“山寶”牌破碎機的研發、制造、銷售企業——上海建設路橋機械設備有限公司，走“產學研”道路，與北京郵電大學自動化學院合作，將虛擬技術應用于破碎機三維計算機輔助裝配工藝設計系統，提高破碎機裝配工藝設計水平。

本文介紹了基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統，提出了3D-VAPP系統的體系結構；并對CAD模型的數據轉換、可視化裝配順序和裝配路徑規劃、裝配過程動態模擬驗證、裝配工藝知識維護、裝配工藝文件管理等一系列關鍵技術及解決方案進行了論述；并給出了一種基于多層次面片機械模型的精確碰撞檢測算法及裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法流程；最后，提出了虛擬裝配工藝規劃系統的進一步發展方向。

   引  言

計算機輔助工藝設計（CAPP）是企業信息化中的重要一環，它所產生的工藝數據是企業生產活動的重要依據。虛擬裝配是虛擬現實技術應用研究的熱點，它直接操作虛擬場景中的零件模型進行產品裝配過程的動態模擬，對零件可裝配性和裝配路徑有效性進行檢查，對設計驗證、產品裝配順序的求解有著重要的意義，并為面向復雜產品的裝配設計提供更好地支撐。隨著三維CAD技術在企業中的廣泛應用以及虛擬裝配技術的優越性，基于以上兩點考慮，我們將虛擬技術應用于機械工藝設計，提出并設計了基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統。

目前，國內外學者從不同角度和應用領域對虛擬裝配(Virtual Assembly，VA) 技術進行了研究，也取得了一定的進展，但總的來說，將虛擬現實技術應用于產品裝配規劃的時間還不長，各種理論和方法還不成熟，不能實現與前端CAD數據的資源共享，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備（數據手套）的精度和費用有限制，同時完全沉浸的虛擬環境中無法解決CAPP的很多工藝文字信息（或數據）需要輸入和顯示，所以導致虛擬裝配的工程實際應用程度不高，鑒于以上情況，本文提出并設計了基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統3D-VAPP。

1 系統結構與功能設計

1.1系統主要功能

本文提出并設計了基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統3D-VAPP。該系統具有如下功能: ①通過與CAD系統的數據接口,獲取和建立VA 的裝配模型; ② 在可視化的虛擬場景中，交互式建立裝配順序與路徑、動態分析裝配干涉情況，得出最優路徑和次序；③

裝配過程中零部件位姿和視點變化矩陣的記錄以及裝配過程的反演，生成裝配動畫指導生產；④在工藝知識庫的支持下，結合裝配順序交互式定義、編輯與完善裝配工藝卡片；⑤通過Access數據庫對系統生成的工藝文件進行有效管理，對工藝知識庫進行積累。

 1.2 系統主界面及結構設計

本軟件系統采用OPEN INVENTOR+VC6.0并輔助Access數據庫自行開發完成。系統主界面如圖1所示。

圖1 基于虛擬技術的三維計算機輔助裝配工藝設計系統

整個系統劃分為裝配工藝設計、虛擬裝配和工藝管理三個部分，其詳細功能模塊劃分如圖2所示。               圖2  系統詳細功能模塊劃分

本系統各個模塊的結構關系如圖3所示，包括數據庫、數據庫管理、裝配工藝設計、虛擬裝配和外部裝配體文件等。

圖3 系統各個模塊的結構關系圖

2  系統關鍵技術和解決方案

2.1 機械模型信息提取

在VR系統中，由于碰撞檢測及實時交互的需要，機械零部件模型一般為離散的多邊形面片，其中僅包含頂點、顏色或紋理等圖形信息，并用場景樹對其進行管理；而CAD系統則采用精確的幾何描述模型，零件包含精確的拓撲與幾何信息，裝配體通常都由裝配約束組織起來，由CAD系統的內部數據庫進行管理；由于CAD系統和VR系統的上述差異，在本系統中要調用CAD系統所建模型，就要從中分別提取零件的圖形信息和零件的參數與位置信息。并在VAPP系統中進行重構，實現外部CAD系統數據向VAPP系統數據的轉換。

在本系統中，我們針對SolidWorks進行二次開發建立接口程序，將CAD模型的圖形信息經過轉換寫成VRML格式。將零部件的拓撲信息、零件的形狀參數、零部件在裝配體中的定位參數等信息寫入數據庫中。本系統與SolidWorks的模型數據接口關系如圖4所示。

圖4  模型數據接口

2.2 可視化交互式裝配工藝設計

可視化交互式裝配工藝設計模塊給工藝設計人員提供一個虛擬的拆卸/裝配操作環境，在該環境中能夠依照零部件三維裝配視圖，借助工藝人員的經驗，同時結合產品零部件信息（包括部件三維裝配視圖和零件三維模型視圖），對零部件裝配模型進行精確的拆卸操作及路徑規劃，并以逆序輸出，得到裝配模型的裝配序列和裝配路徑。

（1）裝配順序規劃

綜合考慮各種裝配順序求解方法，并結合系統實施企業的實際情況，本文提出了兩種分析方法相結合的辦法來規劃裝配工藝順序：

① 分層次裝配順序求解方法

根據產品零件的組件分類，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

一般來說，零件的裝配和拆卸互為可逆過程，系統提供完備的人機交互方式，借助工程師的實際經驗和分析判斷能力，確定拆卸順序，手動拆卸零部件。

（2）裝配路徑規劃

裝配路徑規劃是指從被安裝零部件存放的位置，直到零件被裝配到機體中所走的軌跡。路徑規劃通常只考慮工作空間中的幾何信息，生成結果是針對每一具體零部件的無碰撞的幾何路徑。裝配路徑可以是簡單的直線，也可以是復雜的多維曲線。在虛擬裝配中，零部件路徑規劃，包括位置和方向，是以離散節點的形式進行紀錄，這些節點通過鏈表的形式組織起來。

由于基于VR的裝配路徑規劃方式在虛擬設備上的投入相當龐大，并且虛擬交互手段在現階段并不是特別的成熟，所以在本系統中采用基于CAD的裝配路徑規劃方式，產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，靜態子裝配體用表示，欲裝配的自由零件用表示。裝配總轉換矩陣由裝配零件的初始位置和零件所要達到的最終位置所決定。

（3）交互式裝配工藝設計的算法流程

虛擬環境中模型的裝配順序和裝配路徑規劃動作包括確定移動方向、選取模型、確定移動方式、移動、釋放五個步驟，其算法流程圖如圖5所示。

圖5  可視化交互式裝配工藝設計的算法流程

2.3　虛擬裝配過程的記錄、編輯與反演

虛擬裝配過程的記錄、編輯與反演是優化裝配序列和裝配路徑、提高裝配速度、驗證裝配工藝的正確性與可行性的重要方法。用戶在虛擬環境中進行裝配操作的同時，系統自動記錄整個裝配過程，包括零件的移動過程、視點的變換過程和每個零件的裝配路徑。其中要驗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是必需的，同時，由于零件之間的遮擋關系，要動態觀察不同方位的零部件裝配細節，就必須考慮虛擬裝配過程中的多鏡頭多角度自動切換。在這一方面做了大量的研究工作。

( 1) 基于多層次面片機械模型的精確碰撞檢測算法

在虛擬裝配反演過程中，由于路徑規劃的失誤，經常會發生當前移動的物體（包括零部件、工具、夾具）與靜止物體（虛擬裝配場景、已裝配的零部件、工具、夾具）發生動態干涉的情況，因此只有在零件裝配過程中動態檢測零件沿規劃軌跡運行過程中的干涉情況，才能使裝配順序和路徑的正確性得到保證。同時，由于裝配實時性的要求，在本系統中，碰撞檢測算法既要能大大提高碰撞檢測的效率，又要提高碰撞檢測的精度。

圖6 分層精確碰撞檢測算法

基于上述原因，從虛擬裝配的應用需求和實際出發，由于虛擬裝配環境的時間步長很小(每秒不低于30幀)，因此本文采用基于離散點的靜態干涉檢測算法。為了提高干涉檢測的效率，滿足虛擬裝配對實時性、精確性的要求，本文在現有干涉算法的基礎上，提出了一種面向機械虛擬裝配的分層精確碰撞檢測算法，該算法分為四個層次：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) 裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法

在機械零件模擬裝配過程中，由于零件之間可能存在遮擋關系，必須考慮多個觀察鏡頭的自動切換以避免某些裝配細節被場景中的其他靜態實體遮住。為此，本文提出了一種動態裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法，算法流程如圖7所示。

圖7 裝配過程多角度觀察鏡頭自動切換算法

2.4 裝配工藝設計知識庫的建立與工藝文件管理

工藝知識庫的好壞，直接影響著整個系統輸出工藝文件的質量。在本軟件系統中，我們針對上海路橋的產品特征，建立了裝配工藝設計知識庫，作為用戶進行裝配工藝設計的輔助支持。在裝配工藝知識庫中，總結了裝配體裝配工藝一般應該滿足的通用化規則及典型工藝知識、包含了在長期的裝配實踐中形成的有關裝配順序、方式、裝夾手段等經驗。用戶在進行裝配工藝設計的時候，根據當前機械零件的種類和裝配體的種類，從裝配工藝設計知識庫中選擇相應的條款，加入當前裝配工序圖中，如圖8所示。工藝工序圖中的內容會自動存儲到工藝文件數據庫中，用戶可以通過提交報表的形式產生裝配工藝卡片。如果工藝知識庫中缺少某種工藝內容，用戶可以在當前的工序圖中加入該內容，同時該工藝也將自動擴充到工藝知識庫中。

圖8 裝配工序圖

對于CAPP系統，工藝文件的管理是必需的，本系統的工藝管理模塊使用戶在裝配過程中實時、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明等）。同時通過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際要求的裝配工藝文檔以及裝配動畫與三維爆炸圖，如圖9所示。

4  結  論

本系統實現了從模型輸入、可裝配性分析、裝配順序和裝配路徑規劃、裝配過程動態模擬驗證、裝配工藝知識維護、裝配工藝文件管理等一系列功能。將計算機輔助工藝設計和虛擬技術有機結合起來，同時實現了CAPP與CAD的無縫銜接，對于企業提高工藝設計水平，實現企業信息化具有很好的輔助作用。但從廣義上講，裝配工藝規劃不僅包括產品零件裝配順序的選擇，還必須綜合考慮工作場地、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所能夠提供的交互式可視化工具，對零部件之間的配合約束和運動路徑關鍵點處的干涉進行檢查，求解優化的零部件裝配順序和可行的裝配路徑，并且對所求得的規劃進行驗證和調整,從而制訂出一份完整的工藝規程。