Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы проектирования механических систем: от классических методов к виртуальным макетам 11
1.1. Развитие методов проектирования механических систем 12
1.2. Методы моделирования процессов сборки/разборки (С/Р) 18
1.3. Интерес использования виртуальной реальности (ВР) для моделирования процессов С/Р 30
1.4. Заключение 46
Глава 2. Виртуальная реальность: методы и модели 51
2.1. Виртуальная реальность: понятия и примеры применения 52
2.2. Интерфейсы манипуляции объектов для виртуальной С/Р 62
2.3. Модели виртуальных деформируемых объектов 83
2.4. Заключение 96
Глава 3. Методология моделирования процессов С/Р деформируемых деталей в среде ВР 99
3.1. Введение 100
3.2. Методология моделирования процессов С/Р деформируемых деталей в среде ВР 101
3.3. Принципы расчета деформируемых деталей при моделировании их процессов С/Р в среде ВР 110
3.4. Определение механических характеристик материала для моделирования процессов С/Р гибких элементов 120
3.5. Проблемы использования геометрических моделей САПР в среде ВР 130
3.6. Заключение 134
Глава 4. Модель гибкого стержня 137
4.1. Введение 138
4;2. Гибкий стержень: определения и допущения 139
4.3. Геометрическая часть модели: геометрическая нелинейность 144
4.4. Механическая часть модели: уравнения равновесия 151
4.5. Вектор состояния гибкого стержня 154
4.6. Заключение 160
Глава 5. Численный расчет гибких стержней 163
5.1. Введение 164
5.2. Численные методы расчета гибких стержней 164
5.3. Моделирование в пространстве сил 172
5.4. Моделирование в пространстве конфигураций 178
5.5. Заключение 196
Глава 6. Экспериментальное исследование и оценка операций С/Р 199
6.1. Введение 200
6.2. Оценочные критерии процессов С/Р при моделировании в среде ВР 200
6.3. Постановка экспериментального исследования процессов С/Р 207
6.4. Оценка виртуальной операции сборки гибкого элемента 214
6.5. Заключение 223
Глава 7. Разработанное программное обеспечение для моделирования гибких элементов 225
7.1. Введение 226
7.2. Моделирование гибких элементов в среде F3P 226
7.3. Моделирование гибких элементов в среде ВР Virtools 231
7.4. Заключение 237
Заключение и выводы 239
Приложение А 243
Литература ' 247
- Интерес использования виртуальной реальности (ВР) для моделирования процессов С/Р
- Интерфейсы манипуляции объектов для виртуальной С/Р
- Принципы расчета деформируемых деталей при моделировании их процессов С/Р в среде ВР
- Геометрическая часть модели: геометрическая нелинейность
Введение к работе
Введение
Мир изменяется, границы открываются, средства связи развиваются, экономика становится все более и более неустойчивой... Конкуренция, развитие промышленных предприятий, быстрая разработка новых изделий делают из промышленного производства все более и более «рискованный» вид деятельности. В контексте быстрых экономических изменений, новые рыночные отношения являются важным фактором для производителей, предлагающих новые товары и услуги.
Что касается западного рынка, раньше, промышленные предприятия диктовали «правила игры». Теперь, именно рынок навязывает свои собственные законы, заставляя производить все более и более разнообразные, современные, удобные для потребления и недорогие товары. Учитывая современные экономические реалии, новые изделия больше не могут быть спроектированы и изготовлены без учета известного в промышленном мире трио — «время -стоимость- качество».
Промышленные и потребительские приоритеты постоянно меняются, развиваются. После оптимизации процессов проектирования и производства, различные вопросы, связанные с качеством, эргономикой, переработкой, техническим обслуживанием при наименьшей стоимости становятся все более и более актуальными. В настоящее время, различные потребительские требования настолько важны, что промышленные предприятия оказываются все более и более чувствительными к таким вопросам, усложняя, оптимизируя, делая еще более гибкими фазы выпуска, продажи и последующего обслуживания данного изделия.
Изделие материализуется в процессе производственной фазы выпуска продукции. Таким образом, именно этот этап характеризует в наибольшей степени производственные издержки, время изготовления и качество изделия [18]. На этой стадии необходимо.не только разработать требуемый процесс изготовления/обработки изделия, но и предложить наилучшую схему сборочного процесса и контроля качества. Очевидно, что в эру Интернета, доступного уже с борта самолета, изделия выпускаются все более и более сложными, что влечет за собой проектирование нетривиального сборочного процесса. Например, не так легко вообразить процесс сборки Боинга 747, включающего 6 миллионов деталей и 250 км электрических проводов с компонентами, изготовленными в 14 странах [22]. Процессы контроля качества, технического обслуживания, их стоимость для таких сложных систем также представляют собой важный вопрос, учитывая также условия, связанные с их надежностью и безопасностью. Такой простой пример показывает, как важно и, в то же время, сложно проектировать «правильное» изделие, отвечающее не только критериям времени и стоимости его разработки, изготовления, а также качества, но и предложить весь комплекс требуемых мероприятий от стадии начального проектирования изделия до стадии его выпуска на рынок с последующим его техническим обслуживанием. Таким образом, повышение качества, уменьшение сроков разработки и снижение стоимости нового изделия, учет различных условий с точки зрения проектирования, изготовления, сборки, переработки и т.д. играют все более и более важную роль в контексте мировой конкуренции. При этом, различные вопросы, связанные со сборкой/разборкой (С/Р), техническим обслуживанием, эргономическими аспектами занимают особое место в процессе разработки новой сложной системы.
Фаза проектной разработки нового изделия сменяется, как правило, этапами опытного производства с разработкой соответствующих технологических процессов (изготовление,
Введение сборка,...), тестами валидации изделия, требующих изготовление дорогостоящих физических прототипов. Таким образом, каждая ошибка в процессе проектирования или выборе технологического процесса влечет за собой увеличение стоимости и времени разработки конечного изделия. Следовательно, необходимо уметь идентифицировать различные проблемы, связанные с проектированием, производством, потреблением изделия начиная с первых же этапов его разработки.
Многообещающем решением некоторых перечисленных выше проблем является использование систем автоматизированного проектирования (САПР) в процессе разработки нового изделия. Отныне, такие системы могут используются при проектировании изделия начиная с этапа создания его первых чертежей до отправления смежным структурам, участвующим в проектировании/производстве данного изделия, электронных данных с его полным определением, что оказывает эффективную поддержку для проектировщиков и производителей. Быстрая разработка сложной системы не может теперь обходиться без создания цифрового трехмерного представления, легко изменяемого и удобного для различных дискуссий, интересного для обмена данных, эффективного для различных численных тестов и расчетов. Отныне, можно быстро численно моделировать и анализировать сложные физические явления, моделировать и оптимизировать технологические процессы обработки без использования станков, разрабатывать процессы С/Р, изучать эргономическую сторону выпускаемого изделия и т.д. Как следствие, такие цифровые методы позволяют значительно уменьшить число физических прототипов, сократить время, снизить расходы при проектировании сложной системы.
С некоторого времени, отдельные промышленные предприятия стараются рассматривать другие типы проблем для более эффективного процесса производства: учет доступа и анализ видимости при сборке, усталость рабочего во время сборочного процесса, проблемы технического обслуживания изделия, оптимальное размещение производственных линий, оценка рабочего пространства для робота или человека и даже моделирование работы изделия в внешней среде при его эксплуатации. Эти и многие другие проблемы проектирования «правильного» изделия привели к развитию и внедрению в девяностых годах в ряде крупных предприятий, таких как PSA', Renault, EADS, BMW, СЕА, NASA и др., новых методов проектирования, в том числе, с привлечением технологий виртуальной реальности (ВР). Например, создание виртуального изделия и его изучение с помощью технологий ВР позволяет проектировщикам более эффективно разрабатывать сложные системы, «погружаясь» при необходимости в виртуальный мир, представленный разрабатываемой системой, потребителем, окружающей средой, становясь при этом неотъемлемой частью такой сложной системы как «изделие - человек», манипулировать, трогать виртуальные объекты и ощущать некоторые физические характеристики и параметры как усилия взаимодействия, когда манипулируемый объект сталкивается с препятствием (например, при моделировании процесса ручной сборки иди специфического технического обслуживания), вес и жесткость манипулируемой виртуальной детали и т.д. Таким образом, ВР предоставляет проектировщикам дополнительные функции для более эффективных разработки и оптимизации изделия и его технологического процесса, функции, которыми классические системы САПР не располагают.
Тем не менее, несмотря на очевидный прикладной интерес виртуального моделирования различных технологических процессов, моделирование операций С/Р в среде ВР, основанное в первую очередь на прямом участии человека, не означает, что только одно решение существует. Действительно, операции С/Р, технического обслуживания крайне разнообразны, и множество возможных решений существует для их реализации. Кроме того, необходимо также учитывать природу манипулируемых деталей, а именно, их возможную деформацию в процессе сборочной манипуляции.
В настоящий момент, практически отсутствуют средства для моделирования виртуальной С/Р, учитывающие физически корректную деформацию манипулируемых деталей и, в особенности, гибких элементов, в процессе их виртуальной манипуляции при С/Р сложных систем.
Введение
Необходимо также отметить, что основным условием для любого моделирования в среде ВР является время расчета, которое должно быть крайне быстрым, практически в реальном времени. Возможное использование упрощенных механических моделей с целью уменьшения времени расчета не означает, что проектировщик получит адекватную информацию о поведении гибкого проектируемого элемента в процессе его виртуальной сборки. Примерами такой информации могут служить корректный расчет деформированной формы гибкой детали для контроля реальных пересечений между манипулируемой виртуальной'деталью и ее внешней средой (механизмом, оператором и т.п.), механические данные, связанные с процессом деформации (внешние усилия, необходимые для осуществления данной операции С/Р, напряженное состояние в гибкой детали в процессе ее манипулирования и в конечной сборочной конфигурации) и т.д.
Таким образом, предлагаемая диссертационная работа посвящена: разработке методологии расчета и моделирования операций С/Р деформируемых деталей в среде ВР, разработке методов, позволяющих адекватный и быстрый расчет гибких элементов, работающих в области больших перемещений в процессе их виртуальной манипуляции, а именно, элементов типа «гибкие стержни», часто встречаемые в инженерной практике, разработке программного средства, позволяющего разработчикам быстро и адекватно изучить, проанализиров
Настоящая диссертация организована следующим образом. Первая глава представляет основные методы проектирования механических систем, и в частности, методы моделирования процессов С/Р. Основные преимущества и недостатки существующих методов автоматического моделирования процессов С/Р рассмотрены в этой главе. Как результат, практический интерес использования ВР в моделировании процессов С/Р и технического обслуживания проектируемых механических систем, содержащих различные недеформируемые (мало деформируемые) детали, а также гибкие элементы, обсужден в главе 1. Более того, в этой главе будут даны различные примеры использования ВР в моделировании процессов С/Р.
Интерес использования виртуальной реальности (ВР) для моделирования процессов С/Р
Мир изменяется, границы открываются, средства связи развиваются, экономика становится все более и более неустойчивой... Конкуренция, развитие промышленных предприятий, быстрая разработка новых изделий делают из промышленного производства все более и более «рискованный» вид деятельности. В контексте быстрых экономических изменений, новые рыночные отношения являются важным фактором для производителей, предлагающих новые товары и услуги.
Что касается западного рынка, раньше, промышленные предприятия диктовали «правила игры». Теперь, именно рынок навязывает свои собственные законы, заставляя производить все более и более разнообразные, современные, удобные для потребления и недорогие товары. Учитывая современные экономические реалии, новые изделия больше не могут быть спроектированы и изготовлены без учета известного в промышленном мире трио — «время -стоимость- качество».
Промышленные и потребительские приоритеты постоянно меняются, развиваются. После оптимизации процессов проектирования и производства, различные вопросы, связанные с качеством, эргономикой, переработкой, техническим обслуживанием при наименьшей стоимости становятся все более и более актуальными. В настоящее время, различные потребительские требования настолько важны, что промышленные предприятия оказываются все более и более чувствительными к таким вопросам, усложняя, оптимизируя, делая еще более гибкими фазы выпуска, продажи и последующего обслуживания данного изделия.
Изделие материализуется в процессе производственной фазы выпуска продукции. Таким образом, именно этот этап характеризует в наибольшей степени производственные издержки, время изготовления и качество изделия [18]. На этой стадии необходимо.не только разработать требуемый процесс изготовления/обработки изделия, но и предложить наилучшую схему сборочного процесса и контроля качества. Очевидно, что в эру Интернета, доступного уже с борта самолета, изделия выпускаются все более и более сложными, что влечет за собой проектирование нетривиального сборочного процесса. Например, не так легко вообразить процесс сборки Боинга 747, включающего 6 миллионов деталей и 250 км электрических проводов с компонентами, изготовленными в 14 странах [22]. Процессы контроля качества, технического обслуживания, их стоимость для таких сложных систем также представляют собой важный вопрос, учитывая также условия, связанные с их надежностью и безопасностью. Такой простой пример показывает, как важно и, в то же время, сложно проектировать «правильное» изделие, отвечающее не только критериям времени и стоимости его разработки, изготовления, а также качества, но и предложить весь комплекс требуемых мероприятий от стадии начального проектирования изделия до стадии его выпуска на рынок с последующим его техническим обслуживанием. Таким образом, повышение качества, уменьшение сроков разработки и снижение стоимости нового изделия, учет различных условий с точки зрения проектирования, изготовления, сборки, переработки и т.д. играют все более и более важную роль в контексте мировой конкуренции. При этом, различные вопросы, связанные со сборкой/разборкой (С/Р), техническим обслуживанием, эргономическими аспектами занимают особое место в процессе разработки новой сложной системы.
Фаза проектной разработки нового изделия сменяется, как правило, этапами опытного производства с разработкой соответствующих технологических процессов (изготовление, сборка,...), тестами валидации изделия, требующих изготовление дорогостоящих физических прототипов. Таким образом, каждая ошибка в процессе проектирования или выборе технологического процесса влечет за собой увеличение стоимости и времени разработки конечного изделия. Следовательно, необходимо уметь идентифицировать различные проблемы, связанные с проектированием, производством, потреблением изделия начиная с первых же этапов его разработки.
Многообещающем решением некоторых перечисленных выше проблем является использование систем автоматизированного проектирования (САПР) в процессе разработки нового изделия. Отныне, такие системы могут используются при проектировании изделия начиная с этапа создания его первых чертежей до отправления смежным структурам, участвующим в проектировании/производстве данного изделия, электронных данных с его полным определением, что оказывает эффективную поддержку для проектировщиков и производителей. Быстрая разработка сложной системы не может теперь обходиться без создания цифрового трехмерного представления, легко изменяемого и удобного для различных дискуссий, интересного для обмена данных, эффективного для различных численных тестов и расчетов. Отныне, можно быстро численно моделировать и анализировать сложные физические явления, моделировать и оптимизировать технологические процессы обработки без использования станков, разрабатывать процессы С/Р, изучать эргономическую сторону выпускаемого изделия и т.д. Как следствие, такие цифровые методы позволяют значительно уменьшить число физических прототипов, сократить время, снизить расходы при проектировании сложной системы.
С некоторого времени, отдельные промышленные предприятия стараются рассматривать другие типы проблем для более эффективного процесса производства: учет доступа и анализ видимости при сборке, усталость рабочего во время сборочного процесса, проблемы технического обслуживания изделия, оптимальное размещение производственных линий, оценка рабочего пространства для робота или человека и даже моделирование работы изделия в внешней среде при его эксплуатации. Эти и многие другие проблемы проектирования «правильного» изделия привели к развитию и внедрению в девяностых годах в ряде крупных предприятий, таких как PSA , Renault, EADS, BMW, СЕА, NASA и др., новых методов проектирования, в том числе, с привлечением технологий виртуальной реальности (ВР). Например, создание виртуального изделия и его изучение с помощью технологий ВР позволяет проектировщикам более эффективно разрабатывать сложные системы, «погружаясь» при необходимости в виртуальный мир, представленный разрабатываемой системой, потребителем, окружающей средой, становясь при этом неотъемлемой частью такой сложной системы как «изделие - человек», манипулировать, трогать виртуальные объекты и ощущать некоторые физические характеристики и параметры как усилия взаимодействия, когда манипулируемый объект сталкивается с препятствием (например, при моделировании процесса ручной сборки иди специфического технического обслуживания), вес и жесткость манипулируемой виртуальной детали и т.д. Таким образом, ВР предоставляет проектировщикам дополнительные функции для более эффективных разработки и оптимизации изделия и его технологического процесса, функции, которыми классические системы САПР не располагают.
Тем не менее, несмотря на очевидный прикладной интерес виртуального моделирования различных технологических процессов, моделирование операций С/Р в среде ВР, основанное в первую очередь на прямом участии человека, не означает, что только одно решение существует. Действительно, операции С/Р, технического обслуживания крайне разнообразны, и множество возможных решений существует для их реализации. Кроме того, необходимо также учитывать природу манипулируемых деталей, а именно, их возможную деформацию в процессе сборочной манипуляции.
В настоящий момент, практически отсутствуют средства для моделирования виртуальной С/Р, учитывающие физически корректную деформацию манипулируемых деталей и, в особенности, гибких элементов, в процессе их виртуальной манипуляции при С/Р сложных систем.
Интерфейсы манипуляции объектов для виртуальной С/Р
Потребность в расчете реалистичных траекторий С/Р, детальном изучении специфических операций при техническом обслуживании, необходимость использовать возможности глобального визуального анализа оператором в процессе манипуляции при С/Р и т.д. привели к развитию средств, позволяющих взаимодействовать с виртуальными объектами в реальном времени. Одним из первых появившихся методов в области виртуальной С/Р, предлагающих взаимодействие между виртуальным объектом и человеком, был метод, основанный на прямой манипуляции виртуальных объектов с расчетом и визуализацией их движений в виртуальной среде. Читатель сможет найти больше информации по этому поводу в [33, 42, 58, 76, 99, 121, 152].
Прежде чем представить некоторые аспекты манипуляции виртуальных объектов, важно уточнить, что имеются главным образом два основных элемента, которые необходимо моделировать при виртуальной манипуляции: перемещения виртуального объекта в реальном времени. Это моделирование включает обычно: расчет перемещений (линейных и угловых) объекта, моделирование физического поведения объекта в процессе его манипуляции: физически нелинейные деформации, геометрически нелинейные перемещения гибкой структуры и т.д., контроль столкновений, а также моделирование взаимодействия между данной виртуальной деталью и другими объектами и/или внешней средой: трение, скольжение и т.д., виртуальный мир (внешняя среда) манипулируемого виртуального объекта, среда, которая обычно является статической («замороженной») по отношению к движениям манипулируемого объекта. Что касается моделирования перемещений виртуальных объектов в контексте С/Р, расчет последовательных движений деталей в виртуальном мире представляет собой процесс, основанный на глобальном визуальном анализе происходящего пользователем и включающий в частности следующие этапы: выбор виртуального объекта для манипуляции, процесс манипуляции, т.е. расчет всех движений данного объекта, соответствующий расчету траектории С/Р в реальном времени, который может представлять: свободная манипуляция без каких-либо стеснений в движении объекта, стесненная манипуляция в процессе поиска траектории, например, отмена движений вращения, контроль столкновений (пересечений) в реальном времени в процессе манипулирования, например, для расчета траектории С/Р, свободной от столкновений с препятствиями (другими объектами) для анализа свободного доступа к данной детали и т.п., окончательный монтаж (установка) в случае операции сборки. Свободная манипуляция является наиболее распространенным, и в этом случае интересно отменять «бесполезные» движения детали (например, некоторое число степеней свободы детали во вращении). Таким образом, движения детали без ее вращения сводятся к ее последовательным переносам [50, 139]. Движения виртуальных деталей обычно реализованы с помощью интерфейсов ВР, имеющих от двух (2D) до шести (6D) степеней свободы, определяющих координаты и/или углы требуемых конфигураций манипулируемой детали, которые необходимо достичь: обыкновенная мышка 2D, интерфейсы SpaceMouse и SpaceBall типа 6D и т.д. Устройства ввода/вывода ВР будут более детально представлены в главе 2. На рис. 1.4 представлено два вида виртуальных манипуляций: свободная и стесненная манипуляции виртуальных объектов. Что касается контроля столкновений, эта задача определяется следующим образом: проверить, если два твердых тела, находящихся в относительном движении, имеют общее пересечение в данный момент времени. Два метода контроля столкновений наиболее часто использованы [111]. Первый основан на расчете расстояний: он применим только к выпуклым объектам, но представляет особенный интерес, так как расчет расстояния между объектами позволяет предупредить возможные столкновения. Второй подход, более общий и часто используемый в ВР, рассматривает «выпуклые» и «вогнутые» объекты и основан на расчете пересечений между твердыми телами. Если манипулируемая деталь сталкивается с другими телами в процессе моделирования виртуальной операции С/Р, два вида действий обычно предложено в этом случае: манипуляция продолжается, но факт столкновения указан изменением цвета объектов, находящихся во взаимном пересечении, звуковым сигналом и т.п. Манипулируемая деталь может, таким образом, «пройти» сквозь другие виртуальные объекты, что недопустимо, например, для оптимизации траекторий С/Р, манипуляция (движение виртуального объекта) блокирована по направлению к движению, вызывающему столкновение.
Окончательный монтаж (установка), или последняя фаза операции сборки часто является деликатным этапом, требующим одновременного контроля некоторых параметров: более сложное движение детали с учетом как линейных, так и угловых перемещений, приоритетные направления движения детали, зоны с большой концентрацией препятствий и т.д. В настоящее время, существуют методы типа «распознание ограничений» [33, 99, 100], позволяющих автоматически и априори идентифицировать возможные стеснения или ограничения в зоне монтажа (концентрация препятствий, различные виды геометрических контактов сборки и т.д.), предложить возможное решение с поиском направлений сборки и форм поверхностей собираемых деталей (вал и отверстие, плоскости и т.д.), автоматически устанавливать деталь, для которой направление сборки, предложенное системой, было валидировано оператором. На рис. 1.5 представлен пример такого автоматического поиска монтажных направлений с их указанием оператору в среде VADE виртуального моделирования процессов С/Р [39, 100]. Такие функции автоматического контроля представляют особенный интерес: они позволяют избегать стеснений в движении детали в зоне, близкой к установке в данном механизме. Более того, визуализация виртуальной руки оператора помогает анализу процесса манипуляции, позволяет изучить различные способы захвата детали, учесть столкновения между рукой оператора и/или соответствующим монтажном инструментом, а также внешней средой детали.
Относительно моделирования внешней среды виртуальной детали, эта среда обычно является статической по отношению к движениям детали, т.е. не изменяет своей формы в процессе манипуляции детали. Однако, в настоящее время, разрабатываются средства, позволяющие изменять форму жестких тел (точнее их размеры, основываясь на их моделях САПР) если оказывается, что в процессе изучения процесса С/Р или технического обслужив-ния первоначальная форма данной недеформируемой детали вызывает проблемы технологичности изделия с точки зрения С/Р. Это особо интересно для параллельного и интегрированного проектирования при изучении и оптимизации различных технологических операций. Мы возвратимся к этому вопросу в главе 3 диссертации. Тем не менее, отметим, что отдельные параметрические системы САПР (ProEngineer, Catia) могут уже предложить функции быстрого изменения геометрии жестких деталей и их внешней среды, если такое изменение размеров требуется в ходе виртуального моделирования процессов С/Р. Геометрические изменения деталей могут быть осуществлены с помощью виртуальных меню [100].
Принципы расчета деформируемых деталей при моделировании их процессов С/Р в среде ВР
Несмотря на отдельные проблемы в корректном моделировании гибких элементов в среде ВР, использование ВР в изучении процессов С/Р и технического обслуживания таких элементов представляет собой особый интерес по сравнению с автоматическими методами моделирования сборочных процессов. В этой части, основные преимущества и, как следствие, интерес использования ВР в моделировании процессов С/Р и технического обслуживания гибких элементов будут показаны.
Моделирование процессов С/Р и технического обслуживания механических систем, включающих гибкие детали, в среде ВР позволяет: динамично и иммерсивно визуализировать трехмерные виртуальные сцены, что позволяет оператору визуально контролировать виртуальное событие в реальном времени, контролировать ход всего процесса моделирования. Методы «погружения» оператора в виртуальный мир позволяют оценить моделируемый процесс интуитивным, более качественным образом, непосредственно двигать виртуальные детали, касаться этих деталей, воспринимать приложенные усилия и т.д. Эти функции ВР позволяют не только взаимодействовать напрямую с потенциально деформируемой виртуальной деталью, но и «встать» на место монтажника, имитируя и оптимизируя его действия, что невозможно сделать посредством простой трехмерной визуализации, контролировать различные ограничения с точки зрения проектирования, технологичности, эргономических требований и т.п. и, таким образом, оценивать качественно и количественно операции С/Р и технического обслуживания в реальном времени. Такая оценка осуществляется визуализацией соответствующих параметров в реальном времени, основываясь на результатах моделирования механического поведения гибкого элемента. Контролируемыми параметрами являются, например, максимальные значения требуемых внешних сил, допускаемое напряженное состояние в гибком деформированном элементе, допускаемая кривизна деформированной детали и т.д., использовать естественным образом визуальный и чувственный контроль оператора, совмещая при этом количественные (реалистичные деформированные формы гибкого элемента, его траектория С/Р, его положение, а также положение оператора по отношению к внешней среде и т.д.) и качественные (напряженное состояние в ходе поверочных расчетов, физическое восприятие сил и контактных реакций, в процессе деформации манипулируемой гибкой детали и т.д.) аспекты оценки и анализа процессов С/Р с точки зрения механического проектирования, собираемости, эргономических требований и т.д., оптимизировать геометрические параметры гибких элементов в процессе изучения операций С/Р на различных стадиях проектирования механической системы. Действительно, в процессе моделирования процессов С/Р или технического обслуживания, может оказаться, что требуемые внешние силы или траектории С/Р, рассчитанные для данных геометрических параметров и материала детали, а также геометрической формы внешней среды, могут вызвать проблемы с точки зрения эргономических требований или проектирования (превышение допускаемых значений сил, напряжений, кривизны). В результате, быстрая оценка данной операции С/Р в среде ВР позволяет также быстро скорректировать соответствующие параметры проектируемого изделия, предложить новые конструктивные решения относительно соединений гибкой детали с механизмом и т.д., управлять поиском траекторий С/Р гибких элементов, планировать реалистичные траектории, учитывая все степени свободы гибкой детали, анализировать проектируемые процессы С/Р или технического обслуживания с учетом эргономических требований Этот аспект важен для улучшения условий работы рабочего: оценка усталости рабочего, назначение оптимальных положений и числа рабочих для данной сборочной операции, примерная оценка времени сборочного процесса и т.д. Это особо важно в случае операций С/Р гибких элементов, учитывая при этом часто ограниченное рабочее пространство, недостаточную видимость и проблему свободного доступа, особенности поведения гибких элементов при больших перемещениях с постоянным изменением формы в процессе сборочной операции и т.д., учет присутствия необходимого сборочного инструмента и оператора для контроля столкновений в процессе С/Р посредством погружения оператора в виртуальный мир. Таким образом, моделирование операций С/Р или технического обслуживания оказывается более реалистичным, оптимизировать действия оператора: оценка возможных способов захвата гибкого элемента, оценка различных положений оператора в его рабочем пространстве и т.д. Такая оптимизация реализуется, используя методы погружения оператора в виртуальный мир, помогать при обучении персонала. Оптимизированная операция может быть записана и впоследствии использована для обучения персонала оптимальным действиям при сборке, например, чтобы сократить время С/Р, и т.д. Таким образом, моделирование процессов С/Р и технического обслуживания гибких элементов в среде ВР потенциально представляет собой эффективное средство, предлагающее конструктору возможность реализовать и оценить сложную виртуальную манипуляцию, учитывая многочисленные количественные и качественные критерии и ограничения, моделировать физическое поведение гибких элементов в реальном времени, оптимизировать последовательность С/Р на основе более реалистичных данных. Однако, это может быть выполнено при условии, что сложное поведение данного гибкого элемента представлено механически адекватно, откуда вытекает необходимость включения адекватных и, в то же время, «быстрых» механических моделей гибких элементов в среду ВР.
Виртуальная С/Р представляет собой альтернативное эффективное и дополнительное по отношению к автоматическим методам моделирования процессов С/Р средство. Виртуальное моделирование процессов С/Р характеризуется набором таких полезных функций, как прямое взаимодействие с виртуальными объектами, визуализация процесса и результатов моделирования С/Р в реальном времени, возможность локально, более детально оценивать данную операцию в реальном времени, основываясь на количественных и качественных критериях и т.д.
Среди существующих методов виртуального моделирования С/Р (интерактивные, неинтерактивные подходы), представленных выше, именно интерактивные методы представляют собой особый интерес для более эффективных оценок процессов С/Р или технического обслуживания. Действительно, эти методы включают в себя прямое взаимодействие с виртуальным объектом (его манипуляция, контроль относительно приложенных сил), визуализация процесса моделирования, контроль пересечений, возможность учета физического поведения деталей в процессе их манипуляции, иммерсивное погружение человека и т.д. Более того, возможность быстрой и одновременной количественной и качественной оценки данного моделируемого процесса различными специалистами, принимающими участие в проектировании изделия, открывает горизонты для более активного использования средств виртуального моделирования на различных стадиях проектирования.
Таким образом, результаты виртуальных манипуляций, а именно, моделирования процессов С/Р и технического обслуживания, могут быть использованы в ходе оптимизации изделия без изготовления дорогостоящих физических прототипов и проведения многочисленных тестов и проверок, что позволяет сократить время и стоимость проектирования. Однако, результаты такого моделирования должны быть адекватными, чтобы можно было их использовать при оптимизации характеристик изделия и соответствующих технологических процессов.
Геометрическая часть модели: геометрическая нелинейность
Эффективное проектирование изделия, учитывая его стоимость и время разработки, трудно реализуемо без использования ЭВМ. Теперь, информатика применяется с первых же стадий проектирования изделия: телеконференции, обмены данных между проекти-ровщиками, а также конструкторскими и технологическими бюро, моделирование физических феноменов и оптимизация характеристик изделия без изготовления его прототипов, модели-рование технологических процессов изготовления, сборки, технического обслуживания и теперь проектирование производственных площадей завода с соответствующим моделирова-нием производственных потоков основаны на использовании вычислительной техники.
Как было показано в предыдущей главе, эффективное проектирование и оптимизация технологических процессов сборки и технического обслуживания больше не обходятся без учета особых параметров и дополнительных критериев таких, как учет реального поведения изделия и человека, взаимодействия между проектируемым изделием и тем, кто его изготавливает и использует, взаимодействия между изделием и его средой эксплуатации и т.д. Одним из возможных решений этой проблемы может быть использование ВР в процессе проектирования и оптимизации изделия. Например, функции ВР предлагают дополнительные возможности для более подробного, качественного проектирования и анализа процессов С/Р и технического обслуживания виртуального изделия со сложным механическим поведением.
Основные преимущества, а также примеры использования ВР для проектирования и оценки операций С/Р и технического обслуживания были уже приведены в первой главе. В частности, был обоснован интерес ВР в моделировании операций С/Р гибких деталей. В этой главе будут представлены основные понятия и определения, методы и интерфейсы ВР с точки зрения информационных и технологических аспектов. Это позволит нам проанализировать некоторые подходы и исследовательские направления ВР и, в частности, показать необходимость учета физического поведения гибких элементов, используя существующие устройства ВР. В результате, понятие пространств - пространства сил и конфигураций - будет введено для более строгой характеристики интерфейсов манипуляции объектов в среде ВР. Этот позволит нам установить связь между двумя основными аспектами моделирования деформируемых объектов, на которых основана настоящая работа: механика и информатика. Наконец, модели быстрого моделирования поведения деформируемых объектов, используемые в настоящее время в области ВР, будут представлены и проанализированы.
Принципы моделирования, основанного на использовании вычислительной техники, а именно, необходимость установить «диалог» между машиной и человеком, были сформулированы Сазерландом в шестидесятые годы. В действительности, речь шла о создании первого графического интерфейса GUI (от английского Graphic User Interface) между человеком и компьютером, основанного на использовании графического окна [181]. Конец шестидесятых годов был отмечен появлением первого материального интерфейса взаимодействия между человеком и компьютером - известной всем мышки - для создания какого-либо события, «выражения» своего желания простым движением руки. Но разработка программной части не останавливается на простой индикации произведенного события: начинают уже появляться программные комплексы для навигации в виртуальном мире, представленном на экран.
Первое устройство, представляющее собой каску с двумя мини-экранами и позволяющее наблюдать виртуальные сцены, было создано Виксрсом из Университета Юты (США) в начале семидесятых годов [76]. Это было базой ВР: визуализация трехмерных объектов и «погружение» в виртуальный мир. Однако, человеческое любопытство идет дальше, чем простое наблюдение графических изображений и погружение. Человек хочет создавать несуществующее, моделировать будущее, моделировать поведение виртуальных объектов, их трогать и чувствовать, управлять ими. Появление новых математических и численных методов в семидесятые-восьмидесятые годы таких, как методы конечных элементов и объемов, методы расчета вибраций, течения жидкостей и т.д. способствовало этому. Благодаря все более и более высокопроизводительным средствам, человек теперь может моделировать, предсказывать поведение сложных объектов и систем.
В восьмидесятые годы, симбиоз информатики, графики, робототехники, автоматики и, главным образом, воображения человека позволил появиться новому средству ВР - перчатке данных - устройству, позволяющему измерить движения пальцев руки человека для перемещения виртуальных объектов. После этого, начинают появляться другие, более сложные системы типа «haptic-устройства», позволяющие «чувствовать» виртуальный объект, ощущать приложенные усилия, реакции при столкновении с виртуальными препятствиями. В начале девяностых годов, Масси изобретает haptic-устройство PHANToM [133]. Это устройство походило на механизм настольной лампы, было снабжено тремя двигателями и имело на конце колпачок для пальца или стилет, наподобие шариковой ручки. Пользователь мог таким образом перемещать и «чувствовать» виртуальные объекты, двигая свой палец, вставленный в колпачок, или свою руку, держащую стилет.
Наконец, термин «Виртуальная Реальность» (от английского выражения Virtual Reality) был предложен в конце восьмидесятых годов американским исследователем и артистом Ланье. В начале девяностых годов, этот термин был уже широко распространен и использован в всем мире.
Таким образом, интерфейсы диалога между человеком и машиной, в частности, начиная с первых методов визуализации, были развиты существенным образом: теперь можно создавать и оценивать все более и более реалистичные графические сцены, используя например методы синтеза изображения, спроецированного на большие экраны иммерсивного зала или создавая простое стереоскопическое изображение, основанное на использовании жидких кристаллов. Тоже самое касается технологического развития haptic-устройств, которые будут представлены ниже. Однако, уже видно, что исторически, с первого своего появления, технология ВР сосредоточена на человеке, занимающего основное место в ВР и, таким образом, определяющего разработку технологий ВР в зависимости от своих потребностей.
Основной функцией ВР является динамическое графическое представление трехмерных объектов с/без погружением(я) человека в виртуальный мир. Однако, основная разница между «простой» визуализацией сложных трехмерных объектов (САПР, некоторые видеоигры, графика и др.) или виртуальных сцен (например, приложения в области изобразительных искусств, кино и др.), где функции визуального контроля отданы человеку, и ВР заключается в возможности манипулировать объектами в виртуальном мире, взаимодействовать с ними, чувствовать их в реальном времени. Следовательно, основная цель ВР состоит в том, чтобы предложить человеку дополнительную функцию - функцию прямого взаимодействия с виртуальными объектами или средой. Таким образом, используя эту функцию, человек становится настоящим актером, творцом виртуальных, искусственных событий, принимая участие в этих событиях и изучая их в реальном времени.
Таким образом, основные цели ВР, помогающие создавать и изучать различные виртуальные события, в том числе, в приложении к области механического проектирования, заключаются в том, чтобы предложить человеку следующие функции: Визуализация. Это базовая функция ВР позволяет графически описать виртуальное событие в реальном времени. Виртуальное событие может представлять из себя эволюцию виртуальной сцены, составленной либо только из виртуальных объектов, либо с сочетанием виртуальных и реальных объектов. В последнем случае, говорят о «повышенной» реальности. Функция визуализации является одним из аспектов погружения человека в виртуальный мир.
