劉子建 王 平 艾彥迪

湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

面向過(guò)程的產(chǎn)品信息虛擬裝配建模技術(shù)研究

劉子建 王 平 艾彥迪

湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

為解決虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)品模型信息的完備性和跟隨性等問(wèn)題，提出了面向裝配過(guò)程的產(chǎn)品信息虛擬裝配模型，該模型運(yùn)用屬性機(jī)制建立模型幾何拓?fù)湫畔⑴c非幾何信息的映射關(guān)系，依據(jù)信息粒度采用樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息的多層次表達(dá)結(jié)構(gòu)，滿足虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)品信息表達(dá)完備、動(dòng)態(tài)跟隨和實(shí)時(shí)性要求。開(kāi)發(fā)了虛擬裝配建模系統(tǒng)，驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)技術(shù)的可行性。

虛擬裝配；產(chǎn)品信息；屬性機(jī)制；樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)

0 引言

虛擬裝配作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，對(duì)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、縮短裝配周期、降低裝配成本、提高裝配操作人員的培訓(xùn)速度、提高裝配質(zhì)量和效率具有重要意義［1－3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。南洋理工大學(xué)的 Wang等［4］在其開(kāi)發(fā)的工業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)中用BSP－Tree組織虛擬環(huán)境中的幾何對(duì)象模型，使用vml文件進(jìn)行存儲(chǔ)和表達(dá)。這種方法側(cè)重表達(dá)零件的幾何外觀信息，未考慮零部件間裝配約束關(guān)系和工程設(shè)計(jì)等非幾何信息。文獻(xiàn)［5－7］采用B－rep和CSG相結(jié)合的方法描述幾何拓?fù)湫畔?，支?D操作的虛擬裝配，可滿足模型信息完備性的需求，但模型信息表達(dá)復(fù)雜，信息更新和管理效率偏低，不能很好地滿足實(shí)時(shí)性要求。

總之，現(xiàn)有虛擬建模方法對(duì)裝配過(guò)程中產(chǎn)生的裝配工藝、工程語(yǔ)義、產(chǎn)品管理等信息未能提供動(dòng)態(tài)、有效的存取和管理機(jī)制，難以發(fā)揮模型作為產(chǎn)品信息載體的作用。因此，為實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程信息的有效集成和完備表達(dá)，虛擬裝配模型應(yīng)能滿足如下三方面要求：

（1）完備性。裝配模型不僅包含完整的幾何拓?fù)湫畔?，還應(yīng)包含設(shè)計(jì)要求、工程語(yǔ)義、裝配工藝等非幾何信息，以滿足裝配工藝規(guī)劃和可行性分析的需求。

（2）跟隨性。模型裝配信息隨著裝配過(guò)程的推進(jìn)而逐步豐富，裝配信息與模型動(dòng)態(tài)跟隨是減少模型信息冗余、滿足實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)。

（3）高效性。裝配模型應(yīng)具有合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持信息的高效表達(dá)和有序組織，有利于降低系統(tǒng)檢索、存取數(shù)據(jù)的開(kāi)銷(xiāo)。

鑒于此，本文研究了面向虛擬裝配過(guò)程的產(chǎn)品信息模型原理和結(jié)構(gòu)問(wèn)題，運(yùn)用屬性機(jī)制建立模型幾何信息與非幾何信息動(dòng)態(tài)跟隨的映射關(guān)系，構(gòu)建信息多層次表達(dá)的樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程信息的完備表達(dá)和有效管理。

1 屬性機(jī)制與樹(shù)型結(jié)構(gòu)框架

1.1 屬性機(jī)制

目前，虛擬裝配系統(tǒng)多采用幾何拓?fù)湓刂苯域?qū)動(dòng)的模式存取裝配模型的數(shù)據(jù)。當(dāng)模型的幾何元素發(fā)生改變時(shí)，連接在幾何元素上的模型數(shù)據(jù)將會(huì)丟失或產(chǎn)生冗余，存在著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性差、更新效率低的缺點(diǎn)。

針對(duì)以上不足，本文運(yùn)用屬性機(jī)制建立模型幾何體與非幾何信息動(dòng)態(tài)映射關(guān)系。其基本原理是將模型包含的所有信息均作為屬性類(lèi)進(jìn)行統(tǒng)一處理，即將模型的幾何拓?fù)鋽?shù)據(jù)、非幾何信息分別定義為形體屬性和信息屬性，通過(guò)屬性機(jī)制建立模型幾何拓?fù)鋽?shù)據(jù)與非幾何信息的映射關(guān)系。不同于傳統(tǒng)的屬性方式（圖1a），本文運(yùn)用的屬性機(jī)制包含一個(gè)特殊的樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過(guò)它建立模型的幾何信息與非幾何信息之間的映射關(guān)系，并為設(shè)計(jì)者在裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)修改、添加連接在模型或幾何體素上的非幾何信息提供支持，形成模型信息的動(dòng)態(tài)跟隨，原理如圖1b所示。

圖1 屬性機(jī)制比較

1.2 樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)

本文參考OCAF的Label樹(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合裝配設(shè)計(jì)的需求，通過(guò)構(gòu)造樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)對(duì)裝配模型幾何信息與非幾何信息的映射關(guān)系進(jìn)行組織和管理，將所有模型信息均掛接在樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)的各層次節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽可查詢幾何拓?fù)湓丶捌潢P(guān)聯(lián)的非幾何信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型信息數(shù)據(jù)的存取與索引。樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)

樹(shù)型框架的構(gòu)架規(guī)則如下：①節(jié)點(diǎn)位置由整數(shù)數(shù)值的節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽標(biāo)記；②樹(shù)型框架的最高層節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽始終標(biāo)記為0；③除根節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)；④共享一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為兄弟節(jié)點(diǎn)，兄弟節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽不能使用相同的標(biāo)記值；⑤每個(gè)節(jié)點(diǎn)用唯一的數(shù)字編碼來(lái)表示從根節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的索引路徑。如圖3所示，樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)中圓圈內(nèi)的數(shù)值是節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，圓圈下端數(shù)字是訪問(wèn)該節(jié)點(diǎn)的索引路徑的數(shù)字編碼。

圖3 樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)規(guī)則

2 產(chǎn)品信息裝配模型的層次結(jié)構(gòu)

為完整地表達(dá)產(chǎn)品的裝配信息，基于產(chǎn)品信息的不同粒度，本文對(duì)文獻(xiàn)［8］提出的產(chǎn)品層次信息表達(dá)方法進(jìn)行改進(jìn)，建立層次結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品信息裝配模型，依次劃分為產(chǎn)品層、零件層、裝配特征層、幾何拓?fù)鋵雍兔嫫@示層，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的合理存儲(chǔ)和表達(dá)，如圖4所示，其中虛線所圈特征屬于同一零件。本文中，量符號(hào)右上標(biāo)的數(shù)字1，2，…，5表示模型結(jié)構(gòu)的層次，而不是冪指數(shù)。

產(chǎn)品層表達(dá)為

其中，N1為產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)集合，N1＝｛n11，n12，…，n1n｝。

產(chǎn)品層以產(chǎn)品為基本節(jié)點(diǎn)。產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)信息包括產(chǎn)品型號(hào)、名稱(chēng)等BOM表信息，以及產(chǎn)品的組成零部件、功能設(shè)計(jì)等工程語(yǔ)義信息。產(chǎn)品層基本節(jié)點(diǎn)及相關(guān)信息以屬性的形式掛接在樹(shù)型結(jié)構(gòu)框架的根節(jié)點(diǎn)上。

零件層表達(dá)為

零件層以零件為基本節(jié)點(diǎn)。零件節(jié)點(diǎn)信息包括零件的標(biāo)識(shí)、工程設(shè)計(jì)信息、物理信息及加工處理要求等信息；M2記錄零件層節(jié)點(diǎn)與產(chǎn)品層節(jié)點(diǎn)之間的映射關(guān)系；E2記錄零件與零件之間的裝配約束關(guān)系，約束關(guān)系主要表現(xiàn)為以裝配語(yǔ)義形式描述的裝配關(guān)系，例如，工程中的“螺栓連接”、“鍵連接”、“軸－孔配合”、“平面配合”等裝配語(yǔ)義表達(dá)零件間的約束關(guān)系。裝配約束關(guān)系在零件層表現(xiàn)為一有向閉環(huán)，順次將裝配語(yǔ)義約束的零件節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。

圖4 產(chǎn)品信息裝配模型層次結(jié)構(gòu)

裝配特征層表達(dá)為

裝配特征層以零件的裝配特征為基本節(jié)點(diǎn)。裝配特征節(jié)點(diǎn)包括特征類(lèi)型、特征名稱(chēng)及特征參數(shù)信息。零件由裝配特征構(gòu)成，因此裝配特征對(duì)應(yīng)相應(yīng)的零件，M3記錄裝配特征層與零件層之間的映射關(guān)系；零件之間的裝配約束關(guān)系本質(zhì)上分為不同零件的裝配特征之間的外部約束關(guān)系，E3記錄裝配特征之間的約束關(guān)系。

幾何拓?fù)鋵颖磉_(dá)為

幾何拓?fù)鋵右詭缀瓮負(fù)潴w素為基本節(jié)點(diǎn)，記錄模型精確的幾何拓?fù)湫畔?，提供設(shè)計(jì)者在虛擬裝配環(huán)境下面片顯示模型所不能表達(dá)的精確幾何形狀信息，以及幾何體素上的表面質(zhì)量、形位公差、尺寸精度和裝配精度等信息。零件裝配特征由幾何面組成，M4記錄幾何拓?fù)鋵雍脱b配特征層之間的映射關(guān)系；構(gòu)成零件某個(gè)裝配特征的幾何面之間存在鄰接關(guān)系，E4inside記錄同一零件構(gòu)成某個(gè)裝配特征的幾何面之間的鄰接關(guān)系；不同零件裝配特征之間的約束關(guān)系可以分解為不同零件幾何面之間的裝配約束關(guān)系，E4outside記錄不同零件的裝配特征所包含的幾何面之間的約束關(guān)系。兩幾何面之間的約束關(guān)系主要包括重合、平齊、垂直、角度等。

面片顯示層表達(dá)為

面片顯示層以三角形面片為基本節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)記錄了組成零件表面各三角形面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)、頂點(diǎn)法矢量、面片顏色和紋理信息。模型的每個(gè)幾何面均可離散成一系列三角形面片，M5描述面片顯示層與幾何拓?fù)鋵又g的映射關(guān)系。面片顯示層主要用于虛擬環(huán)境下的模型顯示及裝配過(guò)程中的碰撞檢測(cè)。

根據(jù)信息裝配模型的信息需求，將系統(tǒng)中所表達(dá)模型的幾何拓?fù)洹⒀b配約束和裝配工藝等信息分別提取出來(lái)，依據(jù)導(dǎo)出信息記載的映射關(guān)系和裝配模型的層次結(jié)構(gòu)，由樹(shù)型結(jié)構(gòu)框架對(duì)這些信息進(jìn)行重構(gòu)。樹(shù)型結(jié)構(gòu)框架的層次節(jié)點(diǎn)分別聯(lián)接裝配模型產(chǎn)品層、零件層、裝配特征層、幾何拓?fù)鋵雍兔嫫@示層的基本節(jié)點(diǎn)和相關(guān)模型信息，描述了虛擬裝配環(huán)境下產(chǎn)品模型的整體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)模型信息的快速查詢，如圖5所示。

圖5 裝配模型的樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)

3 裝配模型信息的存取和管理

產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)信息主要包括產(chǎn)品的屬性信息和過(guò)程信息。其中，屬性信息是指產(chǎn)品的幾何拓?fù)?、工程設(shè)計(jì)信息、物理信息等，可通過(guò)裝配過(guò)程的交互式輸入獲得。過(guò)程信息包括零件的裝配序列、裝配路徑、裝配約束、工裝夾具的使用等與裝配過(guò)程相關(guān)的設(shè)計(jì)信息，主要是在虛擬裝配建模過(guò)程中生成。

下面以軸類(lèi)零件的裝配設(shè)計(jì)過(guò)程為例說(shuō)明裝配模型的建立和信息管理。如圖6所示，軸模型由裝配模型樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)根節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)保存，當(dāng)設(shè)計(jì)者在軸的圓柱面、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面等幾何體素上添加表面粗糙度、裝配精度等設(shè)計(jì)信息，或者記錄裝配約束等過(guò)程信息時(shí)，系統(tǒng)即在軸模型節(jié)點(diǎn)的下一級(jí)生成與該幾何體素對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)的指針?lè)謩e指向幾何體素和裝配約束等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)動(dòng)態(tài)地建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表名用該節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的數(shù)字編碼標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)表保存和管理軸模型幾何體素上的屬性信息以及裝配約束關(guān)系等過(guò)程數(shù)據(jù)，從而通過(guò)樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)建立軸模型的幾何體和裝配信息之間的聯(lián)系。

圖6 裝配模型信息的添加

4 應(yīng)用實(shí)例

基于上述原理和方法，本文在Visual C＋＋6.0的環(huán)境下利用Opencascade工具包開(kāi)發(fā)了產(chǎn)品信息虛擬裝配建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括集群圖形系統(tǒng)、立體投影系統(tǒng)及人機(jī)交互設(shè)備。虛擬裝配信息建模系統(tǒng)通過(guò)接口讀取CAD系統(tǒng)導(dǎo)出的中性文件，獲取產(chǎn)品零件的幾何拓?fù)涞葦?shù)據(jù)，在系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的樹(shù)型結(jié)構(gòu)層次裝配模型。圖7所示為利用系統(tǒng)建立ZJ112煙草卷接機(jī)組SE100傳動(dòng)主軸裝配模型的設(shè)計(jì)實(shí)例。

系統(tǒng)在樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)設(shè)計(jì)者添加、修改的裝配信息，記錄該傳動(dòng)主軸的裝配序列、裝配約束關(guān)系等過(guò)程信息，如圖8所示。

圖7 傳動(dòng)主軸信息模型

圖8 虛擬裝配信息的存儲(chǔ)與管理

在系統(tǒng)生成的虛擬裝配環(huán)境中，設(shè)計(jì)者佩戴立體眼鏡和位置跟蹤器，通過(guò)三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等進(jìn)行虛擬裝配操作，完成裝配信息的實(shí)時(shí)添加和修改，如圖9所示。

圖9 設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品裝配

5 結(jié)論

本文研究了一種面向裝配過(guò)程的產(chǎn)品虛擬裝配建模原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，滿足了模型幾何信息與非幾何信息動(dòng)態(tài)跟隨的要求，實(shí)現(xiàn)了裝配信息的層次表達(dá)，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證，研究表明：

（1）以屬性機(jī)制和樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式構(gòu)建了產(chǎn)品模型的幾何信息與非幾何信息的映射關(guān)系，較好地體現(xiàn)了模型的信息載體作用，解決了模型信息的動(dòng)態(tài)跟隨問(wèn)題，適于交互式虛擬裝配設(shè)計(jì)過(guò)程的信息處理需求。

（2）樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)較完備地表達(dá)了裝配模型信息的層次關(guān)系，可定義和記錄裝配的過(guò)程信息，建立了信息較為完備的裝配模型。

本文的探討可以為相關(guān)研究提供借鑒。但是，如何建立可覆蓋裝配模型各層次信息處理需求的樹(shù)型框架結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)信息的高效添加和處理，關(guān)系到虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域多個(gè)硬件和軟件研究課題，本文還未作深入的研究。

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Research on Process－oriented Virtual Assembly Modeling Technology for Product Information

Liu Zijian Wang Ping Ai Yandi
State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，410082

In order to solve the problems such as completeness and following performance of product model information in process of virtual assembly，aprocess－oriented virtual assembly model for product information was proposed herein.It applied attribute frame to constitute the mapping among geometry topology information and non－geometry information，and based on information granularity，the structure of multi－layer representation for assembly model information was constructed by framework of tree structure.It can satisfy the requirements of representation completeness，dynamic following and real－time in virtual assembly.A modeling system was established and its feasibility was verified by research results.

virtual assembly；product information；attribute frame；framework of tree structure

TP391

1004—132X（2011）01—0060—05

2010—03—09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（60635020）；國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2010328CB002）

（編輯 郭 偉）

劉子建，男，1953年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室985團(tuán)隊(duì)教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)镃AD／CAE建模理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真等。發(fā)表論文80余篇。王 平，男，1982年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。艾彥迪，男，1982年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。