專利名稱：柔性線纜的裝配仿真方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械工程領(lǐng)域，尤其涉及一種虛擬環(huán)境下柔性線纜的裝配仿真方法及
直O(jiān)
背景技術(shù)：
線纜是機(jī)電或電氣產(chǎn)品中連接電氣元器件、電氣設(shè)備或控制裝置的柔性電線或電纜的總稱。作為信號(hào)和能量傳輸?shù)慕橘|(zhì)和橋梁，線纜大量廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、車輛等復(fù)雜產(chǎn)品中。裝配是產(chǎn)品制造生命周期中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，也是產(chǎn)品獲得整體性能的最后環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生問題，導(dǎo)致的時(shí)間和成本損失相對(duì)于其它早期環(huán)節(jié)要大的多。柔性線纜是復(fù)雜產(chǎn)品裝配中的必要部分，也是工藝制定和裝配實(shí)施的難點(diǎn)，同時(shí)，線纜的裝配質(zhì)量還直接影響到產(chǎn)品整機(jī)的性能和可靠性。在傳統(tǒng)的線纜裝配中，依靠制作物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)物試裝，靠實(shí)際實(shí)驗(yàn)來制定裝配工藝和驗(yàn)證裝配的可靠性和穩(wěn)定性，成本高，周期長，可靠性差。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化樣機(jī)開始取代物理樣機(jī)被廣泛的應(yīng)用于裝配相關(guān)的設(shè)計(jì)和制造過程中。利用虛擬環(huán)境下的柔性線纜裝配仿真技術(shù)可進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，裝配性驗(yàn)證等工作， 從而降低成本，縮短周期，提高可靠性。線纜在裝配仿真中的柔性變形仿真是一個(gè)核心問題。在柔性物體建模理論的研究過程中，Terzopoulos所提出的基于物理屬性的彈性變形模型建立了此研究領(lǐng)域的里程碑。 該模型從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的角度考慮物體的變形，認(rèn)為變形體的變化遵循牛頓力學(xué)和經(jīng)典彈性力學(xué)原理，將問題歸結(jié)為一個(gè)微分方程，求解方程得到物體上各點(diǎn)的空間幾何位置，其后的研究都秉承了這種動(dòng)力學(xué)思想，提出了許多模擬技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中還有一種利用人機(jī)交互方法進(jìn)行電纜路徑規(guī)劃，得到一個(gè)基于NURBS 曲線的電纜幾何模型，然后利用“蛇形機(jī)器人”方法建立電纜的物理模型，基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理計(jì)算其彎曲角度?，F(xiàn)有技術(shù)中還有一種方法針對(duì)定長線纜，提出了虛擬線纜(Virtual Cable)的概念，其線纜模型由一系列等長的圓柱段組成，圓柱間由球形結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)，結(jié)點(diǎn)上設(shè)置卷簧表征線纜彎曲時(shí)的彈性性能，以模型能量(包括各段的勢能和卷簧的彈性變形能)最低為判據(jù)確定線纜形變。線纜裝配仿真中的模型需要滿足實(shí)時(shí)交互性，同時(shí)又能基本反映線纜的真實(shí)形態(tài) (例如線纜的定長特性，在伸出電連接器的地方要保持一定的方向性，線纜的彎曲曲率不能超過一定值等等)。然而，上述模型大都在實(shí)時(shí)性和真實(shí)性上有缺陷。總的來說，目前國內(nèi)外在虛擬環(huán)境下的線纜運(yùn)動(dòng)仿真和裝配仿真方面的研究尚處于初期階段，還有很多技術(shù)難題沒有解決
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種線纜的裝配仿真方法及裝置，能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地表達(dá)線纜在裝配仿真中的變形和形態(tài)特征(定長，接頭端伸出的方向，彎曲曲率的約束等)，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的線纜裝配運(yùn)動(dòng)仿真。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種柔性線纜的裝配仿真方法，包括 建立柔性線纜裝配物理特性模型，所述柔性線纜裝配物理特性模型中，所述柔性線纜用所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)之間的線段來描述；獲取所述柔性線纜的第一端點(diǎn)的第一位置信息和第二端點(diǎn)的第二位置信息，以及所述第一端點(diǎn)處的第一切線方向信息和所述第二端點(diǎn)處的第二切線方向信息；根據(jù)所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切線方向信息和所述第二切線方向信息，求解所述柔性線纜裝配物理特性模型，得到所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)的位置信息；根據(jù)所述離散控制點(diǎn)的位置信息擬合所述柔性線纜，并顯示所述柔性線纜的位置姿態(tài)。其中，所述離散控制點(diǎn)為六點(diǎn)二次B樣條曲線的控制點(diǎn)。 其中，所述六點(diǎn)二次B樣條曲線為
權(quán)利要求
1.一種柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，包括建立柔性線纜裝配物理特性模型，所述柔性線纜裝配物理特性模型中，所述柔性線纜用所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)之間的線段來描述；獲取所述柔性線纜的第一端點(diǎn)的第一位置信息和第二端點(diǎn)的第二位置信息，以及所述第一端點(diǎn)處的第一切線方向信息和所述第二端點(diǎn)處的第二切線方向信息；根據(jù)所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切線方向信息和所述第二切線方向信息，求解所述柔性線纜裝配物理特性模型，得到所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)的位置信息；根據(jù)所述離散控制點(diǎn)的位置信息擬合所述柔性線纜，并顯示所述柔性線纜的位置姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述離散控制點(diǎn)為六點(diǎn)二次B樣條曲線的控制點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述六點(diǎn)二次B樣條曲線為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，根據(jù)所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切線方向信息和所述第二切線方向信息，求解所述柔性線纜裝配物理特性模型，得到所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)的位置信息的步驟包括在所述第一切線方向和所述第二切線方向上，分別設(shè)置一切線作用距離為L ；根據(jù)所述第一位置信息和所述切線作用距離L，得到與所述第一端點(diǎn)相鄰的第一控制點(diǎn)的位置信息；根據(jù)所述第二位置信息和所述切線作用距離L，得到與所述第二端點(diǎn)相鄰的第二控制點(diǎn)的位置信息；根據(jù)第一控制點(diǎn)的位置信息以及所述第二控制點(diǎn)的位置信息，得到與所述第一控制點(diǎn)相鄰的第三控制點(diǎn)的位置信息，以及與所述第二控制點(diǎn)相鄰的第四控制點(diǎn)的位置信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第一位置信息和所述切線作用距離L，得到與所述第-驟具體為L-端點(diǎn)相鄰的第一控制點(diǎn)的位置信息的步根據(jù)公式
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述第一控制點(diǎn)、所述第二控制點(diǎn)用直接連接，采用B樣條曲線擬合所述包括所述第一端點(diǎn)、所述第二端點(diǎn)、所述第一控制點(diǎn)和所述第二控制點(diǎn)的線纜，得到擬合后極限狀態(tài)下的柔性線纜，所述極限狀態(tài)下的柔性線纜不超過第一預(yù)設(shè)長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述根據(jù)第一控制點(diǎn)的位置信息以及所述第二控制點(diǎn)的位置信息，得到與所述第一控制點(diǎn)相鄰的第三控制點(diǎn)的位置信息，以及與所述第二控制點(diǎn)相鄰的第四控制點(diǎn)的位置信息的步驟包括獲得包含所述第一控制點(diǎn)、所述第二控制點(diǎn)、所述第三控制點(diǎn)以及所述第四控制點(diǎn)的B 樣條曲線的第一段線纜的能量E1以及第二段線纜的能量E2 ；根據(jù)所述第一控制點(diǎn)的位置信息和所述第一段線纜的能量E1,以及所述第二控制點(diǎn)的位置信息和所述第二段線纜的能量氏，得到所述第三控制點(diǎn)的位置信息和所述第四控制點(diǎn)的位置信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，獲得包含所述第一控制點(diǎn)、所述第二控制點(diǎn)、所述第三控制點(diǎn)以及所述第四控制點(diǎn)的B樣條曲線的第一段線纜的能量E1以及第二段線纜的能量氏的步驟包括根據(jù)所述六點(diǎn)二次B樣條曲線得到
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第一控制點(diǎn)的位置信息和所述第一段線纜的能量E1,以及所述第二控制點(diǎn)的位置信息和所述第段線纜的能量E2，得到所述第J控制點(diǎn)和所述第四控制點(diǎn)的位置信息具體為根據(jù)公式
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，根據(jù)所述離散控制點(diǎn)的位置信息擬合所述柔性線纜的步驟包括所述柔性線纜采用包括所述第一端點(diǎn)、所述第二端點(diǎn)、所述第一控制點(diǎn)、所述第二控制點(diǎn)、所述第三控制點(diǎn)和所述第四控制點(diǎn)的六點(diǎn)二次B樣條曲線擬合，得到擬合后的柔性線纜；所述擬合后的柔性線纜的極限長度符合長度不變搜索條件；所述長度不變搜索條件包括根據(jù)上述所述第一段線纜的能量E1和所述第二段線纜的能量氏，得到能量最小狀態(tài)下的所述第三控制點(diǎn)和所述第四控制點(diǎn)的位置信息；在得到線纜能量最小時(shí)的控制點(diǎn)的位置信息時(shí)，按照搜索方向移動(dòng)所述第三控制點(diǎn)和所述第四控制點(diǎn)，直到線纜長度符合第二預(yù)設(shè)長度；所述搜索方向是指以所述第一控制點(diǎn)與所述第二控制點(diǎn)的連線的中點(diǎn)為起點(diǎn)，以所述能量最小狀態(tài)下的所述第三控制點(diǎn)或者所述第四控制點(diǎn)為終點(diǎn)得到的矢量方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，所述擬合后的柔性線纜的曲率符合線纜插值點(diǎn)局部搜索條件；所述線纜插值點(diǎn)局部搜索條件包括所述第一控制點(diǎn)、所述第二控制點(diǎn)、所述第三控制點(diǎn)和所述第四控制點(diǎn)中，每兩個(gè)控制點(diǎn)之間進(jìn)行插值，得到多個(gè)插值點(diǎn)，并獲得所述線纜在所述多個(gè)插值點(diǎn)中的一個(gè)第一插值點(diǎn)處的曲率，若所述曲率大于預(yù)設(shè)曲率值，則將與所述第一插值點(diǎn)相連的其它插值點(diǎn)，向所述其它插值點(diǎn)與所述第一插值點(diǎn)連線的反方向移動(dòng)， 使所述曲率小于或者等于所述預(yù)設(shè)曲率值。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的柔性線纜的裝配仿真方法，其特征在于，通過公式
13. —種柔性線纜的裝配仿真裝置，其特征在于，包括模型建立模塊，用于建立柔性線纜裝配物理特性模型，所述柔性線纜裝配物理特性模型中，所述柔性線纜用所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)之間的線段來描述；獲取模塊，用于獲取所述柔性線纜的第一端點(diǎn)的第一位置信息和第二端點(diǎn)的第二位置信息，以及所述第一端點(diǎn)處的第一切線方向信息和所述第二端點(diǎn)處的第二切線方向信息；模型求解模塊，用于根據(jù)所述第一位置信息和所述第二位置信息及所述第一切線方向信息和所述第二切線方向信息，求解所述柔性線纜裝配物理特性模型，得到所述柔性線纜上的離散控制點(diǎn)的位置信息；運(yùn)動(dòng)仿真模塊，用于根據(jù)所述離散控制點(diǎn)的位置信息擬合所述柔性線纜，并顯示所述柔性線纜的位置姿態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柔性線纜的裝配仿真方法及裝置，其中方法包括建立柔性線纜裝配物理特性模型，柔性線纜裝配物理特性模型中，柔性線纜用柔性線纜上的離散控制點(diǎn)之間的線段來描述；獲取柔性線纜的第一端點(diǎn)的第一位置信息和第二端點(diǎn)的第二位置信息，以及第一端點(diǎn)處的第一切線方向信息和第二端點(diǎn)處的第二切線方向信息；根據(jù)第一位置信息和第二位置信息及第一切線方向信息和第二切線方向信息，求解柔性線纜裝配物理特性模型，得到柔性線纜上的離散控制點(diǎn)的位置信息；根據(jù)離散控制點(diǎn)的位置信息擬合柔性線纜，并顯示柔性線纜的位置姿態(tài)。本發(fā)明的方案能夠更加精確地表達(dá)線纜裝配的準(zhǔn)確性，并能實(shí)現(xiàn)線纜裝配運(yùn)動(dòng)仿真。
文檔編號(hào)G05B11/14GK102323747SQ20111029617
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者劉檢華, 寧汝新, 尚煒, 王志斌 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)