李才波+梁利東+胡阿敏

【摘 要】本文提出一種針對(duì)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的虛擬分層裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)方法。以UG NX進(jìn)行三維建模，運(yùn)用Quest3D引擎平臺(tái)對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的實(shí)施驅(qū)動(dòng)和人機(jī)交互控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的分層序列拆裝及運(yùn)動(dòng)仿真功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有較好的沉浸感和應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；分層裝配；運(yùn)動(dòng)仿真；Quest3D

0 引言

虛擬裝配作為虛擬制造技術(shù)[1-3]的重要組成部分，近年來得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對(duì)敏捷制造、虛擬制造等先進(jìn)制造模式的實(shí)施具有深遠(yuǎn)影響。利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)裝配中的問題。而通過虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，可模擬產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)精度的準(zhǔn)確度。通過反饋信息可對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過可視化顯示裝配運(yùn)動(dòng)過程。運(yùn)用該技術(shù)不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬裝配改善傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主、裝配滯后于加工設(shè)計(jì)的弊端。本文提出基于Quest3D的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法，依據(jù)零件的裝配分層關(guān)系實(shí)現(xiàn)序列拆裝，并給出虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和案例。

1 分層序列裝配模型

由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)零部件之間都有嚴(yán)格的裝配關(guān)系[4-5]，無(wú)論是拆還是裝都需要按照設(shè)計(jì)的裝配結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)按照其真實(shí)的裝配標(biāo)準(zhǔn)按層次劃分或分解為不同級(jí)別的能夠進(jìn)行獨(dú)立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產(chǎn)品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機(jī)器五個(gè)等級(jí)的裝配體，裝配時(shí)，按照上述等級(jí)依次分解，上一級(jí)包含下一級(jí)子裝配體，下一級(jí)子裝配體又包含更下一級(jí)子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級(jí)裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點(diǎn)在于更清晰表達(dá)產(chǎn)品中零部件之間的層次關(guān)系，并可以用子裝配體表達(dá)一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，可減少裝配分析的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化問題的求解過程。圖1 為分層序列裝配示意。

幾點(diǎn)說明：

（1）在裝配模型設(shè)計(jì)中，每一層裝配體都會(huì)存在基準(zhǔn)件，按照裝配工藝要求將基準(zhǔn)件設(shè)為該層序列的第一個(gè)裝配體，以保證滿足裝配標(biāo)準(zhǔn)和裝配精度；

（2）裝配單元的劃分依據(jù)具體機(jī)械產(chǎn)品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時(shí)，該類零件則視為部件級(jí)零件，可以直接在相應(yīng)層中進(jìn)行裝配順序排序。

2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個(gè)區(qū)，即場(chǎng)景區(qū)和功能區(qū)。場(chǎng)景區(qū)包括攝像機(jī)控制、3D模型導(dǎo)入和顯示、環(huán)境設(shè)置。其中，攝像機(jī)控制是根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)模型及場(chǎng)景的瀏覽漫游功能如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等；3D模型導(dǎo)入和顯示則是基于原始模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和表示，每個(gè)零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設(shè)置包括場(chǎng)景布置、燈光設(shè)置以及UI設(shè)計(jì)。功能區(qū)由五個(gè)功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊。如圖2所示。

2.2 模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)化及場(chǎng)景設(shè)置

通過UG NX三維建模，生成原始數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Deep Exploration軟件將prt文件模型進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換為dae文件，然后導(dǎo)入到Quest3D中。Quest3D可對(duì)導(dǎo)入所有數(shù)字內(nèi)容的進(jìn)行設(shè)置和編制。由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個(gè)可裝配的零部件，需要通過程序定義其在場(chǎng)景中的世界坐標(biāo)及彼此位置關(guān)系，用3D render場(chǎng)景模塊把它們組合在一起并顯示。

為了能更好控制每個(gè)零部件裝配運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個(gè)可裝配零部件的運(yùn)動(dòng)屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數(shù)Damping value，將其與運(yùn)動(dòng)方向建立聯(lián)系。在拆或裝時(shí)候，阻尼參數(shù)發(fā)揮作用，Damping 值增加時(shí)，阻尼增大，零件裝配運(yùn)動(dòng)減慢，反之亦然。

場(chǎng)景設(shè)置主要包括光照、攝影機(jī)設(shè)置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點(diǎn)光源從攝像機(jī)的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強(qiáng)用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機(jī)是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對(duì)空間視窗的對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機(jī)（Object Inspection Camera）作為場(chǎng)景的交互窗口，通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數(shù)，設(shè)定攝像機(jī)的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標(biāo)就可以對(duì)三維場(chǎng)景中所有物體進(jìn)行瀏覽操作。圖4為三維模型導(dǎo)入效果圖中，（a）為一個(gè)二級(jí)減速器，（b）為車床主軸箱。

2.3 裝配及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

Quest3D中的三維模型中各個(gè)裝配體依據(jù)裝配單元建立層級(jí)鏈表，即確定拆裝過程的序列。每個(gè)裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉(zhuǎn)）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據(jù)裝配序列依次對(duì)裝配體的各個(gè)矩陣中參數(shù)的進(jìn)行改變?cè)O(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)裝配體的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到零部件裝配效果。

虛擬裝配過程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動(dòng)拆裝方式。整體拆裝是對(duì)整個(gè)模型一次性實(shí)現(xiàn)拆分和裝配過程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進(jìn)行拆裝；模擬手動(dòng)拆裝則是通過建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實(shí)拆裝過程。無(wú)論以何種方式進(jìn)行裝配，拆裝模塊作為獨(dú)立模塊可進(jìn)行重復(fù)調(diào)用，表1為拆裝模塊中相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示。

系統(tǒng)的UI模塊是用戶實(shí)現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機(jī)械產(chǎn)品可根據(jù)其復(fù)雜程度和操作方便性、人性化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可用三維鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，同時(shí)設(shè)置菜單、按鈕、復(fù)選框等控件進(jìn)行裝配過程的選擇、設(shè)置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級(jí)變速虛擬傳動(dòng)示意圖。

3 結(jié)論

本文提出了分層裝配思想應(yīng)用Quest3D 引擎開發(fā)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機(jī)械產(chǎn)品模型，通過建立虛擬場(chǎng)景、UI功能模型有效達(dá)到了用戶對(duì)于產(chǎn)品的交互操作，其虛擬裝配過程和運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)于企業(yè)設(shè)計(jì)制造及高校實(shí)踐教學(xué)提供了較好的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]寧汝新，鄭軼.虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，8 （16）：139-144.

[2]韋有雙，楊雙龍，王飛.虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：15-20.

[3]吳啟迪.系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：130-135.

[4]唐力.虛擬維修拆卸層次與維修空間劃分方法研究[J].機(jī)械制造，2007：45-48.

[5]劉振宇，譚建榮，張樹有.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）：223-228.

[6]路朝龍.Quest3D 從入門到精通[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012：7-26.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]