劉云華，劉 巍

（華中科技大學(xué)國(guó)家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430074）

1 引言

當(dāng)前大型機(jī)械、裝備等產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常在不同三維平臺(tái)中完成，導(dǎo)致裝配體信息表達(dá)方式不一致，在對(duì)模型進(jìn)行裝配仿真時(shí)，需統(tǒng)一到同一三維平臺(tái)，但由于數(shù)據(jù)表達(dá)格式的不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在交換過(guò)程中一些必要的三維信息被丟失、或者三維模型信息不一致，如顏色、屬性等信息缺失，特別是三維裝配關(guān)系通常被拋棄［1］，而這些信息往往是裝配序列規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真分析的關(guān)鍵信息［2］。所以，針對(duì)這一問(wèn)題，需要構(gòu)建一種統(tǒng)一的裝配信息表達(dá)模型，使其能完整地描述產(chǎn)品的信息，不僅是產(chǎn)品的幾何信息，還包括產(chǎn)品的關(guān)系和屬性信息。

通常裝配模型由子部件和零件構(gòu)成，子部件又可以分解為下一級(jí)的子部件和零件，這樣形成了一種層次結(jié)構(gòu)關(guān)系［3］。而裝配模型除了這種層次關(guān)系之外，還存在裝配關(guān)系，裝配體的零部件就是通過(guò)這種裝配關(guān)系約束到一起形成整體［4］。最后，為了能夠?qū)⒀b配體正確顯示出來(lái)，還需要建立零件信息，主要包括零件的形狀、尺寸等信息。所以，裝配模型信息主要是層次關(guān)系、裝配關(guān)系、零件信息。為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，裝配信息里應(yīng)該包含裝配體內(nèi)的各個(gè)子部件之間的父子關(guān)系信息，建立零部件間的裝配約束關(guān)系，描述零件的尺寸形狀。

歸納總結(jié)目前的產(chǎn)品裝配模型，可以分為層次模型、關(guān)系模型以及兩者相結(jié)合的混合模型［5，6］。這些方法只在裝配結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了一些描述，而在其它方面沒(méi)有做更多的分析，并不能解決實(shí)際問(wèn)題，如混合模型并沒(méi)能保留下裝配約束關(guān)系，不適用于實(shí)際的裝配信息建模。此外，隨著大規(guī)模制造的發(fā)展，裝配模型往往比較大，文件過(guò)大不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸并影響虛擬裝配仿真的效率［7］。

為了能夠清晰反映零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系和裝配關(guān)系，本文采用輕量化的層次和關(guān)系混合模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)CAD平臺(tái)模型的統(tǒng)一表達(dá)。輕量化體現(xiàn)在對(duì)源模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，過(guò)濾掉與虛擬裝配仿真無(wú)關(guān)的信息，如建模過(guò)程信息，僅僅保留模型的裝配結(jié)構(gòu)信息、裝配關(guān)系信息和幾何信息；層次性體現(xiàn)在裝配體從頂?shù)较乱粚訉臃纸庵钡搅慵?，每一層都記錄了相?yīng)的裝配信息和零件信息，呈典型的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)；關(guān)系性體現(xiàn)在零部件不是簡(jiǎn)單地記錄了包含、從屬關(guān)系，而且保留了不同零件的幾何元素間的裝配約束信息，能夠直觀地反映出零部件間的配合關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等。

綜上所述，為了統(tǒng)一表達(dá)異構(gòu)CAD平臺(tái)的裝配模型信息，本文的輕量化裝配信息混合模型應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）提供零部件間的父子關(guān)系信息，方便零部件的屬性管理。

（2）保留源裝配模型的裝配關(guān)系信息，為之后進(jìn)行的裝配序列規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）保留源裝配模型的零件信息，用于對(duì)裝配體的正確顯示，便于零件幾何元素之間的計(jì)算，如測(cè)量、約束求解等。

（4）對(duì)源模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，縮小后的文件方便在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

2 統(tǒng)一的輕量化裝配信息混合模型

輕量化的層次和關(guān)系混合模型表達(dá)方法如圖1所示，將產(chǎn)品裝配信息分為兩個(gè)部分：裝配結(jié)構(gòu)信息和裝配關(guān)系信息。裝配結(jié)構(gòu)信息里記錄了零部件的層次結(jié)構(gòu)，包含零件的幾何尺寸信息、顯示信息，零部件的父子關(guān)系信息；裝配關(guān)系信息里記錄了不同零件間的約束關(guān)系，在此約束關(guān)系下，零部件形成了一個(gè)聯(lián)系緊密的整體。

Figure 1 Mixed expression model of hierarchy and relationships圖1 層次和關(guān)系混合表達(dá)模型

為充分保證模型的一致性，本文采用數(shù)據(jù)記錄方式盡量使三維模型數(shù)據(jù)保持一致，將三維裝配信息和零件分開(kāi)表達(dá)。用裝配文件記錄裝配結(jié)構(gòu)信息和裝配關(guān)系信息，記為裝配層信息；零件文件記錄幾何信息，記為零件層信息。然后，裝配文件通過(guò)數(shù)據(jù)引用的方式將零件文件的幾何信息顯示在正確的位置。裝配層中的裝配關(guān)系信息需要利用零件層中的幾何信息來(lái)建立，而零件層中的幾何信息需要通過(guò)裝配層中裝配結(jié)構(gòu)信息調(diào)用來(lái)顯示。下面將分別詳細(xì)介紹裝配層和零件層的信息表達(dá)。

2.1 裝配層表達(dá)

裝配層表達(dá)的是層次與關(guān)系的混合模型，反映了整個(gè)三維模型的框架，記錄了裝配體下面的零部件結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系。裝配層表達(dá)主要包括裝配關(guān)系信息表達(dá)和零部件引用表達(dá)。

裝配關(guān)系信息分為三類(lèi)：配合關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、聯(lián)結(jié)關(guān)系［8］。

配合關(guān)系是兩個(gè)零件的幾何特征之間的接觸約束關(guān)系，它描述兩個(gè)相互配合的零件如何通過(guò)零件上若干幾何表面的相互接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)他們之間的相互聯(lián)系，是產(chǎn)生產(chǎn)品裝配順序和評(píng)價(jià)可裝配性的重要依據(jù)。配合關(guān)系包括：平面與平面貼合、柱面與柱面同軸、平面與回轉(zhuǎn)面相切、點(diǎn)面接觸等類(lèi)型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：配合關(guān)系信息 ＝ ｛裝配零件1，裝配零件2，幾何元素1，幾何元素2，配合關(guān)系類(lèi)型｝。

運(yùn)動(dòng)關(guān)系是構(gòu)成裝配的零部件之間存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)品完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)力做功的基礎(chǔ)。

聯(lián)接關(guān)系是若干零部件通過(guò)其他聯(lián)接零件或自身的聯(lián)接特征聯(lián)接在一起，構(gòu)成穩(wěn)定的整體的特殊裝配關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：運(yùn)動(dòng)（聯(lián)接）關(guān)系信息＝｛裝配零件1，裝配零件2，運(yùn)動(dòng)（聯(lián)接）關(guān)系類(lèi)型，運(yùn)動(dòng)（聯(lián)接）關(guān)系詳細(xì)信息｝。

零部件引用記錄了零部件的名稱(chēng)、ID號(hào)、文件相對(duì)路徑、相對(duì)變換矩陣。裝配層信息中只記錄零部件的文件路徑，對(duì)其進(jìn)行引用，并不記錄具體的幾何拓?fù)湫畔?，這樣會(huì)減少數(shù)據(jù)的冗余，減小文件大小。

2.2 零件層表達(dá)

零件信息是數(shù)字化產(chǎn)品裝配信息的關(guān)鍵內(nèi)容，沒(méi)有零件就無(wú)法構(gòu)成產(chǎn)品。零件是構(gòu)成產(chǎn)品的基本單元。

零件信息分為幾何信息和顯示信息。幾何信息是用來(lái)描述零件的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)以及幾何形狀的尺寸，可以用具體的函數(shù)來(lái)精確表達(dá)。例如，圓柱體零件包含的幾何信息對(duì)象有圓、平面、柱面，圓對(duì)應(yīng)的幾何屬性有圓心坐標(biāo)和半徑，平面的幾何屬性有定位點(diǎn)坐標(biāo)和法矢。顯示信息是指將零件的幾何對(duì)象三角化后得到的三角化面、三角化邊和點(diǎn)的信息，因?yàn)槿敲嫫軌蚴鼓Ｐ图铀亠@示，所以我們采用三角面片來(lái)顯示圖形。

因此，零件層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：零件層信息 ＝｛幾何信息，顯示信息｝；幾何信息 ＝ ｛幾何對(duì)象類(lèi)型，幾何對(duì)象屬性｝；顯示信息 ＝ ｛三角化面，三角化邊，點(diǎn)｝。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于第2節(jié)提出的輕量化混合裝配信息表達(dá)模型，為了進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)冗余，使之后的裝配序列規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)仿真更加快速、有效，有幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步討論，包括裝配體屬性管理和零件顯示機(jī)制。

3.1 裝配體屬性管理

裝配體從顯示上來(lái)看是簡(jiǎn)單的父子層次結(jié)構(gòu)，而實(shí)際在內(nèi)部數(shù)據(jù)方面，并非是簡(jiǎn)單的父子關(guān)系，而是父－實(shí)例－零件的三層關(guān)系。因此，裝配體中的屬性就不僅只有父和子零件的屬性，還存在一個(gè)子在父中實(shí)例的屬性，這一屬性表示，當(dāng)一個(gè)零件被裝配到某一特定裝配體下時(shí)，該實(shí)例零件還可以擁有與原零件不同的屬性信息，如顏色、外形等等。為了使同一個(gè)零件在不同部件中能夠顯示不同的屬性，本文的裝配信息表達(dá)方法是將零件的這些屬性保存在其上一級(jí)的父裝配體文件中。通過(guò)修改裝配體文件中被引用零件的相關(guān)屬性信息，實(shí)現(xiàn)零件的多形態(tài)顯示。這樣可以解決裝配體上的顏色設(shè)置、變型件問(wèn)題。

如圖2所示，在裝配體A中引用了兩個(gè)子裝配體C，分別記為C1和C2。由于C1和C2是同一個(gè)裝配體文件，所以如果通過(guò)裝配體C來(lái)修改零件D的顏色，會(huì)導(dǎo)致C1和C2中零件D的顏色都會(huì)改變。按照本文的輕量化混合表達(dá)方法，部件C1和C2雖然都來(lái)自同一裝配文件，但是在這里是作為兩個(gè)實(shí)例來(lái)處理的，那么修改C1中零件D1的顏色只是改變了這個(gè)實(shí)例的顏色，并不會(huì)改變另外一個(gè)實(shí)例C1中零件D2的顏色。

Figure 2 Same part is called in many places圖2 同一部件在多處被調(diào)用

同樣，子部件的這類(lèi)屬性也是記錄在其上一級(jí)父裝配體文件中。那么，這樣就會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)一個(gè)零件和它的父裝配體同時(shí)設(shè)置了某個(gè)屬性時(shí)，該零件應(yīng)顯示哪個(gè)屬性？由于模型的顯示過(guò)程是自頂向下的，即讀取屬性的過(guò)程是從總裝配體到子裝配體最后到零件，所以當(dāng)零件和其父裝配體的同一屬性設(shè)置了不同值時(shí)，零件會(huì)取最后自身設(shè)置的屬性值。

3.2 零件顯示機(jī)制

在本文的輕量化裝配信息表達(dá)中，所有零部件的幾何信息都是相對(duì)于上一級(jí)父裝配體的位置進(jìn)行保存的，記錄為相對(duì)變換矩陣。為了將零件顯示在正確的位置，就需要計(jì)算零件在裝配體中的絕對(duì)位置，可由零件的上級(jí)所有節(jié)點(diǎn)的變換矩陣相乘得到。若設(shè)某零件的所有上級(jí)節(jié)點(diǎn)的變換矩陣為Mi（i＝1，2，…，n），則該零件的當(dāng)前絕對(duì)位置矩陣為M＝∏ni＝1Mi（i＝1，2，…，n）。

這樣做的意義在于，當(dāng)某個(gè)零件被多個(gè)不同部件調(diào)用時(shí)，其位置顯示問(wèn)題能夠得以解決。如圖2所示，零件D在兩處被調(diào)用，而它自身的幾何數(shù)據(jù)是確定的，那么要同時(shí)表示兩個(gè)位置，就可以利用相對(duì)位置矩陣。D在C中的相對(duì)位置矩陣為Mdc，C在A中的相對(duì)位置矩陣為Mca，那么零件D在總裝配體A中的絕對(duì)位置矩陣M＝Mca＊Mdc。零件D相對(duì)于子部件C的位置Mdc、子部件C相對(duì)于裝配體A的位置都可以通過(guò)修改裝配體文件中的相對(duì)變換矩陣來(lái)變化。這樣，通過(guò)每一層的數(shù)據(jù)引用，最終可以實(shí)現(xiàn)同一零件多次被調(diào)用時(shí)的顯示問(wèn)題。

4 應(yīng)用實(shí)例

利用輕量化裝配信息混合表達(dá)模型，可將異構(gòu)CAD平臺(tái)裝配模型的裝配結(jié)構(gòu)信息、裝配關(guān)系信息以及幾何信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示模式，在該統(tǒng)一模型下，還可利用該模型表達(dá)將這些三維模型裝配在一起，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)模型的三維裝配。在裝配模型中不僅保留了零部件的位置信息，還保留了零部件間的約束關(guān)系，利用這個(gè)模型我們可以方便地進(jìn)行三維仿真。

利用HOOPS可視化開(kāi)發(fā)包，在VS2005上開(kāi)發(fā)了天喻軟件三維瀏覽器InteVue2012，通過(guò)三維CAD軟件提供的二次開(kāi)發(fā)接口讀取對(duì)方的文件，然后將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的裝配模型表達(dá)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前主流三維軟件模型的瀏覽，如Catia、Solid－Works、ProE等。

圖3是來(lái)自Inventor2011和SolidWorks2011的模型，進(jìn)行了文件格式轉(zhuǎn)換后，在InteVue2012中打開(kāi)，只保留了裝配體的幾何信息、拓?fù)湫畔?、裝配關(guān)系信息以及少量的設(shè)計(jì)信息，文件大小相對(duì)于源文件減小很多，瀏覽速度快，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的移動(dòng)和顏色修改等功能。圖3中顯示了裝配體的層次結(jié)構(gòu)，保留了源文件的裝配關(guān)系，便于后期的裝配序列規(guī)劃以及裝配運(yùn)動(dòng)仿真，之后在兩個(gè)子部件之間又新增加了共軸和重合的約束配合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種輕量化的層次和關(guān)系混合模型來(lái)表達(dá)異構(gòu)三維CAD平臺(tái)的裝配體模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)CAD平臺(tái)模型的瀏覽，解決了零部件屬性一致性的問(wèn)題，保留了裝配體的裝配關(guān)系，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)三維瀏覽器在裝配關(guān)系建立方面的空白。采用此方法可以有效地提高三維模型瀏覽速度，更好地指導(dǎo)裝配序列規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真。

［1］ Peng Tao，Li Shi－qi，Zhang Chong－h(huán)ui，et al.Information acquisition and application for the virtual assembly［J］.Com－

Figure 3 Model of heterogeneous CAD platform圖3 異構(gòu)CAD平臺(tái)的模型puter Integrated Manufacturing Systems，2009，15（9）：1817－1822.（in Chinese）

［2］ Yang Run－dang，Wu Dian－liang，F(xiàn)an Xiu－min，et al.Research on constraint－based virtual assembly technologies［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2006，12（3）：414－419.（in Chinese）

［3］ Liu Zhen－yu，Tan Jian－rong，Zhang Shu－you.The multi－level representation of product information for virtual assembly［J］.Journal of Computer－Aided Design ＆ Computer Graphics，2001，13（3）：224－228.（in Chinese）

［4］ Dai Guo－h(huán)ong.Research on the techniques of modeling and sequence planning for digital pre－assembly ［D］.Nanjing：Nanjing University of Science ＆ Technology，2007.（in Chinese）

［5］ van Holland W，Bronsvoort W F.Assembly features in modeling and planning ［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2000，16（4）：277－294.

［6］ Jayaram S，Connacher H I，Lyons K W.Virtual assembly u－sing virtual reality techniques［J］.Computer－Aided Design，1997，29（8）：575－584.

［7］ Sang Xiao－chong，Zhou Hua－lin，Zuo Dun－wen.Research on the automatically extracting technology of assembly information for virtual assembly［J］.Manufacture Information Engineering of China，2010，39（19）：33－40.（in Chinese）

［8］ Zhang Fan.Research on the key technology for collaborative digital pre－assembly system［D］.Nanjing：Nanjing University of Science ＆ Technology，2005.（in Chinese）

附中文參考文獻(xiàn)：

［1］ 彭濤，李世其，章崇暉，等.面向虛擬裝配的信息獲取與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009，15（9）：1817－1822.

［2］ 楊潤(rùn)黨，武殿梁，范秀敏，等.基于約束的虛擬裝配技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（3）：414－419.

［3］ 劉振宇，譚建榮，張樹(shù)有.面向虛擬裝配的產(chǎn)品層次信息表達(dá)研究［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2001，13（3）：224－228.

［4］ 戴國(guó)洪.數(shù)字化預(yù)裝配建模與序列規(guī)劃技術(shù)的研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2007.

［7］ 桑小沖，周華林，左敦穩(wěn).面向虛擬裝配的裝配信息自動(dòng)提取技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39（19）：33－40.

［8］ 張帆.協(xié)同數(shù)字化預(yù)裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2005.