無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 郁 敏，信 軻

1 系統(tǒng)需求分析

虛擬裝配技術(shù)已成為數(shù)字化制造技術(shù)在制造業(yè)中研究和應(yīng)用的典范，將此技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)系統(tǒng)可以提高學(xué)生裝配任務(wù)的完成質(zhì)量。

在汽車專業(yè)拆裝實(shí)習(xí)的教學(xué)過程中，學(xué)生主要面臨如下問題。第一，學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)過程理解困難。第二，運(yùn)動(dòng)部件是否存在干涉現(xiàn)象很難觀察并矯正。第三，復(fù)雜的裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)了解不全面。第四，拆裝實(shí)習(xí)時(shí)，學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)拆裝順序混亂，拆卸下來的部件裝不上去等現(xiàn)象。針對(duì)以上問題對(duì)虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)與開發(fā)。

2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于OSG的虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)框架，主要由數(shù)據(jù)層、核心服務(wù)層、應(yīng)用層及界面層等4個(gè)層面組成。各個(gè)層面之間協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

（1）界面層。使用CEGUI編程技術(shù)開發(fā)本系統(tǒng)的操作界面，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有VR-Space Wintracker位置跟蹤器和DG5VHand 2.0數(shù)字手套的編譯接口，通過以上交互設(shè)備可以進(jìn)行虛擬瀏覽和虛擬裝配等人機(jī)交互操作，通過鍵盤按鍵可以切換為鼠標(biāo)和鍵盤控制人機(jī)交換模式。

（2）應(yīng)用層。應(yīng)用層主要提供CAD的數(shù)據(jù)接口，管理裝配體信息。

（3）核心服務(wù)層。此層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有場景管理、約束識(shí)別、碰撞檢測和運(yùn)動(dòng)仿真。

（4）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要有兩大類數(shù)據(jù)，一類是CAD 系統(tǒng)中提取出的三維裝配體模型信息，另一類是包含有裝配序列、裝配路徑、裝配約束等裝配過程信息。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)引入汽車車門作為模型，主要用于汽車車門的虛擬裝配與拆卸仿真。為了更好地解決實(shí)際教學(xué)過程中存在的問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開發(fā)了車門虛擬漫游、車門附件運(yùn)動(dòng)仿真、車門虛擬裝配仿真、多人協(xié)同管理、車門裝配序列規(guī)劃及爆炸圖展示等6個(gè)模塊。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 虛擬漫游模塊

虛擬漫游模塊主要是使用交互設(shè)備來改變攝像機(jī)位置和朝向，使用戶從不同的角度來觀察虛擬場景的效果。虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。在Viewer初始化之后，在場景中添加漫游器，通過handle處理輸入的事件，使用矩陣控制攝像機(jī)的位置，將攝像機(jī)的信息反饋到Viewer中，進(jìn)行場景的更新。

從場景中選擇一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟隨。通過將攝像機(jī)聚焦到場景圖形節(jié)點(diǎn)的方法，將視口的攝像機(jī)將跟隨節(jié)點(diǎn)的世界坐標(biāo)進(jìn)行放置，系統(tǒng)實(shí)行了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的聚焦瀏覽功能，此功能可以更為精確地觀察運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部是否存在運(yùn)動(dòng)干涉。

4.2 車門附件運(yùn)動(dòng)仿真模塊

車門運(yùn)動(dòng)附件主要包括玻璃升降器、門鎖及鉸鏈等。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫制作過程如圖4所示。

首先利用UG軟件建立車門模型，接著將車門模型的零件以STL格式轉(zhuǎn)出，導(dǎo)入3dmax軟件中。使用3dmax材質(zhì)編輯器給模型加上材質(zhì)和表面貼圖。接著制作玻璃升降器、門鎖、鉸鏈的運(yùn)動(dòng)仿真模型。最后將模型文件以.ive的格式導(dǎo)出，轉(zhuǎn)入到基于OSG的汽車車門虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)，OSG加載并渲染車門模型。

本系統(tǒng)將虛擬漫游技術(shù)和3dmax的動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)車門附件運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)車門附件的組成和工作原理的展示更加生動(dòng)直觀，學(xué)生還可以用來校核車門附件是否存在運(yùn)動(dòng)干涉。

4.3 虛擬裝配仿真模塊

虛擬裝配仿真模塊可實(shí)現(xiàn)汽車車門的虛擬裝配和拆卸仿真，檢驗(yàn)零件的可裝配性。此模塊工作流程設(shè)計(jì)如圖5所示。裝配時(shí)，先抓取一個(gè)零件，建立或解除零件間的約束信息，移動(dòng)零件。裝配過程全程進(jìn)行碰撞檢測，如果出現(xiàn)碰撞，則彈出對(duì)話框“模型中發(fā)生碰撞，請返回上一幀操作”。系統(tǒng)可記錄下每個(gè)零件的裝配序列和路徑，回放裝配過程，修改優(yōu)化裝配路徑和序列。調(diào)用裝配文件，還可實(shí)現(xiàn)裝配動(dòng)畫播放功能。裝配動(dòng)畫可以很好地指導(dǎo)學(xué)生完成裝配操作。

4.3.1 碰撞檢測

汽車車門虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)將ODE和OSG結(jié)合起來，利用ODE的碰撞檢測算法，編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測模型運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生碰撞。如圖6所示，圖中畫圈區(qū)域?yàn)樵诎惭b門鎖時(shí)，門鎖和安裝孔邊緣發(fā)生碰撞，系統(tǒng)自動(dòng)彈出“模型中發(fā)生碰撞，請返回上一幀操作”的提示框。

圖3 場景漫游實(shí)現(xiàn)流程圖

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)過程圖

圖5 裝配仿真模塊工作流程圖

4.3.2 路徑記錄與回放

在OSG中，使用類osg::Animation Path記錄零件的裝配路徑。實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示，先定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體內(nèi)存有模型的節(jié)點(diǎn)名稱、動(dòng)作時(shí)每幀的位姿矩陣信息，信息傳入結(jié)構(gòu)體形成向量組列表。路徑信息用Animation.txt文件進(jìn)行記錄。

圖6 安裝過程碰撞檢測圖（截屏）

每個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)路徑信息存儲(chǔ)在Animation.txt文件中，調(diào)用Animation.txt文件可對(duì)零件的裝配路徑進(jìn)行回放。使用OSG中的osg::Animation Path Call Back 類中Updata Callback 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)路徑回放功能。

圖7 路徑記錄流程圖

4.4 多人協(xié)同管理模塊

將Socket編程技術(shù)運(yùn)用到本系統(tǒng)中，基于Socket程序靈活的移植性能，它可以平穩(wěn)地在此系統(tǒng)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)操作裝配的功能。

學(xué)生在彈出的對(duì)話框中輸入自己電腦的IP地址，便完成客戶端登陸進(jìn)入虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生可以同時(shí)對(duì)同一個(gè)裝配體進(jìn)行操作，協(xié)調(diào)完成序列規(guī)劃等一系列學(xué)習(xí)任務(wù)。如圖8所示，圖中畫圈區(qū)域?yàn)槿煌瑢W(xué)拖著不同的零件同時(shí)進(jìn)行車門裝配任務(wù)。此功能加強(qiáng)了學(xué)生之間團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力，提高了學(xué)生完成任務(wù)的效率。

圖8 三人協(xié)同裝配操作示意圖（截屏）

4.5 裝配序列規(guī)劃模塊

裝配序列規(guī)劃模塊使用分層算法來控制車門拆裝。以拆卸分層控制為例，若選取任意一個(gè)零件，搜索數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的此零件的節(jié)點(diǎn)信息，若此零件存在上層父節(jié)點(diǎn)，說明其上層裝配體拆卸沒有完成，用定義函數(shù)的方式阻止零件的移動(dòng)；若此零件無上層父節(jié)點(diǎn)，說明其上層裝配體拆卸完成，可以規(guī)劃下一步的拆卸。依據(jù)自下而上分層拆卸原則，此算法克服了任意拆卸導(dǎo)致的混亂，符合正常的拆卸邏輯。

如圖9所示，在拖動(dòng)玻璃升降器大臂時(shí)，無法移動(dòng)，系統(tǒng)彈出“請完成上一層級(jí)拆卸步驟！”對(duì)話框。這是因?yàn)樵诓鹦恫Ａ灯鞔蟊蹠r(shí)，沒有事先拆卸下升降器托架裝配體，所以此步驟無法進(jìn)行。

裝配序列規(guī)劃模塊通過分層算法獲得合理的裝配序列，同時(shí)可對(duì)車門零部件的裝配路徑和序列做相應(yīng)的調(diào)整，刪除不合理的規(guī)劃序列或路徑，從而獲取較優(yōu)的規(guī)劃結(jié)果。

圖9 拆卸序列規(guī)劃過程圖（截屏）

4.6 爆炸圖生成模塊

爆炸圖生成模塊算法是基于零件的拆卸序列，可分別實(shí)現(xiàn)總裝配及子裝配體的全局爆炸和局部爆炸。用零件包圍盒進(jìn)行零件位置的描述，利用拆卸矩陣實(shí)現(xiàn)裝配體的爆炸。獲得的爆炸圖可清晰地展示汽車車門裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加深學(xué)生對(duì)車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解。如圖10為車門模型爆炸全局圖。

圖10 車門全局爆炸圖（截屏）

本文結(jié)合拆裝實(shí)習(xí)教學(xué)過程中問題與需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了汽車車門虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)。6大功能模塊很好地解決了教學(xué)過程中存在的問題，提高了學(xué)生拆裝實(shí)訓(xùn)的裝配效率和精度，加強(qiáng)了協(xié)同拆裝過程中的團(tuán)隊(duì)合作精神。