“山寶”牌破碎機(jī)的研發(fā)、制造、銷售企業(yè)——上海建設(shè)路橋機(jī)械設(shè)備有限公司，走“產(chǎn)學(xué)研”道路，與北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院合作，將虛擬技術(shù)應(yīng)用于破碎機(jī)三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提高破碎機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)水平。

本文介紹了基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了3D-VAPP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；并對(duì)CAD模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、可視化裝配順序和裝配路徑規(guī)劃、裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證、裝配工藝知識(shí)維護(hù)、裝配工藝文件管理等一系列關(guān)鍵技術(shù)及解決方案進(jìn)行了論述；并給出了一種基于多層次面片機(jī)械模型的精確碰撞檢測(cè)算法及裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭自動(dòng)切換算法流程；最后，提出了虛擬裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展方向。

   引  言

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）是企業(yè)信息化中的重要一環(huán)，它所產(chǎn)生的工藝數(shù)據(jù)是企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的重要依據(jù)。虛擬裝配是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，它直接操作虛擬場(chǎng)景中的零件模型進(jìn)行產(chǎn)品裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)零件可裝配性和裝配路徑有效性進(jìn)行檢查，對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、產(chǎn)品裝配順序的求解有著重要的意義，并為面向復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)提供更好地支撐。隨著三維CAD技術(shù)在企業(yè)中的廣泛應(yīng)用以及虛擬裝配技術(shù)的優(yōu)越性，基于以上兩點(diǎn)考慮，我們將虛擬技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工藝設(shè)計(jì)，提出并設(shè)計(jì)了基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ摂M裝配(Virtual Assembly，VA) 技術(shù)進(jìn)行了研究，也取得了一定的進(jìn)展，但總的來(lái)說(shuō)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品裝配規(guī)劃的時(shí)間還不長(zhǎng)，各種理論和方法還不成熟，不能實(shí)現(xiàn)與前端CAD數(shù)據(jù)的資源共享，尤其大多虛擬裝配都采用完全沉浸式的，其所需的輸入輸出設(shè)備（數(shù)據(jù)手套）的精度和費(fèi)用有限制，同時(shí)完全沉浸的虛擬環(huán)境中無(wú)法解決CAPP的很多工藝文字信息（或數(shù)據(jù)）需要輸入和顯示，所以導(dǎo)致虛擬裝配的工程實(shí)際應(yīng)用程度不高，鑒于以上情況，本文提出并設(shè)計(jì)了基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)3D-VAPP。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)主要功能

本文提出并設(shè)計(jì)了基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)3D-VAPP。該系統(tǒng)具有如下功能: ①通過(guò)與CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,獲取和建立VA 的裝配模型; ② 在可視化的虛擬場(chǎng)景中，交互式建立裝配順序與路徑、動(dòng)態(tài)分析裝配干涉情況，得出最優(yōu)路徑和次序；③

裝配過(guò)程中零部件位姿和視點(diǎn)變化矩陣的記錄以及裝配過(guò)程的反演，生成裝配動(dòng)畫指導(dǎo)生產(chǎn)；④在工藝知識(shí)庫(kù)的支持下，結(jié)合裝配順序交互式定義、編輯與完善裝配工藝卡片；⑤通過(guò)Access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)系統(tǒng)生成的工藝文件進(jìn)行有效管理，對(duì)工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行積累。

 1.2 系統(tǒng)主界面及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)采用OPEN INVENTOR+VC6.0并輔助Access數(shù)據(jù)庫(kù)自行開發(fā)完成。系統(tǒng)主界面如圖1所示。

圖1 基于虛擬技術(shù)的三維計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)劃分為裝配工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配和工藝管理三個(gè)部分，其詳細(xì)功能模塊劃分如圖2所示。               圖2  系統(tǒng)詳細(xì)功能模塊劃分

本系統(tǒng)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、裝配工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配和外部裝配體文件等。

圖3 系統(tǒng)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

2  系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和解決方案

2.1 機(jī)械模型信息提取

在VR系統(tǒng)中，由于碰撞檢測(cè)及實(shí)時(shí)交互的需要，機(jī)械零部件模型一般為離散的多邊形面片，其中僅包含頂點(diǎn)、顏色或紋理等圖形信息，并用場(chǎng)景樹對(duì)其進(jìn)行管理；而CAD系統(tǒng)則采用精確的幾何描述模型，零件包含精確的拓?fù)渑c幾何信息，裝配體通常都由裝配約束組織起來(lái)，由CAD系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理；由于CAD系統(tǒng)和VR系統(tǒng)的上述差異，在本系統(tǒng)中要調(diào)用CAD系統(tǒng)所建模型，就要從中分別提取零件的圖形信息和零件的參數(shù)與位置信息。并在VAPP系統(tǒng)中進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)外部CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)向VAPP系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

在本系統(tǒng)中，我們針對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)建立接口程序，將CAD模型的圖形信息經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換寫成VRML格式。將零部件的拓?fù)湫畔?、零件的形狀參?shù)、零部件在裝配體中的定位參數(shù)等信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中。本系統(tǒng)與SolidWorks的模型數(shù)據(jù)接口關(guān)系如圖4所示。

圖4  模型數(shù)據(jù)接口

2.2 可視化交互式裝配工藝設(shè)計(jì)

可視化交互式裝配工藝設(shè)計(jì)模塊給工藝設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)虛擬的拆卸/裝配操作環(huán)境，在該環(huán)境中能夠依照零部件三維裝配視圖，借助工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合產(chǎn)品零部件信息（包括部件三維裝配視圖和零件三維模型視圖），對(duì)零部件裝配模型進(jìn)行精確的拆卸操作及路徑規(guī)劃，并以逆序輸出，得到裝配模型的裝配序列和裝配路徑。

（1）裝配順序規(guī)劃

綜合考慮各種裝配順序求解方法，并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)施企業(yè)的實(shí)際情況，本文提出了兩種分析方法相結(jié)合的辦法來(lái)規(guī)劃裝配工藝順序：

① 分層次裝配順序求解方法

根據(jù)產(chǎn)品零件的組件分類，確定組件之后，分層次生成組件的裝配順序。 

② 拆卸法求解裝配順序方法

一般來(lái)說(shuō)，零件的裝配和拆卸互為可逆過(guò)程，系統(tǒng)提供完備的人機(jī)交互方式，借助工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和分析判斷能力，確定拆卸順序，手動(dòng)拆卸零部件。

（2）裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑規(guī)劃是指從被安裝零部件存放的位置，直到零件被裝配到機(jī)體中所走的軌跡。路徑規(guī)劃通常只考慮工作空間中的幾何信息，生成結(jié)果是針對(duì)每一具體零部件的無(wú)碰撞的幾何路徑。裝配路徑可以是簡(jiǎn)單的直線，也可以是復(fù)雜的多維曲線。在虛擬裝配中，零部件路徑規(guī)劃，包括位置和方向，是以離散節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行紀(jì)錄，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)鏈表的形式組織起來(lái)。

由于基于VR的裝配路徑規(guī)劃方式在虛擬設(shè)備上的投入相當(dāng)龐大，并且虛擬交互手段在現(xiàn)階段并不是特別的成熟，所以在本系統(tǒng)中采用基于CAD的裝配路徑規(guī)劃方式，產(chǎn)品裝配的裝配路徑總體表示形式為：

其中：表示零件的裝配路徑，靜態(tài)子裝配體用表示，欲裝配的自由零件用表示。裝配總轉(zhuǎn)換矩陣由裝配零件的初始位置和零件所要達(dá)到的最終位置所決定。

（3）交互式裝配工藝設(shè)計(jì)的算法流程

虛擬環(huán)境中模型的裝配順序和裝配路徑規(guī)劃動(dòng)作包括確定移動(dòng)方向、選取模型、確定移動(dòng)方式、移動(dòng)、釋放五個(gè)步驟，其算法流程圖如圖5所示。

圖5  可視化交互式裝配工藝設(shè)計(jì)的算法流程

2.3　虛擬裝配過(guò)程的記錄、編輯與反演

虛擬裝配過(guò)程的記錄、編輯與反演是優(yōu)化裝配序列和裝配路徑、提高裝配速度、驗(yàn)證裝配工藝的正確性與可行性的重要方法。用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配操作的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄整個(gè)裝配過(guò)程，包括零件的移動(dòng)過(guò)程、視點(diǎn)的變換過(guò)程和每個(gè)零件的裝配路徑。其中要驗(yàn)證裝配順序和路徑的可行性，基于虛擬零部件的精確碰撞檢測(cè)是必需的，同時(shí)，由于零件之間的遮擋關(guān)系，要?jiǎng)討B(tài)觀察不同方位的零部件裝配細(xì)節(jié)，就必須考慮虛擬裝配過(guò)程中的多鏡頭多角度自動(dòng)切換。在這一方面做了大量的研究工作。

( 1) 基于多層次面片機(jī)械模型的精確碰撞檢測(cè)算法

在虛擬裝配反演過(guò)程中，由于路徑規(guī)劃的失誤，經(jīng)常會(huì)發(fā)生當(dāng)前移動(dòng)的物體（包括零部件、工具、夾具）與靜止物體（虛擬裝配場(chǎng)景、已裝配的零部件、工具、夾具）發(fā)生動(dòng)態(tài)干涉的情況，因此只有在零件裝配過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)零件沿規(guī)劃軌跡運(yùn)行過(guò)程中的干涉情況，才能使裝配順序和路徑的正確性得到保證。同時(shí)，由于裝配實(shí)時(shí)性的要求，在本系統(tǒng)中，碰撞檢測(cè)算法既要能大大提高碰撞檢測(cè)的效率，又要提高碰撞檢測(cè)的精度。

圖6 分層精確碰撞檢測(cè)算法

基于上述原因，從虛擬裝配的應(yīng)用需求和實(shí)際出發(fā)，由于虛擬裝配環(huán)境的時(shí)間步長(zhǎng)很小(每秒不低于30幀)，因此本文采用基于離散點(diǎn)的靜態(tài)干涉檢測(cè)算法。為了提高干涉檢測(cè)的效率，滿足虛擬裝配對(duì)實(shí)時(shí)性、精確性的要求，本文在現(xiàn)有干涉算法的基礎(chǔ)上，提出了一種面向機(jī)械虛擬裝配的分層精確碰撞檢測(cè)算法，該算法分為四個(gè)層次：零件包圍盒層、面片包圍盒層、三角面片層、特征剔除層，算法流程如圖6 所示。

( 2) 裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭自動(dòng)切換算法

在機(jī)械零件模擬裝配過(guò)程中，由于零件之間可能存在遮擋關(guān)系，必須考慮多個(gè)觀察鏡頭的自動(dòng)切換以避免某些裝配細(xì)節(jié)被場(chǎng)景中的其他靜態(tài)實(shí)體遮住。為此，本文提出了一種動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭自動(dòng)切換算法，算法流程如圖7所示。

圖7 裝配過(guò)程多角度觀察鏡頭自動(dòng)切換算法

2.4 裝配工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的建立與工藝文件管理

工藝知識(shí)庫(kù)的好壞，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)輸出工藝文件的質(zhì)量。在本軟件系統(tǒng)中，我們針對(duì)上海路橋的產(chǎn)品特征，建立了裝配工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，作為用戶進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)的輔助支持。在裝配工藝知識(shí)庫(kù)中，總結(jié)了裝配體裝配工藝一般應(yīng)該滿足的通用化規(guī)則及典型工藝知識(shí)、包含了在長(zhǎng)期的裝配實(shí)踐中形成的有關(guān)裝配順序、方式、裝夾手段等經(jīng)驗(yàn)。用戶在進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)當(dāng)前機(jī)械零件的種類和裝配體的種類，從裝配工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中選擇相應(yīng)的條款，加入當(dāng)前裝配工序圖中，如圖8所示。工藝工序圖中的內(nèi)容會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)到工藝文件數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以通過(guò)提交報(bào)表的形式產(chǎn)生裝配工藝卡片。如果工藝知識(shí)庫(kù)中缺少某種工藝內(nèi)容，用戶可以在當(dāng)前的工序圖中加入該內(nèi)容，同時(shí)該工藝也將自動(dòng)擴(kuò)充到工藝知識(shí)庫(kù)中。

圖8 裝配工序圖

對(duì)于CAPP系統(tǒng)，工藝文件的管理是必需的，本系統(tǒng)的工藝管理模塊使用戶在裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)、方便地瀏覽和編輯零、部件的屬性信息和裝配工藝信息（包括裝配工、夾具的選擇，填寫裝配操作流程說(shuō)明等）。同時(shí)通過(guò)裝配工藝后處理模塊，生成裝配工藝卡、工裝清單和配套清單等符合工程實(shí)際要求的裝配工藝文檔以及裝配動(dòng)畫與三維爆炸圖，如圖9所示。

4  結(jié)  論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從模型輸入、可裝配性分析、裝配順序和裝配路徑規(guī)劃、裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證、裝配工藝知識(shí)維護(hù)、裝配工藝文件管理等一系列功能。將計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)和虛擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了CAPP與CAD的無(wú)縫銜接，對(duì)于企業(yè)提高工藝設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化具有很好的輔助作用。但從廣義上講，裝配工藝規(guī)劃不僅包括產(chǎn)品零件裝配順序的選擇，還必須綜合考慮工作場(chǎng)地、工具和工人等物理因素。為此，我們可以充分利用虛擬裝配系統(tǒng)所能夠提供的交互式可視化工具，對(duì)零部件之間的配合約束和運(yùn)動(dòng)路徑關(guān)鍵點(diǎn)處的干涉進(jìn)行檢查，求解優(yōu)化的零部件裝配順序和可行的裝配路徑，并且對(duì)所求得的規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整,從而制訂出一份完整的工藝規(guī)程。