝配體零件的任意移動(dòng)及實(shí)時(shí)編輯
在虛擬裝配中，用戶對(duì)場(chǎng)景中零件的選取及操作（位移、顏色等的實(shí)時(shí)修改）是交互性最充分的體現(xiàn)。當(dāng)用戶在虛擬場(chǎng)景中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或指向某一零件時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該做出響應(yīng)，如被指向或點(diǎn)擊的零件應(yīng)實(shí)時(shí)改變顏色或彈出對(duì)話框提示用戶等。Unity3D的GUI接口提供了各種控件可以非常方便的編輯一些按鈕、窗口等用戶界面，通過(guò)重寫鼠標(biāo)事件可以檢測(cè)用戶的各中輸入信息并作出正確的響應(yīng)。通過(guò)變換組件可以完成產(chǎn)品的平移和任意角度旋轉(zhuǎn)操作以及裝配體零件某一方向比例變換。
4、結(jié)論
本文對(duì)基于Unity3D的虛擬裝配相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了在用戶參與的人機(jī)界面下的虛擬裝配實(shí)例。對(duì)在虛擬裝配過(guò)程中零件的碰撞檢測(cè)、裝配順序規(guī)劃、零件選取及實(shí)時(shí)編輯等功能的實(shí)現(xiàn)提出了有效的方法，具有一定的參考價(jià)值。
【參考文獻(xiàn)】
[1]郭海新.Unity3D與HTML交互機(jī)理的研究[J].煤炭技術(shù)，2011（09）.
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用;裝配規(guī)劃;綜述;虛擬現(xiàn)實(shí);軟計(jì)算;協(xié)同裝配
裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過(guò)程。寫作畢業(yè)論文裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%～50%，裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問(wèn)題。裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下，得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝配方案的過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時(shí)間等內(nèi)容[1]~[3]。
較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式，工藝人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，通過(guò)分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系，必要時(shí)再和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經(jīng)濟(jì)性。
隨著計(jì)算機(jī)集成制造CIMS和并行工程CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面對(duì)裝配相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了計(jì)算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中其他環(huán)節(jié)的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時(shí)間以加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”兩方面的影響，80年代初，出現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技術(shù)的研究。到目前為止，CAAP經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了4種代表性的方法，按照出現(xiàn)的時(shí)間順序及方法的特點(diǎn)，筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。
1經(jīng)典裝配規(guī)劃方法
早期CAAP的研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃，以產(chǎn)品CAD裝配模型為基礎(chǔ)，寫作碩士論文一般采用幾何推理的方法，通過(guò)產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評(píng)價(jià)和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持，其過(guò)程通常如圖1所示。
1.1產(chǎn)品裝配建模
產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國(guó)學(xué)者Bourjauct提出了聯(lián)系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝配關(guān)系，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。關(guān)系模型[5]進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系，圖中包含3種實(shí)體類型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實(shí)體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級(jí)裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級(jí)子裝配體和零件的集合，以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。
矩陣比圖易于計(jì)算機(jī)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。Dini和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時(shí)相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài)，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數(shù)量，Huang[8]等把6個(gè)干涉矩陣合并為一個(gè)拆卸矩陣，集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。
1.2裝配序列推理和表達(dá)
基于聯(lián)系圖模型，Bourjauct采用人機(jī)交互“問(wèn)答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4]，寫作醫(yī)學(xué)論文隨后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進(jìn)一步較少了需要由用戶回答問(wèn)題的數(shù)量，然后通過(guò)對(duì)裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對(duì)聯(lián)接圖進(jìn)行循環(huán)分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR圖表達(dá)方法，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝配過(guò)程中的子裝配體或零件，超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因?yàn)椤案罴彼惴ǖ挠?jì)算復(fù)雜性為O(3N)(N為零件個(gè)數(shù))，因此，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問(wèn)題，這是難以讓人接受的。
1.3裝配序列評(píng)價(jià)和選擇
裝配序列的選擇對(duì)裝配線設(shè)計(jì)、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，寫作職稱論文而評(píng)價(jià)是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評(píng)價(jià)可分為定性和定量?jī)煞矫嬉蛩豙11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個(gè)裝配時(shí)間(包括子裝配體的操作時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間等)、整個(gè)裝配成本(包括勞動(dòng)成本、夾緊和加工成本)、產(chǎn)品在裝配中再定位的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機(jī)器人手爪的數(shù)目、工作臺(tái)的數(shù)目等。
更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見TexasA&M大學(xué)Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列，但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲(chǔ)、選優(yōu)帶來(lái)極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識(shí)，難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。
2虛擬裝配規(guī)劃方法
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人－機(jī)”協(xié)同工作提供了契機(jī)。虛擬裝配是指由操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來(lái)模擬裝配/拆卸過(guò)程，無(wú)需產(chǎn)品或支撐過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、先驗(yàn)?zāi)Ｐ?、可視化和?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來(lái)安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過(guò)程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，即人通過(guò)直覺/裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)決定產(chǎn)品的裝配過(guò)程，但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零件，也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素，而通過(guò)一定算法和規(guī)則實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能剛好彌補(bǔ)人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺(tái)等信息。圖2為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。
國(guó)外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)為代表，寫作英語(yǔ)論文通過(guò)建立一個(gè)裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的潛在技術(shù)可能性，為機(jī)械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證提供支持。在虛擬環(huán)境中，利用提取并導(dǎo)入的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引導(dǎo)裝配過(guò)程；通過(guò)引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進(jìn)行裝配建模，逼真地模擬真實(shí)裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運(yùn)用。
國(guó)內(nèi)管強(qiáng)等[18]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與面向裝配設(shè)計(jì)的理論相結(jié)合，建立了一個(gè)虛擬環(huán)境下的面
向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VirDFA）。萬(wàn)華根等[19]建立了一個(gè)具有多通道界面的虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)（VDVAS），通過(guò)直接三維操作和語(yǔ)音命令方便地對(duì)零件進(jìn)行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過(guò)程與歷史的虛擬設(shè)計(jì)與裝配環(huán)境（VIRDAS）中，張樹有等[20]通過(guò)識(shí)別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點(diǎn)出發(fā)，姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)3個(gè)層次上分階段地對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。田豐等[22]提出一個(gè)面向虛擬裝配的三維交互平臺(tái)（VAT），簡(jiǎn)化了虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造，便于應(yīng)用的快速生成。
應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開展裝配規(guī)劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身（如圖形的高速刷新）及其相關(guān)硬件技術(shù)（如力觸覺設(shè)備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。
3裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法
1994年，Zadeh教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了軟計(jì)算方法（softcomputing）[23]。軟計(jì)算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基礎(chǔ)，不追求問(wèn)題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問(wèn)題的近似解。為避免組合爆炸同時(shí)又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案，近來(lái)，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法得到廣泛關(guān)注。
3.1裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，寫作留學(xué)生論文單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出，神經(jīng)元之間的相互作用通過(guò)連接的權(quán)值體現(xiàn)，神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù)(通常稱網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù))對(duì)應(yīng)起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動(dòng)的過(guò)程就可視作優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則是優(yōu)化問(wèn)題的局部或全局最優(yōu)解。
Hong和Cho[24]用于機(jī)器人裝配順序優(yōu)化的Hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮裝配約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程，基于優(yōu)先約束推理和專家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力，計(jì)算結(jié)果顯示，該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝配順序，且常常只能得到一個(gè)局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練，而訓(xùn)練時(shí)要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對(duì)某種類型的產(chǎn)品，對(duì)其它類型的產(chǎn)品則不一定適用，該方法的應(yīng)用范圍窄。
3.2裝配規(guī)劃模擬退火算法
模擬退火算法源于固體退火思想，將一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題比擬成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量，將優(yōu)化求解過(guò)程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá)到最低能量狀態(tài)的退火過(guò)程，通過(guò)模擬固體的退火過(guò)程獲得優(yōu)化問(wèn)題的全局最優(yōu)解。
Saeid等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過(guò)程總裝配時(shí)間和重定向次數(shù)運(yùn)用多屬性應(yīng)用理論組合成單一目標(biāo)函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。Hong和Cho[26]將裝配約束和裝配過(guò)程的成本映射為裝配序列能量函數(shù)，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數(shù)擾動(dòng)地逐步減小，經(jīng)過(guò)多次迭代，直到能量函數(shù)不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應(yīng)用到一個(gè)電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運(yùn)算時(shí)間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過(guò)程避免陷入局部最優(yōu)，但模擬退火算法對(duì)整個(gè)搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過(guò)程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域，從而使得算法的運(yùn)算效率不高。
3.3裝配規(guī)劃遺傳算法
在眾多軟計(jì)算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。寫作工作總結(jié)遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，它將問(wèn)題的可能解組成種群，將每一個(gè)可能的解看作種群的個(gè)體，從一組隨機(jī)給定的初始種群開始，持續(xù)在整個(gè)種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評(píng)估策略即適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化，算法終止時(shí)得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問(wèn)題解。圖3為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。
裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點(diǎn)集中于設(shè)計(jì)裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過(guò)程信息、設(shè)計(jì)基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3段編碼，第1段表示參與裝配的零件編號(hào)，第2段表示零件的可行裝配方向，第3段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配，減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目；Guan等[28]采用基因團(tuán)編碼方式，一個(gè)基因團(tuán)表達(dá)一個(gè)零件的裝配操作，由被裝配零件號(hào)裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴(kuò)大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉和多層次變異實(shí)現(xiàn)裝配序列并行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計(jì)了復(fù)制、交叉、變異、剪貼和斷連5種遺傳算子尋找裝配序列優(yōu)化解。在Smith等[30]的增強(qiáng)型遺傳算法中，選擇下一代個(gè)體并不完全依靠適應(yīng)度，而是先把一定數(shù)量較優(yōu)的個(gè)體復(fù)制到下一代，將適應(yīng)度低但幾何可行的序列用于繼續(xù)產(chǎn)生序列，直到滿足下一代種群中序列個(gè)數(shù)的需求，從而使算法能跳出局部最優(yōu)點(diǎn)，在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。
理論上，找到全局最優(yōu)裝配序列要求參加演化計(jì)算的種群規(guī)模要足夠大，迭代次數(shù)要無(wú)限
多，但在計(jì)算資源和時(shí)間限制下是達(dá)不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規(guī)劃問(wèn)題的效率和結(jié)果依賴于初始種群規(guī)模及其質(zhì)量、遺傳算子及其操作概率等因素。
4協(xié)同裝配規(guī)劃方法
裝配體作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的載體，零部件可能由不同的企業(yè)設(shè)計(jì)，零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過(guò)程，因此需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作和決策以保證裝配質(zhì)量和降低裝配成本。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展縮短了異地人員在時(shí)間和空間上的距離，為實(shí)時(shí)的“人－機(jī)－人”協(xié)同裝配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison大學(xué)[31]提出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電子化裝配（e-Assembly），探討在Internet/Intranet上利用3D模型進(jìn)行協(xié)同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括3D交互可視化、協(xié)同裝配/拆卸/維護(hù)/回收等。目前已開發(fā)了Motive3D系統(tǒng)，利用Synthesizer模塊可以交互/自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配建模和規(guī)劃，Visualizer模塊為用戶在Web平臺(tái)上提供裝配序列規(guī)劃結(jié)果的可視化仿真，但缺少交互修改、調(diào)整功能。在ATS項(xiàng)目[32]實(shí)施中，為了向異地的開發(fā)人員展示裝配設(shè)計(jì)和裝配規(guī)劃結(jié)果，嘗試?yán)肰RML作為可視化工具，一方面供設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)瀏覽零部件設(shè)計(jì)，另外將裝配模型用文本編輯軟件進(jìn)行編輯，生成裝配序列的VRML仿真文件，供異地的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周，而且每次設(shè)計(jì)修改后都必須重新編輯；同時(shí)，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進(jìn)行交互修改。
Web環(huán)境下的協(xié)同裝配規(guī)劃方法[33]采用協(xié)同工作環(huán)境下的裝配建模、裝配規(guī)劃任務(wù)分配和裝配序列合成等技術(shù)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問(wèn)題的分解，即降低了單機(jī)規(guī)劃工作模式的復(fù)雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝配規(guī)劃方案的協(xié)同決策。面向協(xié)同廣義裝配[34]通過(guò)確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評(píng)價(jià)指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議，以VRML為產(chǎn)品模型載體實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識(shí)和規(guī)則的支撐下，支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實(shí)施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗(yàn)證零部件可裝配性，相關(guān)的裝配人員能夠協(xié)同討論裝配方案。Web環(huán)境下3D交互裝配可視化仿真結(jié)構(gòu)是一個(gè)符合開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35]，它基于VRML-Java實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測(cè)以及裝配過(guò)程的動(dòng)畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗(yàn)證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng)，不能支持多用戶的實(shí)時(shí)協(xié)同裝配工作。
5結(jié)論與展望
CAAP的研究在理論上取得了一定的成果，在工業(yè)界也得到了一定的應(yīng)用，但相對(duì)而言還很少，這說(shuō)明該技術(shù)距離工業(yè)實(shí)用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)密集型的工作，同時(shí)又與具體行業(yè)和產(chǎn)品有緊密的關(guān)系。經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優(yōu)勢(shì)，而軟計(jì)算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪：R(shí)融入規(guī)劃過(guò)程中，使得結(jié)果具有更好的工藝可行性，兩者的適當(dāng)結(jié)合將有利于模仿人類裝配專家的實(shí)際裝配規(guī)劃過(guò)程，從而得到合理的裝配方案。
跨地域、跨國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個(gè)需要協(xié)同工作和決策的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，建立基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配決策平臺(tái)和虛擬環(huán)境，支持異地多人員協(xié)同裝配方案決策將是新形勢(shì)下裝配規(guī)劃研究的新趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]蘇強(qiáng),林志航.計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1999,18(6):1006~1012.
[2]石淼,唐朔飛,李明樹.裝配序列規(guī)劃研究綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,1994,31(6):30~34.
[3]牛新文,丁漢,熊有倫.計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J].中國(guó)機(jī)械工程,2001,12(12):1440~1443.
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用; 裝配規(guī)劃; 綜述; 虛擬現(xiàn)實(shí); 軟計(jì)算; 協(xié)同裝配
裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過(guò)程。畢業(yè)論文 裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%～50%，裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問(wèn)題。裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下，得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝配方案的過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時(shí)間等內(nèi)容[1]~[3]。
較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式，工藝人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，通過(guò)分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系，必要時(shí)再和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經(jīng)濟(jì)性。
隨著計(jì)算機(jī)集成制造CIMS 和并行工程CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面對(duì)裝配相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了計(jì)算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中其他環(huán)節(jié)的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時(shí)間以加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”兩方面的影響，80 年代初，出現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技術(shù)的研究。到目前為止，CAAP 經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了4 種代表性的方法，按照出現(xiàn)的時(shí)間順序及方法的特點(diǎn)，筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。
1 經(jīng)典裝配規(guī)劃方法
早期CAAP 的研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃，以產(chǎn)品CAD 裝配模型為基礎(chǔ)，碩士論文 一般采用幾何推理的方法，通過(guò)產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評(píng)價(jià)和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持，其過(guò)程通常如圖1 所示。
1.1產(chǎn)品裝配建模
產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國(guó)學(xué)者Bourjauct 提出了聯(lián)系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝配關(guān)系，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。關(guān)系模型[5]進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系，圖中包含3 種實(shí)體類型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實(shí)體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級(jí)裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級(jí)子裝配體和零件的集合，以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。
矩陣比圖易于計(jì)算機(jī)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時(shí)相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài)，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數(shù)量，Huang[8]等把6個(gè)干涉矩陣合并為一個(gè)拆卸矩陣，集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。
1.2裝配序列推理和表達(dá)
基于聯(lián)系圖模型，Bourjauct 采用人機(jī)交互“問(wèn)答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4]，醫(yī)學(xué)論文 隨后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進(jìn)一步較少了需要由用戶回答問(wèn)題的數(shù)量，然后通過(guò)對(duì)裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對(duì)聯(lián)接圖進(jìn)行循環(huán)分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR 圖表達(dá)方法，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝配過(guò)程中的子裝配體或零件，超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因?yàn)椤案罴彼惴ǖ挠?jì)算復(fù)雜性為O(3N) (N為零件個(gè)數(shù))，因此，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問(wèn)題，這是難以讓人接受的。
1.3裝配序列評(píng)價(jià)和選擇
裝配序列的選擇對(duì)裝配線設(shè)計(jì)、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，職稱論文 而評(píng)價(jià)是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評(píng)價(jià)可分為定性和定量?jī)煞矫嬉蛩豙11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個(gè)裝配時(shí)間 (包括子裝配體的操作時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間等 )、整個(gè)裝配成本 (包括勞動(dòng)成本、夾緊和加工成本 )、產(chǎn)品在裝配中再定位的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機(jī)器人手爪的數(shù)目、工作臺(tái)的數(shù)目等。
更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見Texas A&M 大學(xué)Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列，但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲(chǔ)、選優(yōu)帶來(lái)極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識(shí)，難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。
2虛擬裝配規(guī)劃方法
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人－機(jī)”協(xié)同工作提供了契機(jī)。虛擬裝配是指由操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來(lái)模擬裝配/拆卸過(guò)程，無(wú)需產(chǎn)品或支撐過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、先驗(yàn)?zāi)Ｐ?、可視化和?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來(lái)安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過(guò)程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，即人通過(guò)直覺/裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)決定產(chǎn)品的裝配過(guò)程，但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零件，也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素，而通過(guò)一定算法和規(guī)則實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能剛好彌補(bǔ)人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺(tái)等信息。圖2 為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。
國(guó)外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)為代表，英語(yǔ)論文 通過(guò)建立一個(gè)裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的潛在技術(shù)可能性，為機(jī)械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證提供支持。在虛擬環(huán)境中，利用提取并導(dǎo)入的CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引導(dǎo)裝配過(guò)程；通過(guò)引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進(jìn)行裝配建模，逼真地模擬真實(shí)裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運(yùn)用。
國(guó)內(nèi)管強(qiáng)等[18]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與面向裝配設(shè)計(jì)的理論相結(jié)合，建立了一個(gè)虛擬環(huán)境下的面
向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VirDFA）。萬(wàn)華根等[19]建立了一個(gè)具有多通道界面的虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)（VDVAS），通過(guò)直接三維操作和語(yǔ)音命令方便地對(duì)零件進(jìn)行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過(guò)程與歷史的虛擬設(shè)計(jì)與裝配環(huán)境（VIRDAS）中，張樹有等[20]通過(guò)識(shí)別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點(diǎn)出發(fā)，姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)3 個(gè)層次上分階段地對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。田豐等[22]提出一個(gè)面向虛擬裝配的三維交互平臺(tái)（VAT），簡(jiǎn)化了虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造，便于應(yīng)用的快速生成。
應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開展裝配規(guī)劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身（如圖形的高速刷新）及其相關(guān)硬件技術(shù)（如力觸覺設(shè)備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。
3 裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法
1994 年，Zadeh 教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了軟計(jì)算方法（soft computing）[23]。軟計(jì)算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基礎(chǔ)，不追求問(wèn)題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問(wèn)題的近似解。為避免組合爆炸同時(shí)又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案，近來(lái)，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法得到廣泛關(guān)注。
3.1 裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，留學(xué)生論文 單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出，神經(jīng)元之間的相互作用通過(guò)連接的權(quán)值體現(xiàn)，神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù)(通常稱網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù))對(duì)應(yīng)起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動(dòng)的過(guò)程就可視作優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則是優(yōu)化問(wèn)題的局部或全局最優(yōu)解。
轉(zhuǎn)貼于 Hong 和Cho[24]用于機(jī)器人裝配順序優(yōu)化的Hopfiled 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮裝配約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程，基于優(yōu)先約束推理和專家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力，計(jì)算結(jié)果顯示，該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝配順序，且常常只能得到一個(gè)局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練，而訓(xùn)練時(shí)要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對(duì)某種類型的產(chǎn)品，對(duì)其它類型的產(chǎn)品則不一定適用，該方法的應(yīng)用范圍窄。
3.2 裝配規(guī)劃模擬退火算法
模擬退火算法源于固體退火思想，將一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題比擬成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量，將優(yōu)化求解過(guò)程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá)到最低能量狀態(tài)的退火過(guò)程，通過(guò)模擬固體的退火過(guò)程獲得優(yōu)化問(wèn)題的全局最優(yōu)解。
Saeid 等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過(guò)程總裝配時(shí)間和重定向次數(shù)運(yùn)用多屬性應(yīng)用理論組合成單一目標(biāo)函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。Hong 和Cho[26]將裝配約束和裝配過(guò)程的成本映射為裝配序列能量函數(shù)，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數(shù)擾動(dòng)地逐步減小，經(jīng)過(guò)多次迭代，直到能量函數(shù)不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應(yīng)用到一個(gè)電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運(yùn)算時(shí)間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過(guò)程避免陷入局部最優(yōu)，但模擬退火算法對(duì)整個(gè)搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過(guò)程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域，從而使得算法的運(yùn)算效率不高。
3.3 裝配規(guī)劃遺傳算法
在眾多軟計(jì)算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。工作總結(jié) 遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，它將問(wèn)題的可能解組成種群，將每一個(gè)可能的解看作種群的個(gè)體，從一組隨機(jī)給定的初始種群開始，持續(xù)在整個(gè)種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評(píng)估策略即適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化，算法終止時(shí)得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問(wèn)題解。圖3 為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。
裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點(diǎn)集中于設(shè)計(jì)裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過(guò)程信息、設(shè)計(jì)基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3 段編碼，第1 段表示參與裝配的零件編號(hào)，第2 段表示零件的可行裝配方向，第3 段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配，減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目；Guan 等[28]采用基因團(tuán)編碼方式，一個(gè)基因團(tuán)表達(dá)一個(gè)零件的裝配操作，由被裝配零件號(hào)裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴(kuò)大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉和多層次變異實(shí)現(xiàn)裝配序列并行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計(jì)了復(fù)制、交叉、變異、剪貼和斷連5 種遺傳算子尋找裝配序列優(yōu)化解。在Smith 等[30]的增強(qiáng)型遺傳算法中，選擇下一代個(gè)體并不完全依靠適應(yīng)度，而是先把一定數(shù)量較優(yōu)的個(gè)體復(fù)制到下一代，將適應(yīng)度低但幾何可行的序列用于繼續(xù)產(chǎn)生序列，直到滿足下一代種群中序列個(gè)數(shù)的需求，從而使算法能跳出局部最優(yōu)點(diǎn)，在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。
理論上，找到全局最優(yōu)裝配序列要求參加演化計(jì)算的種群規(guī)模要足夠大，迭代次數(shù)要無(wú)限
多，但在計(jì)算資源和時(shí)間限制下是達(dá)不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規(guī)劃問(wèn)題的效率和結(jié)果依賴于初始種群規(guī)模及其質(zhì)量、遺傳算子及其操作概率等因素。
4 協(xié)同裝配規(guī)劃方法
裝配體作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的載體，零部件可能由不同的企業(yè)設(shè)計(jì)，零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過(guò)程，因此需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作和決策以保證裝配質(zhì)量和降低裝配成本。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展縮短了異地人員在時(shí)間和空間上的距離，為實(shí)時(shí)的“人－機(jī)－人”協(xié)同裝配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison 大學(xué)[31]提出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電子化裝配（ e-Assembly ），探討在Internet/Intranet 上利用3D 模型進(jìn)行協(xié)同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括3D 交互可視化、協(xié)同裝配/拆卸/維護(hù)/回收等。目前已開發(fā)了Motive3D 系統(tǒng)，利用Synthesizer模塊可以交互/自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配建模和規(guī)劃，Visualizer 模塊為用戶在Web 平臺(tái)上提供裝配序列規(guī)劃結(jié)果的可視化仿真，但缺少交互修改、調(diào)整功能。在ATS 項(xiàng)目[32]實(shí)施中，為了向異地的開發(fā)人員展示裝配設(shè)計(jì)和裝配規(guī)劃結(jié)果，嘗試?yán)肰RML 作為可視化工具，一方面供設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)瀏覽零部件設(shè)計(jì)，另外將裝配模型用文本編輯軟件進(jìn)行編輯，生成裝配序列的VRML 仿真文件，供異地的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周，而且每次設(shè)計(jì)修改后都必須重新編輯；同時(shí)，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進(jìn)行交互修改。
Web 環(huán)境下的協(xié)同裝配規(guī)劃方法[33]采用協(xié)同工作環(huán)境下的裝配建模、裝配規(guī)劃任務(wù)分配和裝配序列合成等技術(shù)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問(wèn)題的分解，即降低了單機(jī)規(guī)劃工作模式的復(fù)雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝配規(guī)劃方案的協(xié)同決策。面向協(xié)同廣義裝配[34]通過(guò)確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評(píng)價(jià)指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議，以VRML 為產(chǎn)品模型載體實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識(shí)和規(guī)則的支撐下，支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實(shí)施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗(yàn)證零部件可裝配性，相關(guān)的裝配人員能夠協(xié)同討論裝配方案。Web 環(huán)境下3D 交互裝配可視化仿真結(jié)構(gòu)是一個(gè)符合開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35]，它基于VRML-Java 實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測(cè)以及裝配過(guò)程的動(dòng)畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗(yàn)證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng)，不能支持多用戶的實(shí)時(shí)協(xié)同裝配工作。
5 結(jié)論與展望
CAAP 的研究在理論上取得了一定的成果，在工業(yè)界也得到了一定的應(yīng)用，但相對(duì)而言還很少，這說(shuō)明該技術(shù)距離工業(yè)實(shí)用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)密集型的工作，同時(shí)又與具體行業(yè)和產(chǎn)品有緊密的關(guān)系。經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優(yōu)勢(shì)，而軟計(jì)算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪：R(shí)融入規(guī)劃過(guò)程中，使得結(jié)果具有更好的工藝可行性，兩者的適當(dāng)結(jié)合將有利于模仿人類裝配專家的實(shí)際裝配規(guī)劃過(guò)程，從而得到合理的裝配方案。
跨地域、跨國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個(gè)需要協(xié)同工作和決策的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，建立基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配決策平臺(tái)和虛擬環(huán)境，支持異地多人員協(xié)同裝配方案決策將是新形勢(shì)下裝配規(guī)劃研究的新趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】虛擬裝配技術(shù),汽車變速箱設(shè)計(jì),應(yīng)用技術(shù)
中圖分類號(hào)： S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：
一、前言
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激化，產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)成為了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展必要的手段。在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，我們要完善設(shè)計(jì)技術(shù)，降低產(chǎn)品的成本和生產(chǎn)周期。虛擬裝配技術(shù)就很好的滿足了這個(gè)要求。
二、虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究起步較早，在理論上的研究涉及面廣，且已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的Jyaaram等開發(fā)研制了一個(gè)稱為“虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境”(VADE)的虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用這個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)工作的初期便可考慮有關(guān)裝配和拆卸的問(wèn)題，從而避免了裝配設(shè)計(jì)方面的缺陷。在這個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員首先將在CAD系統(tǒng)建立的零件模型導(dǎo)入虛擬裝配系統(tǒng)，然后在虛擬裝配系統(tǒng)中直接操作虛擬零件進(jìn)行裝配，有關(guān)產(chǎn)品的可裝配性得到檢驗(yàn)，同時(shí)也獲得了許多有關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造工藝信息。Dewar等提出了虛擬環(huán)境中輔助進(jìn)行手工裝配的方法，該方法能夠自動(dòng)記錄操作人員在虛擬環(huán)境中對(duì)虛擬部件的裝配動(dòng)作，還能輔助操作人員自動(dòng)進(jìn)行裝配，并且詢問(wèn)操作人員裝配時(shí)的裝配方法，同時(shí)生成裝配規(guī)劃。
三、相關(guān)技術(shù)分析
虛擬裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：面向裝配的產(chǎn)品建模，裝配序列規(guī)劃策略，虛擬裝配仿真技術(shù)，可裝配性評(píng)價(jià)技術(shù)。
1.面向裝配的產(chǎn)品建模技術(shù)
產(chǎn)品裝配建模是虛擬裝配設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)在于如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)有效地表達(dá)裝配體內(nèi)在和外在的關(guān)系。模型的優(yōu)劣直接影響到設(shè)計(jì)系統(tǒng)后續(xù)工作的效率，故而建立一個(gè)集成度高、信息完善的裝配模型具有重要的意義。
2.裝配序列規(guī)劃策略
在機(jī)械產(chǎn)品裝配中，一組零件或子裝配體的裝配順序起著關(guān)鍵的作用。裝配同一產(chǎn)品可以用不同的裝配順序，這些不同的裝配順序形成了不同的裝配序列。按照某些裝配序列，可以較順利地組織裝配，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而有些裝配序列的采用，由于各種原因，卻不能達(dá)到指定的裝配目標(biāo)。裝配序列規(guī)劃就是在給定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的條件下，找出合理、可行的裝配序列，按照這樣的序列，可以達(dá)到指定的裝配目標(biāo)。
3.虛擬裝配仿真技術(shù)
采用虛擬裝配技術(shù)是為了在設(shè)計(jì)階段就驗(yàn)證零件之間的配合性和基于二叉樹結(jié)構(gòu)的裝配模型可裝配性，保證設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)預(yù)覽數(shù)字化產(chǎn)品，對(duì)規(guī)劃的裝配過(guò)程(裝配順序和裝配路徑)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品可裝配性做出評(píng)測(cè)，從裝配角度獲得反饋信息，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。因此，裝配仿真可以視為面向裝配設(shè)計(jì)的重要手段，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)分析方法的不足。
四、虛擬裝配工作內(nèi)容
1.虛擬裝配前期準(zhǔn)備
虛擬裝配工作涉及內(nèi)容較多, 范圍較廣, 因此前期準(zhǔn)備工作十分重要。首先要制定虛擬裝配的總體時(shí)間計(jì)劃, 時(shí)間計(jì)劃中要包含制造工程師對(duì)工序進(jìn)行調(diào)整和的時(shí)間、虛擬裝配工程師在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中建立工序結(jié)構(gòu)樹的時(shí)間、工程支持部門數(shù)據(jù)健康性檢查報(bào)告以及數(shù)據(jù)凍結(jié)及下載的時(shí)間、進(jìn)行虛擬裝配及生成報(bào)告的時(shí)間。
虛擬裝配對(duì)數(shù)據(jù)具有較高的要求: 數(shù)據(jù)要在正確的結(jié)構(gòu)樹中; 要生成正確完整的輕量化文件; 數(shù)據(jù)版本要進(jìn)行; 車輛要正確配置; 整車位置正確; 數(shù)據(jù)層次正確, 父級(jí)子級(jí)無(wú)重復(fù)零件, 左右件無(wú)重復(fù)特征。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的準(zhǔn)備工作, 對(duì)于新的項(xiàng)目要確定項(xiàng)目的車型組成, 按不同車型進(jìn)行分類整理并保存數(shù)模, 而對(duì)于改型車型, 就要重點(diǎn)確定項(xiàng)目的更改內(nèi)容, 然后保存更改之后的車型數(shù)模, 這樣就為虛擬裝配做好了數(shù)模的準(zhǔn)備。還要確定項(xiàng)目的組織結(jié)構(gòu), 確認(rèn)相關(guān)設(shè)計(jì)人員和專業(yè)虛擬裝配人員所應(yīng)承擔(dān)的職責(zé)和權(quán)限, 為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。最后, 在進(jìn)行整車的虛擬裝配工作之前要明確數(shù)據(jù)管理的重點(diǎn), 要以檢查前最新版本的零件清單為依據(jù), 明確當(dāng)前缺少數(shù)據(jù)模型的零件, 并保證所有零件都有相應(yīng)的工位信息,然后明確記錄數(shù)據(jù)版本, 利用實(shí)時(shí)數(shù)字樣機(jī)仿真與分析系統(tǒng)Vismockup的快照功能對(duì)數(shù)模信息進(jìn)行完整記錄。
五、虛擬裝配技術(shù)在汽車變速箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1.研究目標(biāo)
為了適應(yīng)現(xiàn)代化制造及并行設(shè)計(jì)的思想，我們嘗試把虛擬制造裝配應(yīng)用到汽車變速箱的設(shè)計(jì)中，通過(guò)研究，希望達(dá)到以下目標(biāo)：
（一）汽車變速箱實(shí)現(xiàn)面向裝配的設(shè)計(jì)，為下一步的開發(fā)研制提供實(shí)施方法及理論支持，實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高質(zhì)量。
（二）變速箱零件全部實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型。
（三）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享。
（四）實(shí)現(xiàn)自上而下的設(shè)計(jì)。
2.虛擬裝配技術(shù)在變速箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
汽車變速箱作為汽車的重要傳動(dòng)部件之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)汽車的性能。具體到變速箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用思想、方法、具體的實(shí)現(xiàn)途徑如下：
（一）在總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)變速箱的設(shè)計(jì)要求以及總體設(shè)計(jì)參數(shù)建立變速箱的主模型空間。首先根據(jù)汽車整個(gè)設(shè)計(jì)的需要，確定變速箱箱體尺寸和大致外形；根據(jù)變速要求，我們的設(shè)計(jì)采用的是三軸式變速器，包括主軸、移動(dòng)軸和中間軸；檔位為六檔，五個(gè)前進(jìn)檔，一個(gè)倒檔。
（二）在裝配設(shè)計(jì)階段，完成變速箱結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)零件形狀的基本設(shè)計(jì)，是變速箱設(shè)計(jì)的重要階段。首先我們要完成的是如何實(shí)現(xiàn)變速器的功能要求，也就是如何實(shí)現(xiàn)其變速，接下來(lái)要進(jìn)行的是確定裝配基準(zhǔn)、裝配層次、裝配約束。以變速器的后箱體的內(nèi)表面為裝配基準(zhǔn)，分為以下幾個(gè)裝配區(qū)域：前蓋子裝配體，后蓋子裝配體，操縱蓋子裝配體。每一個(gè)子裝配體又由下一級(jí)的子裝配體和零件組成，主要是按照零部件間的設(shè)計(jì)邏輯依附關(guān)系來(lái)確定模型的父子關(guān)系，這樣一步一步設(shè)計(jì)出變速器所有零部件模型的設(shè)計(jì)。
（三）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段中，在保證所有零件的干涉自由和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)，完善變速箱所有零件的設(shè)計(jì)工作。
六、虛擬裝配技術(shù)存在的不足及發(fā)展趨勢(shì)
1.擬實(shí)化程度將越來(lái)越高
從其自身來(lái)講，虛擬裝配有著不可逾越的優(yōu)越性，然而，它在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功程度卻要取決于它對(duì)真實(shí)世界模擬的逼真程度。擬實(shí)化涉及虛擬裝配最根本的兩個(gè)方面，也就是虛擬產(chǎn)品模型和虛擬裝配仿真過(guò)程。目前數(shù)字化模型的虛擬裝配過(guò)程尚不能完全取代物理模型的裝配過(guò)程，這就限制了其應(yīng)用范圍。隨著工業(yè)界應(yīng)用要求的提高以及基于物理屬性建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多模式人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，虛擬裝配擬實(shí)化程度必將越來(lái)越高，在可預(yù)見的將來(lái)完全有可能取代物理實(shí)物的試裝配過(guò)程，從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并節(jié)約開發(fā)成本。
2.實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化
縱觀工業(yè)領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，大都有一個(gè)從非標(biāo)準(zhǔn)化到標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展過(guò)程，這一過(guò)程同樣適用于虛擬裝配技術(shù)。當(dāng)前虛擬裝配涉及的技術(shù)和表達(dá)方式都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這是其發(fā)展?fàn)顩r所決定的一個(gè)必經(jīng)階段。隨著在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的逐步展開，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，必將影響虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而阻礙其發(fā)展，因此，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化是虛擬裝配技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
七、結(jié)語(yǔ)
面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，虛擬裝配在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要的作用。在虛擬裝配的應(yīng)用中，我們要改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行合理的裝配。只有這樣，在以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中虛擬裝配技術(shù)才會(huì)有更好的發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn)
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論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí),分層裝配,運(yùn)動(dòng)仿真,Quest3D
虛擬裝配作為虛擬制造技術(shù)[1-3]的重要組成部分，近年來(lái)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對(duì)敏捷制造、虛擬制造等先進(jìn)制造模式的實(shí)施具有深遠(yuǎn)影響。利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)裝配中的問(wèn)題。而通過(guò)虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，可模擬產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)精度的準(zhǔn)確度。通過(guò)反饋信息可對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過(guò)可視化顯示裝配運(yùn)動(dòng)過(guò)程。運(yùn)用該技術(shù)不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬裝配改善傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主、裝配滯后于加工設(shè)計(jì)的弊端。本文提出基于Quest3D的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法，依據(jù)零件的裝配分層關(guān)系實(shí)現(xiàn)序列拆裝，并給出虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和案例。
1 分層序列裝配模型
由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)零部件之間都有嚴(yán)格的裝配關(guān)系[4-5]，無(wú)論是拆還是裝都需要按照設(shè)計(jì)的裝配結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)按照其真實(shí)的裝配標(biāo)準(zhǔn)按層次劃分或分解為不同級(jí)別的能夠進(jìn)行獨(dú)立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產(chǎn)品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機(jī)器五個(gè)等級(jí)的裝配體，裝配時(shí)，按照上述等級(jí)依次分解，上一級(jí)包含下一級(jí)子裝配體，下一級(jí)子裝配體又包含更下一級(jí)子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級(jí)裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點(diǎn)在于更清晰表達(dá)產(chǎn)品中零部件之間的層次關(guān)系，并可以用子裝配體表達(dá)一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，可減少裝配分析的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解過(guò)程。圖1 為分層序列裝配示意。
幾點(diǎn)說(shuō)明：
（1）在裝配模型設(shè)計(jì)中，每一層裝配體都會(huì)存在基準(zhǔn)件，按照裝配工藝要求將基準(zhǔn)件設(shè)為該層序列的第一個(gè)裝配體，以保證滿足裝配標(biāo)準(zhǔn)和裝配精度；
（2）裝配單元的劃分依據(jù)具體機(jī)械產(chǎn)品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時(shí)，該類零件則視為部件級(jí)零件，可以直接在相應(yīng)層中進(jìn)行裝配順序排序。
2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個(gè)區(qū)，即場(chǎng)景區(qū)和功能區(qū)。場(chǎng)景區(qū)包括攝像機(jī)控制、3D模型導(dǎo)入和顯示、環(huán)境設(shè)置。其中，攝像機(jī)控制是根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)模型及場(chǎng)景的瀏覽漫游功能如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等；3D模型導(dǎo)入和顯示則是基于原始模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和表示，每個(gè)零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設(shè)置包括場(chǎng)景布置、燈光設(shè)置以及UI設(shè)計(jì)。功能區(qū)由五個(gè)功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊。如圖2所示。
2.2 模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)化及場(chǎng)景設(shè)置
通過(guò)UG NX三維建模，生成原始數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Deep Exploration軟件將prt文件模型進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換為dae文件，中學(xué)英語(yǔ)論文然后導(dǎo)入到Quest3D中。Quest3D可對(duì)導(dǎo)入所有數(shù)字內(nèi)容的進(jìn)行設(shè)置和編制。由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個(gè)可裝配的零部件，需要通過(guò)程序定義其在場(chǎng)景中的世界坐標(biāo)及彼此位置關(guān)系，用3D render場(chǎng)景模塊把它們組合在一起并顯示。
為了能更好控制每個(gè)零部件裝配運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個(gè)可裝配零部件的運(yùn)動(dòng)屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數(shù)Damping value，將其與運(yùn)動(dòng)方向建立聯(lián)系。在拆或裝時(shí)候，阻尼參數(shù)發(fā)揮作用，Damping 值增加時(shí)，阻尼增大，零件裝配運(yùn)動(dòng)減慢，反之亦然。
場(chǎng)景設(shè)置主要包括光照、攝影機(jī)設(shè)置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點(diǎn)光源從攝像機(jī)的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強(qiáng)用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機(jī)是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對(duì)空間視窗的對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機(jī)（Object Inspection Camera）作為場(chǎng)景的交互窗口，通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數(shù)，設(shè)定攝像機(jī)的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標(biāo)就可以對(duì)三維場(chǎng)景中所有物體進(jìn)行瀏覽操作。圖4為三維模型導(dǎo)入效果圖中，（a）為一個(gè)二級(jí)減速器，（b）為車床主軸箱。
2.3 裝配及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
Quest3D中的三維模型中各個(gè)裝配體依據(jù)裝配單元建立層級(jí)鏈表，即確定拆裝過(guò)程的序列。每個(gè)裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉(zhuǎn)）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據(jù)裝配序列依次對(duì)裝配體的各個(gè)矩陣中參數(shù)的進(jìn)行改變?cè)O(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)裝配體的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到零部件裝配效果。
虛擬裝配過(guò)程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動(dòng)拆裝方式。整體拆裝是對(duì)整個(gè)模型一次性實(shí)現(xiàn)拆分和裝配過(guò)程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進(jìn)行拆裝；模擬手動(dòng)拆裝則是通過(guò)建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實(shí)拆裝過(guò)程。無(wú)論以何種方式進(jìn)行裝配，拆裝模塊作為獨(dú)立模塊可進(jìn)行重復(fù)調(diào)用，表1為拆裝模塊中相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示。
系統(tǒng)的UI模塊是用戶實(shí)現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機(jī)械產(chǎn)品可根據(jù)其復(fù)雜程度和操作方便性、人性化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可用三維鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，同時(shí)設(shè)置菜單、按鈕、復(fù)選框等控件進(jìn)行裝配過(guò)程的選擇、設(shè)置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級(jí)變速虛擬傳動(dòng)示意圖。
3 結(jié)論
本文提出了分層裝配思想應(yīng)用Quest3D 引擎開發(fā)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機(jī)械產(chǎn)品模型，通過(guò)建立虛擬場(chǎng)景、UI功能模型有效達(dá)到了用戶對(duì)于產(chǎn)品的交互操作，其虛擬裝配過(guò)程和運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)于企業(yè)設(shè)計(jì)制造及高校實(shí)踐教學(xué)提供了較好的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。
【參考文獻(xiàn)】
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關(guān)鍵詞：虛擬裝配；虛擬裝配環(huán)境；虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)18-4420-03
Survey and Analysis of Virtual Assembly
YU Hai-xia, WANG Jia-qi
(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)
Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.
Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system
1 概述
虛擬裝配是近些年來(lái)被廣泛研究的新興技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，也是虛擬制造技術(shù)研究的重要方向之一。它從產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配的角度出發(fā)，綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等，建立一個(gè)具有聽覺、視覺、觸覺的多模式虛擬環(huán)境，設(shè)計(jì)者可在虛擬環(huán)境中交互式地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配操作和規(guī)劃、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的裝配性能，并制定合理的裝配方案。
虛擬裝配技術(shù)可以降低復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)，提高裝配質(zhì)量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、工程機(jī)械、教育等領(lǐng)域。
2 虛擬裝配的研究概況
1995年，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院聯(lián)合，最早開始了對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究，并開發(fā)了虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境VADE（Virtual Assembly Design Environment）。VADE在裝配領(lǐng)域的成功應(yīng)用，引發(fā)了各個(gè)國(guó)家的高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)虛擬裝配的研究。20世紀(jì)90年代末，國(guó)內(nèi)也開始對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行研究，已經(jīng)取得許多研究成果。虛擬裝配技術(shù)的研究大致可分為三個(gè)階段：虛擬裝配理論的提出和完善階段，虛擬裝配原型系統(tǒng)的研發(fā)階段，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用研究階段。目前，國(guó)外已經(jīng)開始了第三階段的研究應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也開始由第二階段向第三階段過(guò)渡。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和目的不同，可以將虛擬裝配分為四種類型[1]。
1）以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配。
2）以裝配工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配。
3）以制造系統(tǒng)規(guī)劃為中心的虛擬裝配。
4）以虛擬原型為中心的虛擬裝配。
3 虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容
虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容主要有：虛擬環(huán)境的研究、虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究和虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的研究[2]。
3.1 虛擬環(huán)境的研究
虛擬環(huán)境是虛擬裝配的前提，良好的虛擬環(huán)境能使虛擬裝配與實(shí)際裝配過(guò)程更接近，為生產(chǎn)實(shí)踐提供更可靠的指導(dǎo)。傳統(tǒng)的虛擬環(huán)境可分為四種。
1）桌面式系統(tǒng)
桌面式系統(tǒng)使用普通計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三維虛擬場(chǎng)景，用戶通過(guò)顯示器觀看虛擬場(chǎng)景，需要佩戴立體眼鏡才可以看到三維立體圖像。這種場(chǎng)景系統(tǒng)造價(jià)低、簡(jiǎn)單方便，不足之處是沉浸感差。
2）頭盔式系統(tǒng)
頭盔式系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶與外界環(huán)境分隔開來(lái)，從而使用戶真正成為系統(tǒng)的一個(gè)參與者，沉浸感比較強(qiáng)。但頭盔式顯示器存在約束感較強(qiáng)，分辨率偏低等問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間易引起疲勞。
3）CAVE系統(tǒng)
CAVE系統(tǒng)的主體是一個(gè)房間，房間的周圍均由大屏幕組成，高分辨率的投影儀將圖像投影到這些屏幕上，用戶通過(guò)立體眼鏡便能看到立體圖像。CAVE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大視角、全景、立體且支持多人共享的一個(gè)虛擬環(huán)境，但其造價(jià)太高，參與者被限制在一個(gè)有限的小空間內(nèi)，不能大距離行走。
4）大屏幕投影系統(tǒng)
將多臺(tái)投影儀拼接起來(lái)形成一個(gè)邏輯上統(tǒng)一的大屏幕，實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨率的顯示，優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生大視角、高亮度和高分辨率的立體圖像，可使多人沉浸場(chǎng)景之中，具有很強(qiáng)的沉浸感。缺點(diǎn)是成本高，技術(shù)難度大，許多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。
以上各種虛擬環(huán)境都存在一個(gè)共同的問(wèn)題是，操作者被限制在一個(gè)有限的空間內(nèi)，行動(dòng)上受到很大的限制，而現(xiàn)實(shí)中，尤其是大型產(chǎn)品的裝配中，操作產(chǎn)品并不能移動(dòng)，往往要求操作人員要有足夠的活動(dòng)空間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，很多研究機(jī)構(gòu)提出一些新型的虛擬裝配環(huán)境，如英國(guó)Warwick大學(xué)研制的Cybersphere系統(tǒng)[3]。Cybersphere系統(tǒng)采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉(zhuǎn)的支架上，操作者處于球體內(nèi)部，可以自由行走。計(jì)算機(jī)根據(jù)操作者的肢體動(dòng)作產(chǎn)生不斷變化的圖像，并通過(guò)投影系統(tǒng)顯示在球體表面，操作者通過(guò)立體眼鏡看到立體圖像。這種方式實(shí)現(xiàn)了操作者在虛擬環(huán)境中的自由行走。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)也設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)操作者自由行走的新型虛擬裝配環(huán)境系統(tǒng)[3]，如圖1所示，該系統(tǒng)也采用球形幕作為顯示裝置，操作者在一個(gè)專門設(shè)計(jì)的全方位反行走機(jī)構(gòu)上做直線行走或者轉(zhuǎn)向。操作者頭部、手部與雙腳分別裝有3-D位置跟蹤器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收到的3-D位置跟蹤器信號(hào)，控制全方位反行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并生成不斷變化的三維圖像，通過(guò)投影系統(tǒng)顯示到球形幕上。操作者通過(guò)佩戴立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套與虛擬環(huán)境交互從而生成沉浸感較強(qiáng)的虛擬環(huán)境，為大型復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)、規(guī)劃和訓(xùn)練提供高逼真度的仿真平臺(tái)。
3.2 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究
虛擬裝配涉及到的關(guān)鍵技術(shù)很多，各種技術(shù)的研究情況及應(yīng)用情況如表1所示。本文只對(duì)其中幾個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。
1）裝配建模技術(shù)
目前，虛擬裝配中零部件模型的建立和虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)主要還是基于CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這種虛擬裝配系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，零件和裝配體的建模、裝配仿真可在一個(gè)系統(tǒng)下進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，但真實(shí)感和可靠性受到限制，主要用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段。
基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)，需要將CAD零部件模型及其相關(guān)信息轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入到虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)交互操作。目前已經(jīng)取得一定的研究成果，美國(guó)的VADE從Pro/Engineer系統(tǒng)中提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹信息、裝配約束信息以及零部件幾何信息，實(shí)現(xiàn)CAD系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)了基于CAD緊密連接的虛擬裝配環(huán)境；哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了從SolidWorks、Pro/Engineer系統(tǒng)到虛擬裝配系統(tǒng)的輸入。
2）約束定位技術(shù)
由于虛擬環(huán)境缺乏現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的各種物理約束和感知能力，虛擬裝配過(guò)程中零件之間主要依靠幾何約束進(jìn)行精確定位。華盛頓州立大學(xué)的S.Jayaram等[4]首先提出約束定位的思想，通過(guò)零部件受約束運(yùn)動(dòng)以及約束求解，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程中待裝配零件的精確定位。英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法來(lái)解決虛擬環(huán)境中零部件的精確定位。英國(guó)Salford大學(xué)虛擬環(huán)境中心的Fernando等[6]研究了基于幾何約束的零件精確定位和三維操作，開發(fā)了幾何約束管理器，用來(lái)支持虛擬環(huán)境下裝配和維修任務(wù)。浙江大學(xué)劉振宇、譚建榮等[7]在語(yǔ)義識(shí)別的基礎(chǔ)上，提出了基于語(yǔ)義引導(dǎo)的幾何約束識(shí)別方法，通過(guò)語(yǔ)義和約束識(shí)別來(lái)捕捉虛擬裝配過(guò)程中用戶的操作意圖，從而提高了約束識(shí)別速度和準(zhǔn)確性。
3）工藝規(guī)劃技術(shù)
設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)在虛擬環(huán)境中人機(jī)交互式對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行試裝，規(guī)劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，最終得到經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用的裝配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虛擬環(huán)境中交互式裝配序列規(guī)劃的方法。浙江大學(xué)的萬(wàn)華根等人[9]在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)中提出用戶引導(dǎo)的拆卸方法，基于“可拆即可裝”的原理，將拆卸順序和拆卸路徑進(jìn)行反演，即可得到產(chǎn)品的裝配順序和裝配路徑。
3.3 虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的研究
從1995年美國(guó)州立大學(xué)研制出第一個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)VADE起，世界各國(guó)陸續(xù)研制出了多種典型的虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)，分別應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。本文只對(duì)幾個(gè)典型的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。
1）CHDP(Cable Harness Design and Planning)系統(tǒng)
CHDP系統(tǒng)是英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)在2002年開發(fā)出來(lái)的。它是在早期開發(fā)的虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基礎(chǔ)上提出的，主要針對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的管路和線纜裝配的難題。該系統(tǒng)充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中可以充分發(fā)揮已有的裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)行快速、直觀地布線。
2）V-REALISM系統(tǒng)
V-REALISM[11]系統(tǒng)是新加坡南洋理工大學(xué)2003年開發(fā)的基于CAD的桌面式虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可用于虛擬裝配、拆卸與維修。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)了可視化、交互性和自由導(dǎo)航三個(gè)特點(diǎn)；系統(tǒng)包括三個(gè)基本功能：提供優(yōu)化的裝配/拆卸序列；提供三維虛擬環(huán)境進(jìn)行操作和導(dǎo)航；將智能裝配/拆卸序列規(guī)劃算法和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成到一起。
3）基于虛擬原型的裝配驗(yàn)證環(huán)境VPAVE
2003年，美國(guó)紐約州立大學(xué)開發(fā)了基于虛擬原型的裝配驗(yàn)證環(huán)境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，零部件在加工過(guò)程會(huì)引起變形或受機(jī)床刀具與夾具的磨損，引起零件最后的尺寸和形狀誤差。而在傳統(tǒng)的面向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，很少考慮到零件的尺寸誤差，導(dǎo)致最后加工出來(lái)的零件裝配不上或裝配性能不能滿足要求。VPAVE系統(tǒng)就是基于上述不足而提出的。VPAVE系統(tǒng)中采用虛擬原型，通過(guò)提取實(shí)際加工過(guò)程影響參數(shù)，建立對(duì)裝配零件形狀精度和尺寸精度的影響模型，利用有限元軟件分析零件的受力、變形及殘余應(yīng)力情況，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行可裝配性分析和評(píng)價(jià)。
4）PAA系統(tǒng)。
2005年，意大利Bologna大學(xué)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了基于CAD的裝配規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA實(shí)現(xiàn)了CAD裝配系統(tǒng)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間集成，從而提高工程設(shè)計(jì)模型和真實(shí)物理模型之間的集成。PAA系統(tǒng)利用CAD工具來(lái)有效提高對(duì)象識(shí)別能力，生成優(yōu)化裝配序列和產(chǎn)生裝配操作指令；另一方面，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配評(píng)價(jià)工具允許裝配設(shè)計(jì)人員和裝配操作人員之間的直接交互，指導(dǎo)操作人員的裝配。
4 存在問(wèn)題
虛擬裝配在設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外研究也取得了很大的進(jìn)展。但總體上看，虛擬裝配技術(shù)目前仍存在許多欠缺，一些關(guān)鍵技術(shù)還需要亟待解決。
1）缺乏規(guī)范化的共享開發(fā)平臺(tái)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。虛擬裝配系統(tǒng)還不能接受CAD系統(tǒng)的模型信息，實(shí)現(xiàn)與主流CAD系統(tǒng)的無(wú)縫集成。目前各的虛擬裝配系統(tǒng)，都是根據(jù)本單位的情況來(lái)定制CAD接口，實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)的提取和表達(dá)、信息的存儲(chǔ)和管理等方面沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
2）建模能力弱。目前的虛擬裝配系統(tǒng)都以理想的零件模型為基礎(chǔ)，沒(méi)有考慮具體的加工和裝配環(huán)境對(duì)零件形狀精度和尺寸誤差的影響，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的零件裝配不上或裝配性能不滿足要求。
3）交互操作可靠性和靈活性差。由于基于碰撞檢測(cè)的交互操作是一個(gè)多輸入、大計(jì)算量的過(guò)程，輸入系統(tǒng)的靈敏性、碰撞檢測(cè)的計(jì)算效率等因素都影響交互操作的可靠性。
4）功能過(guò)于單一。虛擬裝配系統(tǒng)除了工藝規(guī)劃和裝配過(guò)程仿真外，許多輔助功能還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)，如裝配力變形分析、工裝夾具的設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)、裝配人員工效分析等功能。
5）開放性和集成能力弱。由于虛擬裝配系統(tǒng)開發(fā)的方法、環(huán)境差別較大，與其他系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)交換的能力弱，制約了虛擬裝配系統(tǒng)的開發(fā)及與現(xiàn)有其他系統(tǒng)的集成。
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關(guān)鍵詞 Pro/E 機(jī)械系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)臺(tái) 虛擬設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，機(jī)械領(lǐng)域的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是利用三維設(shè)計(jì)軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對(duì)機(jī)械裝置的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真分析。它是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本的目的。
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)融鏈傳動(dòng)、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、直齒圓錐齒輪傳動(dòng)、平面連桿傳動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)以及齒輪齒條傳動(dòng)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)以學(xué)生最為熟悉的課堂作為展示機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，可以起到趣味性教學(xué)的目的，增加學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)課程的興趣。敞開式的場(chǎng)景，在不用拆開演示臺(tái)的前提下就可以讓學(xué)生清楚地觀察到內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程，操作簡(jiǎn)單、比較實(shí)用。多個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)集中在一個(gè)場(chǎng)景展示，可以使學(xué)生系統(tǒng)性地認(rèn)識(shí)不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程，有助于學(xué)生對(duì)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行區(qū)別。
本文基于Pro/E平臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，完成多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各零件的三維建模設(shè)計(jì)，虛擬樣機(jī)裝配干涉檢查、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，在仿真中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，避免實(shí)際制造中出現(xiàn)問(wèn)題，從而使實(shí)驗(yàn)臺(tái)一次性制造成功。
1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)典型零件齒輪的三維建模
通常，在Pro/E中每個(gè)零件的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程步驟基本相同，如下：（1）依據(jù)各個(gè)零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，選擇建模的方法。（3）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行草繪，然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征操作，以完成零件的三維設(shè)計(jì)。（4）在已建零件模型上進(jìn)行輔助特征設(shè)計(jì)，完成零件三維設(shè)計(jì)，然后保存。
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)有多個(gè)不同類型的零件，三維設(shè)計(jì)的過(guò)程步驟基本相同，本論文只簡(jiǎn)單闡述典型零件齒輪的三維設(shè)計(jì)過(guò)程步驟。
直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結(jié)構(gòu)特征組成，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)直圓柱齒輪的三維參數(shù)化模型。主要操作步驟如下：
（1）創(chuàng)建齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：
在Pro/E軟件的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)置界面中，輸入齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)及相應(yīng)的初始值，模數(shù)m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數(shù)z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準(zhǔn)曲線，后繪制四個(gè)尺寸任意的同心圓。
（3）調(diào)出Pro/E中各參數(shù)之間關(guān)系設(shè)置的對(duì)話框，在其中輸入標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的關(guān)系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
圖1 齒輪參數(shù)對(duì)話框
圖2 齒輪關(guān)系對(duì)話框
（4） 系統(tǒng)進(jìn)入三維實(shí)體模式，單擊【編輯】頡駒偕模型】工具，自動(dòng)生成滿足一定關(guān)系式的齒輪參照?qǐng)A。
（5）單擊特征工具欄中的【基準(zhǔn)曲線】工具，彈出的【曲線選項(xiàng)】菜單，單擊【從方程】―【完成】命令，在工作區(qū)選取系統(tǒng)默認(rèn)的坐標(biāo)系，單擊對(duì)話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設(shè)置坐標(biāo)系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標(biāo)系，輸入形成齒輪漸開線的參數(shù)化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】―【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開線。
（6）創(chuàng)建鏡像漸開線特征。選取已繪制的齒輪漸開線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準(zhǔn)平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。
（7）先進(jìn)入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創(chuàng)建成齒輪基本實(shí)體。
（8）創(chuàng)建第一個(gè)齒槽特征。先進(jìn)入草繪平面，再根據(jù)漸開線以及齒輪參照?qǐng)A草繪出齒廓外形，然后對(duì)其進(jìn)行拉伸切除，完成齒槽的創(chuàng)建。
（9）創(chuàng)建齒槽陣列特征。創(chuàng)建齒輪槽，選擇軟件征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項(xiàng)，輸入陣列個(gè)數(shù)56個(gè)，角度為360?？樿计殷的齿聨?？
（10）拉伸切除創(chuàng)建成齒輪軸孔。
（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)
2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)的虛擬裝配
一般說(shuō)，機(jī)械裝置的虛擬裝配是利用三維設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)中，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與裝配。多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)部分。虛擬樣機(jī)在裝配時(shí)，首先把這5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)組件進(jìn)行虛擬裝配，然后把這5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配成整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
2.1 學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由電動(dòng)機(jī)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、連桿限位變形機(jī)構(gòu)，以及固定構(gòu)件課桌、課椅以及電機(jī)支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機(jī)架上，小手臂與機(jī)架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過(guò)活動(dòng)鉸鏈鏈接。電機(jī)通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)五連桿限位變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成學(xué)生起立和坐下的動(dòng)作。
圖4 學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.2 教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
教師運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu);齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu);螺距6mm，單頭絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu);限位開關(guān)、限位板以及講臺(tái)等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給絲桿，絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成螺母的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺母上的銷軸帶動(dòng)放置在螺母上的尺寸做直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教師木偶人的移動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)教師旋轉(zhuǎn)90度面向?qū)W生的動(dòng)作。
圖5 教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.3 時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);齒數(shù)為35的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu);每級(jí)大齒輪齒數(shù)45，小齒輪齒數(shù)13，模數(shù)1.5的二級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)機(jī)架、鐘罩和紅外位置探測(cè)器等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿把運(yùn)動(dòng)傳遞給二級(jí)直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級(jí)圓柱齒輪的小齒輪帶動(dòng)分針轉(zhuǎn)動(dòng)，第二級(jí)圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動(dòng)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.4 教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)桿、限位開關(guān)、電機(jī)機(jī)架等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中雙曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄通過(guò)連桿，帶動(dòng)教室門在導(dǎo)軌上進(jìn)行來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教室門的開關(guān)。
圖6 時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
圖7 教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.5 投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī)，錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，虛擬裝配如圖8所示。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)大圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)小圓錐齒輪帶動(dòng)幕布上下運(yùn)動(dòng)。
圖8 投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.6 多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的主體裝配主要是學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的裝配。虛擬樣在裝配時(shí)，為方便整個(gè)樣機(jī)的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個(gè)相關(guān)零件組裝成組件，然后再把相關(guān)組件裝配在一起構(gòu)建試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。
圖9 多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配圖
3 結(jié)束語(yǔ)
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)物理樣機(jī)所需的人力及時(shí)間，可以達(dá)到降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的。
基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校2014年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：201411654009）、武漢商學(xué)院2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目序號(hào)：7）、武漢商學(xué)院2014年度教學(xué)研究項(xiàng)目《基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學(xué)研究―以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例》（項(xiàng)目編號(hào)：2014Y013）的階段性研究成果
參考文獻(xiàn)
[1] 陳定方.羅亞波.虛擬設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：108-111.
