半实物虚拟装配的建模理论、共融方法及支撑技术

Currently, those studies on Virtual assembly are focus on assembly simulations based nominal geometry models. It stayed at validation for design stage. It's difficult to make decision for real assembly process if those manufacturing deviations or errors which they will effect products' qualities heavily. It's one of the most challenges for virtual assembly study to how to apply those technologies into real assembly process. Especially, One-of-a-kind production mode, complicated large-scale structure even for Additive Manufacturing face serious challenges According cutting-edge research topics and the actual needs of domestic and international, the project presents a na?ve, fusion Model with virtual product and measurement information. Its called as "quasi-physical virtual assembly". The information model, geometry feature modeling, assembly constraints modeling are also explored. The definition and expression of Quasi-physical model are presented firstly. The project will probe an infiltrative method among nominal geometry models and mensuration cloud points. The infiltrative method will adapt a registration rule tree based global context including assembly process requirements, product manufacture method or types. Those information will be presented by PMI(production manufacturing information). Finally, visualization and human-computer interaction technology, support toolkits are expected to be developed, such as collision detection, assembly path and assembly sequences. The study will extend the area of virtual assembly and benefit to the actual assembly manufacturing applications.

目前虚拟装配技术研究仍然集中在基于理想尺寸数模的装配过程模拟上，还停留在设计验证阶段。不充分考虑后续制造和装配偏差对产品最终质量的影响，则很难对实际装配活动提供决策。推动虚拟装配技术在单件、复杂大构件产品的现场装配以及面向增材制造的装配，实现一次性装配成功，是虚拟装配技术面临的最大挑战之一。 课题从国内外的前沿研究和实际需求出发，提出一种全新的、三维几何模型和海量测量数据互融的虚拟装配技术- - "半实物虚拟装配"。探索基于胖模型的半实物装配信息模型，研究半实物装配中的几何特征模型、装配约束模型的建模方法，展开对半实物装配的模型定义、表达、融合的研究。通过全局上下文装配特征的配准规则树，揭示半实物装配的配准机理，从而获得面向实际装配的通用方法。开发半实物装配的三维可视化和人机交互技术等支撑工具，展开对半实物模型的碰撞检测、装配路径和装配序列等应用研究，验证课题的方法，探索应用的前景。

复杂大构件产品的现场装配过程，采用虚实融合技术可以实现一次性装配成功，有巨大的应用价值。然而目前虚拟装配技术研究集中在基于理想尺寸数模的装配过程模拟上，在装配过程中考虑物性、考虑设计公差进行容差分布和装配精度分析较少，在装配模型理论研究层面上仍然没有大的突破。针对大尺寸装配的虚实融合难题，本课题主要研究6个部分，从三个层次展开研究。首先是基础理论研究，研究半实物模型的信息建模，建模框架；其次半实物模型的支撑技术研究，包括模型存储，模型的演化机理，离散点云和连续实体特征的融合映射，形式化统一表达和实现方法；最后研究半实物模型的可视化与人机交互技术，建立相关验证系统，通过试验验证理论的正确和实用性。.课题经过四年研究，研究结果包括：提出了一种可行的半实物装配信息模型：基于胖模型，实现了半实物装配信息模型，给出了四元要素的建模方法；提出了一种半实物装配模型虚实信息融合方法：以装配特征树为主模型的融合框架，在特征节点添加实物特征节点，加载配准测量点云点云簇，同时对点云进行拟合，使得具备松散装配特征；研究了一种半实物装配模型多工序间的信息驱动方法：通过建立模型的规约与求解方法，实现了半实物模型在设计、制造过程的信息集成，该方法扩展到数字孪生装配；实现了基于半实物模型的虚拟装配原型系统，并推广在企业应用。.当前数字孪生研究非常火热，本项目4年前提出的半实物模型和数字孪生模型异曲同工，研究其信息模型、集成、共融方法是核心。本课题在理论和方法上解决虚拟装配与实际装配间的信息鸿沟，给虚拟装配的进一步应用提供理论支持和模型支撑。成果已经当前在企业的成功应用，缩短了实际装配的时间，提高装配质量，提高一次装配成功率。课题的研究对于完善虚拟装配的理论、基于数字孪生的装配应用也有明显的理论意义、科学价值。