1、虚拟维修中虚拟装拆的实现中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 虚拟维修中部件拆卸在一定程度上可看成是虚拟装配的逆过程。用户通过虚拟现实交互方法对产品装配模型进行拆卸，可以直观地检查拆卸过程中的干涉，确定产品的拆卸顺序与拆卸路径，基于“装拆可逆”的假定，确定产品的装配序列与装配路径。 目前，虚拟拆卸技术的研究主要围绕确定产品的拆卸顺序与拆卸路径问题展开，Srinivasan 等1针对选择性拆卸问题（即仅对装配体中的部分零件进行拆卸） ，提出采用波传播方法自动确定零件拆卸的顺序，并开发了基于虚拟现实的拆卸分析原型系统 A3D 。Siddique 等2采用交互和自动相结合的方法进行虚拟环
2、境中产品的可拆卸性分析，首先通过自动推理的方法确定产品的部分拆卸序列，然后在设计者的交互参与下生成产品的完全拆卸序列。 本文讨论将 UG 中的装配模型转入虚拟环境中进行拆卸过程仿真，得到拆卸顺序和拆卸路径，然后在用户的交互参与下生成产品的完全拆卸与装配序列2。 1 装拆模型的信息 1.1 零件信息 模型由各个零、部件构成，首先要确定零件信息。零件信息包括零件所具有特定形状并且对应特定功能意义的零件局部形状在整体上的布局，在工程设计及加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面光洁度，材料类型、强度、延展性、热导性，有关的工程分析等。各方面的信息有机地结合在一起，构成了零件信息模型。 1.2 装配关系信
3、息 装配体是一组相互关系的零件的集合，描述一个完整的装配体模型，除各个零件的信息外，还需要确定装配中零件的装配关系。零件的装配关系如表 1 所示。 装配关系又分连接关系、接触关系等。这些信息对产品的拆卸过程有很大的影响，根据不同的装配关系，可以用关联类型对零件间的相互关系进行定义，即直接关联关系、间接关联关系和自由关系。其中，直接关联关系指两零件间存在物理接触关系。间接关系指当其中某一零件沿某一方向移动时，两零件相互间有干涉。自由关系则指两零件实体间没有物理接触关系，且当其中的一个零件沿某一方向移动时，另一零件对其不产生干涉。 1.3 拆卸信息3 在零部件进行装配时，会有一个装配方向，从这个信
4、息可以得到一个与装配方向相反的拆卸方向，再根据零部件之间的配合约束特征几何元素和拆卸方向矢量，通过平移或者平移再旋转绝对坐标系，从而可以构造出一个 3 维坐标系，再确定坐标系的正轴方向。 提取得到的零部件相关的配合类型，可推出零部件的拆卸方向集合。如果零部件有多个配合约束关系，则零部件的拆卸方向是这多个配合约束关系所确定的拆卸方向集合的交集。 拆卸某个零件时，该零件与其它零件之间的约束信息，主要包括空间几何约束信息、工具夹约束等。由于拆卸某个零件的过程中，在空间上可能受到 6 个方向上的阻碍，即 3 个移动方向和 3 个转动方向的阻碍。这些阻碍直接决定了该零件拆卸的几何可行性，可以采用制约矩阵
5、来拆卸约束来进行描述。 拆卸信息的描述方法主要有以下几种方式： 1. 基于图形的表示方式 用节点表示零件(节点信息包含产品零部件属性)，联接弧表示零部件间的拓扑关系(如装配信息等)，常用的如有向图、无向图及网络图等。2. 是基于与或图的表示方法，这种表示方法通常假定产品或部件的拆卸顺序已由产品的结构决定，比如说：低一级的结点不能被拆卸，除非它的上级结点己经被拆卸，这种方法简单、直观、易于理解。 3. 基于关系数据库的方法 即采用关系数据库存储实体及其关系，与图形表示方式结合起来构成的产品信息模型能够对产品进行完整的描述。这样模块化的设计不仅有利于后续的工作，也有利于系统的维护和改善。 4. 面
6、向对象的方法 这样可使实体表达具有继承性和封装性，实体的层次分为若干类及相关属性，如物理属性、几何属性、特征属性等，拆卸方法由对象的类型确定。 2 装配序列规划 2.1 基于图形的拆卸信息表达3,4 装配体中的零件可同时与多个零件发生装配关系，而装配模型中只记录零件两两之间的装配关系。为了更完整地表达装配体中所有的零件的联接关系，一个装配体可以表示成一个图结构。 装配联接关系图可表示为 G=(V,D),图由一个顶点集合和在这些节点之间建立联接的边集合组成。顶点为一些抽象的对象，而边则表示了这些对象之间的某种抽象联系。按照图的边是否有方向，图又以分为有向图(图中的边是有方向的)和无向图(图中的边
7、是没有方向的)。在无向图中,如果两个项点之间有路径，则称两个顶点是连通的，如果图中每对顶点之间都有路径，则图被称为连通图。 一件产品以图的形式来表示，称为部件联接图,如图 1 所示，其边和结点的含义如下： 结点代表零件，是产品的一个组成部分；边代表零件间的一组装配关系。 在部件联接图中， ，n 为零件数目， ，m 为边的数目，如果两个零件之间存在联接，则。 部件联接图是装配序列规划的最基本的信息，它有如下重要特征： 1. 零部件联接图是无向联接图。 2. 如果装配体设计正确，则有且只有唯一的部件联接图能够表达装配体中零件之间的联接关系。 通常我们为了简化部件联接图，可以将一些零件组合成子部件，
8、同时也可以省去产品的一些联接件如螺栓、铆钉、键等。显然，部件联接图是一个无向连通图。对于如图 2(a)所示减速箱轴组件可以用部件联接图 2(b)表示。 部件联接图是一种简单图，只能描述部件之间的联接关系。通常来说顶点的信息有：零件的名称、重量、材料类型、零件的结构深度等，边包括联接方式、紧固件数量、零部件之间的位置约束等，在拆卸分析时还包括拆卸的时间或者是拆卸费用等。这些数据一部分来自 CAD 设计的产品装配图，如节点和边的名称、材料类型、紧固件类型及数量、零件的重量尺寸等，另一部分来自所建立的计算函数如拆卸时间、拆卸费用等。 部件联接图的邻接矩阵是部件联接图很重要的一组信息，部件联接图的邻接
9、矩阵被定义为： 1,如果零件与零件存在联接； = 0,零件与零件没有联接； 0,当时。 由于部件联接图是一个无向图，所以其连接矩阵为对称矩阵， 即 由图 2(b)，得到轴组件的邻接矩阵： 2.2 拆卸序列生成 产品的结构通常来说都是繁杂，为了减少其复杂程度，可以将产品拆分成几个子部件，拆卸过程中作为一个部件被整体拆卸，子部件还可以被进一步分解为更简单的子部件，直至零件。 1、根据机电产品的结构特征，可以把子部件分为三类： Type 1有一个核心零件，其余的零件或子部件直接的或者间接的与其装配在一起。上一节图中减速箱轴组件就属于这一类型，轴是一个核心零件，其余零件如轴承、齿轮和键都直接或间接地与
10、轴相连。 Type 2没有一个核心零件，所有零件都与其它零件相连。 Type 3类型 1 与类型 2 的综合。 2、根据上述不同类型子部件的特征，可得出可拆卸判断规则如下： Rule 1：如果存在类型 1 子部件，则该子部件可以被进一步拆卸成子部件或者零件。 Rule 2：如果存在类型 2 子部件，则该子部件只能被进一步拆卸成零件。 Rule 3：如果存在类型 3 子部件，则该子部件可以被进一步拆卸成零件。 为了简化拆卸就要寻找部件装配图中的割点。在真正的拆卸过程中，割点实际上代表一个与其它零件相连结的核心零件，因此通过搜索割点可以容易的、系统的对产品进行拆卸。当然如果部件联接图只有重连通图而
11、没有割点，这种模块化分析也就没有了意义。而为了寻找割点，我们可以用深度优先搜索算法，得到部件联接图的一个生成树，通过图的生成树可以得到图中的割点，进而将产品结构拆分、简化，从而实现系统的拆卸。其中图的生成树被定义为从连通图的一个顶点出发，访问所有的顶点，所有的顶点加上所经过的边构成的子图。得出部件联接图的深度优先搜索生成树如图 3 所示，图中虚线表示搜索过程中没有经过的边。搜索顺序恰好与结点编号相同。 通过分析搜索图，可以得出结论： 顶点 1 为割点。我们可以把除去割点的图分为两个子部件，第一个子部件包括轴承 2、定距环 3、齿轮 4 和键 5，记为 Sub1；第二个子部件包括轴承 6，记为
12、Sub2。由于 1 与 Sub1 联接的边数为 4，大于 1 与 Sub2联接的边数 1，有： 1Sub1。至此，我们将上述轴组件分为两个子部件，如图 4 所示。 这里可以根据产品的信息模型，对子部件 Sub1 和 Sub2 的可分离性进行判断，完成之后在对各个子部件重复上述过程，直至将所有的子部件都拆卸成零件，去掉其中不满足拆卸条件的割集，就可以得到产品的拆卸树。 对于整体边 D（1，6）是割集，满足拆卸条件，可以拆卸轴承 6；对于子部件 Sub1 可以先拆卸轴承 2；对于余下的1，3，4，5可以依次类推拆卸定距环 3、齿轮 4 和键 5，从而得到轴组件的拆卸树如图 5。 得到轴组件的拆卸树
13、以后，我们得出减速箱轴组件的拆卸序列。产品往往具有多种拆卸序列，要从庞大的拆卸序列中选出拆卸时间最短，拆卸成本最低的拆卸序列。同时还有考虑操作的稳定性，操作中零部件的定位与定向次数，拆卸序列的并行度（与串行序列相比，并行序列给以多人同时操作缩短拆卸时间） 。拆卸分析过程可以用流程图表示如图6。 3 结束语 虚拟维修技术可以在计算机上提供一个实时的、三维的虚拟环境，通过生动的视觉、听觉、触觉等效果随着参与者的动作而变化的场景使人获得身临其境的感觉。通过虚拟操作，确定零部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修作业的时间、维修费用。 参考文献 1 Coves C, Crestani D, Pru
14、net F. Design and analysis of work-flow processes with Petri nets. In: Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, San Diego，1998：101106 2 刘振宇等.虚拟环境中基于约束动态解除的产品拆卸技术研究J.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(7)：812835 3 褚彦军.面向折卸和回收设计的评价理论和方法研究D. 西北工业大学硕士学位论文，2001，：3043 4 严蔚敏，吴伟民.数据结构(C 语言版) M.北京：清华大学出版社，1997 作者简介： 姓名：张连武，性别：男，1963 年生。工程师，从事泵站机电设备管理工作。
