虚拟装配技术论文篇1
在进行工业产品或机械设计时，在装配工业产品前对产品的安装方法和操作过程进行仿真模拟，可以有效的提高实际的装配工作的效率。设计人员需要在机械设计时，需要考虑产品是否方便维护、以及产品各个部件的配合性以及产品的装配性。而这些方面的问题通常根据具体情况和条件的不同，在产品设计和生产的前期阶段不容易发现， 而等到产品设计的后期阶段或者进行生产或者使用时，往往才会逐渐的暴露出来，这样不但影响了生产效率，还提高了生产周期和废品率，导致了生产成本增加。如果在生产设计时使用虚拟技术，可以在产品的设计的同时对装配工作进行虚拟仿真，因此在产品生产的前期就可以发现产品设计时的缺陷，并且对实际安装时的方法和具体情况进行了解，对安装时可能碰到的问题提前做出准备。虚拟装配设计系统是CAD/CAM技术在实际生产中进行中的重要应用，同时也是虚拟仿真领域中的重要发展项目。
1 虚拟装配设计系统的应用特点和分类
目前市面上使用的虚拟装配系统主要分为两类：第一类虚拟装配设计系统是由JayaramS的团队研究开发，另一类这种虚拟装配系统是由GuptaR的团队以多模式虚拟环境技术为基础开发的。
虚拟装配设计系统在工作时，需要根据CAD系统的相关软件对产品进行分析，并且进行产品建模；接着，虚拟装配设计系统通过使用预处理子系统对模型进行处理，例如模型的漫反射、材质纹理等，以及模型相关部件的几何数据、物理信息和装配信息等；最后虚拟装配设计系统会计算出产品种所有零件和部件的安装位置、安装方向，以及各个零件的公差、零件集以及各个组件的装配约束等。因此，设计人员在进行设计时就可以对虚拟仿真的情况进行参考。当使用沉浸式的装配工作后，设计人员可以进行产品的装配设计。在模拟装配时，设计人员可以根据需求和具体条件对装配轨迹进行选择、修改和生成等操作，或者重新进行装配模拟。设计人员还可以使用系统提供的碰撞检测警告功能对产品进行公差以及干涉方面的操作，虚拟装配设计系统生产的装配轨迹信息、干涉信息以及产品安装步骤信息等会被CAD系统直接读取和应用。在使用以多模式虚拟环境技术为基础的装配设计分析方法时，主要特点为：该方法与传统的装配方法不同，而是分析和评价产品的装配方法，并根据分析和评价的结果选择适合的方法。首先在虚拟装配设计系统中进行统一的产品建模，使环境中“真实”物体与该产品模型进行动态交互。在虚拟环境中可以使用所建立的产品模型进行面向产品装配设计的听觉事件扩大。在虚拟装配设计系统中，设计者不但可以预览产品，还可以让设计者听到设备中零件产生的声音，系统提供的触觉交互系统以及力学反馈系统，设计者还可以感觉到物体的操作。该系统该可以提供动力学仿真模拟，可以模拟出物体的重量等力学特征，系统还可以对实际中的几何元素以及公差进行模拟，以及对设备或零件的物理特性进行模仿仿真，在下文中会对虚拟装配设计系统的配置和特点进行分析。
2 虚拟装配设计系统系统配置和特点
VADE样机系统包括以下功能模块：“Reality Engine TM”图形加速设备、多通道控制设备以及“Cirmson TM”工作站，并且所支持的头盔显示器的数量为两个。而且虚拟装配设计系统在配置了触觉反馈功能模块“Tactools TM”以及“CyberGlove TM”数据手套。主要包括以下的具体工作特征：
1）可以将CAD系统处理的数据转换成VR系统中支持的数据；
2）可以在系统中模拟出零件的初始位置信息以及现实工作环境；
3）设计人员可以在虚拟环境中与零件进行信息交互与模拟控制；
4）设计人员可以在系统中对产品的装配轨迹进行编辑操作；
5）设计人员可以通过VADE系统对产品的装配工作进行模拟，并且记录工作时所占用的空间以及工作轨迹，并且将这些信息数据输入系统中进行分析；
6）产品的动力学特性模拟；
7）可以根据需要在虚拟环境随时更改产品的设计参数；
8）可以实现产品的虚拟信息与CAD数据信息的对接。
3 自动装配设计的特点和缺陷以及虚拟装配设计的意义
3.1自动装配设计的特点和缺陷
自动装配设计采用的传统方法是通过学习拆卸的技术方法实现的，就是指通过记录产品设备的拆卸过程中的轨迹和顺序，制定出产品设备的安装轨迹和顺序。使用这种方法虽然可以确定出产品的装配轨迹以及安装流程和顺序，但是却有以下的缺点：
1）产品的最佳拆卸方案并一定是该产品的最佳装配方案；
2）如果产品的部件比较多，或者结构比较复杂时，产品的装配轨迹、几何信息等也会随之增加，可能会造成规划困难。
3.2虚拟装配技术与自动装配技术的区别
1）自动装配技术采用对产品拆卸的工作流程和轨迹进行记录，并且生成逆序列的方法。而虚拟装配设计系统所使用的方法是虚拟出相应的环境和产品，使设计人员通过仿真模拟决定最佳的装配方案；
2）在虚拟装配设计系统中，设计人员将相关信息输入系统，并且导入到CAD系统中进行建模。而自动装配系统不具备上述功能；
3）虚拟装配设计系统具有学习功能、分析功能和评价功能；自动装配系统不具备上述功能；
4）虚拟装配设计系统通常应用在有工作人员参加生产的情况下，而且产品的零件不宜太多；自动装配系统通常由设备自主完成组装，可以适用于零件较多的情况。
3.3虚拟装配设计系统的研究意义
1）通过对实际情况进行虚拟仿真，技术人员就可以对装配过程中的情况进行分析，在虚拟环境技术人员可以模拟出所有零件的运动轨迹，从而提高工作效率；
2）通过对产品建模，可以方便设计人员对产品的特性和约束进行分析，得到最理想的方案；
3）设计人员可以使用虚拟装配设计系统对机械设备进行分析，使产品的结构更加合理，有利于对设备进行维护，提高设备的性能；
4）使用虚拟技术可以有效提高设备的设计阶段和生产阶段的效率和工作质量。
4 结论
1）在机械设计领域使用虚拟装配设计系统对于提高生产设计的科学性和工作效率意义重大；
2）本文对虚拟装配设计系统进行了详细的论述，并且介绍了虚拟装配设计系统的工作方式以及应用特点；
3）本文对虚拟装配设计系统和自动装配技术进行了比较，说明了各自适合应用的条件，并且分析了虚拟装配设计系统在实际生产中所起到的重要作用。
参考文献
虚拟装配技术论文篇2
[文献标识码]A
[文章编号]1672-5158（2013）05-0230-01 虚拟现实技术概述 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最关键的三个组成部分，是21世纪科技的三大核心技术。自1962年美国Morton Heilig研制了街道虚拟器这样的早期VR技术产品以来，虚拟现实技术（Virtual Realty Technology，VRT）作为虚拟技术的重要分支，具有非凡的先进性和创造性，在近几十年内蓬勃发展，体现出了未来良好的发展前景。
VRT是在计算机图形学、计算机仿真、人机接口、多媒体以及传感器等技术的基础上发展起来的一门交叉学科.VRT利用计算机和电子技术来产生逼真的视、听、触、力等三维感觉环境，通过多通道用户界面，综合运用视觉、语音、手势等新的交互通道、设备和交互技术，以实现用户与虚拟环境中的对象的自然、并行、协作的人机交互。VRT产生的身临其境的交互式仿真充分体现了其“3I”特征，即沉浸感、交互性、想象性。这些优势都说明了虚拟现实技术在制造工业中具有巨大的应用潜力。近年来许多国家在虚拟制造领域开展了研究与应用，主要包括产品外形虚拟设计、产品布局的虚拟设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程仿真与优化和虚拟企业的可合作性仿真与优化等方面。在产品的设计、制造、性能测试的过程中，克服了传统的文本和二维工程图纸单一且临场感较差等缺点，极大地提高了产品设计的一次性成功率，节约了时间，提高了产品竞争力，避免了开发实际产品以及实地性能检测带来的高昂的费用。
1.虚拟现实技术在汽车行业的应用
汽车工业相当发达的国家，尤其以美日德为代表，将虚拟现实技术运用于汽车的设计、制造、性能测试中，获得性能成本质量的最佳组合，保证了在汽车行业的绝对竞争力。与此同时降低了汽车设计的成本，提高了效率。
1.1虚拟设计技术
目前所采用的虚拟技术引入CAD环境，将便于模拟新产品开发过程中的一些性能，便于设计人员对产品的修改。设计人员也可以利用VRCAD系统，直接在虚拟环境中进行设计与修改。在对汽车的设计过程中，设计人员在交互环境的设计环境中，利用头盔显示器、具有反馈功能的数据手套、操纵杆、立体鼠标灯装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念概念产品模型相连。在此过程中，不仅进行虚拟的合作，产生身临其境的感觉，而且可以实时地对虚拟产品设计过程进行检查、评估、实地解决设计中的决策问题，使得设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与创造性。
1.2虚拟装配技术
对于汽车的零部件的设计可以通过CAD等软件得以实现，但是在现今大多数的汽车制造厂中，装配环节绝大部分都是靠实际的经验去实现，很多设计问题只有在装配的过程中才得以发现，而这往往会付出惨重的代价和昂贵的学费，也势必会使得汽车制造厂的利润下降和阻碍企业的发展。虚拟装配技术在此种『青况下应运而生。在虚拟的装配环境中，设计人员可以检查各零件之间的装配间隙和干涉，通过程序自动检测装配状态。通过相关设备辅助，实现对虚拟场景中零件的抓取、移动、装配等动作，大大地提高了设计人员的主动性、创造性。在虚拟环境中出现了装配问题，可以在计算机中更改模型并重新生成，自动更新装配图，切实有效地提高了实地的装配成功率，缩短了周期，降低了生产成本。
1.3虚拟实验技术
汽车虚拟实验就是把虚拟现实技术用于对汽车的实验研究中，通过交互改变车辆参数、道路状况、驾驶控制等实验条件和参数，虚拟真实实验，通过现代计算机分析得出运动数据，方便研究人员了解实验全过程，以及假设、验证理论的正确性。
汽车操纵稳定性是一个典型虚拟现实实验的例子。在建立虚拟系统的基础上，可以获得方向盘转角、横摆角速度、侧倾角和侧向加速度等能体现操纵稳定性的要特征参数。同时配合单移线实验的场景来动态观察车辆本身以及参数的变化。虚拟仪表的设置，让实验者更加精确的知道汽车运行中的参数的变化。在加强场景的沉浸感方面，开发了双视口的立体场景显示效果。在此实验中，综合不同工况对车辆性能进行了虚拟检验。
国内在汽车方面虚拟实验较为成功的有吉林大学的对汽车防抱制动系统（ABS）混合仿真实验。建立了用于硬件在环仿真的车辆模型、ABS液压系统模型等，并进行了硬件在环仿真实验。将ABS实际部件嵌入到软件环境中进行混合仿真，大大地扩展了软件仿真的功能。为ABS的开发和实验提供了平台。
2.虚拟现实技术的发展趋势
虚拟现实技术是上世纪80年代才兴起的一门综合性信息技术，远没有达到成熟的阶段，但是其惊人的生命力，让人们毋庸置疑在不久的将来，虚拟现实技术将渗透到信息系统的各个领域，改变人机交互方式。虚拟现实技术也大大满足了以用户为主体的要求。21世纪俨然是一个信息时代，网络与计算机已经十分普及，都已经融人了人们的生活、工作和学习中。这都必将促进虚拟现实技术的蓬勃发展。
与此同时，计算机图像压缩技术与现实技术的不断进步以及相应现实硬件的日趋完善，我们可以预测未来虚拟现实技术的发展动向，这种动向可以分为两个方向。一方面是朝着桌面级虚拟现实发展，尤其以商业领域。许多大型公司开发桌面级虚拟现实来展示教育培训以及仿真实验等。另一方面是朝着高性能沉浸式虚拟现实发展。可以用于很多高科技领域，例如航空军事训练，模拟实验等，由于某种特殊性以及追求方便和利润，择优进行仿真实验。目前国内外已经建成了许多商性能的沉浸式虚拟现实仿真系统。
3.结束语
虚拟现实技术经过几十年的发展，已经取得了长足的进步，其优越性及其顽强的适应能力都使得人们不断地发展新技术，促进虚拟现实技术的发展。21世纪是一个信息时代，知识就是力量这个真理得到了十足的验证。我国已经改革开放三十多年，整个社会正处于转型和发展的新时期，汽车行业作为我国制造业的支柱产业，其面临着诸多挑战和机遇。国际汽车市场的风雨变幻让人捉摸不透，要在竞争激烈的市场中立于不败之地，必须要依靠先进的设计、制造、实验技术，缩短设计和生产周期，降低实验成本，提高汽车产业的竞争能力和综合经济效益。虚拟现实技术就是这样一种能促使我国汽车产业发展的一项技术，其发展潜力不可估量。
虚拟装配技术论文篇3
由于当今市场竞争日益激烈与科学技术进步的加快，使得产品开发的技术含量与复杂程度日益增加，同时也由于产品的生命周期不断地缩短，因此，缩短新产品开发的周期、提高新产品开发的技术水平、降低新产品开发的成本，并保证上市后产品的上市周期，是当前新产品开发着重要解决的问题。
虚拟设计（virtual design）属于多学科交叉技术，涉及众多的学科和专业技术知识，它是随着科学技术的发展，特别是计算机辅助cax技术的发展，开始广泛地应用于企业的生产与制造之中。由于虚拟设计技术在新产品开发过程中的应用，使产品设计实现更自然的人机交互，采用并行设计工作模式，系统考虑各种因素，使相关的人员之间相互理解、相互支持，把握了新产品开发周期的全过程，提高了产品设计的一次性成功。从而缩短产品开发周期，降低生产成本，提高了产品质量，给企业带来了更多的商机。
2．虚拟设计在新产品开发中的应用
2．1虚拟产品设计
近几年来，caid技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前在虚拟产品设计中多使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面的产品造型，多采用rhino和pro/engineer等软件的组合使用来完成虚拟产品设计模型，其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来，设计人员也并没有真正参与到虚拟产品设计中来，在某种角度上限制了设计人员的积极性与创造性的发挥。
随着虚拟现实（virtual reality）技术与多媒体技术的发展，虚拟现实技术与多媒体技术有机结合在新产品开发过程中的使用，以及科技人员在不断提高的计算机操作的人机界面综合技术，改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方式。目前，所采用的将虚拟现实技术引入cad环境，这将便于模拟新产品开发中产品的某些性能，又便于设计人员对产品的修改。技术条件好的公司，在进行虚拟产品设计时，设计人员可以先利用现有的cad系统建模，再转换到vr环境中，让设计人员或准客户来感知产品。设计人员也可以利用vr-cad系统，直接在虚拟环境中进行设计与修改。例如在对汽车的设计时，设计人员在具有全交互性的设计环境中，利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连，不仅可以进行虚拟的合作，产生一种身临其境的感觉，而且还可以实时地对整个虚拟产品（virtual product）设计过程进行检查、评估，实地解决设计中的决策问题，使设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上，设计人员对虚拟产品设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与创造性的发挥。
有的企业在新产品开发设计时，还建立了物理试验模型pmu（physical mock-up），如油泥模型（clay modeling）等已逐步被计算机和仿真代替，在此基础上进行产品设计建模和仿真设计，以达到改进产品方案设计的目的。虚拟产品也就是最初的数字试验模型dmu（digital mock-up），虚拟产品设计初级阶段的虚拟油泥建模（virtual clay modeling），可以适应创造性设计过程所提出的直观要求，设计人员可以在虚拟环境空间中，利用轨迹跟踪系统可以削掉和涂抹虚拟的油泥材料。所设计的产品可得到精确的描述，物理模型能通过快速原型方法被迅速的制作出来。例如：美国波音公司777飞机的虚拟原形机，就利用虚拟产品设计对该产品进行全数字化三维描述，实现了产品设计的虚拟油泥模型和无纸工程等，这个模型可为产品开发不同的阶段和设计原则提供参考。同时，虚拟产品设计在造船等其他新产品开发方面也得到了成功的应用。
另外，虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接，可实现新产品开发过程的集成，使并行工程(concurrent engineering)得到充分体现与实施。从而缩短开发时间，降低开发成本，发挥设计人员的创造性潜能。
2．2虚拟装配设计（virtual assembly design）
虚拟装配设计（virtual assembly design）是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响力的一个领域。虚拟装配（virtual assembly）采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前，就其技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意义。
过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进行各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进行各种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题，在进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化设计方案。
虚拟装配的第一步是在cad系统创建虚拟产品模型，然后进入并利用虚拟装配设计环境（virtual assembly design environment）系统，产品开发人员在vade系统中开展工作，借助虚拟装配设计环境系统，设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验，帮助设计人员及时发现设计中的装配缺陷，全面掌握在虚拟制造中的装配过程，尽可能早地发现在新产品开发过程中的设计、生产和装配工艺等问题。利用这个虚拟环境，评价产品的公差、选择零部件的装配顺序、确定装拆工艺，可将结果进行可视化处理。
实验表明，虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，减轻设计返工的负担，加快了引入高级设计方法和技术的速度，提高新产品开发的质量与可靠性，同时也降低新产品开发的成本。
2．3虚拟人机工程学设计
虚拟人机工程学设计是借助虚拟样机（virtual prototype）系统，也有人称其为虚拟人机工程学环境，将它引入虚拟人机工程学评价系统，设计人员可以精确研究产品的人机工程学参数，并且在必要时可以修改虚拟部件的位置，重新设计整个产品的构造。另外，它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进行交互及评价产品的性能，有助于满足不同用户的特殊要求。
英国航空实验室研究人员研制了一个虚拟人机工程学评价系统。通过这个系统设计人员可以精确研究轿车内部的人机工程学参数，适时修改轿车虚拟部件的位置，对整个轿车的内部构造重新设计。这项技术为新产品开发在产品的人机工程学研究方面提供了新的方法，可以不断地利用该系统来验证假设，既减少开发费用，又缩短了制造模型的时间，同时又可以满足产品多样化的要求。
2．4 虚拟设计在新产品开发中应用前景 dolcn.com
随着多媒体技术软硬件飞速发展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产品开发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段，在通过多种传感器与多维的信息环境进行自然的交互方面，及实现全方位的认识方面还有待于进一步提高，但在新产品开发设计应用方面具有很大的潜力，而且应用前景广阔。应该深入开发研究，使虚拟设计技术更好地帮助设计人员在新产品开发中提升设计创新思维能力与产品设计水平。
3、虚拟设计在新产品开发中应用使科学与艺术更好地得到融合
虚拟设计技术与新产品的开发都是建立在科学技术进步的基础之上，都需要科学技术的支持。新产品开发以科学技术理论为基础，然而在新产品开发中的虚拟产品设计等问题上，虚拟现实技术又为设计人员提供了有艺术创造性思维的空间，扩展了设计人员的艺术设计思维，使设计人员能够从理论认识到感性认识对产品进行设计、分析和评价。使设计人员在精神世界的存在中获得心灵自由，让设计更趋人性化、艺术化。
虚拟设计在新产品开发中的应用，使科学的思维方式和艺术的思维方式悄悄地相互侵入和占有着。科学的发明和创造溶入了艺术的想象和品格，艺术的创造和对产品形态美的探索又渗入科学的理论和品质，虚拟设计在新产品开发中的应用是科学与艺术的融合。
4、结束语
虚拟设计技术为新产品开发提供了数字设计平台，使新产品开发的周期减少、费用降低，提高了新开发的产品质量。但是如何更有效地利用虚拟设计技术为新产品开发服务，还有待于我们在实际的设计中进行探索。
参考文献：
[1]柳冠中.科学×艺术的时代,
卢新华.科学与艺术——互溶的两个世界,
中央工艺美术学院 艺术设计论集 北京工艺美术出版社,1996.10
虚拟装配技术论文篇4
2.可装配性评价模块该模块从单因素模糊评价方法和多因素模糊评价方法两个角度对传动系统结构可装配性和虚拟装配顺序可装配性进行了评价，该方法能够解决这两方面的评价问题，并能给出设计改进意见。3VASVT关键技术分析VASVT系统的关键技术主要包括虚拟装配模型信息表达、虚拟装配顺序规划、运行状态干涉检查、实时碰撞检测等关键技术，各关键技术分述如下。
3.1虚拟装配模型信息技术虚拟现实系统的模型显示都为面片模型，而在CAD系统中设计的产品装配模型一般为特征模型。虚拟环境中模型的表达方法与传统CAD系统中模型的存储和表示方法不同。为了解决虚拟装配模型信息问题，本文中采用模型信息库与虚拟装配特征重构相结合的虚拟装配模型建立方法。通过将零部件信息有机的整合在模型信息库中，建立了虚拟装配特征信息与模型信息库的对应关系，实现了装配特征在虚拟环境下的重构，从而得到了信息完备、集成度高的虚拟装配模型。在VASVT系统中，将车辆传动系统分为5层结构，即装配体、子装配体、零件、面和面片，如图4所示。其目的在于建立CAD系统模型与面片模型之间关系，便于信息的划分和提取，保证模型映射的信息完整性，然后利用关系模型理论建立模型信息库的关系模式，共同确定传动系统各层次结构之间的关系。
3.2虚拟装配顺序规划技术VASVT系统采用了图论割集法和人机交互式装配规划方法共同来完成典型部件的装配顺序规划，基于图论割集法的规划算法直接计算出初始可行的装配顺序，对装配过程和操作提供依据，发挥算法的计算优势。然后结合虚拟装配环境，通过人机交互式的虚拟装配和拆卸，利用初始装配顺序进行预装配，借助设计人员的经验与知识，合理优化和评价装配顺序，从而得到最佳装配顺序。割集法如在划分割集之后再进行子装配体可行性判断，虽然能保证分割的正确性，但零部件个数的增多不可避免地会出现计算效率和组合爆炸问题［3］。因此，系统采用子装配体预先识别策略，将对子装配体的识别和可行性判断过程前移，在算法开始前对产品进行此操作，可以有效地提高算法分析效率，减少组合爆炸问题的出现，降低了直接采用交互式顺序规划带来的盲目性和不确定性。在可视化的虚拟环境下，设计者可运用数据手套、立体眼镜和位置跟踪器等相关外设，充分运用设计者的经验和知识，沉浸式的对传动系统的零部件模型进行操作，确定装配操作的难易度和可行性，分析和验证初步确定的装配顺序的正确性、合理性和实用性，同时可考察零部件装配位置的可达性、操作实施的空间局限性等。
3.3实时碰撞检测技术碰撞检测是虚拟装配系统的基本功能之一，它可用于验证装配操作的可行性、装配路径的合理性等［4］。为了检测零件运动过程中任意时刻与场景中的碰撞情况，虚拟装配系统需要能实时进行碰撞检测，因此如何提高复杂场景中碰撞检测算法效率成为研究的关键。VASVT采用基于面片模型的碰撞检测，为了提高效率实现实时碰撞检测，采用如下解决方案。对于没有装配约束存在的零部件之间只进行简单快速的包围盒碰撞检测，而对于发生装配约束的零部件之间，获取参与装配约束的几何要素，并利用几何要素进行碰撞检测，其中包括几何面与包围盒间的碰撞检测和不同零部件上的几何面之间的碰撞检测。这种混合碰撞检测方法，能有效地提高碰撞检测效率，从而满足虚拟装配环境的碰撞检测的实时性和真实性。1)包围盒层的碰撞检测车辆传动系统中没有装配约束关系且空间距离较大的零部件不在少数，因此，对这些零部件之间进行简单包围盒的碰撞检测，能有效地减少后续更精确地碰撞检测的零件对的数目［5］。2)几何要素与包围盒间的碰撞检测在装配过程中，对于包围盒间发生碰撞的装配零件还需要进一步进行判断。综合考虑时间成本和精确性，进行几何要素与包围盒间的碰撞检测，这一步属于中间步骤的检测，用来剔除掉由于粗略包围盒发生碰撞而又未发生接触的零件。3)几何要素间的碰撞检测更精细的碰撞检测是在待装配零件运动到目标位置附近，这一阶段需要重点对具有约束关系的几何要素间进行碰撞检测［6］。
虚拟装配技术论文篇5
较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。
随着计算机集成制造cims 和并行工程ce技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80 年代初，出现了对计算机辅助装配规划(computer aided assembly planning，caap)技术的研究。到目前为止，caap 经历了几个不同的发展阶段，出现了4 种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。
1 经典装配规划方法
早期caap 的研究侧重于装配序列的规划，以产品cad 装配模型为基础，硕士论文 一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1 所示。
1.1产品装配建模
产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者bourjauct 提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3 种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。
矩阵比图易于计算机表达和实现。dini 和santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。
1.2装配序列推理和表达
基于联系图模型，bourjauct 采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，医学论文 随后de fazio 和whitney[9]，baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。homem de mell 和sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的and/or 图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为o(3n) (n为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。
1.3装配序列评价和选择
装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，职称论文 而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间 (包括子装配体的操作时间、运输时间等 )、整个装配成本 (包括劳动成本、夹紧和加工成本 )、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。
更多的经典装配规划方法研究文献可以参见texas a&m 大学wolter 教授的“assembly planning bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。
2虚拟装配规划方法
虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2 为虚拟装配规划的工作步骤。
国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境vade[16], [17](virtual assembly designenvironment)为代表，英语论文 通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的cad 系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。
国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面
向装配设计系统（virdfa）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（vdvas），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（virdas）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚?等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3 个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（vat），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。
应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。
3 装配规划软计算方法
1994 年，zadeh 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（soft computing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。
3.1 装配规划神经网络方法
神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，留学生论文 单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。
hong 和cho[24]用于机器人装配顺序优化的hopfiled 神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。
3.2 装配规划模拟退火算法
模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。
saeid 等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。hong 和cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。
模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。
3.3 装配规划遗传算法
在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。工作总结 遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3 为装配规划遗传算法的一般流程。
装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。lazzerini 等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3 段编码，第1 段表示参与装配的零件编号，第2 段表示零件的可行装配方向，第3 段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；guan 等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5 种遗传算子寻找装配序列优化解。在smith 等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。
理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限
多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。
4 协同装配规划方法
装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。
wisconsin-madison 大学[31]提出网络环境下的电子化装配（ e-assembly ），探讨在internet/intranet 上利用3d 模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3d 交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了motive3d 系统，利用synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，visualizer 模块为用户在web 平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ats 项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用vrml 作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的vrml 仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。
web 环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以vrml 为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。web 环境下3d 交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于vrml-java 实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。
5 结论与展望
caap 的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。
跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。 参考文献
[1] 苏强, 林志航. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[j]. 机械科学与技术, 1999, 18(6): 1006~1012.
[2] 石淼, 唐朔飞, 李明树. 装配序列规划研究综述[j]. 计算机研究与发展, 1994, 31(6): 30~34.
虚拟装配技术论文篇6
装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。毕业论文 装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。
较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。
随着计算机集成制造cims 和并行工程ce技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80 年代初，出现了对计算机辅助装配规划(computer aided assembly planning，caap)技术的研究。到目前为止，caap 经历了几个不同的发展阶段，出现了4 种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。
1 经典装配规划方法
早期caap 的研究侧重于装配序列的规划，以产品cad 装配模型为基础，硕士论文 一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1 所示。
1.1产品装配建模
产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者bourjauct 提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3 种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。
矩阵比图易于计算机表达和实现。dini 和santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。
1.2装配序列推理和表达
基于联系图模型，bourjauct 采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，医学论文 随后de fazio 和whitney[9]，baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。homem de mell 和sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的and/or 图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为o(3n) (n为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。
1.3装配序列评价和选择
装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，职称论文 而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间 (包括子装配体的操作时间、运输时间等 )、整个装配成本 (包括劳动成本、夹紧和加工成本 )、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。
更多的经典装配规划方法研究文献可以参见texas a&m 大学wolter 教授的“assembly planning bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。
2虚拟装配规划方法
虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2 为虚拟装配规划的工作步骤。
国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境vade[16], [17](virtual assembly designenvironment)为代表，英语论文 通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的cad 系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。
国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面
向装配设计系统（virdfa）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（vdvas），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（virdas）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3 个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（vat），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。
应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。
3 装配规划软计算方法
1994 年，zadeh 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（soft computing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。
3.1 装配规划神经网络方法
神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，留学生论文 单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。
hong 和cho[24]用于机器人装配顺序优化的hopfiled 神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。
3.2 装配规划模拟退火算法
模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。
saeid 等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。hong 和cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。
模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。
3.3 装配规划遗传算法
在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。工作总结 遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3 为装配规划遗传算法的一般流程。
装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。lazzerini 等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3 段编码，第1 段表示参与装配的零件编号，第2 段表示零件的可行装配方向，第3 段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；guan 等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5 种遗传算子寻找装配序列优化解。在smith 等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。
理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限
多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。
4 协同装配规划方法
装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。
wisconsin-madison 大学[31]提出网络环境下的电子化装配（ e-assembly ），探讨在internet/intranet 上利用3d 模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3d 交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了motive3d 系统，利用synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，visualizer 模块为用户在web 平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ats 项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用vrml 作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的vrml 仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。
web 环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以vrml 为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。web 环境下3d 交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于vrml-java 实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。
5 结论与展望
caap 的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。
跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。 参考文献
[1] 苏强, 林志航. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[j]. 机械科学与技术, 1999, 18(6): 1006~1012.
[2] 石淼, 唐朔飞, 李明树. 装配序列规划研究综述[j]. 计算机研究与发展, 1994, 31(6): 30~34.
虚拟装配技术论文篇7
Rearch on Visualization of Oil and Gas Wells’ Perforating Based on Virtual Assembly
LIU Guo-fang, CHEN Wen-bin, FENG Wang-bing
(College of Computer Science, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)
Abstract: This paper brought forth the technical route of oil and gas wells’perforating operation visualization, established the designing mentality virtual service platform from the perforation device modeling processes to achieve visualization, and discussed how to use virtual assembly to implement the perforating device the establishment of perforating process visualization. It provided an effective supporting role in the design and decision for oil and gas well perforating solutions, meanwhile provided a virtual platform which has three-dimensional visualization, human-computer interaction and other characteristics for the training of perforating assembly.
Key words: virtual assembly; perforating system; 3DVIAComposer; three-dimensional model
1虚拟装配技术
虚拟装配是虚拟现实技术在制造业的典型应用，它从产品装配设计的角度出发，利用虚拟现实技术建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆卸操作，在操作过程中系统提供实时的装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本，提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。
射孔是一项重要的完井工艺技术，是油气井勘探开发的重要步骤。它是根据油气井试油、投产的设计要求，用射孔器穿透目的层部位的套管壁及水泥环，并达目的层内一定深度，构成目的层至套管内的连通管道。它是人工造就的地层内流体流入井筒内的通道，所以，射孔方式的选择和质量控制的优劣，是关系到能否按设计目标付诸实施及油气井生产率指数是否提高的重要条件之一。由于井下情况是不可见的，这样必然有高风险、高成本等诸多问题存在。基于虚拟装配的射孔作业流程的可视化研究弥补了我国射孔工艺在计算机可视化辅助方面的研究空白，为射孔作业的安全施工、成本节约以及生产指导提供强有力的技术支持。
2射孔作业流程可视化研究的关键技术和系统框架
2.省略建立操作平台，直观展示不同地层情况所需射孔器、管柱组合方案，对一些装配不合理方案进行预警和提示，根据选择的射孔方案进行射孔管柱虚拟装配和射孔作业流程的展示。
2.2射孔作业可视化的系统框架
图1射孔作业可视化的系统框架
射孔作业的可视化研究主要包括三大部分，如图1所示：射孔装置三维模型、射孔装置可视化的虚拟装配和射孔作业虚拟操作平台。射孔装置的虚拟装配是根据用户在操作平台中选择的射孔方案进行装配的，从而完成复杂的人机交互和动画演出。射孔作业虚拟操作平台是一个能够动态导入管柱三维模型、场景模型，执行装配流程分析结果的操作环境。
3基于虚拟装配的射孔作业流程可视化的实现
3.1射孔装置三维建模
射孔装置主要包括射孔枪、放样阀、封隔器、下井仪器(磁性定位器，油管放射性测井仪)等装置。这些装置都是在3DMAX中通过多边形建模方法来建立模型的，采用纹理贴图方式，尽量减少基本几何体的分段数，建模时严格按照射孔装置的实际尺寸和比例，在建模过程中删除不可见的面，再通过Optimize编辑器对模型进行优化，在能够保证视觉对象不失真的前提下，尽量采用最简单的模型。完成射孔装置建模之后，将模型导出为.3DS格式的文件，为以后在3DVIACompose环境中模型导入做好准备。图2为射孔装置三维模型：
图2射孔装置三维模型
图3从3DMAX建模到3DVIAComposer开发环境中使用这些模型的开发流程
3.2射孔装置虚拟装配实现
在3DVIAComposer中，导入已创建好的射孔装置的三维模型，根据射孔工艺技术的基本原理，将射孔装置装配在一起。以电缆输送式套管射孔为例进行说明，将射孔枪、封隔器、导爆索、磁性定位器，油管放射性测井仪等装置按照要求装配起来，在套管内用电缆把套管输送到目的层，进行定位射孔。具体的操作是导入好模型之后，切换到动画模式，在时间轴窗口设置自动关键帧，设定动画播放时间，动画开始运动前的延迟时间等参数完成制作。为了全方位的展示每个装置的特征，每个装置分别进行绕x轴、Y轴和z轴顺时针方向旋转一周的动画设置。装配体爆炸视图的生成过程实际上就是装配体的装配过程，根据射孔流程顺序分别设置每个装置的爆炸路径。在时间轴上设置每个装置的安装时间为2s，在时间轴面板上，沿时间轴拖动时间线可观察动画效果及安装过程中各装置的相对位置，并通过拖动关键帧，调整装置的安装顺序及沿安装路径的运动速度。射孔作业动画完成之后，接下来进
图4两段管柱装配过程模拟
3.省略中利用C#建立操作平台，用户可以根据实际的油气井情况，选择不同的射孔方案然后进行装配，在装配前应该进行管柱装配判断，出现错误的装配会有预警和提示，例如：一般情况下，同样一段管柱不能装配在一起；公接头只能和母接头相连接；按照测试管柱装配常理，压力计不能接于循环阀上面，封隔器不能接于循环阀、开关阀上面等。选择了射孔方案之后就可以观察到相应的装配过程。
4结论和建议
1）射孔作业流程可视化系统构建了射孔作业虚拟操作平台，使用3DMAX和3DVIAComposer完成射孔装置建模和装配的全过程。该系统具有较高的人机交互性和实用性，为射孔作业的安全施工节约了很大的成本，同时该系统也可以作为工作人员上岗前的培训系统。
2）在以后的研发工作中，重点可以放在射孔器力学分析和射孔参数优化，故障诊断的研究上，结合地层情况研究射孔作业动态模拟的新应用。
参考文献：
[1] Jr Brooks F P.What’s Real About Virtual Reality?[J].IEEE Computer Graphics and Applications,1999,19(6):16.
[3]马永峰,庄建山,张绍礼.油气井测试工艺技术[M].北京:石油工业出版社,2007.
[4]刘玉芝.油气井射孔井壁取心技术手册[M].北京:石油工业出版社,2000.
虚拟装配技术论文篇8
0 引言
随着全球化经济和计算机技术的高速发展，传统制造业开始了根本性变革。虚拟制造技术应运而生。它通过计算机建立虚拟和仿真环境对产品的设计开发、制造、装配等各方面进行模拟运行并实现，预先发现各种问题，完成产品的一次性制造成功。因此虚拟制造技术是现代制造技术发展的必然趋势。
1 虚拟制造技术的国内外研究现状
虚拟制造技术应用前景诱人，以美国为首的西方工业国家在95年前已基本完成应用基础技术的研究，正向实际应用全面过渡。目前已在飞机、汽车等领域获得了成功的应用，如波音777全面采用虚拟制造技术，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从8年时间缩短到5年。福特和克莱斯勒公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，开发周期由36个月缩短至24个月。由此可见，国外的研究已经趋于成熟。
我国科研机构、高等院校和企业目前正处于理论体系初步研究阶段，与国外相比还有很大差距。
2 虚拟制造技术的内涵
2.1 虚拟制造技术的定义
虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样可以模拟出产品及其性能和制造过程，优化产品的设计质量、制造过程、生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化[1]。
2.2虚拟制造技术的特点
虚拟制造技术可以对生产制造对象以及企业管理过程进行全面的模拟。特点如下所示[3]：
（1）模型为本
虚拟制造采用计算机仿真建模，所以必然涉及到产品模型，环境模型，过程模型。产品模型包含全部的产品信息；环境模型包括各种工装，厂房以及对产品起支撑及支持作用的信息；过程模型包含研发设计、工艺路径、加工参数、装配可行性、干涉检查、静动力学分析等信息。
（2）信息集成为本
虚拟制造技术的根基是仿真技术，所以它必须实现各种仿真软件的兼容，包括产品模型、环境模型、过程模型之间的信息集成。
（3）高精度仿真为本
高精度的仿真需要必然要求实现高准确度、高可信度、仿真结果的生成主要是依靠模型的VVA（Verification Validation and Accreditation）技术来实现。
2.3虚拟制造技术的关键技术
建模技术[2]
虚拟制造技术首先要通过对制造过程的统一建模才能用计算机仿真，所以建模技术是虚拟制造技术的基础支撑技术。
仿真技术
仿真就是将制造过程中建立的模型用计算机分析优化。包括产品性能仿真、生产规划仿真、实际制造过程仿真等。
控制技术[4]
控制技术指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制的技术和方法。包括模型部件的组织、调度策略及交换技术，仿真过程的工作流程与信息流程控制，成本估计技术。动态分布式协作模型的集成技术冲突求解及基于仿真的推及技术模型及仿真结果的验证和确认技术。
3 虚拟制造技术的发展趋势
随着制造战略的发展， 虚拟制造技术在产品制造、设计、装配等方面的应用已经越来越广泛。它也逐步从局部应用转化成向集成应用发展，在复杂的高科技产品的开发设计过程中逐步加大对基于虚拟现实技术的虚拟制造技术的应用。
4 结语
虚拟制造技术是一项极具发展前景的技术，它是多学科、多技术的综合产物，可以提高产品质量，缩短生产周期，提升企业的效益，从而增强企业的竞争力。随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛应用的趋势会日益明显，终将成为企业发展的必由之路和必然选择。
参考文献
[1]文明珠.浅谈虚拟制造技术及发展应用[J].信息与电脑·理论版,2010，(3)：21.
虚拟装配技术论文篇9
Application of the Virtualization Technology in the Construction of University Computer Testing Room
FENG Yuan, CHEN Yong, ZHANG Chun-cheng
(Artillery Academy P.L.A 5 Department 41 Team, Hefei 230031, China)
Abstract:In recent years,`the virtualization technology'appeared frequently in the IT website and the magazine, its essence was in the computation in the hypothesized some actual computers the real existence thing, achieved high goal more conveniently, simply,and low-costly. However, as a result of computer teaching practice particularity, in the computer tested in the engine room construction to have some prominent contradictions. This article research significance lies from the operating system experiment, the computer network reality, the network security experiment, operating system virtualization technology aspects and so on application applies separately the hypothesized technology to the engine room construction in carries on the theory proof. Finally, it may obtain the hypothesized technology to apply in the engine room construction to be possible to tap the existing equipment's potential fully, raises the existing system's use factor, assures computer system own security, also raised the engine room administrative personnels' working efficiency greatly, lightened the work load.
Key words: virtualization; testing room; computer-teaching practice
计算机实践教学是计算机课程的重要环节,学好计算机仅仅靠理论知识是不够的,课堂讲授是使学生掌握计算机的理论知识,而实践教学的目的是通过实际操作将学到的知识付诸实际,是课堂教学的延伸和补充。计算机实践教学无论是在掌握理论知识,还是在培养学生运用计算机解决其他专业问题的能力方面,都占有相当重要的位置。要培养素质高、应用能力和创新能力强的人才,就需要给学生提供良好的上机实践环境。
1 计算机实验机房建设中的问题
计算机实验机房一般作为学生上机实践的公共机房,承担着高校计算机课程教学、实践及相关考试、培训任务,在高校实验室中的地位非同一般,然而由于计算机教学实践特殊性,在计算机实验机房建设中产生了一些突出的矛盾:
如果不对实验用机的操作系统进行保护,会造成计算机软件系统频遭破坏,给机房管理带来负担;如果限制过多,会影响教学过程和教学效果。
软件安装种类过少不能满足不同专业、不同层次的教学需要;软件安装过多则会影响机器使用性能,分散学生实践注意力,也带来了课堂教学秩序的管理难问题。
利用计算机虚拟化技术,可以在一定程度上解决上述问题。
2 虚拟化技术概述
“虚拟化技术”近年来频繁出现在IT网站和杂志上,网上的“未来十大IT技术趋势”,将虚拟化技术置于首位。
2.1 虚拟化的概念和分类
顾名思义,虚拟化就是在计算上虚拟出一些实际计算机里真实存在的东西,以达到更方便、简单、成本低、安全性高的目的。比如,虚拟计算机硬件,可以安装操作系统;以现有操作系统为蓝本,再虚拟出几个一摸一样的;虚拟一个操作系统环境,可以安装应用软件。对于虚拟化技术,至今还未有严格精准的定义。
虚拟化技术,经过数年的发展,已经成为一个庞大的技术家族,其技术形式种类繁多,实现的应用也非常广泛。其分类方式也多种多样:
以实现层次来分:硬件虚拟化,操作系统虚拟化,应用程序虚拟化。
以被应用的领域来划分:服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、桌面虚拟化。
2.2 硬件虚拟化技术
硬件虚拟化,应该是中国IT人员最熟悉的技术了,可能每个程序员都有使用。还有更多一些类似本人这样的IT爱好者,天天在捣鼓。
硬件虚拟化,就是用软件来虚拟一台标准电脑的硬件配置,如cpu、内存、硬盘、声显卡、光驱等,成为一台虚拟的裸机,然后就可以在上面安装操作系统了。其代表产品为VMware、Virtual PC、VirtualBox等。使用时,先在操作系统里安装一个硬件虚拟化软件,用其虚拟出一台电脑,再安装系统,做到系统里运行系统,并可虚拟出多台电脑,安装多个相同或不同的系统。
为虚拟机分配的硬件资源要占用实际硬件的资源,对性能损耗也较大。因为是在系统里安装虚拟化软件,再在虚拟的电脑上装系统,所以就有原系统和虚拟化软件两层消耗,为了提高性能,出现了另外一种硬件虚拟化形式:直接在裸机上安装虚拟化软件,然后安装多个系统,并同时运行。跳过原系统这一环节,性能大大提高。这种虚拟化又叫做准虚拟化,主要应用于服务器领域。如VMware ESXi、Hyper-V等。
2.3 操作系统虚拟化
操作系统虚拟化就是以一个系统为母体,克隆出多个系统。它比硬件虚拟化要灵活方便,因为只需在系统里装一个虚拟化软件,就能以原系统为样本,很快克隆出系统,克隆出的系统与原系统除去一些ID标识外,其余都一样。其代表产品为SWSoft公司的Virtuozzo。
操作系统虚拟化是对原系统的复制,虚拟的多个系统有较强的联系,体现在:第一,可以多个虚拟系统同时进行配置,更改了原系统,就改了所有;第二,如果原系统损坏,会殃及所有虚拟系统。硬件虚拟化虚拟的多个系统,是相互独立,与原系统也无联系。原系统的损坏不会殃及虚拟的系统。
2.4 应用软件虚拟化
前两种虚拟化的目的是虚拟完整的真实的操作系统,应用虚拟化的目的也是虚拟操作系统,应用级的虚拟化只是为保证应用程序的正常运行而虚拟系统的某些关键部分,如注册表、C盘环境等,所以较为轻量、小巧。可以让软件免去重装烦恼,不怕系统重装。很有绿色软件的优点,但又在应用范围和体验上超越绿色软件。应用虚拟化领域最典型的产品是sandboxIE(俗称沙盘),它主要用于软件测试和安全使用领域。因为它像个软件的囚笼,你可以把软件安装在沙盘里,并运行在其中,软件所有行为都不会影响到系统。如果软件带毒或被感染病毒,可以一下扫光,就像把一个真实的沙盘里的各种沙造物体全部打碎重来。
使用方法大体为:先安装虚拟化软件,此时已经搭建了一个虚拟化环境,然后接收来自网络的应用软件或安装应用软件到虚拟化环境里,最后使用应用软件。
3 将虚拟技术应用到机房建设中
3.1 硬件虚拟化技术的应用
将硬件虚拟化技术引入机房建设中,可以在一台电脑上将硬盘和内存的一部分拿出来虚拟出若干台机器,每台机器可以运行单独的操作系统而互不干扰,这些“新”机器各自拥有自己独立的CMOS、硬盘和操作系统。
3.1.1 操作系统实验
计算机维护实验,如磁盘分区、格式化、安装操作系统、Ghost备份与恢复等会破坏硬盘数据的完整性,因此,这类实验在学校的机房一般是不允许的。而在虚拟机环境下,学生可以任意进行格式化、分区、设置CMOS等计算机维护操作,即使操作出现了问题,也可以非常方便地恢复所用的操作系统。由于虚拟机对应的仅是真实主机上的一个文件,在虚拟机中进行的任何操作都不会破坏现有的硬盘分区和数据。这不但保证了原系统的安全,而且在完成操作后,通过映像功能可以轻松将系统恢复到原样。如果不想在操作之后通过映像功能恢复系统,还可以针对目标虚拟机创建克隆。克隆出来的虚拟机可以随意操作,不用担心给被克隆的虚拟机带来什么影响,完成操作之后直接删除克隆的虚拟机即可。
另外,利用Windows系统下的虚拟机软件来使用Unix、Linux等操作系统,可以方便地进行各个操作系统的切换,同时虚拟机又可以完全实现Unix、Linux操作系统的功能。这一点给学生的学习带来了极大的方便,避免了一下进入一个完全陌生的环境,给学习带来不便。
3.1.2 计算机网络实验
使用硬件虚拟技术,一台高性能的计算机可以虚拟成多台互相之间能够进行通信的小型网络 ,可以让学生人手一台单机完成大多数网络实训任务,大大提高了设备的利用率,并保证了学生实训的时间和机会。
3.1.3 网络安全实验
黑客工具的使用、网络操作系统的安全配置、网络服务器的安全配置、数据加密系统的应用等实验往往给实验机带来极大的破坏,很多学校为了减轻机房管理的负担,都尽量避免开设这样的实验,只是课堂上做理论讲解。引入硬件虚拟技术后,可以在计算机上安装专门针对网络安全实验的虚拟操作系统,学生可以“不计后果”地对实验环境进行肆意的“破坏”,实验完成后,管理员只需要重新恢复一下虚拟环境就行了。
3.2 操作系统虚拟化技术的应用
目前,学校的机房作为公共设施往往都有着多种不同的用途。承担着不同院系、不同班级的教学、上机试验等任务,有的机房还要作为计算机考试和相关培训的上机场所。管理员在学期初进行机房软件环境规划时,总是根据该学期教学情况预先安装多个操作系统,每个操作系统上都尽可能的安装多的软件,以适应不同的院系班级上机、实验、等级考试、培训等教学任务,但是在实际应用中总是存在软件相冲突、硬盘空间不够用等多种问题。
而虚拟操作系统技术,允许在受保护的真实操作系统上创建多个虚拟操作系统,而且不需要占用独立的硬盘空间。虚拟系统里的数据变化可以被永久保留,但是不会影响到真实系统的还原和保护。
正是由于虚拟系统的这种特点,可以实现在不影响机房统一管理和维护的前提下,授权学生利用虚拟系统自由创建个性化的软件学习环境。通过对虚拟系统设置密码,该虚拟系统只有管理员和创建者可以进入或删除。这样一来,得到授权的学生在机房就像拥有了一台只属于他自己的电脑,可以自由的使用它,比如:安装软件、保存各种学习资料、课程设计、毕业设计等等。
4 小结
虚拟化技术的出现,给计算机实践教学提供了一种有效的辅助工具,它充分挖掘了现有设备的潜力,提高了现有系统的利用率,保证了计算机系统自身的安全,同时也大大提高了机房管理人员的工作效率,减轻了工作负担。因此,虚拟化技术将计算机实验机房建设中发挥越来越重要的作用。
参考文献:
[1] 汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007:16-45.
[2] 孔勇奇.虚拟技术在PLC实验教学中的应用[J].福建电脑,2010(1):19-20.
[3] 何珍祥,任文.用虚拟机构建Linux实验环境[J].电脑知识与技术,2010(2):290-291,297.
[4] 苏瑞萍. 电子技术教学改革的新思路[J].科教文汇,2010(1):63,70.
[5] 鲁松.计算机虚拟技术及应用[M].北京:机械工业出版社.2007:28-32.
虚拟装配技术论文篇10
一、虚拟装配技术概述
虚拟制造（VM，Virtual Manufacturing）作为一种新的制造方法和模式，从二十世纪末开始在全球制造业中引起广泛的关注，它应用计算机仿真技术，在产品设计阶段或生产制造之前，对设计制造等过程进行模拟，分析制造相关参数对产品设计的影响，并对产品的性能、成本和可制造性进行预测，从而减少生产资源的浪费，提高开发效率。
虚拟装配作为连接产品设计和制造的关键环节，是虚拟制造的重要组成部分，装配也是产品生产成本的主要影响因素，在实际工程问题中，复杂产品的装配仍以手工装配为主，装配技术远远落后于产品设计和产品制造技术。若能通过计算机仿真技术，在产品设计阶段就考虑并模拟产品的可装配性，并将易于装配作为一条设计准则，就能有效降低生产成本，提高生产效率。
二、虚拟装配的分类
在汽车研发中，可将虚拟装配技术分成三类。
1.以设计为中心的虚拟装配
指将汽车的三维数字化定义应用于汽车研发过程中，结合汽车研发的具体情况，重点突出以设计为核心的应用思想。主要包括以下内容：
1.1面向装配设计，在设计初期把汽车设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行实际装配，能在产品研发的初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。
1.2自顶向下的并行产品设计，通过分布在不同地点，不同部门的多个产品开发组以汽车为核心的设计思想，建立产品设计的动态虚拟样机，从一开始就考虑产品的整个周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能地及早发现，并解决可能产生的问题。
1.3与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计。汽车研发不同阶段的主模型提供了一个面向设计群体的虚拟装配设计环境，突出以不同阶段的主模型为核心，使得每个设计产品能有效地控制在可装配的范围之内，保证产品研发不同阶段装配模型数据结构的完整性和一致性，保证参与研发的各部门可以协同工作，实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成，有效地提高可制造性和可装配性。
2.以过程控制为中心的虚拟装配
主要包含两方面内容：
（1）实现对产品总体设计进程的控制，通过对产品各个设计进程的控制来有效规划汽车部件的装配顺序，提高装配效率。
（2）过程控制管理。对产品设计各阶段的设计结果以及加工工艺等相关信息进行管理来实现设计过程的优化。
3.以仿真为中心的虚拟装配，是在汽车装配模型中溶入仿真技术，并以可视化的仿真结果来评估虚拟装配的结果，实现装配过程的优化。
三、面向汽车零部件的虚拟装配设计流程
以汽车轮毂为例，在产品的虚拟装配设计中，根据其研制的自身特点，将虚拟装配技术应用于汽车轮毂设计过程分为概念设计、总体设计与详细设计3个阶段，通过对设计流程的控制达到对产品虚拟装配设计进程的控制。
1.概念设计阶段。是汽车轮毂研发的初期阶段，主要是建立汽车轮毂主模型空间，进行初步的结构、系统总体布局。
2.总体设计阶段。是汽车轮毂研发的主要阶段，基本完成汽车轮毂的零部件装配建模设计，包括虚拟装配区域、虚拟装配层次的划分，并进行公差分析和静态干涉检验，保证零部件三维模型干涉自由。
3.详细设计阶段。是汽车轮毂研发的完善阶段，完成装配建模的最终设计。主要完成汽车轮毂装配建模的最终设计、进行零部件三维模型的最终虚拟装配、进行动态干涉检验，保证汽车轮毂零部件三维模型无干涉。
四、汽车轮毂虚拟装配技术应用
1.建立主模型
在虚拟技术装配技术应用于汽车轮毂研发的全过程中，主模型可以保证汽车轮毂零部件数据结构完整一致，实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成，为协同设计和并行工程打下良好的基础，这也是实现自顶向下设计的前提条件。
2.装配层次划分
在虚拟装配中，一个汽车轮毂可以分解散为若干个零件和子装配体，一个子装配体又可以分解为若干个更下一层的零件和子装配体。这个过程实际就是一个自上而下的设计过程。在汽车轮毂结构设计应用中，通过分级式多叉树状结构来描述，即按零部件间设计的逻辑依附关系来确定各模型间的父子关系，从而实现装配设计层次的划分。
3.建立装配约束
装配约束管理包含对汽车轮毂设计中几何模型间的关系进行控制和管理，这一机制彻底克服了自由建模的无约束状态，能确保设计的模型具有设计师所定义的约束的关系，如平行、共轴或共面等。通过约束管理，可使汽车轮毂设计或改进、改型设计等重复过程中零部件模型特定的装配关系得以保存，而与对模型所进行的修改无关。
4.干涉分析
虚拟装配技术论文篇11
虚拟装配技术论文篇12
(CableHarnessDesignandPlanning)系统。CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的[20]。它是在UVAVU系统的基础上提出的,主要解决现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。(4)V-REALISM系统。V-REALISM系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统,可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点;系统能提供优化的装配/拆卸序列;提供三维虚拟环境进行操作和导航;将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起[21]。(5)虚拟装配支持系统(virtualassemblysupportsystem)。清华大学开发的VASS为装配工程师和设计师提供了对产品可装配性/可拆卸性仿真和评价系统。该系统可实现装配顺序规划、工具规划、装配路径规划、装配过程仿真,最终生成装配文档。(6)个人活动助手(PersonalActiveAssistant)。该系统是2005年意大利Bologna大学开发了基于CAD的装配规划与验证系统。PAA系统利用C[，！]AD工具来有效提高对象识别能力,生成优化装配序列和产生装配操作指令[22]。
虚拟装配存在的不足
目前在CAD领域已有一些标准,但在虚拟装配的世界中还没有数据的实时性方面的标准。建模能力弱。目前,虚拟装配系统的模型需要CAD系统准备,模型修改能力弱,在产品的并行设计中应用困难。大多采用桌面式虚拟环境。这种虚拟环境的成本较低,使用方便,但沉浸感差,难以考虑实际装配过程中人体的大范围活动和人体对装配操作的影响。缺乏与产品设计系统(CAD)、工装夹具设计系统(CAFD)以及车间现场生产管理系统的集成,缺乏与产品开发其它阶段的有机结合。偏重于装配过程的三维图形仿真,而对装配过程中的各种工艺因素考虑不足,如装配力引起的零部件变形、装配质量测试的方便性、工装夹具的设计、装配人员的安全性和舒适性等,从而难以生成满足实际需要的方案。
虚拟装配技术论文篇13
1 中职计算机教学的现状
目前，计算机教学取得一定的成绩，也存在一些问题，主要表现为以下几个方面。
1.1 硬件方面。
计算机是一门实践性非常强的学科，需要给学生提供良好的实践环境。同时，随着科学技术的迅猛发展，计算机硬件的更新速度加快，计算机教学的开展也受到全新的挑战。由于我国目前招生规模的扩大，经费又相对投入有限，使得实验设备和实验场地不能及时得到扩充，教学设备的硬件建设相对欠缺和滞后，新建计算机硬件实验室、计算机网络实验室等更是不现实的。但是，计算机教学中的很多实验，如局域网的搭建，需要利用多台计算机和多种设备，由于现有的硬件配置条件有限，学生没有亲自做实验的条件和机会，无法培养其动手操作能力。
1.2 软件方面。
目前的计算机教学一般是使用公共机房。公共机房只能满足一般的实验要求，同时为了便于机房的管理和维护，通常为所有的计算机安装硬盘保护卡和应用系统策略来限制学生的某些操作。学生上机的时候，不允许他们随意安装软件，更不允许进行如硬盘分区、格式化等操作。学生无法在实际的环境中操作练习，只能被动地进行一些简单的实验操作，实践教学的效果较差。
1.3 教学方面。
许多计算机教师的思想观念还没有完全转变，在计算机教学中，重理论、轻实践，一直采取单一的理论讲授教学，非常抽象、枯燥，学生难以理解和掌握。当然，也由于经费等各方面的原因，教师一般采取以讲代练或课堂演示的方式进行教学，使得学生只有理论知识而缺乏动手实践，无法操作实验，对一些知识点无法掌握透彻。
综合以上分析，可以看出目前计算机教学存在问题的关键是教学设备不足。如何充分利用好现有的教学设备，来满足最大化的教学需求，这是一个新的挑战。笔者认为利用虚拟机可以改善上述计算机教学中存在的问题，较好地达到一机多用的目的。
2 虚拟机技术简介。
2.1 虚拟机技术的概念。
虚拟机的实现技术主要有两种[1]：①纯软件方式的虚拟机；②硬件辅助方式的虚拟机。前者是当前主流的虚拟机技术，具有成熟的应用，后者是今后的发展方向，本文内容运用前者。虚拟机技术是指将一台物理的计算机软件环境分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需求模拟出一整计算机的技术，模拟出来的计算机称为虚拟机。虚拟机技术的实质是通过中间层次实现计算机资源的管理和再分配，实现资源利用的最大化，虚拟化分区带来的最大好处是使同一物理平台能够同时运行多个同类或不同类型的操作系统，以分别作为不同业务和应用的支撑平台。
2.2 虚拟机的原理。
虚拟计算机技术可以在现有的操作系统上虚拟出一个新的子系统，这个子系统建立在正在运行的操作系统之上，同时又拥有自己独立的BIOS、CPU、硬盘、内存及各种硬件（软盘、显卡、网卡、声卡等）。当然，这些硬件都是虚拟出来的，虚拟子系统（Guest OS）的CPU是通过i386的保护模式实现，虚拟的硬盘实际上就是主系统（Host OS）上的一个文件，内存则是从物理内存中划出的一块。虚拟计算机技术可用于方便地在一个主系统上建多个同构或者异构的虚拟计算机系统，而且这些系统可以同时运行。这跟在PC机上安装多操作系统是不同的，PC机上的多系统安装在同一时刻，只能运行其中的一个系统，如果想切换系统，必须重新启动机器。而在虚拟机环境下，多个操作系统可以同时运行，即可以运行多台“机器”，人们可以在多个操作系统之间来回切换，而不需要重新启动。用虚拟机软件在一台电脑上模拟出来若干台PC，每台PC可以运行单独的操作系统而互不干扰，可以实现一台电脑“同时”运行几个操作系统，还可以将这几个操作系统连成一个网络。通常，我们把这些被模拟出来的PC称为虚拟机，也叫子机。在虚拟机里运行的操作系统叫子系统，而将运行虚拟机软件的那台叫做母机，运行虚拟机软件的操作系统叫主系统。
2.3 虚拟机软件。
基于虚拟机技术的软件研发早在十多年以前就开始了，由于技术上有一个逐渐成熟的过程，同时计算机硬件（CPU速度、内存容量、硬盘等）条件的限制，虚拟机软件近几年才真正得到用户的认同和应用。目前市场上比较流行的虚拟机软件主要有：①Microsoft的Virtual PC、Virtual Server。运行环境为Windows和MacOS，支持安装的操作系统有Windows、Mac和Linux；②SUN公司的xVM VirtualBox。运行环境为Linux和Windows，支持安装的操作系统有DOS、Windows （2000、XP、Server 2003、Vista）、Linux（2.4和2.6）、OpenBSD；③VMware公司的VMware Workstation、VMware Server。运行环境为Linux、Windows 2000以上版本，支持安装的操作系统有MS-DOS、Win9x/Me、Win2000、WinXP、、Linux、FreeBSD、NetWare6、Solaris x86等。实际应用中具体采用哪一款虚拟机软件，取决于个人爱好、虚拟机能运行的平台和需要安装的操作系统，建议使用VMware的虚拟机软件。
2.4 虚拟机技术有以下几个方面的特点。
（1）在一个主机系统中可以同时安装与运行多个不同操作系统的虚拟机子系统，而且各个虚拟机还可以与主机之间实现行对话与文件的共享，甚至还可以共同应用网络资源与运行各种C/S方式的应用。（2）如果要在虚拟机系统中再安装其他的操作系统，只要将操作系统安装在主机硬盘中虚拟出来的某个特定的文件中，不用对物理硬盘做分区的操作，而且对主机与子系统现有的硬盘分区与数据都没有任何破坏作用。（3）虚拟机与主机的硬件无关，子系统中虚拟出的硬件都是在主机之间的复制后直接进行使用的，无须考虑硬件的差异性。（4）操作系统实现了虚拟化，进行安全、高效而方便的课堂教学；计算机网络实验平台实现了虚拟化，可以在安全保障物理计算机的情况下完成多种网络连接方式下几乎所有的网络实验；计算机组装和维护实验平台实现了虚拟化，对硬盘进行分区、硬盘的格式化、操作系统的安装、系统的备份、系统的还原等实验教学都得到了有效的保障。
3 虚拟机在计算机教学中的应用。
计算机网络是一门实践性很强的课程，对硬件的要求很高，组网、路由器、交换机、防火墙配置实验是计算机网络课程的基础实验。然而要组建专业的网络工程实验室，配置专业的路由器、交换机和防火墙需要一笔很大的资金支持，对于大部分中职学校来说都是一笔不少的投资。再加上多数学校的实验室为了方便管理，都安装了硬盘保护还原卡或者还原软件，给学生做实验带来了很大的限制。
为了解决上述问题，一种比较完美的解决方案就是在单机上安装虚拟机软件，构建一个与真实网络环境相同的虚拟网络教学、实验平台。通过在一台物理计算机上安装多个虚拟计算机来模拟真实的网络环境，所有的操作都可以在这立的、没有网络连接的单机系统上实现，并且可以将这些操作在多媒体教室的投影屏幕上展现出来，有效地提高了计算机网络课程的教学效果。
目前，在计算机网络课程中常用的虚拟软件是VMware Work-Station，教师可利用VMware Workstation 为学生快速创建虚拟机，从而在安全、隔离的虚拟机中提供所需的全部课程、应用程序和工具。每堂课结束后，虚拟机都可以自动还原到一个“干净”状态，以供下一组学生使用。在虚拟机中可以进行局域网组建、Active Directory 的安装与配置、DNS 的安装与配置、Web 服务器的配置、FTP 服务器的配置、邮件服务器的配置等内容的实验。
另外，模拟软件Boson NetSim 在网络课程教学中也比较常用，Boson NetSim 是具有强大的性能的优秀网络模拟器，能够自己定义网络设备和网络拓扑结构，可以模拟出需要的各种网络实验环境，可进行静态路由配置、动态路由配置、VLAN 划分等内容的实验，仿真的操作界面让人有一种操作真实路由器的感觉。
具体笔者就以下几点展开了探讨：
3.1 多种操作系统的教学。传统学习多种操作系统的方法必需安装多系统，需要多次安装并占用多个磁盘分区，不同系统间切换需要重启。虚拟机环境下可以镜像安装多个操作系统，不需要光驱，节省光盘。
3.2 机房管理和计算机维护实验。出于公共安全考虑，格式化，磁盘分区等危险操作，容易造成硬盘数据永久丢失或硬盘损坏，学生一般没有机会亲手实践。在虚拟机环境下，学生可以任意进行格式化、分区设置等维护操作。即使操作出现问题，快照与回复功能随时回到上一步操作。
3.3 网络试验。学习网络操作系统等内容时经常需要做网络实验。但对于大型的网络实验，需要配备多台pc或服务器组网模拟局域网测试，投资巨大。如果应用虚拟机，单机就能组建虚拟局域网，实现集群试验。
3.4 编程应用与测试。当编写完成的程序需要在多种环境及多个系统下进行测试与运行时，应用虚拟机，不需要实际安装所有的系统与插件就可以轻松模拟出各种测试环境，利于发现问题和解决问题。
4 结语
虚拟机技术应用于网络教学中不但投资少，而且方便灵活，易于构建实验环境、便于扩充实验内容。帮助学生和教师在普通计算机上构建网络环境，完成实验项目。弥补真实实验室的局限性。由于VMware不能模拟复杂的交换机和路由器，如将VMware和Dynamips软件结合起来，利用Dvnamips软什模拟CISCO交换机和蹄由器，构造出各种复杂网络环境，不仅能满足网络基础课程而且能满足网络专业课程教学要求，可推广使用。
参考文献：
[1] 王纪凤 王世刚 尚玉莲 赵学军 计算机网络课程教学中的虚拟机技术应用[J].中国现代教育装备，2011（1）
