机械产品虚拟装配学习系统设计与实现
这是一篇关于虚拟装配,结构认知训练,用户体验,交互设计的论文, 主要内容为结构认知训练是工程制图教学中的重点和难点,现有通过图文资料讲解、动画演示、二维三维绘图软件展示的学习方式对结构展示不直观,缺乏与学习者的互动,学习者处于被动接收知识的状态,学习效果不佳。实物训练虽然效果尚可,但受到模型数量和模型管理的限制,难以推广。虚拟装配学习系统,是基于虚拟现实技术构建的结构认知与装配训练系统,继承了虚拟现实的沉浸感、交互性、体验性和扩展性等技术特性,可以为学习者构建直观的互动学习情境,培养学习者的实践操作能力,弥补结构认知训练现有学习方式的不足。但虚拟装配学习系统目前的研究关注解决装配相关技术问题,设计同质化严重,多数只是学习内容的简单罗列,忽略学习效果和使用者的体验感受。因此,本课题从学习者和教学者的需求出发,结合体验式学习、情境认知等理论,设计并实现了以VR端装配学习为主、移动端结构认知为辅的跨平台虚拟装配学习系统,以期改善使用者的学习体验,提高结构认知与装配训练效果。本课题主要研究内容与创新点如下:(1)以体验式学习、情境认知等理论为指导,从结构认知活动中学习者和教学者的需求与期待出发,提出系统设计模型与渐进式互动学习方式,将结构认知学习分为“体验——互动与观察——实践”三个阶段。体验阶段通过引导帮助用户快速熟悉系统环境、掌握系统交互方式,互动与观察阶段通过与学习资源的互动获取结构与装配知识,实践阶段通过装配练习任务促进学习者对知识的理解与运用。(2)基于系统设计模型,提出以VR端学习为主、移动端认知为辅的跨平台结构认知与训练框架,并完成系统的场景设计、交互设计、功能设计和用户界面设计等概念设计内容。(3)以机械产品结构认知与装配训练为例,借助Unity引擎,完成虚拟装配学习系统的开发与实现。系统分为教学场景和训练场景,教学场景对应学习的“体验”阶段,做了简化设计,能帮助学习者快速上手,减少认知负担;训练场景对应学习的“互动与观察”以及“实践”阶段,承担结构认知和装配训练的任务,设计均围绕知识获取与运用展开。(4)通过不同学习方式的对比实验对系统体验性和学习效果进行评估,让对照组和实验组测试者分别在现有条件(通过课件、三维模型、动画等方式学习)下和虚拟装配学习系统中学习,然后进行实物装配。实验组测试者主观满意度和评价表明,他们在系统中的整体体验良好,系统在三维物体展示、沉浸感、学习体验性与互动性等方面获得用户的普遍认可。从两组测试者实物装配数据来看,学习组与对照组的实物装配完成耗时T检验显著性概率为0.046(<0.05),存在显著性差异,表明在系统中的学习效果优于通过现有方式学习。
虚拟装配定位约束及智能路径规划研究
这是一篇关于虚拟装配,近端策略优化,空间定位约束,路径规划的论文, 主要内容为零件装配是工业生产中的重要组成部分,伴随着高质量装配培训需求的提出,对机械装配人员的操作水平提出了更高的要求,因此对于零件装配定位过程与智能化虚拟装配系统的研究具有重要的理论和应用价值。本文以压气机零件装配过程为研究对象,对虚拟装配中零件的定位约束进行了研究,并提出了将强化学习中的近端策略优化算法应用于零件的装配路径规划过程,在此基础上开发实现了压气机沉浸式虚拟装配系统,验证了所提出方法的有效性,本文的主要研究如下:(1)构建、优化模型:在3ds MAX中,1:1构建用于零件定位约束和沉浸式装配系统的压气机模型,对压气机模型进行重复零件删除处理,并且采用零件装配树描述了压气机零件装配结构,解算出压气机零件装配顺序。在Unity 3D中对各个零件模型进行优化处理,解决了在沉浸式虚拟现实系统中设备运行卡顿的问题。(2)研究压气机零件装配定位约束:从零件空间位姿和空间自由度约束出发,对零件装配过程中装配位姿约束及空间自由度变化进行了研究,对三类零件的装配过程设计定位算法并做出仿真模拟,并在此基础上对装配操作进行正确的引导,最后搭建虚拟装配环境利用C#脚本实现上述定位约束过程,装配系统可动态识别零件间的装配约束关系,解决了沉浸式环境下因缺少定位约束所产生的真实感差的问题。(3)零件装配路径智能规划引导研究:利用ML-agents强化学习插件以及Unity 3D引擎搭建了强化学习环境,在环境中利用近端策略优化算法来训练零件以便其进行智能路径规划决策,设置动作奖惩函数、动作函数、以及场景重置函数来训练零件智能体,通过训练最终使得零件智能体路径规划决策模型收敛。无论被装配零件在场景处于何位置,决策模型均能使零件智能体去靠近被装配零件,将决策模型泛化到其余零件上,使得其余零件也拥有了路径规划的自主决策能力。最后设计引导对照实验验证智能路径规划对装配过程的路径引导能力,降低了压气机装配培训的认知负担。(4)压气机沉浸式虚拟装配系统开发:以压气机为对象,利用HTC VIVE虚拟现实设备以及VRTK虚拟现实引擎进行了装配系统的验证开发,实现多样化的人机交互机制以及高沉浸感的虚拟环境,开发了机械结构学习模块、装配操作实训模块。基于上述方法所开发的沉浸式压气机虚拟装配系统,较好地解决了沉浸式环境下缺少定位约束所造成的装配过程真实感差的问题,并利用近端策略优化算法实现了对零件装配运动路径进行规划的过程,零件自动生成装配运动引导路径,降低了人在虚拟培训过程中的认知负担和装配负担,实现虚拟装配系统由重视功能到重视用户交互体验的转变。
基于WebGL与OCC的刀具在线建模与仿真
这是一篇关于WebGL,OCC,在线建模,参数化设计,三维标注,虚拟装配,加工仿真的论文, 主要内容为随着制造业信息化、智能化发展,刀具的数字化模型与信息化管理变得越来越重要。目前国内的刀具相关系统主要实现刀具的库存信息、使用状态存储位置等数据处理方面功能,在针对刀具模型建模、仿真等方面的图形功能开发还有待提高。同时,当前网络化、云技术、人工智能已成为CAD技术发展主流。本文开展基于WebGL与OpenCASCADE(简称OCC)的刀具在线建模与仿真的系统研究开发。主要研究内容如下:(1)基于网络技术,采用B/S架构进行刀具在线建模与仿真系统的搭建,在客户端网页开发中应用WebGL技术实现刀具三维模型及信息的显示管理及交互界面的开发,在系统后台服务端利用Socket技术与自主开发的基于OCC的图形处理系统进行通信,实现对图形的三维建模等功能,摆脱对现有商业造型软件的依赖实现系统功能自主性。(2)开展在线建模技术、刀具参数化设计技术、三维标注技术的开发研究。结合WebGL与OCC技术开发出在线建模功能实现在线刀具零部件建模;通过结构特征分析,采用参数化驱动技术实现刀具模型的参数化设计建模;通过对网格模型的特征提取,实现模型在线三维标注功能。(3)研究了装配中常用的几何约束类型,建立了一种基于自由度分析的约束处理方法,通过碰撞检测、约束判断、装配优先级评判、约束有效性验算等技术开发,采用模糊评判的方式自动识别和评判出最能体现出用户装配意图的装配约束关系,实现刀具在线虚拟装配功能。(4)展开图形动态显示技术和加工仿真技术的研究。通过对机床、刀具和工件的加载定义建立加工仿真场景,在后台图形处理系统进行布尔运算实现工件材料去除,从而完成铣刀容屑槽磨削的加工仿真功能的开发。系统实现刀具在线建模与仿真等图形处理功能的研发。在刀具设计与建模中提供刀具在线建模、参数化设计及三维标注功能,加快产品设计开发。在系统中提供虚拟装配和加工仿真功能,帮助企业提高刀具实际装配和加工效率。
基于知识图谱双向融合的产品装配知识推荐方法研究
这是一篇关于产品装配知识,装配知识图谱,装配场景,双向融合构建,虚拟装配,知识推荐的论文, 主要内容为产品装配是现代生产制造的重要组成部分。随着制造业信息技术的发展与应用,产品数字化装配成为产品智能制造的核心环节,知识推荐技术是实现产品数字化装配的关键技术之一。产品装配知识是在产品生产实践中不断总结的具有指导作用的信息资源。随着产品的迭代与升级,大量的多源异构装配知识缺乏有效的组织形式,难以为装配技术人员提供简单易用的知识获取服务。因此,高效的装配知识组织形式与知识获取方式,可提高产品装配效率、缩短生产周期。针对上述问题,本文从装配知识的资源分析与提取、装配领域知识图谱融合构建以及装配知识推荐算法三个方面进行了研究,主要研究内容如下:第一章总述了本文的研究背景与意义,对知识图谱构建与应用技术以及推面向产品装配的知识推荐技术的国内外相关研究进行了总结分析,介绍了论文的研究内容与组织框架。第二章对产品装配过程中涉及的知识资源进行了分析和分类。提出了针对产品装配知识资源的知识分层抽取方法,包括基于统计机器学习的装配领域实体抽取方法,基于依存分析的装配领域实体关系分步提取方法和装配领域实体链接方法,实现了知识资源从文本句子到结构化实体和关系的转换。第三章研究了面向产品装配领域知识图谱的双向构建及融合技术。采用装配知识本体建模方法,自顶向下建立了知识图谱基本模式层。建立了知识图谱拓展模式层的结构框架,研究了自底向上的装配领域概念层次归纳和抽象方法。针对双向构建过程中的语义概念重复问题,提出了产品装配知识语义概念融合方法,实现了产品装配知识图谱的双向融合构建。最后以某型号数控机床十字滑台为实例进行产品装配领域知识图谱构建。第四章提出了一种基于知识图谱和场景感知(KG-SA)的产品装配知识推荐方法。研究了基于KG-SA的知识推荐方法的总体框架。分析并定义了装配场景因素,构造了融合场景因素的知识推荐算法。利用知识图谱特征学习算法对知识图谱进行降维表示,在融合了装配场景因素的推荐算法基础上构造了基于知识图谱和场景感知的装配知识推荐算法,并通过随机梯度下降法进行训练求解。第五章开发了产品虚拟装配知识推荐系统,系统的主要功能模块有:虚拟装配人机交互模块、知识图谱模块和知识推荐模块三部分。该系统在实际生产装配中进行了应用验证,可提高产品的装配效率。第六章总结了全文研究内容和创新点,对产品装配领域知识推荐的后续研究内容与方向进行了展望
基于协同设计的虚拟装配浏览系统
这是一篇关于协同设计,虚拟装配,可视化,VRML,Java3D的论文, 主要内容为随着计算机网络技术和虚拟装配技术的迅速发展与应用，网络CAD协同设计技术已成为制造业发展的一个重要趋势。制造业信息化不断强调设计资源的共享和重复利用，设计人员也迫切希望通过互联网所带来的资源和信息方面的优势，在线浏览三维模型和产品装配动画，交流设计心得，下载所需的模型文件，快速地进行产品设计制造，进行协同设计。因此，构建网络化的虚拟装配环境显得非常重要。 本论文针对目前国内外可视化技术与虚拟装配技术已有成果，以网络CAD协同设计为目标，实现制造业中机械零部件虚拟装配网络化的使用和管理、三维模型和装配动画的动态浏览。主要研究内容与成果如下： （1）分析了国内外可视化技术和虚拟装配技术的研究现状，根据企业需求提出系统的总体设计方案，采用B/S结构的系统架构，对系统的功能结构进行了划分和设计。 （2）在研究了Java EE、MySQL、Tomcat等技术后，建立了基于Java EE的机械零部件虚拟装配协同浏览系统，包括数据表的创建、数据源的录入存储、装配动画的加载等，为企业内部设计师及用户实现了集CAD图形文件的上传和下载、三维模型动态浏览、在线交流、信息管理于一体的机械零部件虚拟装配网络化管理系统。 （3）利用CAD建模软件、VRML和Java3D技术完成虚拟装配动画的制作，在JSP页面运用Java Applet可嵌在网页上运行的特性和Java3D的图形、图像处理能力，借助系统设计的鼠标协同交互功能，用户无需在本地安装专业的三维建模软件，实现直接在网页上动态浏览机械零部件三维模型和虚拟装配动画的目的。
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