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        虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

        2019-12-30 08:03:56無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
        汽車(chē)維護(hù)與修理 2019年22期
        關(guān)鍵詞:教學(xué)系統(tǒng)車(chē)門(mén)模塊

        無(wú)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(chē)專(zhuān)業(yè)拆裝實(shí)習(xí)的教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生主要面臨如下問(wèn)題。第一,學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guān)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(lái)的部件裝不上去等現(xiàn)象。針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)與開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)鍵盤(pán)按鍵可以切換為鼠標(biāo)和鍵盤(pán)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(chǎng)景管理、約束識(shí)別、碰撞檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)仿真。

        (4)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要有兩大類(lèi)數(shù)據(jù),一類(lèi)是CAD 系統(tǒng)中提取出的三維裝配體模型信息,另一類(lèi)是包含有裝配序列、裝配路徑、裝配約束等裝配過(guò)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(chē)車(chē)門(mén)作為模型,主要用于汽車(chē)車(chē)門(mén)的虛擬裝配與拆卸仿真。為了更好地解決實(shí)際教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題,系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了車(chē)門(mén)虛擬漫游、車(chē)門(mén)附件運(yùn)動(dòng)仿真、車(chē)門(mén)虛擬裝配仿真、多人協(xié)同管理、車(chē)門(mén)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(lái)改變攝像機(jī)位置和朝向,使用戶(hù)從不同的角度來(lái)觀(guān)察虛擬場(chǎng)景的效果。虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。在Viewer初始化之后,在場(chǎng)景中添加漫游器,通過(guò)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(chǎng)景的更新。

        從場(chǎng)景中選擇一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟隨。通過(guò)將攝像機(jī)聚焦到場(chǎng)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(guān)察運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部是否存在運(yùn)動(dòng)干涉。

        4.2 車(chē)門(mén)附件運(yùn)動(dòng)仿真模塊

        車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)附件主要包括玻璃升降器、門(mén)鎖及鉸鏈等。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程如圖4所示。

        首先利用UG軟件建立車(chē)門(mén)模型,接著將車(chē)門(mén)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(mén)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(chē)車(chē)門(mén)虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng),OSG加載并渲染車(chē)門(mén)模型。

        本系統(tǒng)將虛擬漫游技術(shù)和3dmax的動(dòng)畫(huà)技術(shù)相結(jié)合,開(kāi)發(fā)車(chē)門(mén)附件運(yùn)動(dòng)仿真模塊,對(duì)車(chē)門(mén)附件的組成和工作原理的展示更加生動(dòng)直觀(guān),學(xué)生還可以用來(lái)校核車(chē)門(mén)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(chē)車(chē)門(mén)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(guò)程全程進(jìn)行碰撞檢測(cè),如果出現(xiàn)碰撞,則彈出對(duì)話(huà)框“模型中發(fā)生碰撞,請(qǐng)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(guò)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(huà)播放功能。裝配動(dòng)畫(huà)可以很好地指導(dǎo)學(xué)生完成裝配操作。

        4.3.1 碰撞檢測(cè)

        汽車(chē)車(chē)門(mén)虛擬裝配教學(xué)系統(tǒng)將ODE和OSG結(jié)合起來(lái),利用ODE的碰撞檢測(cè)算法,編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)模型運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生碰撞。如圖6所示,圖中畫(huà)圈區(qū)域?yàn)樵诎惭b門(mén)鎖時(shí),門(mén)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(qǐng)返回上一幀操作”的提示框。

        圖3 場(chǎng)景漫游實(shí)現(xiàn)流程圖

        圖4 運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)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(lèi)osg::Animation Path記錄零件的裝配路徑。實(shí)現(xiàn)過(guò)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(chēng)、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(guò)程碰撞檢測(cè)圖(截屏)

        每個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)路徑信息存儲(chǔ)在A(yíng)nimation.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(lèi)中Updata Callback 函數(shù)來(lái)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(huà)框中輸入自己電腦的IP地址,便完成客戶(hù)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(huà)圈區(qū)域?yàn)槿煌瑢W(xué)拖著不同的零件同時(shí)進(jìn)行車(chē)門(mén)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(lái)控制車(chē)門(mén)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(kù)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(shuō)明其上層裝配體拆卸沒(méi)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(wú)上層父節(jié)點(diǎn),說(shuō)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(wú)法移動(dòng),系統(tǒng)彈出“請(qǐng)完成上一層級(jí)拆卸步驟!”對(duì)話(huà)框。這是因?yàn)樵诓鹦恫A灯鞔蟊蹠r(shí),沒(méi)有事先拆卸下升降器托架裝配體,所以此步驟無(wú)法進(jìn)行。

        裝配序列規(guī)劃模塊通過(guò)分層算法獲得合理的裝配序列,同時(shí)可對(duì)車(chē)門(mén)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(guò)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(chē)車(chē)門(mén)裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),加深學(xué)生對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解。如圖10為車(chē)門(mén)模型爆炸全局圖。

        圖10 車(chē)門(mén)全局爆炸圖(截屏)

        本文結(jié)合拆裝實(shí)習(xí)教學(xué)過(guò)程中問(wèn)題與需求,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了汽車(chē)車(chē)門(mén)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(guò)程中存在的問(wèn)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(guò)程中的團(tuán)隊(duì)合作精神。

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