李才波+梁利東+胡阿敏
【摘 要】本文提出一種針對機(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引擎平臺對產(chǎn)品模型進(jìn)行虛擬場景的實(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)品在市場中的競爭力。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)等級的裝配體,裝配時(shí),按照上述等級依次分解,上一級包含下一級子裝配體,下一級子裝配體又包含更下一級子裝配體直至最終不可分解的零件,其中每一級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),即場景區(qū)和功能區(qū)。場景區(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)對模型及場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景中的世界坐標(biāo)及彼此位置關(guān)系,用3D render場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空間視窗的對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機(jī)(Object Inspection Camera)作為場景的交互窗口,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)就可以對三維場景中所有物體進(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)裝配序列依次對裝配體的各個(gè)矩陣中參數(shù)的進(jìn)行改變設(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,通過建立虛擬場景、UI功能模型有效達(dá)到了用戶對于產(chǎn)品的交互操作,其虛擬裝配過程和運(yùn)動(dòng)仿真對于企業(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。
【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[J].中國機(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:中國鐵道出版社,2012:7-26.
[責(zé)任編輯:楊玉潔]