王詠梅　杜寶江

1.中航通飛研究院有限公司,珠海,5190402.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海,200093

0　引言

三維全數(shù)字化設(shè)計(jì)是大裝備現(xiàn)今主流的設(shè)計(jì)手段，像飛機(jī)這樣的大型裝備在CAD環(huán)境下進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，零部件和標(biāo)準(zhǔn)件通常使用3D高精細(xì)度模型(簡(jiǎn)稱(chēng)為精確模型)進(jìn)行裝配[1-2]，由于標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量占比超過(guò)60%，面對(duì)數(shù)千萬(wàn)個(gè)3D零部件模型的大型裝配，會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)行緩慢、編輯過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。為此，有些設(shè)計(jì)應(yīng)用中，拋棄了精確模型，而轉(zhuǎn)用簡(jiǎn)化模型。

目前常用的簡(jiǎn)化模型裝配是把標(biāo)準(zhǔn)件簡(jiǎn)化為點(diǎn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)的固定式樣模型進(jìn)行裝配操作，又稱(chēng)為R模型[3]裝配法，這樣也會(huì)帶來(lái)難以進(jìn)行3D空間干涉檢查、機(jī)械結(jié)構(gòu)變更或電氣、液壓系統(tǒng)等布線(xiàn)、布管時(shí)不方便協(xié)同調(diào)整、車(chē)間裝配空間和工具作業(yè)范圍等工藝設(shè)計(jì)難以校驗(yàn)等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了以標(biāo)準(zhǔn)件3D精確模型和多級(jí)簡(jiǎn)化模型根據(jù)模型裝配環(huán)境動(dòng)態(tài)自適應(yīng)切換的方法，既能滿(mǎn)足3D環(huán)境裝配需求又能滿(mǎn)足裝配輕量化要求，能夠有效地減輕虛擬產(chǎn)品生命周期管理(virtual product lifecycle management,VPM)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)鏈路和設(shè)計(jì)終端的運(yùn)行負(fù)擔(dān)、提高設(shè)計(jì)人員的實(shí)際設(shè)計(jì)效能。

1　總體設(shè)計(jì)思路

大型水陸兩棲飛機(jī)這類(lèi)設(shè)計(jì)對(duì)象，包含了上百萬(wàn)個(gè)零部件和標(biāo)準(zhǔn)件，標(biāo)準(zhǔn)件使用國(guó)標(biāo)、軍標(biāo)、航標(biāo)、船標(biāo)等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列，每個(gè)系列含有緊固件、軸承、支撐件、管路件、電器件等種類(lèi)。由于標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量占比大，對(duì)設(shè)計(jì)裝配效率影響大，所在以下模型簡(jiǎn)化和輕量化裝配討論主要以標(biāo)準(zhǔn)件為例來(lái)展開(kāi)。

裝配輕量化使用的零部件模型可以使用多級(jí)簡(jiǎn)化，以適合不同輕量化的要求，每一級(jí)簡(jiǎn)化模型，除了幾何精細(xì)度信息描述不同外，件號(hào)、裝配定義和工程信息等必須一致，且具有唯一數(shù)據(jù)源。實(shí)際設(shè)計(jì)中可將標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)零件分開(kāi)來(lái)管理，如圖1所示，建立獨(dú)立于VPM的標(biāo)材管理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，包含所設(shè)計(jì)機(jī)型的許用標(biāo)準(zhǔn)件信息，如各級(jí)精細(xì)度簡(jiǎn)化模型的特征素材、工程信息等，而VPM中僅儲(chǔ)存被選用的零部件和標(biāo)準(zhǔn)件信息，設(shè)計(jì)終端通過(guò)篩選和匹配功能選用標(biāo)準(zhǔn)件[4]，并根據(jù)裝配環(huán)境參數(shù)使用相應(yīng)精細(xì)度的簡(jiǎn)化模型，裝配設(shè)計(jì)結(jié)果以精確模型方式在VPM中存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)輕量化裝配過(guò)程，同時(shí)有效地減輕了VPM系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

圖1　虛擬標(biāo)準(zhǔn)件模型應(yīng)用管理流程Fig.1　The management process of virtual standard parts model

2　多級(jí)簡(jiǎn)化模型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

2.1　精確模型建立方法

零件信息包含了精確模型幾何信息、工程信息及裝配特征信息等方面的內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)件裝配體的幾何信息有組成零件體、幾何特征、三維尺寸標(biāo)注、裝配特征、標(biāo)準(zhǔn)件系列化幾何方程描述集等，將標(biāo)準(zhǔn)件模型進(jìn)行特征分解后按照每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)的母體描述模型進(jìn)行參數(shù)化建模，可以生成一個(gè)件號(hào)序列的模型。

裝配特征信息是為了自動(dòng)篩選匹配后進(jìn)行模型快速裝配而添加在模型上的約束定義，如配合面、重合軸等，需要定義可變參數(shù)的約束來(lái)使其不受具體模型和裝配體變化的影響，裝配特征是將標(biāo)準(zhǔn)件參與裝配約束的裝配特征“發(fā)布”在模型的特征樹(shù)中，便于建庫(kù)時(shí)裝配特征的提取和配合關(guān)系的自動(dòng)建立，發(fā)布的裝配特征包括：面接觸、共面、線(xiàn)接觸、共線(xiàn)、面偏移和線(xiàn)偏移。

工程信息包含了標(biāo)準(zhǔn)件的材料、重量、屈服強(qiáng)度、溫度適應(yīng)范圍、匹配適應(yīng)性、可替代性、成熟度等一系列非幾何信息，用于設(shè)計(jì)選型和性能分析計(jì)算。

對(duì)于幾何信息，可以按照標(biāo)準(zhǔn)號(hào)和應(yīng)用參數(shù)在CAD中進(jìn)行建模，然后通過(guò)編寫(xiě)的工具程序，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為三維模型特征、三維尺寸、坐標(biāo)變換、裝配定義等信息，并與標(biāo)準(zhǔn)件系列參數(shù)化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)一同入庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)模型庫(kù)內(nèi)容的自動(dòng)生成構(gòu)建[5]。

2.2　簡(jiǎn)化模型的分層級(jí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)化模型是使用輕量化技術(shù)[6]對(duì)精確三維模型的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化采用多級(jí)細(xì)節(jié)層次(level of details，LOD)方法進(jìn)行定義和制作。層級(jí)分為6級(jí)，用0至5的整數(shù)n表示。表1給出了以螺栓為例的標(biāo)準(zhǔn)件簡(jiǎn)化模型層級(jí)簡(jiǎn)化定義。參照人眼對(duì)色彩視覺(jué)關(guān)注的處理方法[7]，在三維裝配圖中(除形狀外)對(duì)不同種類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)件簡(jiǎn)化模型進(jìn)行顏色區(qū)分，以緊固件模型顏色定義(表2)為例，精確模型可以根據(jù)需要在本色和簡(jiǎn)化模型顏色之間進(jìn)行切換。

3　簡(jiǎn)化模型自適應(yīng)性分析和切換

3.1　簡(jiǎn)化模型LOD層級(jí)定義和適應(yīng)性計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)多級(jí)簡(jiǎn)化模型在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的自動(dòng)切換，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的操作參數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)件精確模型替換為不同精細(xì)度層級(jí)的LOD模型。操作參數(shù)針對(duì)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖中的操作對(duì)象裝配體，該裝配體上的標(biāo)準(zhǔn)件模型層次應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)人員對(duì)該裝配體的關(guān)注和操作程度來(lái)自動(dòng)適應(yīng)和切換。根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的操作統(tǒng)計(jì)，目標(biāo)裝配體可以從設(shè)計(jì)人員的視覺(jué)關(guān)注度、裝配體的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性、與該裝配體相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)鏈部件來(lái)分析標(biāo)準(zhǔn)件模型的層次適應(yīng)性，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為視覺(jué)層次、結(jié)構(gòu)層次和運(yùn)動(dòng)鏈層次。

表1　簡(jiǎn)化模型層級(jí)定義Tab.1　The definitions of simplified model level

表2　不同種類(lèi)的緊固件簡(jiǎn)化模型顏色定義Tab.2　Color Definition for Different Types of Fastener Simplified Model

基于視覺(jué)的模型處理過(guò)程是在現(xiàn)有圖形處理或數(shù)據(jù)傳送環(huán)境下根據(jù)設(shè)計(jì)人員的視覺(jué)對(duì)模型的精細(xì)度進(jìn)行處理的過(guò)程。首先是對(duì)人眼關(guān)注的區(qū)域或?qū)ο筮M(jìn)行分析定義，然后對(duì)模型進(jìn)行處理。處理思路可以借鑒在圖像識(shí)別、傳輸、顯示處理領(lǐng)域使用的方法，通過(guò)分析圖像的區(qū)域[8]、銳度[9]、圖斑[10]等計(jì)算出人眼的視覺(jué)關(guān)注加權(quán)因子對(duì)圖像的精細(xì)度進(jìn)行修正或調(diào)整。而三維模型還涉及到模型處理問(wèn)題，目前的工作集中在人眼視錐內(nèi)外的模型細(xì)節(jié)生成[11-12]或簡(jiǎn)化[13]上，如文獻(xiàn)[14]在CATIA模型中采用人眼視錐來(lái)定義可視區(qū)域內(nèi)外的區(qū)別，進(jìn)行模型LOD精細(xì)度處理，視錐外簡(jiǎn)化，視錐內(nèi)采用精確幾何特征描述模型。這些方法適合于根據(jù)視覺(jué)的單個(gè)模型精細(xì)度預(yù)處理定義。而對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備裝配體的零部件模型，這樣做的問(wèn)題是顯而易見(jiàn)的：

(1) 模型生成的速度跟不上裝配操作要求；

(2)模型是按照裝配部件來(lái)劃分的，同一部件上的零件有著裝配關(guān)系需要處理，并不能只按照視覺(jué)；

(3)機(jī)械運(yùn)動(dòng)是由運(yùn)動(dòng)鏈組成的，可能跨越多個(gè)零件或部件。

因此，需要探索大型機(jī)械裝配環(huán)境下基于預(yù)定義多級(jí)精細(xì)度模型(表1)進(jìn)行模型精細(xì)度自動(dòng)切換的新方法。

在圖2所示的CATIA三維裝配視圖中，取圖形區(qū)域①。當(dāng)設(shè)計(jì)人員裝配右下角的部件時(shí)，設(shè)計(jì)人員的視覺(jué)關(guān)注區(qū)域是視錐在圖形窗口平面上的截交圖形，即圖中②所表示的虛線(xiàn)長(zhǎng)方形。設(shè)計(jì)人員主視線(xiàn)聚焦于該長(zhǎng)方形區(qū)域的中心十字線(xiàn)③的位置，④是與操作對(duì)象模型具有結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系的零件模型，部件⑤是與之相連的運(yùn)動(dòng)鏈模型，而⑥是偏離主視線(xiàn)③較遠(yuǎn)或不需要進(jìn)行裝配操作的機(jī)架模型體，⑦是該部件所依附的主結(jié)構(gòu)體模型，目前不操作，且在視覺(jué)關(guān)注區(qū)域②之外。通過(guò)這些定義，可以作如下處理：

(1)視覺(jué)關(guān)注區(qū)域外的模型如部件⑦，采用去除細(xì)部特征和曲面三角形數(shù)量減少的粗糙模型；

(2)非操作模型上的標(biāo)準(zhǔn)件使用簡(jiǎn)化模型，如部件⑥上的螺栓簡(jiǎn)化模型；

(3)視覺(jué)關(guān)注區(qū)域內(nèi)，零部件使用精確模型，而標(biāo)準(zhǔn)件可按照操作對(duì)象、視覺(jué)層次、裝配結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)層次和運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)聯(lián)層次的具體參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)簡(jiǎn)化處理。

圖2　大型機(jī)械裝配體視覺(jué)關(guān)注度分級(jí)模型Fig.2　Classification model of large mechanical assembly body on visual attention

視覺(jué)層次是設(shè)計(jì)人員操作某一裝配體時(shí)，通常將操作目標(biāo)裝配體Po置于視覺(jué)的正前方，該裝配體上的標(biāo)準(zhǔn)件可能需要使用精確模型，而偏離主視向和距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的其他裝配體Pi通常關(guān)注度會(huì)降低，一般不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件精確模型操作，僅作為裝配參考。為此，需要計(jì)算對(duì)三維裝配空間中每個(gè)模型Pi的關(guān)注度，并定義基于視覺(jué)關(guān)注度的模型適應(yīng)性切換方式。

設(shè)： Po在主視向上，視距為do，通過(guò)Pi、Po、V三個(gè)空間物體的幾何中心做一個(gè)剖面，如圖3所示。Pi的視線(xiàn)與主視向矢量線(xiàn)夾角為α、視距為dv、與目標(biāo)物體的距離為d。根據(jù)視覺(jué)原理，定義模型視覺(jué)關(guān)注度u，操作模型Po的關(guān)注度最高，設(shè)定u=1，任意模型Pi的dv或α的值越大，關(guān)注度越低，當(dāng)dv大于一定數(shù)值或α大于等于90°時(shí)(包括負(fù)視向)，不再被設(shè)計(jì)者關(guān)注，即u=0。因此，u可表示為

(1)

其中，當(dāng)dv

圖3　模型視覺(jué)關(guān)注度計(jì)算Fig.3　Visual attention calculation of models

根據(jù)余弦定理：

(2)

將式(2)代入式(1)，并在計(jì)算過(guò)程中過(guò)濾掉不可見(jiàn)零部件(|α|≥90°范圍內(nèi)的零部件)，則可以得到裝配圖中任意零部件Pi的模型視覺(jué)關(guān)注度u的關(guān)系表達(dá)式：

(3)

式(3)中的距離值do、dv、d可以通過(guò)自動(dòng)讀取CATIA裝配圖中的視點(diǎn)V的坐標(biāo)、裝配體Po和Pi的插入點(diǎn)或質(zhì)心點(diǎn)三維坐標(biāo)來(lái)計(jì)算得出。

根據(jù)u的值，進(jìn)行視覺(jué)層級(jí)分段，將目標(biāo)零部件Po的u值設(shè)為0，即其上所有標(biāo)準(zhǔn)件模型設(shè)定為實(shí)體精細(xì)模型M0，其他每個(gè)裝配體Pi上的標(biāo)準(zhǔn)件替換為簡(jiǎn)化模型Mn(n=1，2，…，5)。u的分段值根據(jù)實(shí)用化測(cè)試后給出了推薦值，可以在運(yùn)行中根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需要進(jìn)行修改設(shè)定。根據(jù)視覺(jué)關(guān)注度可以得出適應(yīng)于在設(shè)計(jì)圖形中所有裝配體Po和Pi上的簡(jiǎn)化模型精細(xì)度的LOD層級(jí)n，從而在裝配體上替換相應(yīng)精細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)件簡(jiǎn)化模型Mn，如表3所示。

表3　根據(jù)視覺(jué)關(guān)注度u的視覺(jué)層級(jí)分級(jí)推薦值及模型精細(xì)度層級(jí)Tab.3　The recommended LOD values and model fineness hierarchies based on visual attention level u

結(jié)構(gòu)層次是按照設(shè)計(jì)人員正在編輯的Po在目錄樹(shù)中的父子關(guān)系(Children)來(lái)劃分的，設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊Po時(shí)，Po包括其子級(jí)裝配體被自動(dòng)設(shè)定為n=0層級(jí)，其上的標(biāo)準(zhǔn)件全部按照M0調(diào)用，Po的父級(jí)部件為n=1，父級(jí)部件上的標(biāo)準(zhǔn)件模型全部切換至M1，依此類(lèi)推，直到n=5級(jí)及以上父部件不再顯示標(biāo)準(zhǔn)件。可以首先使用CATIA的CAA函數(shù)掃描圖形中的目錄樹(shù)，過(guò)濾裝配體，獲取含有Po裝配體的子目錄集，讀取Children代碼集C，C是一個(gè)自然數(shù)一維數(shù)組，確定Po的父子級(jí)別為第j級(jí)，則與Po具有裝配關(guān)系的任一裝配體Pi的LOD層級(jí)ni為

(4)

運(yùn)動(dòng)鏈層次是按照與Po直接相關(guān)的運(yùn)動(dòng)鏈拓展關(guān)系來(lái)定義的，Po設(shè)定為n=0級(jí)，運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部零部件按照視覺(jué)層次分級(jí)，運(yùn)動(dòng)鏈以外全部為n=5級(jí)。運(yùn)動(dòng)鏈檢測(cè)在裝配過(guò)程可以通過(guò)零件或部件中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，參考裝配關(guān)系定義的處理方法進(jìn)行，有些較難自動(dòng)完成的運(yùn)動(dòng)定義可以手動(dòng)選取運(yùn)動(dòng)部件關(guān)聯(lián)來(lái)完成。

以上三種層次獲取的n，在某些情況下可能有重疊現(xiàn)象，再加上設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的情況手動(dòng)設(shè)定，則需要給四種情況下的n值設(shè)定優(yōu)先級(jí)別Y依次遞減：手動(dòng)Y1，視覺(jué)Y2，結(jié)構(gòu)Y3，運(yùn)動(dòng)鏈Y4。

3.2　標(biāo)準(zhǔn)件簡(jiǎn)化模型切換

根據(jù)模型切換要求，多級(jí)精細(xì)度的簡(jiǎn)化模型Mn根據(jù)精確模型M0和數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)定義的簡(jiǎn)化特征元素與生成規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成[15]。

在數(shù)據(jù)庫(kù)中，針對(duì)每一類(lèi)型(標(biāo)準(zhǔn)號(hào))的標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)應(yīng)于n=0，1，…，5建立了Jn個(gè)圖形特征構(gòu)成的特征集Fn，以及不參與模型幾何構(gòu)建的元素集Rn，如裝配定位點(diǎn)、裝配方向矢量、標(biāo)注等。由此根據(jù)已生成的層級(jí)n和件號(hào)便可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相應(yīng)的Fn和Rn進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的生成。與精確模型構(gòu)建中使用特征布爾加減混合運(yùn)算不同，簡(jiǎn)化模型的生成只需要使用特征布爾加法運(yùn)算即可：

(5)

其中，Tnj為第j個(gè)幾何特征Fnj的坐標(biāo)變換矩陣，包含了平移、旋轉(zhuǎn)、比例三個(gè)3D圖形的常規(guī)變換，在此不展開(kāi)討論。

由于簡(jiǎn)化模型是設(shè)計(jì)員在裝配過(guò)程中使用的臨時(shí)性視覺(jué)模型，因此不需要像精確模型那樣按標(biāo)注的精確尺寸控制每個(gè)特征的生成，只需要確保外形和配合關(guān)系特征尺寸準(zhǔn)確即可，因此可以使用特征形狀縮放變換來(lái)取代特征的尺寸驅(qū)動(dòng)變換。式(5)中的特征加法運(yùn)算不涉及運(yùn)算順序問(wèn)題，實(shí)際操作中，簡(jiǎn)化模型的特征是根據(jù)精確模型特征簡(jiǎn)化而來(lái)，因此簡(jiǎn)化模型的運(yùn)算順序繼承了精確模型的運(yùn)算順序，且更簡(jiǎn)便。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文將以實(shí)體精確模型為基礎(chǔ)的飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件分級(jí)簡(jiǎn)化模型的自適應(yīng)性動(dòng)態(tài)切換方法應(yīng)用于某型號(hào)水陸兩棲飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，與原有全部精確模型裝配相比，系統(tǒng)速度提高了2～3倍，與原有使用全簡(jiǎn)化模型相比，在校驗(yàn)和重復(fù)設(shè)計(jì)上更方便，同時(shí)為電氣及液壓管線(xiàn)設(shè)計(jì)提供了輔助功能，在大型裝備的三維數(shù)字化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅有效減少了VPM管理負(fù)擔(dān)，也提升了標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一管理和裝配設(shè)計(jì)效率，為大裝備設(shè)計(jì)中輕量化裝配和標(biāo)準(zhǔn)件整體管理應(yīng)用提供了可借鑒的方法。

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(編輯王旻玥)